微生物在土壤环境中的功能及应用技术研究

微生物在土壤环境中的功能及应用技术研究 袁红莉中国农业大学生物学院

报告提纲 一、微生物在土壤环境中的功能二、农业生产的现状及存在问题三、微生物在发展可持续农业中的应用技术-微生物肥料四、研究组工作介绍

一土壤生物保障土壤健康并调控全球变化昆虫植物根系温室气体：如CH4、N2O、NO、CO2等都是在微生物作用下形成甲烷排放气流穴居动物细菌真菌 60%以上火山泥浆产生的甲烷被甲烷氧化菌（细菌和古菌）所消耗新发现的厌氧甲烷氧化古菌（ANME-3）是大气甲烷浓度的重要调控者蚯蚓——土壤健康的重要指标之一

一土壤生物过程学土壤生物代谢过程：土壤中的生命体从外界吸收营养物质，通过体内新陈代谢作用维持生命活动，包括生命体内全部化学反应的总和土壤生物化学过程：研究土壤生物或其胞外酶在营养元素循环与毒害物质转化中的作用，包括土壤生物与酶驱动的物质转化过程土壤生物生态过程：研究土壤生物对环境信息的应答与适应调节过程，以及生物个体与群体间的相互关联与作用输入输出代谢过程生物化学过程土壤生物生态过程

一土壤生物维系土壤肥力和生态系统生产力根瘤菌 Synechococcus • 传统观点认为，与豆科植物共生的根瘤菌是主要的生物固氮微生物 • 最近研究发现，自生固氮菌如聚球蓝细菌和嗜热产甲烷古菌等在生态系统中也发挥巨大固氮作用，极大拓展我们对固氮微生物以及全球氮素循环的认识

一微生物的概念微生物通常是指一切肉眼看不见或看不清，必须借助于显微镜才能看到的一大类形态微小、结构简单的较为低等的微小生物的总称。

真核生物 细菌古菌

一 C 循环 N 循环 Fe S P 微生物其它元素微生物是地球物质循环的主要推动力 2008年Science专刊论述土壤微生物生物化学过程的重要性微生物是元素生物地球化学循环过程的发动机土壤质量形成的生物过程及机制、土壤微生物根际界面过程与农产品质量

一土壤物质循环机理土壤碳转化：纤维素分解与有机质转化、有机污染物降解等土壤氮转化：生物固氮、氨化作用、硝化作用、反硝化作用等其它元素：磷、硫、硅、硒、砷、汞、铁、锰、钙、镉、铬、铜等土壤酶及其活性：氧化还原酶、水解酶、转移酶、裂解酶…… 生物地球化学循环为土壤环境做永久卫士为土壤肥力做持续动力

二化学肥料过量使用带来严重的生态和社会问题土壤板结土壤盐渍化我国用肥最高的200个县年施氮 522kg/ha（是发达国家的50％以上；施用技术粗放） • 氮肥利用率仅10～30%！ • 磷肥当季的利用率不到10％连作障碍

二水华赤潮水体严重富营养化

二农药污染的土壤石油污染土壤除草剂的药害土壤污染严重，农产品安全质量下降，出口贸易壁垒

二耕地土壤污染剧增，“定时炸弹”隐患多耕地土壤中持久性毒害物质不断积累，土壤中残留的农药不断增加，农田和菜地重金属污染突出，面源污染导致的地下水污染严重等我国被污染的土壤面积已达到1300 万~1600 万hm2，经济损失达数百亿元之巨。

三我国农业必须走可持续发展的道路 • 保持稳定、持续增长的农业生产率。 • 保持稳定、持续的土壤肥力。 • 保持健康、协调的生态环境。 • 保持资源与环境的持续利用平衡协调：动物、植物、微生物关系和谐微生物肥料是农业可持续发展的的必然选择！

