第十一章微生物的应用

第十一章 • 微生物的应用

第十一章微生物的应用 • 前面十章阐述了微生物学基本理论的各个方面，它们是许多专业必须的基本知识。 • 微生物的应用则涉及人类经济生活的重要产业部门。 • 分别由应用微生物学的各个分枝系统介绍。 • 本书仅讲述农业和环境保护中有益微生物的几个应用问题，主要阐明有关原理。

第一节微生物接种剂 土壤中固有的有益微生物作用包括两个方面: 一是促进和刺激植物生长的细菌和真菌等微生物. 其机制包括从大气中固氮、增加铁、磷等矿质元素的吸收，合成促进细胞繁殖的植物激素等。二是可以抑制土壤中的有害微生物的生长而起间接作用的微生物。间接作用的机制则是有益微生物的生长阻止了有害微生物的生长，称为抗生现象，或是由于有益微生物耗尽了某种营养，或由于它释放出了某种物质抑制了有害微生物的生长。

而农业生产中采用有益微生物接种是调节土壤生物学过程的途径之一，有益于植物生长，甚至对品质也有一定程度影响，而且能够减缓环境污染，在持续农业中微生物制剂的应用无疑将占有愈益重要的地位在持续农业中微生物制剂的应用无疑将占有愈益重要的地位。而农业生产中采用有益微生物接种是调节土壤生物学过程的途径之一，有益于植物生长，甚至对品质也有一定程度影响，而且能够减缓环境污染，在持续农业中微生物制剂的应用无疑将占有愈益重要的地位在持续农业中微生物制剂的应用无疑将占有愈益重要的地位。 • 在微生物被发现之前，古代农民就有采用“客土法”的经验，搬运一些多年栽种豆科作物的土壤到从未种植过该种作物的田地里，其实质就是用根瘤菌接种。不过，直到根瘤菌纯培养成功后，才有商品接种剂的出现和发展。

一类是提高土壤供肥能力并提供植物养料 ，也称为微生物肥料。接种剂另一类是防治植物病虫害和消除杂草，也称为微生物农药。一、微生物肥料（一）微生物肥料的性质

微生物肥料同一般有机和无几肥料有重大区别。微生物肥料同一般有机和无几肥料有重大区别。 • 它在单位面积上的用量微小，以最常用的草碳吸附接种剂为例，一般每公顷施用7·5—15Kg即够。 • 也就是说，菌剂不是直接作为的养料或药物因为其量微不足道，而是靠它们在土壤中或植物表面大量繁殖，进行旺盛的代谢作用，才有可能起到供肥的作用。 • 所以接种剂这一术语较好地反映了它们的一般性质和作用，它同其它肥料的区别是十分明显的。

菌剂既然是起接种的作用，十分明显，作为接种剂的微生物必定是经过研究确定了它的性状。其性状的要求有：菌剂既然是起接种的作用，十分明显，作为接种剂的微生物必定是经过研究确定了它的性状。其性状的要求有：一如是根瘤菌菌珠必须是结瘤能力强、固氮效率高，而且对土著根瘤菌有竞争结瘤优势；二是作为商品菌剂要经过一系列的严格检验，证明对植物有益而无害，更不能是人畜的条件致病菌；三是菌剂的应用效果要有田间试验报告；

四是我国农业部设立了菌剂质量检查的专门机构，有效菌数等重要指标要经过检测，符合标准的产品才能出售；四是我国农业部设立了菌剂质量检查的专门机构，有效菌数等重要指标要经过检测，符合标准的产品才能出售；五是要标明菌剂的适用作物和土壤情况等。菌剂的性质决定了对它应有非常严格的要求，以保证使用后即有利于增产，又不污染环境。固体和液体培养可以直接施用，但一般都将培养体放入吸附剂中保存，使用方便。吸附剂是影响菌剂质量的因素之一。

常用的吸附剂有下列几类物质： ①草炭和土壤及添加物； ②植物材料，包括谷壳粉、蔗糖渣、玉米穗轴粉、腐熟堆肥等； ③惰性无机和有机材料，如蛭石、珍珠石、粉末磷灰石、硫酸钙、聚丙酰胺胶粒等。易于取材和使用广泛的是草炭吸附剂，以草炭作吸附剂制成的接种剂有粉末状和颗粒状两种剂型，可根据使用方式选用。

