生物鐵肥的研究進展與展望

鄭楓蔚 馬垚

摘要 鐵是植物正常生長發育必需的微量營養元素之一。鐵元素在土壤中的含量雖然很高，但植物可以直接吸收利用的有效鐵卻很少。因此，植物極易缺鐵，特別是在干旱、半干旱的石灰性土壤地區，缺鐵現象嚴重。生物鐵肥的施用會大大提高土壤鐵的利用率，相對于大量施用無機鐵肥，此方法既可提高其肥料利用率又經濟環保，可以在保證改善植物生長的基礎上，減少農用化肥投入，保護農村環境。本文就鐵肥應用現狀及其發展等方面的研究進展進行了綜述。

關鍵詞 生物鐵肥；微生物；植物

中圖分類號 S144 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2018）13-0187-01

鐵是植物生長發育必需的微量營養元素之一，能促進葉綠素的合成，是葉綠素形成的必需元素，在植株體內很難轉移，因而植物缺鐵導致的“失綠癥”首先表現在幼嫩葉片上；同時，鐵能促進作物根內硝酸的還原，對植物光合作用、呼吸作用都有影響，也是影響作物吸收氮和磷元素的限制因素。植物嚴重缺鐵時，葉片會逐漸壞死，甚至導致整株死亡。鐵元素雖然在土壤中的含量很高，但植物可以直接利用的有效鐵很少。

在實際生產中，高產作物投入的微肥量不足以抵消石灰性土壤自身堿性反應及氧化作用，使鐵形成難溶性化合物，降低其生物學有效性，導致植物極易因缺鐵而出現生長不良現象，特別是在干旱、半干旱地區的石灰性土壤中鐵溶解度極低，遠遠不能滿足植物生長所需[1-2]。植物缺鐵是世界各地農業生產面臨的一個共同問題。據調查，全世界約40%的土壤中生長的植物易出現缺鐵癥狀。而且鐵也是人類必需的元素，在人體中具有造血功能，參與血蛋白、細胞色素及各種酶的合成。目前，人類鐵營養的缺乏已經成為最嚴重的營養缺素癥之一。因此，提高土壤鐵的有效性，對治理與改善植物的缺鐵癥、提高其品質與人類健康均具有重要的理論與實踐意義[3-4]。

1 直接施鐵肥利用率低

鐵肥的肥效根本取決于鐵肥在土壤中的水溶性和穩定性，還取決于土壤酸堿性、氧化還原電位等多種因素。石灰性土壤pH值較高，可溶性無機鐵肥施入土壤中后會迅速沉淀并轉化成難溶的鐵化合物（如氫氧化鐵）。因此，肥效較差，而且即使增加鐵肥的施用量，其效果也不理想。

在實際生產中，矯正石灰性土壤上植物缺鐵癥常用的方法是將鐵肥直接施入土壤，但是土施鐵肥法一般肥料用量大，而且肥效十分不穩定。這主要是因為鐵肥直接土施時，亞鐵在石灰性土壤中會被氧化或者固定而失去肥效。有些植物可以產生適應性，并通過根系分泌有機物質活化土壤中的鐵供吸收利用。但大多數植物因無法產生這類物質而受缺鐵脅迫。

在國外，有機鐵肥和螯合鐵肥的生產與應用已非常普遍，而在我國因其價格昂貴、施入土壤后易降解、效果不穩定等原因而難以推廣。我國市售鐵肥仍以價格低廉的無機鐵肥為主，微生物鐵肥的研究與應用十分缺乏。

2 產生鐵載體的微生物能活化土壤鐵

雖然鐵在地殼中的豐度排第4位，但是由于地球的富氧環境，鐵以溶解度極低（10～17 mol/L）的氧化物形式存在，許多微生物通過合成分泌與Fe3+有高特異螯合能力的小分子化合物（分子量約1 000）攝取環境中的鐵，這類化合物即為鐵載體（siderophore）。鐵載體是一類較強特異螯合Fe3+（螯合系數可達1 020～1 030）的小分子化合物，很多植物根際微生物可以通過合成這類物質攝取環境中的鐵，并將多余的鐵提供給植物；也可以與根際鐵載體產量很小的有害病原菌競爭鐵元素，從而抑制有害微生物的生長和繁殖。

鐵元素是細菌的重要營養物質之一，對于保持細胞內多種酶的活性具有十分重要的作用，若缺少鐵很多作物會無法正常生長。鐵在自然界中含量豐富，但大多以細菌不能利用的化學形態存在，細菌能夠利用的生物有效鐵十分少。在漫長的自然演化中，部分細菌進化出了獲取鐵的特殊能力，分泌出一種小分子化合物（鐵載體），將鐵離子（一種生物有效鐵）緊緊束縛住。此外，鐵載體還可以幫助細菌攝取一些深埋于礦物質或其他螯合物中的鐵離子。