三微生物肥料定义 • 中国科学院院士，我国土壤微生物学的奠基人、华中农业大学陈华癸教授就微生物肥料的含义问题指出，所谓微生物肥料，“是指一类含有活微生物的特定制品，应用于农业生产中，能够获得特定的肥料效应，在这种效应的产生中，制品中活微生物起关键作用，符合上述定义的制品均应归入微生物肥料”。 • 目前“国家标准（GB20287-2006）”的定义：微生物肥料( microbial fertilizer/biofertilizer)---含有特定微生物活体的制品，应用于农业生产，通过其中所含微生物的生命活动，增加植物养分的供应量或促进植物生长，提高产量，改善农产品品质及农业生态环境。

三 • 利用微生物的生命活动及其代谢产物的作用，改善作物应分供应，向农作物提供营养元素、生长物质，调控其生长，达到提高产量和品质、减少化肥使用，提高土壤的肥力、减少或降低病（虫）害的发生、改善环境质量的目的，其制品通称为微生物肥料（接种剂、菌肥） • 产品分为两个大类（登记管理上划分标准）: 微生物菌剂(简称菌剂类产品) 微生物肥料类(简称菌肥类产品)

三菌剂类产品 • 菌剂类产品:指一种或一种以上的目标微生物经工业化生产扩繁后直接使用或仅与利于该培养物存活的载体吸附所形成的活体制品。它在单位面积上的用量少，一般每公顷使用量不超过 50千克（每亩不多于 5千克）。 • 具体种类:按产品中特定的微生物种类或作用机理又可分为：根瘤菌菌剂、固氮菌菌剂、溶磷菌剂、硅酸盐菌剂、光合细菌菌剂、有机物料腐熟剂（秸秆、粪便）、促生菌剂、复合菌剂、菌根菌剂和生物修复菌剂（农药残留降解、克服作物重茬）

三微生物肥料类产品 • 微生物肥料类产品:指目标微生物经工业化生产扩繁后与营养物质等复合（/复混）而成的、含有该培养物活体的制品。它在单位面积上的用量较大，一般每公顷使用量超过 450千克（每亩多于 30千克）。 • 具体品种有：生物有机肥（菌+有机质/肥）和复合微生物肥料（菌+无机养分），菌+有机肥+无机养分？

三近15年微生物肥料行业的基本情况一览表

三微生物肥料行业标准一览表

三我国微生物肥料管理与监督 • 实行登记证管理：有效登记证（产品、有效期） • 实行抽查的监管：国家有关部门下达任务，由中心到企业和市场抽查产品，以及该产品生产、销售和应用等情况。 • 农业或生产资料的执法检查： • 消费者的投诉：

三微生物肥料作用机理：六大功能机理 • NY/T1847-2010 《微生物肥料生产菌株质量评价通用技术要求》中总结的6个方面： • 提供或活化养分功能； • 产生促进作物生长活性物质能力； • 促进有机物料腐熟功能； • 改善农产品品质功能； • 增强作物抗逆性功能； • 改良和修复土壤功能。

三提供或活化养分功能 • 固氮：根瘤菌及其制剂产品，自生固氮菌、联合固氮菌及其制剂 • 解磷或溶磷：巨大芽胞杆菌、真菌、菌根菌剂 • 解钾：胶质芽胞杆菌、环状芽胞杆菌

三微生物肥料提高化肥利用率，减少化肥的使用量 • 微生物肥料与化肥配合使用，可提高化肥的利用率，减少化肥的流失，从而降低化肥的施用量（10%--30%）。 • 巴西、阿根廷种植大豆不施化学氮肥，美国仅施 5Kg/公顷氮肥。我国则施用150Kg/公顷氮肥，产量比国外低30％以上。 • 有经济上的意义，而且有生态学方面的价值，对环境也有益处。

