农业固体废弃物发酵液对微生物肥料促生增效研究(2)
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致谢 13
参考文献： 14
农业固体废弃物发酵液对微生物肥料促生增效研究
引言
我国农业现如今正在高速发展。从2004年至2015年，我国粮食产量实现了十二连增，并在2016年粮食产量仍然达到了历史第二的水平[1]。在这一系列进步的背后，是逐年加大的化肥施用。然而化肥的使用是把双刃剑，由于对化肥的过度依赖与过量使用，导致我国现在面临着耕地条件恶化、土壤质量与肥力下降等问题。因而，微生物肥料(Microbial fertilizers）的使用越来越受到人们的关注。微生物肥料是一种通过肥料制品中活体微生物的生命活动以及其代谢产物来发挥作用，在施用过程中使肥料肥力提升，并能够让对应作物得到特定的肥效[2]。现如今研究者们将微生物肥料按作用机理大致分为产生植物生长素、抑制病害、营养竞争还有诱导系统抗性(Induced systemic resistance，简称ISR)等[3]类型。其中微生物肥料的促生效果要通过植物根际促生菌(Plant Growth Promoting Rhizobacteria，PGPR)在植物根际范围内起作用。PGPR指可以自由生活在土壤或者可以附生于植物根系的一类能够促进植物生长、帮助其对矿质营养进行吸收和利用，并能抑制有害生物的有益菌类[4]。大量研究表明植物根际促生菌作用机理主要表现在促进根部生长和增加根表面积以增加植物对养分的吸收能力[5,6]和通过分泌激素来促进植物生长。PGPR可以定殖在根际进行生存繁殖[7]，研究发现PGPR可以感知植物分泌的信号物质而趋向根表游动并在根表形成稳定的群体结构，即生物膜结构[8]。而要想达到目的效果，就要保证PGPR能够在土体定殖或向植物根部趋化。Liu等[9]发现植物根系分泌物调节了黄瓜根系和根际微生物Bacillus amyloliquefaciens SQR9之间的互作，增强了根际定殖。根系分泌物中柠檬酸和延胡索酸的含量明显提高，柠檬酸可以诱导PGPR的趋化，延胡索酸可以刺激生物膜的形成，从而提高PGPR在根际的定殖。而Xu等[10]从SQR9分泌物中分离出一种脂肽（bacillomycin D)能够显著影响生物膜相关基因的表达。根据研究表明植物根系分泌物中的L-苹果酸参与到植物对有益微生物Bacillus subtilis FB17的募集的过程 [11]。De Weert等[12]表明PGPR对植物根系分泌物的趋化性是实现根际定殖的重要前提。
然而在实际使用过程中，PGPR的定殖效果可能并不明显，从而使微生物肥料的促生效果大打折扣，使当季增产效果不明显，阻碍了微生物肥料的推广。这个问题也许可以通过人为加入可以促进PFPR定殖的信号物质得以解决，而在厌氧发酵过程中各种废弃物在微生物作用下会生成多种可能促进PGPR定殖的活性物质[13]。厌氧发酵是指来自农业、生活等有机废弃物，在厌氧的环境下，通过微生物的代谢活动而被稳定化[14]，其中微生物包括纤文素分解菌和蛋白质水解菌等。通常可分为三个阶段[15]： 第一阶段为水解阶段，由多种厌氧（或兼性厌氧）的水解性、发酵性细菌如专性厌氧菌中梭菌属、拟杆菌属、丁酸弧菌属、真杆菌属、双歧杆菌属等，兼性厌氧菌中链球菌属等[16]，把纤文素、淀粉等糖类先水解成单糖，然后形成丙酮酸，蛋白质先水解成氨基酸，再进一步形成有机酸和氨，脂类先水解成甘油与脂肪酸，然后再形成丙酸、乙酸、丁酸、琥珀酸、乙醇、氢气、二氧化碳等[17]。第二阶段为产酸阶段，由厌氧的产氢产乙酸细菌群把第一阶段产生的各种有机酸分解成乙酸、H2、CO2的过程[18]。第三阶段为产气阶段，由厌氧的产甲烷菌群以一碳化合物(如CO2、甲醇、甲酸、甲基胺或一氧化碳)、二碳化合物(乙酸)和 H2产生 CH4的过程。[19]其中尤其以第一、第二阶段产生的酸类物质尤为关键，如GuoPeng等[20]利用玉米厌氧发酵，3天后检测出了甲酸、乙酸、丙酸、丁酸等可以促进微生物定殖的活性物质，还有Lü Fan[21]等发现pH=7最适产丁酸，pH为5.0最适产丙酸。厌氧发酵过程中产生的包括乙酸、丁酸、柠檬酸、苹果酸等诸多与根系分泌物组成相类似的有机酸可以促进PGPR菌在根际的趋化与定殖，因而农业固体废弃物（如沼渣、烟沫、菌糠）等通过新型的厌氧发酵技术有极大的价值可以生产出作为增强促生菌根际定殖的增强剂，有很大的应用前景。