肥料微生物多樣性主要內(nèi)容固氮菌肥料微生物磷細菌肥料微生物鉀細菌肥料微生物抗生菌肥料微生物——產(chǎn)生抗生素光合細菌肥料微生物其他肥料微生物工業(yè)固氮高能固氮生物固氮有機氮合成氨化作用硝化作用反硝化作用O2不足硝化細菌反硝化細菌亞硝酸鹽一、氮素循環(huán)與固氮微生物微生物在氮循環(huán)中的作用1.固氮作用：大氣中的氮被轉(zhuǎn)化成氨（銨）的生化過程4.氨化作用：有機氮化合物被微生物的分解轉(zhuǎn)化成氨(銨）的過程2.硝化作用：在好氧條件下氨態(tài)氮經(jīng)硝化細菌氧化成硝酸鹽的過程。3.同化性硝酸鹽還原作用：指硝酸鹽被生物體還原成銨鹽并進一步合成各種含氮有機物的過程。5.銨鹽同化作用：以銨鹽作營養(yǎng)，合成氨基酸、蛋白質(zhì)和核酸等有機含氮物的作用，稱為銨鹽同化作用。6.異化性硝酸鹽還原作用：指硝酸離子充作呼吸鏈(電子傳遞鏈)末端的電子受體而被還原為亞硝酸的作用。7.反硝化作用：又稱脫氮作用，指硝酸鹽轉(zhuǎn)化為氣態(tài)氮化物(N2和N2O)的作用。8.亞硝酸氨化作用：指亞硝酸通過異化性還原經(jīng)羥氨轉(zhuǎn)變?yōu)榘钡淖饔谩Ｖ攸c內(nèi)容：生物固氮Someestimatesoftheamountofnitrogenfixedonaglobalscale.Thetotalbiologicalnitrogenfixationisestimatedtobetwiceasmuchasthetotalnitrogenfixationbynon-biologicalprocesses.TypeoffixationN2fixed(1012gperyear,or106metrictonsperyear)Non-biological