三产生促进作物生长活性物质能力 • 很多种类能产生植物激素类物质：菌种主要有醋杆菌、气单胞菌、柠檬节杆菌、巴西固氮螺菌、自生固氮菌、巨大芽胞杆菌能产生如IAA、ABA等 • 植物根生促生细菌类：PGPR • 应用范围广：在农业上有良好的应用前景，尤其是这类微生物可以单独使用，更可以与其它微生物种类复合使用，使促生作用、肥效作用更好地结合起来，以提高和加强应用效果。这种复合剂型的研制是一个发展方向。

三促进有机物料腐熟功能:有机物料腐熟剂 • 包括细菌、真菌（酵母）、放线菌，种类众多 • 单菌组合或菌群 • 促进有机物料发酵腐熟(除臭、缩短发酵时间、定向腐熟) • 秸秆原位还田（国家需求）

三改善农产品品质功能 • 增加糖含量 • 降低亚硝酸盐含量

三增强作物抗逆性功能 • 减轻作物病虫害发生（病情指数） • 提高作物抗倒伏、抗旱、抗寒 • 克服作物连作障碍等方面的能力

三改良和修复土壤功能：农药等污染物的生物修复作用（新的热点） • 微生物由于数量大、种类多，变异快，降解有机物的潜力相当大，而且干净彻底、无二次污染，几乎所有能造成环境污染的有机物都能被微生物所分解、利用，这为我们消除农药残留环境污染提供了一条崭新的途径—农药面源污染的微生物修复（微生物降解的全面性）。 • 生物修复在美国已经形成了一门新兴的生物技术产业，有几十家生物修复公司，专门提供污染环境（土壤和水体的石油、化工污染）生物修复的技术方案和产品，在美国生物修复市场的营业额已经达到了百亿美元（新兴的生物技术产业）。 • 农药污染是中国等发展中国家所面临的迫切需要解决的问题，国内在农药残留的微生物降解方面进行了很多的研究，逐步在加大应用（现实迫切需要）。

三微生物肥料研发与产业发展趋势总趋势是： • 功效更好：新功能菌株/菌系、产品组合 • 效果更稳：产品质量稳定/长保质期、适应性强 • 成本更低：合理生产工艺 • 针对（性）更强：地域气候、作物种类、特定性能 • 专用复合：作物专用、特定效果（腐解、重茬）、多菌株复合、有机-无机-微生物复合

三国家对微生物肥料应用提出的需求 • 微生物在维持土壤肥力，恢复、保持土壤质量健康中作用； • 微生物在秸秆等有机物料中快速腐熟功效； • 微生物在固氮和养分转化，提供养分和提高肥料利用率的功效的提高； • 微生物在克服作物连作障碍中作用。

三重点的功能产品研究和应用，是微生物肥料行业发展的推动力目前研发的热点产品： • 有机物料腐熟菌剂（也称发酵菌剂）：适用于不同作物秸秆、不同气候条件、不同栽培耕作模式的快速腐熟菌剂为生产上所急需的； • 土壤修复菌剂（重茬、解毒、农药降解等）：尤以克服中草药等的重茬问题为迫切； • 根瘤菌剂：大豆和花生根瘤菌剂，苜蓿等豆科牧草根瘤菌剂 • 生物有机肥：国家生态示范区、绿色和有机农产品基地等已成为肥料的主力军。二、研究内容

三国家支持微生物肥料行业发展 • 出台《促进生物产业加快发展的若干政策》（国办发〔2009〕45号） • 　实施《绿色农用生物产品高技术产业化专项》（发改办高技[2009]536号； • 国家高技术产业化示范工程项目（发改委）； • 国家土壤有机质提升试点补贴项目（农业部）：秸秆还田中，政府采购腐熟菌剂，提供农民使用； • 中小企业创新基金：