（二）、微生物肥料的应用 接种剂是用少量微生物接种于种子表面或土壤中，所以施用后不但要存活，而且要大量繁殖，才能发挥应有效果。 1、根瘤菌剂在1896年欧洲出现根瘤菌剂的专利产品后，它的应用一直在发展。根据豆科植物互接种族特点选用相应的优质根瘤菌接种，多数情况下有不同程度的增产效果，特别是过去从未载培过该种豆科植物的土壤条件下。

（1）、生产方法 根瘤菌剂的生产就是根瘤菌的繁殖过程，其生产流程为：砂土管固体扩大培养（25—30℃，5—7天）斜面菌种培养（25—30℃，液体扩大培养菌种 3—5天）（25—30℃，2—3天）菌液含菌量（20—100亿个/毫升）吸附剂干燥、粉碎吸拌成品（菌肥）灭菌附（含菌量原料剂菌 2—3亿个/克）

为了保证根瘤菌剂的质量，必须抓住以下几个环节：为了保证根瘤菌剂的质量，必须抓住以下几个环节：要有很强的竟争力，选出的菌种要和土壤中原有的根瘤菌竟争。 ①、侵染力强 ②、结瘤率高要具有旺盛的结瘤作用。 ③、固氮力强要有很强的固氮效率 ④、对豆科作物品种适应性强要对不同品种都具备适应性，也就是说，对这种品种适应，对另一种也适应。

（2）、应用方法 根瘤菌的田间应用传统上有两种基本方法，即种子拌菌和土壤混菌，它们各有利弊，需要改进和完善。 ①、种子拌菌种子拌菌是最常用的方法，它简便易行，用少量菌剂能使每粒种子上都黏附一定数量的根瘤菌。如果在拌种过程中加入黏附剂（常用阿拉伯胶）和其它材料做成丸衣化种子，则效果更好。若同时需要某种化学农药拌种，则必须预先测定该农药是否对施用的根瘤菌有不利影响。某种豆科植物种皮含有抑制根瘤菌的物质，这时拌种就不合适了。

种子拌菌法在未栽种过该种豆科植物的土壤上，一般都能获得良好的效果；种子拌菌法在未栽种过该种豆科植物的土壤上，一般都能获得良好的效果； • 而在有相同根瘤菌的大量土著菌株的土壤中，往往达不到预期目的。

②、土壤混菌 • 采用能使根瘤菌混合到根圈重要部位的方法比种子拌菌法的占瘤率高。 • 土壤混菌法早已有之，它源于古代“客土法”。随着根瘤菌生态学研究的深入，土壤混菌法也受到了重视，它可以提高接种菌的占瘤率和固氮效率（表11—1），在土著根瘤菌多的情况下尤为明显。 • 土壤混菌法的缺点是菌剂用量多，大面积混菌也不方便。经济而有效的方法仍有待于创造。

表11—1 大豆根瘤菌不同施用方法对共生效应的影响施用方法固氮量固氮率产量种子拌菌 40 30 4.6 土壤混菌 66 47 5.0 接种剂施用播种层 55 36 5.5 接种剂施于播种层5cm以下 63 46 5.3 不接种 — — 4.7

（3）、应用时间 为了简便，根瘤菌剂多在播种时施用，但也可在播种前后施用，需要时施用几次，以提高接种效果。 ①、播种前种子可以在播种前几个月或一年以上进行拌种，由厂家或种子公司做成丸衣化种子出售。 ②、播种时

在播种的同时施用根瘤菌是最常采用的方法，可以进行种子拌菌，也可以土壤混菌。在播种的同时施用根瘤菌是最常采用的方法，可以进行种子拌菌，也可以土壤混菌。 • 小规模播种时，种子拌菌一般在容器种中进行； • 大规模播种时，可以在播种机上安上辅助装置，拌菌后立即播入土壤中，固体和液体菌剂均可使用。 ③、播种后播种后再接种根瘤菌过去只是作为一种补救办法，当结瘤不好时追施一、二次菌剂可以提高结瘤率，国内外均有此经验。