Industrialabout50Combustionabout20Lightningabout10Totalabout80

Biological

Agriculturallandabout90Forestandnon-agriculturallandabout50Seaabout35Totalabout175Datafromvarioussources,compiledbyDFBezdicek&ACKennedy,inMicroorganismsinAction(eds.JMLynch&JEHobbie).BlackwellScientificPublications1998.大氣氮：約1015噸雷電、車輛尾氣等：占5%生物固氮占：70%土壤氮工業(yè)固氮約占20%1997年美國農(nóng)田氮的輸入和作物吸收的氮來源氮量（Mt）商業(yè)化肥11.3豆科作物固定6.2其他2.1總數(shù)19.6作物吸收11.7作物吸收（%）60綠菌門甲烷菌所有能固氮的生物均為原核微生物自生固氮微生物共生固氮微生物聯(lián)合固氮微生物固氮微生物的類型：自生固氮微生物固氮微生物在土壤或培養(yǎng)基中自由生長時就可以固定分子態(tài)氮，對其他生物沒有依附作用，這類群的微生物稱為自生固氮微生物。已發(fā)現(xiàn)具有自生固氮作用的微生物有50多個屬，均為原核生物，有厭氧菌、好氧菌，其中固氮梭菌屬、固氮菌屬和固氮藍細菌最為常見丁酸梭菌嗜果酸梭菌拜氏梭菌巴氏芽孢梭菌克氏梭菌丙酮丁醇梭菌麥?zhǔn)纤缶痰缶鷮伲–lostridium)——厭氧芽孢桿菌巴氏梭菌（C.pasteurianum)：最常見，分布廣，固氮能力強拜氏梭菌(C.beijerinckii)、丙酮丁醇梭菌（C.acetobytycum）可進行丙酮丁醇發(fā)酵，生產(chǎn)丁醇燃料破傷風(fēng)香腸中毒氣性壞疽厭氧乙酰-COA固定CO2途徑固氮菌屬（Azotabacter）——G-好氣菌有氧條件下固定大氣中的氮，細胞多形，桿狀到卵圓狀、細胞單個存在、成對或不規(guī)則團塊、有時呈鏈狀；不形成芽孢，但形成孢囊；可形成莢膜，菌落呈黏液狀，化能異養(yǎng)菌，胞內(nèi)有PHB顆粒，廣泛分布于土壤中褐球固氮菌（A.chroococcum)最常見，分布較廣，固氮能力較強。1901年Berjerinck分離得到細胞多形：幼時桿狀，周生鞭毛；成熟后球形，有莢膜，失去鞭毛，排列成8字形或四聯(lián)體。無芽孢，產(chǎn)生非水溶性色素，菌落呈褐色，生長后期轉(zhuǎn)變?yōu)殒吣易陨痰柿系膽?yīng)用自生固氮菌肥料用于禾本科作物大田試驗中，只有1/3表現(xiàn)增產(chǎn)作用，增產(chǎn)率在5%~10%；對蔬菜作用效果明顯當(dāng)土壤C/N小于（70~40）：1時，自生固氮菌固氮作用停止。因此自生固氮菌肥料應(yīng)結(jié)合秸稈還田、有機肥料施用，還要保持有一定的水分、良好的通氣狀況和適宜的pH。藍細菌（Cyanobacteria）——產(chǎn)氧性光合作用的大型原核微生物含有葉綠素a，能進行產(chǎn)氧光合作用的原核微生物分布廣泛，“先鋒生物”的美稱形態(tài)差異極大,有球狀、桿狀和絲狀等形態(tài)營養(yǎng)極為簡單,不需要維生素,以硝酸鹽或氨作為氮源,多數(shù)能固氮,其異形細胞(heterocyst)是進行固氮的場所。常見的有：魚腥藻屬（Anabaesna）念珠藻屬（Nostoc）柱孢藻屬（Cylindrospermum）單歧藻屬（Tolypothrix）顫藻屬（Oscillatoria）眉藻屬（Calothrix）飛氏藻屬（Fischerella）席藻屬（Phormidium）異形胞靜息孢子水體富營養(yǎng)化指水體中生物營養(yǎng)物質(zhì)過多積累而引起的水質(zhì)污染現(xiàn)象。目前表征水體富營養(yǎng)化主要是以含N、P的有機和無機化合物的濃度高低來衡量。水體富營養(yǎng)化來源：生活污水：洗滌用品工業(yè)廢水：水產(chǎn)養(yǎng)殖：水體富營養(yǎng)化后果：藻類大量繁殖，水體透明度降低，完全依賴于光的水生生物喪失藻類進行光合作用放出O2，吸收CO2，使水體pH升高許多藻類產(chǎn)生藻毒素——甲藻、金藻、藍藻中的一些種微囊藻毒素：淡水水華中廣泛存在，感毒素，小鼠半致死劑量為0.05mg/kg，氰化納為4.3mg/Kg貝類中毒麻痹癥：雙鞭甲藻產(chǎn)生，軟體動物及魚類能富集毒素，食用魚將引起“肉毒魚類中毒”

惡性繁殖時“水華”(Waterbloom)，海洋里形成“赤潮”(Raltide)，有毒于海洋貝類

城市生活污水占入湖總量的52-74％“五百里滇池，奔來眼底，披襟岸幘，喜茫?？臻煙o邊”水華赤潮無錫太湖水污染

民以食為天，食以水為先聯(lián)合固氮菌有些固氮微生物與相應(yīng)的植物間有較為密切的關(guān)系，但同時又不形成根瘤那樣的共生結(jié)構(gòu)集聚于植物根際、根表，部分還可以進入根的皮層細胞間生活。取得定居環(huán)境和必要的養(yǎng)料，而又以固氮產(chǎn)物供植物利用到目前為止，所發(fā)現(xiàn)的各種聯(lián)合固氮細菌均能自生固氮作用，因而通常將他們歸到自生固氮菌類群中。常見的聯(lián)合固氮微生物：螺菌科（Spirillaceae）：固氮螺菌屬、草螺菌屬腸桿菌科（Enterobacteriaceae）：腸桿菌屬、克雷伯氏菌屬固氮菌科（Azotobacteraceae）：固氮菌屬、拜葉林克氏菌屬芽孢桿菌科（Bacillaceae）：芽孢桿菌屬假單孢菌科（Pseudomonadaceae）：假單孢菌屬其他還有一些聯(lián)合固氮菌屬于醋桿菌科和鹽桿菌科，在這眾多的聯(lián)合固氮菌中固氮螺菌屬是被研究得最多的一類。常用的菌種是巴西固氮螺菌Azospirillumbrasilense和產(chǎn)脂固氮螺菌Azospirllumlipoferum。圓褐固氮菌——水稻、小麥、甘蔗、玉米等作物根際及水生植物根際雀稗固氮菌——與雀稗嚴(yán)格聯(lián)合的固氮菌聯(lián)合固氮菌固氮菌屬：印度拜氏固氮菌耐酸能力較強，在酸性土壤中生長的水稻和甘蔗根際數(shù)量最多拜氏固氮菌屬：固氮螺菌屬產(chǎn)脂固氮螺菌聚生于玉米、甘蔗、高梁等作物的根表巴西固氮螺菌生長在水稻、大麥的根表，有時可以進入根的皮層內(nèi)增殖，聯(lián)合固氮量較高產(chǎn)堿桿菌屬