三新闻媒体报道：

三难培养微生物的分离长期目标--建立土壤生物种质资源库土壤微生物生理群: C、N、P、S、Fe……… 农业种质资源库极端环境微生物:冷、热、酸、碱、盐……… 工业抗逆控害微生物: 重金属、有机物、生物污染… 医药环境我国主要土壤类型的微生物多样性及地理分布规律土壤中抗逆微生物的获取及资源化利用

四我们课题组的研究工作 • 微生物降解褐煤等劣质煤生产黄（腐)植酸及作物专用调节剂新产品研制 • 木质纤维素的微生物定向降解转化与生物能源、生物肥料 • 富营养化水体、污染土壤的微生物修复 • 功能微生物（菌群）的选育及菌剂研发

四研究背景 • 褐煤是煤化程度较低的低阶煤，直接燃烧的热效率低，工业应用价值较低 • 我国储量大约为1431亿吨，占我国煤炭总量的17% 河南驻马褐煤矿内蒙古呼伦贝尔大草原新发现205亿吨褐煤矿

四褐煤腐植酸黄腐酸 • 腐植酸、黄腐酸含有较高的内在水分和不同数量的腐植酸一类能溶于稀碱和焦磷酸钠溶液，含酸性基团的高分子化合物，可增加土壤有机质、土壤无机养分含量、提高化肥利用率腐植酸中分子量较小、酸性基团较多、生物活性较高的水溶性部分，在农业、工业及医药领域具有广泛的用途

四抗旱节水抗寒促进生长改善品质 • 黄腐酸在种植业上的应用诱导叶面气孔不均匀关闭，减少植物体内水分蒸腾散失提高SOD、CAT、POD和APX酶活性，提高体内活性氧清除能力提高根系活力，增强营养吸收能力，促进生长提高植物光合作用，增加可溶性蛋白、可溶性糖等渗透调节物质的积累，提高植物的渗透调节能力，提高作物品质

四黄腐酸主要产品风化煤黄腐酸：化学法从风化煤中提取生化黄腐酸：生物发酵秸秆等产生风化煤黄腐酸产量较低，生产过程会对环境产生一定污染；生化黄腐酸产物不均一易受施用环境酸碱条件限制

四 • 微生物降解褐煤生产黄腐酸黄腐酸产量较高，生物活性较强，整个过程不产生环境污染物 1 我国褐煤资源丰富，通过微生物降解技术利用褐煤生产具有较强生物活性的黄腐酸 2 2 2 为褐煤资源的高效、合理利用开辟了新途径 3

四微生物降解褐煤生产黄腐酸的研究 • 1987年本实验室开始了微生物降解褐煤的研究。 • 研究目的：通过微生物降解技术可以从低阶煤中释放腐植酸，并将大分子腐植酸降解产生分子量小、活性强的黄腐酸实现褐煤等资源的高效、可持续利用。 • 研究内容包括：降解菌株及菌群的选育、降解技术的研究、降解机理的研究、降解产物特性的研究、植物专用新产品研制

四 A B C 高效降解菌及降解菌对褐煤的群降解效果 A：细菌；B：真菌；C：降解菌群

四降解技术核心：以不同菌组配降解获得高黄腐酸产量发酵产物为水可溶组配菌降解内蒙褐煤产生FA产量

四降解产物特性 aHA、 FHA、 BHA的元素组成、原子数比及可见光吸收特性 a：三次测定平均值，下同；b：100％减去其它元素含量所得值

四黄腐酸包衣对玉米产量影响(2008) 8.1%

研究结果 四黄腐酸包衣配施腐植酸对玉米产量影响(2009)

黄腐酸包衣对大豆产量影响(2008) 12.6% 黄腐酸包衣对大豆产量影响(2009) 26.3%

沼液中添加降解腐植酸对西红柿品质及产量的影响沼液中添加降解腐植酸对西红柿品质及产量的影响

沼液中添加降解腐植酸对黄瓜品质及产量的影响沼液中添加降解腐植酸对黄瓜品质及产量的影响

微生物在土壤环境中的功能 及应用技术研究