2、固氮细菌制剂 土壤中能够进行固氮作用的细菌属种很多，用于生产菌剂的主要是固氮菌属的某些种和菌株，以及固氮螺菌属等。（1）、固氮菌剂 • 前苏联于20世纪30至50年代曾经广泛地应用固氮菌剂， • 我国在50年代后期和70年代中期也进行过许多试验和推广，有些发展中国家，如印度也有过研究和应用。 • 大量资料说明它的效果不稳定。

60年代以来，固氮菌生理学和固氮酶学的研究进展很快，认识到固氮菌只有在生长繁殖过程中固定分子态氮，而且仅满足自身需要，要待它们死亡后，细胞自溶或被分解时才能释放出化合态氮供植物和其它微生物利用。60年代以来，固氮菌生理学和固氮酶学的研究进展很快，认识到固氮菌只有在生长繁殖过程中固定分子态氮，而且仅满足自身需要，要待它们死亡后，细胞自溶或被分解时才能释放出化合态氮供植物和其它微生物利用。 • 贫瘠土壤中如果不加入有机物质，固氮菌不会生长繁殖和固氮；而在化合态氮较丰富的肥沃土壤中，固氮菌则利用有效氮而不固定分子态氮。 • 固氮菌在某些条件下，对植物生长的有利作用同它们产生植物生长激素和抗菌物质有关。

（2）、联合固氮菌剂 联合固氮细菌的应用已进行了许多接种试验。研究结果表明固氮螺菌对植物生长有促进作用，盆栽试验和小区田间试验表明增产效果，但变化幅度很大。 3、促生细菌（PGPR）剂 • PGPR能改善植物的营养状况并抑制某些致病菌（见第八章），盆栽试验和小区试验表明它们有很好地应用前景。 • PGPR的研究和应用是当前一个较为活跃的领域，有些种类可能诱导植物产生获得性整体抗性。

4、菌根菌 人们对菌根菌的应用已做了大量研究工作，特别是外生菌根。典型的例子是彩色豆马勃，它在林木育苗中已显示了很好的作用。这种菌的寄主范围广、抗逆性强、容易分离和培养，在美国已作为商品制剂广泛应用于林业生产，我国也进行了小规模应用。至今丛枝菌根的应用人仍处于研究阶段，主要原因是丛枝菌不能在人工培养基上生长繁殖，只能用寄生植物进行组织培养，限制了生产量。

二、微生物农药 • 近数十年来，有机农药在植物病虫害防治中的广泛使用，为确保农作物的高产丰收发挥了巨大的作用。 • 但其毒性、残留毒性、对商品和环境的污染、对天敌的杀害、对生态体系的影响、抗药性的发展带来了一系列的问题，所以积极发展高效、安全、经济的新农药是十分必要和迫切的。 • 其中微生物农药是值得重视的一种类型。但微生物农药所存在的残效短、效率慢、杀虫抗病范围不广等缺点还有待进一步研究解决。

（一）、微生物农药的性质和种类 • 利用自然界中某些生物控制虫害、病害及其它有害生物的方法称为生物防治，对有害生物起控制作用的生物统称为天敌。 • 微生物是天敌的一种类型。在微生物的各类群中，包括细菌、真菌、病毒和原生动物，都有一些能起控制病虫害作用的种类。 • 用它们防治害虫，称为以菌治虫；用它们来抑制作物的致病微生物或防治病害，称为以菌治菌或以菌治病。

①杀菌剂：利用微生物杀菌剂来杀死有害微生物；①杀菌剂：利用微生物杀菌剂来杀死有害微生物；微生物农药 ②杀虫剂：利用微生物制品来杀死有害昆虫； ③除草剂：利用微生物制品来除草（鲁保一号）。