糞產(chǎn)堿桿菌首次從我國水稻根際分離到，它能在無氮無碳的培養(yǎng)基中生長，以氫為能源、二氧化碳為碳源，是一種化能自養(yǎng)菌，與水稻根系的聯(lián)合固氮效率較高，固氮產(chǎn)物氨或氮化物分泌到體外，直接供給水稻利用。聯(lián)合固氮菌在固氮酶催化機制的研究中，證明了固氮酶催化HD形成是固氮酶的普遍特性，而且是絕對依賴N2的；并提出了固氮酶的雙位點放H2模式；在固氮螺菌分子遺傳學(xué)研究中，建立了我國Yu62菌株的基因文庫，克隆和測序了該菌的ntrBC、draTG、nifA、glnB、glnZ和flbD等基因，并分析了它們的功能；構(gòu)建了能節(jié)約玉米氮肥20%的耐銨固氮基因工程菌株李季倫院士共生固氮微生物共生固氮微生物只有和其他生物共生才具有最高的固氮能力，形成共生固氮的特殊組織，最常見的是根瘤，但一些共生固氮微生物在自生時也具有固氮能力，只是活性較低，如：慢生根瘤菌屬。共生固氮體系根瘤菌——豆科植物共生體弗蘭克氏菌——非豆科植物共生體藍細菌——其他植物共生體根瘤菌—豆科植物共生體

——最高效的固氮體系根瘤菌的發(fā)現(xiàn)歷史：1865年，俄國沃羅寧發(fā)現(xiàn)豆科植物根瘤中含有細菌，并指出根瘤形成是細菌侵入的結(jié)果1886年，德國赫爾利格爾和惠爾法斯證明在滅菌盆土種植豆科植物只有接種土壤懸液才能形成根瘤，豆科植物只有形成根瘤才能固氮1888年，荷蘭別依林克第一次獲得根瘤菌純培養(yǎng)1889年，波蘭波拉自摸夫斯基用根瘤菌純培養(yǎng)接種豆科植物，形成根瘤根瘤菌—豆科植物共生體

——最高效的固氮體系根瘤菌菌體形態(tài)：根瘤菌呈桿狀，大小為(0.5~0.9)um×(1.2~3.0)um，G-，周生或端生鞭毛，無芽孢，有莢膜，有PHB(聚β-羥基丁酸)，根瘤中的根瘤菌初為桿狀，隨著根瘤發(fā)育，體積增大，形狀變?yōu)槔嫘?、桿狀、T形、Y形或X形，具有固氮活性，稱為類菌體。單作花生出現(xiàn)缺鐵黃化嚴(yán)重時(69d),單作(A)和混作(B)花生成熟根瘤侵染細胞電鏡觀察類菌體超微結(jié)構(gòu)(×13000)根瘤菌—豆科植物共生體