正因鐵載體有如此妙用，細菌才會遍布土壤、海洋這些“有效鐵”資源匱乏的廣大地區。Ferret等[5]發現一類Pseudomonas，產生的鐵載體可以幫助釋放蒙脫石中的鐵、硅等元素，促進細菌對鐵的攝取，有利于細菌生長。大量研究表明，能產生鐵載體的微生物不僅能保證細胞正常生長，而且會通過釋放鐵載體為其他生物提供良好的鐵源[6-7]。Sharma等[8]研究發現，接種可產鐵載體的Arthrobacter globi-formis可幫助釋放土壤鐵、促進玉米和小麥對土壤鐵素的吸收。

3 產鐵載體的微生物與廉價無機鐵肥復配施用經濟環保

目前，市場上出售的有機復合肥多是造紙產業的副產品木質素磺酸鐵、多酚酸鐵和鐵代聚黃酮類化合物等，作為微量元素載體雖然成本較低，但效果也較差，不易與金屬鹽混配。有機酸與鐵離子形成穩定的螯合物，螯合鐵肥對鐵元素的螯合保護能使鐵最大量地被植物吸收，所以被市場接受。相對于大量施用無機鐵肥，采用新型生物鐵肥既提高其肥料利用率又經濟環保，而且可以在保證植物正常生長的同時，減少化肥投入，保護農村環境，符合當前國家提倡的化肥農藥雙減政策。

隨著社會生活水平的提高，農業生產向優質高產方向

轉變，通過常規育種和植物生物技術選育鐵營養高效型作物種類和品種也成為提高作物中鐵含量的重要方法之一，越來越受到各國植物育種學家和營養學家的重視。但是常規育種成本較高；生物技術研究不但費用昂貴，而且隨之產生的生物安全問題也充滿著爭議。因此，鐵肥的發展已經成為微肥發展的重要支柱之一。

近年來，隨著微生物鐵營養研究的深入，微生物在肥料方面的作用越來越受到重視。微生物產生鐵載體能夠使難溶性鐵活化，提高鐵在土壤中的溶解性和移動性，增加鐵對作物的有效性，對于自身不能分泌麥根酸的雙子葉植物和除禾本科外的單子葉植物在石灰性土壤中抗鐵脅迫生長具有重要的意義。此外，鐵載體還能影響某些動植物病原菌的致病性，具有鐵載體合成能力的微生物能夠供給植物鐵營養或通過與植物病原菌競爭鐵營養達到生物防治的作用。

4 問題與展望

目前，我國市場上銷售的鐵肥以無機鐵肥為主，價格低廉，但無機鐵肥性質不穩定，使用效能低下。在國外，有機鐵肥和螯合鐵肥的生產與應用技術較成熟。我國對鐵肥的生產和應用還處于初級階段，產業化的生產技術和應用的產品多依賴于進口。新型緩釋鐵肥出現時間相對較晚，個別品種肥效研究僅限于試驗條件，具體技術尚不清楚。因此，我國要加強有機鐵肥與螯合鐵肥的生產與研究，加強新型緩釋鐵肥品種的后期施用效果研究。

5 參考文獻

[1] 魏本杰，曾曉希，劉志成，等.產鐵載體菌的篩選鑒定及活化鎘的性能探究[J].環境科學與技術，2014，37（11）：26-31.

[2] 劉自飛，高麗麗，王盛鋒，等.常見鐵肥品種及其使用效果綜述[J].中國土壤與肥料，2013（6）：1-9.

[3] 梁建根，郝中娜，王連平，等.嗜鐵素功能研究概述[J].中國農學通報，2011，27（5）：284-287.

[4] 李林，壽惠霞.作物鐵生物強化[J].生命科學，2015，27（8）：1037-1046.

[5] FERRET C，STERCKEMAN T，CORNU J Y，et al.Siderophore-promoted dissolution of smectite by fluorescent Pseudomonas[J].Environmental Microbiology Reports，2014，6（5）：459-467.

[6] HARRISON F，MCNALLY A，DA SILVA A C，et al.The social evolution of siderophore production in Pseudomonas aeruginosa is environmentally determined[EB/OL].[2018-02-21].https：//www.biorxiv.org/node/26899.

[7] TAJ Z Z，RAJKUMAR M.Perspectives of Plant Growth-Promoting Actin-omycetes in Heavy Metal Phytoremediation[M].Springer Singapore：Plant Growth Promoting Actinobacteria，2016：213-231.

[8] SHARMA M，MISHRA V，RAU N，et al.Increased iron-stress resilience of maize through inoculation of siderophore-producing Arthrobacter globiformis from mine[J].Journal of Basic Microbiology，2016，56（7）：719-735.