（二）、微生物杀虫剂 ①细菌杀虫剂； ②真菌杀虫剂； ③病毒杀虫剂；原生动物杀虫剂；微生物杀虫剂象苏云金杆菌是世界上最广泛应用的杀虫细菌。

1、细菌杀虫剂 已发现的昆虫致病菌有：苏云金芽孢杆菌、金龟子芽孢杆菌、缓死芽孢杆菌等。在芽孢杆菌中研究得最深刻，应用最广泛的是苏云金芽孢杆菌。

苏云金芽孢杆菌对昆虫之所以有致病能力，主要是由于它产生的毒素。认为苏云金芽孢杆菌在生长过程中所产生的毒素可分为两大类：苏云金芽孢杆菌对昆虫之所以有致病能力，主要是由于它产生的毒素。认为苏云金芽孢杆菌在生长过程中所产生的毒素可分为两大类：在所有这些毒素中，研究得较多的，同时也是杀虫中起重要作用的是δ—内毒素，其次为β—外毒素。一类是δ—内毒素，即伴孢晶体毒素 α一外毒素 β—外毒素 r—外毒素不稳定外毒素另一类是外毒素是细菌在生命活动过程中排出体外的代谢产物。

δ—内毒素杀虫原理: • δ—内毒素(蛋白质晶体)在其碱性肠道中被水解成毒性短肽，产生毒性。 • 这种短肽作用于上皮细胞，使中肠麻痹。随着病情的发展，肠道壁细胞得胶粘物质破坏，上皮细胞削离，散落在肠腔内，这时中肠的透性失去控制，肠壁随后穿孔，肠道内含物、芽孢和细菌大量侵入血腔。中肠的PH由10·4下降至9·0；血液的PH则由正常的6·8上升至8·0，引起虫体全身麻痹，细菌大量繁殖，发生败血症而死亡。

苏云金杆菌对营养的要求不严，能在常用的细菌培养基（如牛肉膏蛋白胨培养基）中迅速地旺盛生长，并形成芽孢和伴胞晶体。苏云金杆菌对营养的要求不严，能在常用的细菌培养基（如牛肉膏蛋白胨培养基）中迅速地旺盛生长，并形成芽孢和伴胞晶体。 • 黄豆饼粉、玉米浆、麸皮等农副产品都是培养苏云金杆菌的良好材料。 • 苏云金杆菌制剂的大量生产可采用深层发酵法，也可采用固体发酵法。

2、真菌杀虫剂 在昆虫病原微生物中，霉菌占60%以上，而其中白僵菌引起的占21%，应用白僵菌治虫，国内已推广。白僵菌属于半知菌类的一种真菌，其中包括球孢白僵菌、卵孢白僵菌、小球孢白僵菌3个种。白僵菌最适生长温度为22—26℃，30℃和相对湿度20%—50%有利于孢子的成熟。孢子萌发要求相对湿度90%以上。

白僵杀虫原理 • 白僵菌一旦侵入虫体，就大量繁殖，形成许多长筒形孢子，也叫节孢子，如此反复增殖，充满于昆虫血液中，影响血液循环。 • 菌丝还分泌一定量的草酸钙结晶，在血液中大量积累，致使血液酸碱度下降，失去固有的透明性，引起血液理化性质改变。 • 病原菌大量地吸取昆虫的体液、养份、并分泌毒素（白僵菌素）破坏其组织，损害其机能，严重地干扰了它的新陈代谢活动，约二、三天后就死亡。

刚死亡的虫子，身体柔软，但因菌丝猛烈的夺取水份，尸体就很快干硬。刚死亡的虫子，身体柔软，但因菌丝猛烈的夺取水份，尸体就很快干硬。因此，使用白僵菌剂后，害虫很快就会因疾病蔓延而死亡，而且可较长时间有较；用起来也很方便，即可以把菌剂喷撒在虫子为害的作物上，也可以撒施在害虫群集的场所，这些优点都是化学农药无可比拟的。 • 直至侵入脂肪组织的菌丝破环全部脂肪吸尽其养份后，体内的菌丝便沿着尸体的气门间隙和环节间膜伸出体外，顶端产生分生孢子。白僵菌用于防治松毛虫、玉米螟效果更好，尤其是用于防治松毛虫，白僵菌可作为环境因子，持续多年控制松毛虫的危害。 • 这时，可看见虫体上披着白色茸毛，叫白僵虫。 • 条件适应时，从白僵菌孢子接触虫体，到萌发、生长、繁殖，使虫发病僵死，直至再长出菌丝体与分生孢子，仅需7—10天时间。

