礦區(qū)周邊土壤的微生物研究進展

劉玉峰，唐胡鈺，謝杭冀，華 磊

（1.長沙有色冶金設(shè)計研究院有限公司，湖南 長沙 410000；2.中機國際工程設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410000）

1 緒論

礦區(qū)周邊土壤中通常含有非常豐富的磷，但是土壤中大部分的磷都存在于不溶性礦物化合物中，植物根系不能直接對其利用和吸收。土壤中的總磷中只有0.1%以可溶形式存在，可用于植物吸收。磷在土壤中主要為有機磷和無機磷兩種形態(tài)，其中無機磷主要以礦物形式存在。土壤中20%至80%的磷以有機化合物的形式存在，其中植酸或六磷酸肌醇通常是主要成分。其余的磷以170種礦物質(zhì)形式存在于土壤中。

礦區(qū)周邊土壤中的解磷微生物可以降解不溶性磷并且將其轉(zhuǎn)化成可溶性磷并釋放到土壤中，供植物根系吸收利用。具有這種解磷能力的微生物統(tǒng)稱為解磷菌，其中包括細菌、真菌和放線菌。

礦區(qū)周邊土壤中的微生物主要分為無機磷解磷微生物和有機磷解磷微生物兩大類。許多微生物例如芽孢桿菌屬，假單胞菌屬，曲霉屬和青霉屬可以分泌不同類型的有機酸，例如羧酸。從而降低植物根系的pH，使有機/無機磷在土壤中的溶解度。

許多研究表明，土壤中的微生物多樣性及其在生態(tài)系統(tǒng)中的作用對植物的生長起著至關(guān)重要的作用。這篇綜述主要探討了礦區(qū)周邊土壤中的無機磷解磷微生物、有機磷解磷微生物，和他們的解磷機制，還討論了其作為促進磷酸鹽利用率所存在的問題。

2 礦區(qū)周邊土壤中解磷微生物的種類及分布

2.1 礦區(qū)周邊土壤中微生物的種類

礦區(qū)周邊土壤中的微生物通常不以單質(zhì)元素形式存在。土壤溶液中的磷以不溶性無機磷和不溶性有機磷的形式存在。土壤中的磷無法在生物圈循環(huán)，因此生物圈的生物無法像利用氮元素那樣從大氣中獲得。隨著土壤的風(fēng)化，土壤中的磷元素將釋放到土壤溶液中，然后土壤溶液中的磷被植物根系和微生物吸收利用，之后轉(zhuǎn)移到地表水中。土壤中的磷含量約占土壤總重的0.05%。但其中的大部分（約95%至99%）以不溶性磷酸鹽的形式存在。土壤中的磷主要以磷酸根陰離子的形式被植物根系吸收。磷酸根陰離子的吸收主要取決于土壤的pH值。土壤中的磷可以與金屬陽離子反應(yīng)。例如Ca2+可以與磷酸鹽反應(yīng)，從而形成復(fù)合磷酸鈣(Ca3(PO4)2)，在酸性土壤中磷可以被Al3+和Fe3+固定，形成磷酸鋁(AlPO4)和磷酸亞鐵(Fe3(PO4)2)。然而這些無機磷不能直接被植物利用。這些微溶的無機磷如果可以被無機磷解磷微生物有效的轉(zhuǎn)化為可溶性磷的形式，那么在土壤中磷酸鹽可以有效地被農(nóng)作物利用，從而在全球范圍內(nèi)維持較高的產(chǎn)量。

2.2 無機磷解磷微生物

礦區(qū)周邊的土壤中無機磷解磷微生物解磷機理主要為酸解，有機磷解磷微生物的解磷機理主要為酶解，然而大部分微生物都具有雙重性，既能分泌有機酸溶解土壤中的無機磷，又能分泌植酸酶、磷酸酶等分解有機磷。土壤中的無機磷的降解取決于微生物釋放的代謝產(chǎn)物。其主要機理是通過微生物代謝過程中釋放的有機酸與土壤中磷酸鹽螯合而實現(xiàn)的。該代謝產(chǎn)物通過其羥基和羧基螯合與磷酸鹽的陽離子結(jié)合，從而將不溶性無機磷轉(zhuǎn)化為可溶性形式。據(jù)文獻報道，在土壤和植物根系中有多種磷酸鹽溶解菌。與非根系土壤相比，通常在植物根系存在較高濃度的磷酸鹽增溶菌。包括假單胞菌、根瘤菌、芽孢桿菌、農(nóng)桿菌、伯克霍爾德氏菌、黃桿菌、微球菌、氣桿菌和歐文氏菌。這些細菌根據(jù)種類不同，具有溶解不同無機磷酸鹽化合物，例如磷酸三鈣，磷酸二鈣，羥基磷灰石和磷酸鹽巖。

2.3 有機磷解磷微生物

土壤中有機磷降解的主要途徑是酶解，土壤中的微生物分泌的磷酸酶可以將有機磷水解并轉(zhuǎn)化為無機化合物，從而為植物根系吸收利用。土壤中的植酸一般通過解磷細菌分泌的植酸酶分解并釋放出可溶性磷酸，從而被植物或農(nóng)作物吸收利用。