白僵菌对营养要求不严，在以黄豆粉或玉米粉等为原料的半固体培养基中 生长良好，并形成分生孢子。培养物干燥后制成白僵菌制剂。 • 在液体培养基中，白僵菌形成抗逆力差的芽生孢子。 • 除在菌剂生产中孢子萌发可引起操作人员的过敏外，尚未发现其它对人体有害的作用。

3、昆虫病毒杀虫剂 昆虫病毒种类多，分布广，专性强。常见的昆虫病毒有：核型多角体病毒、质型多角体病毒、颗粒体病毒、无包含体病毒。核型多角体病毒是已发现的种类最多的昆虫病毒。

昆虫幼虫感染多角体病毒后，一般需4—20天才死亡。昆虫病毒由于：①需通过寄主昆虫才能繁殖，培养困难；②专性强，杀虫谱太窄；③使昆虫致死的时间太长等原因未能在生产中应用。昆虫幼虫感染多角体病毒后，一般需4—20天才死亡。昆虫病毒由于：①需通过寄主昆虫才能繁殖，培养困难；②专性强，杀虫谱太窄；③使昆虫致死的时间太长等原因未能在生产中应用。 4、原生动物杀虫剂很多原生动物是节肢动物的病原菌，但它们感染动物的速度慢，时间长，因而大部分均不能用作杀虫剂。

（三）、微生物杀菌剂 • 在自然界的微生物之间，存在着各种不同的相互关系（见第八章），其中有一种称为拮抗关系，其含义是指生活在同一生境的两种生物，其中一种产生毒素或其它因素抑制另一种生物的现象。 • 这也就是“以菌治菌”的生防措施得以发展的依据。

抗生素的发现 • 早在1929年英国圣玛利学院的细菌学讲师弗来明最先发现了这种现象。 • 当他正研究毒性很大的葡萄球菌时，忽然发现原来生长很好的葡萄球菌全部消失了。 • 是什么原因呢？经过仔细观察后发现，原来有些青霉菌掉到那里去了。 • 显然消灭这些葡萄球菌的，不是别的，正是青霉菌。 • 这一偶然事件，导致药物青霉素以及一系列其他抗菌素的发现。

1、抗生菌和抗菌素 • 产生抗生素的菌种称为抗生菌。 • 目前已知的抗生菌种类很多，几乎微生物中的细菌、放线菌、真菌都能产生抗生素。 • 但放线菌类产生的抗生素最多，尤其是放线菌中的链霉菌属，真菌类抗生菌产生的抗生素仅次于放线菌，细菌类抗生菌比较少，主要是芽孢杆菌和极毛杆菌属。

抗生素是有抗生菌产生的次生代谢产物生理性活性物质。抗生素是有抗生菌产生的次生代谢产物生理性活性物质。 • 它既不参与细胞结构，也不是细胞贮存性养料，对产生菌本身无害。 • 但对敏感微生物有专性拮抗作用，而且作用很强，一万倍以上的稀释液有显著的抑菌和杀菌效果。

抗生素的作用具有选择性。 抗菌谱：各种抗生素的抗菌范围称为抗菌谱。窄谱抗菌素：象有的抗菌素对它敏感的微生物种类很少，称为窄谱抗菌素。青霉素只对革兰氏阳性菌有抑制作用，属于窄谱抗菌素。广谱抗菌素：而有的抗菌素对它敏感的微生物种类较多，故称为广谱抗菌素。如四环素族（金霉素、土霉素等）对革兰氏阳性和阴性、立克次氏体以及一部分病毒和原虫等都有抑制作用，属于广谱抗菌素。

抗生素的种类很多，它们来源于不同微生物类群，它们的化学结构，作用对象和作用机制都有不同。表11—2列出了最常见类别的代表。 ①阻碍菌体细胞壁的合成； ②影响菌体细胞膜的通透性； ③抑制核酸的合成； ④抑制菌体蛋白质的合成。抗生素对微生物的抗菌机制

2、应用抗生素防治植物病害 • 各种抗生素一般都在低浓度下对病原菌产生作用，这是抗生素区别于其它化学杀菌剂的又一重要特点。 • 各种抗生素对不同微生物产生抑制作用的有效浓度各不相同。 • 通常以抑制微生物生长的最低浓度作为抗生素的抗菌强度，简称有效浓度。 • 有效浓度越低，表明抗菌作用越强。有效浓度在100mg/L以上的属于作用强度较低的抗生素，有效浓度在1mg/L以下的是作用强度高的抗生素。表11—3列举了我国已应用的和有应用前景的农用抗菌素种类，主要应用方法，使用浓度和药理特性。

抗生素的应用方法有下列几种： ①对种子、秧苗传染的病害，可用抗生素浸种和苗床喷洒； ②对大田作物地上部分病害，选择适当时期进行植株喷洒； ③在果木上使用，若治疗树干病部，一般是将抗生素制成油膏进行涂敷或涂刷，如用内疗素涂敷橡胶割面，防治橡胶条疡病；用放线菌酮涂刷树干防治白松孢锈病。防治叶部病害仍然是采取喷酒的方法。

第二节微生物与农村有机废物处理 • 在农作物收获中，籽实和花果只是有机体的少部分，留下大量茎叶。 • 这些有机废物除少部分直接作燃料外，都要处理，转化为肥料或再生能源， • 这是自然界物质循环的一个特殊方面，微生物起主要作用。

一、堆肥制作的微生物学过程 堆肥一是指以植物性物质为主，一般略加粪尿，经混合堆积腐熟而成的有机肥料。也就是把不能直接使用到土壤中植物秸杆等原料，加入人畜粪尿进行堆制。（一）、堆肥的制作包括了原料的处理、水分、通气与保温、泥封和翻堆一系列操作过程，其详细内容不讲，请大家自己看。

（二）、堆肥的微生物学过程 堆肥制作过程中，复杂有机物质在一系列微生物作用下，逐渐降低С/Ν率，为植物提供可给态养料。此过程包括了发热阶段、高温阶段、降温阶段、腐熟保肥阶段。现分别加以讨论。

1、发热阶段 • 堆肥堆制初期，微生物旺盛繁殖，分解有机质，释放出热，不断提高堆肥温度，叫发热阶段。 • 在这阶段中，堆肥物质的变化主要是在好气性条件下易分解的有机质（简单糖类、淀粉、蛋白质等）迅速分解，产生大量的热，产生的热不易散失，积累起来提高堆制的温度。 • 在发热阶段，堆肥中的微生物以好气性的种类为主。最常见的是无芽孢细菌、芽孢细菌和霉菌。随着温度的提高，好热性微生物种类逐渐代替了中温性的种类而起主导作用，温度持续上升一般在几天之内即达到50℃以上，进入高温阶段。

2、高温阶段 • 温度可上升到50—60℃，堆肥材料中复杂的有机物质如纤维素、半纤维素、果胶物质等也开始被微生物强烈分解。 • 在这一阶段参与的微生物重要是好热性芽孢细菌，好热性放线菌和好热性真菌。 • 由于微生物继续旺盛活动，热量积累，堆肥温度上升到70℃以上。这时，大多数好热性微生物也大量死亡或进入休眠状态。由于初死亡的微生物所含的各种酶的作用，有机物质的腐解作用仍能进行一段时间。

但是，酶的作用很快衰退，产生的热量减少，当产生的热量小于堆肥散发的热量时，处于休眠状态的好热性微生物又恢复了它们的生命活动，产热量又增加了。但是，酶的作用很快衰退，产生的热量减少，当产生的热量小于堆肥散发的热量时，处于休眠状态的好热性微生物又恢复了它们的生命活动，产热量又增加了。 • 这样堆肥温度处于一个自然调节的延续较久的高温期，这对堆肥的快速腐熟起着重要的作用。 • 制造得法的快速堆肥，有相当长得高温期（持续在50℃以上大约二个月左右），堆肥材料能够在几个星期或2—3个月内达到适于施用的腐熟状态。 • 堆制不当得堆肥，或者只有很短得高温期，或者根本达不到高温，因而腐熟很慢，在半年或者很长时间达不到半腐熟的状态。

第十一章 微生物的应用