此外，有機磷解磷菌可將核酸類有機磷通過磷酸酶水解為磷酸和糖。有機磷解磷微生物主要包括，蠟狀芽孢桿菌、巨大芽孢桿菌等芽孢桿菌屬的一些種；此外還包括變形菌屬和沙雷氏菌屬。此外包括鏈霉菌、曲霉屬和節(jié)桿菌屬。

2.4 溶解機理

土壤中的解磷微生物通過各種方法將土壤中的磷轉(zhuǎn)化為植物可以吸收的形式，包括降低土壤的PH值，螯合和礦化。土壤中的微生物通過產(chǎn)生有機酸降低土壤pH值來提高土壤中磷的利用率。例如，在堿性土壤中的磷酸鹽會沉淀形成磷酸鹽鈣，它們的溶解度隨土壤pH值的降低而增加。許多研究顯示，解磷微生物在代謝過程中可以通過有氧呼吸或發(fā)酵過程放出有機酸。產(chǎn)生的有機酸的種類隨微生物的種類的不同而不同。磷的增溶效果取決于產(chǎn)生的有機酸的強度和性質(zhì)。可以溶解磷酸鹽的有機酸主有檸檬酸，乳酸，葡萄糖酸，2-酮葡糖酸，草酸，糖基，乙酸，蘋果酸，富馬酸，琥珀酸，酒石酸，丙二酸，戊二酸，丙酸，丁酸，乙二酸和己二酸。與一元酸和芳香酸相比，三元羧酸和二元羧酸在磷酸鹽增溶過程中更有效。與酚酸，檸檬酸和富馬酸相比，脂肪酸在磷酸鹽增溶中也更有效。土壤中解磷微生物產(chǎn)生的有機酸和無機酸還可以通過陽離子的螯合溶解不溶性土壤磷酸鹽，并與磷酸鹽競爭土壤中的吸附位點。產(chǎn)生的酸羥基和羧基與磷酸鹽結(jié)螯合，從而將其轉(zhuǎn)化為可溶形式。這些酸可以與土壤中的Al和Fe的不溶性氧化物的固定位點結(jié)合從而形成穩(wěn)定的螯合物。土壤磷的降解的另一種可能的機理是礦化作用。解磷微生物通過礦化過程將有機磷酸鹽轉(zhuǎn)化為可利用的形式。土壤中有機磷的礦化對土壤中化肥固定起著至關(guān)重要的作用。解磷微生物通過產(chǎn)生的磷酸酶水解有機形式的磷酸鹽化合物，從而釋放出無機磷被植物吸收。堿性磷酸酶和酸性磷酸酶使用有機磷酸酯作為底物將其轉(zhuǎn)化為無機形式。許多研究報告真菌可以分泌磷酸酶，其中包括曲霉，煙曲霉菌，黑曲霉菌，寄生曲霉，皺紋曲霉，土曲霉，毛細線蟲。

3 展望

土壤中的解磷微生物可以將不溶性磷轉(zhuǎn)化為植物可利用溶解磷的形式，從而提高了農(nóng)作物和植物的生長。因此在土壤中接種解磷微生物是提高土壤中磷的生物利用率的最有效的方式之一。因此解磷微生物接種到土壤中可用于增強磷肥的利用率，以滿足植物和農(nóng)作物對磷的需求，從而持續(xù)提高農(nóng)業(yè)的產(chǎn)量。因此解磷微生物在土壤中的應(yīng)用可作為一種促進生物肥料利用率的方法。礦區(qū)不同地段土壤微生物活性指標均存在明顯的差異。除礦口附近外，土壤微生物生物量隨著離礦口距離越近其數(shù)值越低，在礦口處，微生物生物量只有300mg/kg，明顯低于其它地段。在遠離礦口較遠的地方，微生物生物含量也較低，表明該礦區(qū)土壤的微生物生物量受到污染，因此，進一步的研究解磷微生物在土壤中的應(yīng)用，對農(nóng)作物利用生物肥料的探索至關(guān)重要。根據(jù)本文所述，磷酸鹽化肥與解磷微生物接種物的組合可能非常有效。盡管這種方法可能非常有效，但這種方法的實際運用往往是資源密集型的，需要付出較高投資成本和運營成本。

4 結(jié)論

本文對礦區(qū)周邊土壤中磷的種類、有機磷解磷微生物、無機磷解磷微生物、降解機理進行了綜述，還討論了其作為促進磷酸鹽利用率所存在的問題。

本文中討論的可行的方法例如磷酸鹽化肥與解磷微生物接種物，盡管該方法可能非常有效，但這種方法的實際運用目前來看是資源密集型的，并較高投資成本和運營成本。由于較高的投資成本和運營成本使其無法使用，因此目前不能廣泛使用。有關(guān)解磷微生物接種在土壤中的應(yīng)用的研究還需要進一步深入下去。