——最高效的固氮體系根瘤菌菌落形態(tài)：圓形，邊緣整齊，稍隆起，粘稠，不透明，乳白色。不吸收剛果紅。喜歡有機氮生長速度：快生、中慢生、慢生根瘤菌豆科植物共生體系田菁莖瘤刺槐的根瘤臺灣相思樹的根瘤豆血紅蛋白豆科植物根瘤菌年固氮量占生物固氮總量的65%；年平均固氮80-700kgN/ha；不同豆科植物的固氮量（Werner,1992）三葉草45-670豌豆50-500苜蓿90-340羽扇豆140-200大豆60-300花生50-150小扁豆50-150蠶豆100-300具喙田菁60-800固氮樹種80-500植物固氮量（KgN/ha2/a）（最低與最高范圍）根瘤菌-豆科植物共生體系的其它特點：抗逆能力強，是貧瘠荒漠地區(qū)的先鋒植物；根深葉茂，保水、保土及固沙能力強；為人畜提供高植物蛋白營養(yǎng)。沙打旺國家自然科學(xué)基金（）,研究防治荒漠化的結(jié)瘤豆科植物錦雞兒的根瘤菌多樣性錦雞兒國家自然科學(xué)基金（）,研究防治荒漠化的結(jié)瘤豆科植物錦雞兒的根瘤菌多樣性紅色記憶躬身四十載，

足跡遍神州。

學(xué)問求嚴(yán)謹(jǐn)，

碩果中華名。

笑迎八十壽，

心懷天下農(nóng)。

科海人無數(shù)，

今朝女英雄。采集根瘤標(biāo)本7000多份，分屬于100多屬600多種豆科植物；新記載結(jié)瘤植物300余種；分離根瘤菌5000多株(USDA收藏4016株)。經(jīng)多相分類研究發(fā)表2個根瘤菌新屬，占1984年以后新屬的1/2；18個新種，占新種的1/3；還有7個新種待發(fā)表。伯杰氏細菌系統(tǒng)學(xué)手冊第二版中根瘤菌的分類地位：PhylumProteobacteriaphy.nov.(變形桿菌門)Class“Alphaproteobacteria”(α-變形桿菌綱)Order“Rhizobiales”(根瘤菌目)FamilyRhizobiaceae(根瘤菌科)GenusRhizobium(根瘤菌屬）Agrobacterium（土壤桿菌屬）Allorhizobium（其它根瘤菌屬）Sinorhizobium（中華根瘤菌屬）Family“Phyllobacteraceae”(葉瘤桿菌科)GenusMesorhizobium（中慢生根瘤菌屬）FamilyHyphomicrobiaceae（絲微菌科）Family”Bradyrhizobiaceae”(慢生根瘤菌科)GenusBradyrhizobium（慢生根瘤菌屬）GenusAzorhizobium（固氮根瘤菌屬）Family“Methylobacteriaceae”（甲基桿菌科）GenusMethylobacterium（甲基桿菌屬）Esiferadhaerens

PhylumProteobacteriaphy.nov.(變形桿菌門)Class“Betaproteobacteria”(β-變形桿菌綱)OrderI.“Burkholderiales”Family“Burkholderiaceae”GenusBurkholderiaGenusCupriavidusFamily“Ralstoniaceae”通過對大量菌株的分類研究，結(jié)合宿主種類和生態(tài)環(huán)境因素的綜合分析修正并發(fā)展了根瘤菌“寄主專一性”和豆科植物“互接種族”的傳統(tǒng)概念一種根瘤菌只與一種豆科植物結(jié)瘤固氮——根瘤菌宿主專一性；一種根瘤菌只與一種或數(shù)種豆科植物結(jié)瘤，這群植物叫互接種族。傳統(tǒng)觀念：根瘤菌常見的互接種族：苜蓿族（苜蓿根瘤菌）：包括苜蓿屬和草木犀屬植物；三葉草族（三葉草根瘤菌）：只有三葉草屬一個屬；豌豆族（豌豆根瘤菌）：包括豌豆屬、蠶豆屬、山黧豆屬、兵豆屬和鷹嘴豆屬植物；菜豆族（菜豆根瘤菌）：包括四季豆屬中四季豆等植物；大豆族（慢生大豆根瘤菌、費氏中華根瘤菌）：只有大豆屬一個屬；豇豆族（豇豆族根瘤菌）：包括豇豆、花生、綠豆、赤豆等植物；紫云英族（紫云英根瘤菌）：只有黃芪屬一個屬（包括紫云英、沙打旺等）。豆科植物與根瘤菌共生關(guān)系的多樣性(1)宿主共生菌屬/種地理分布大豆3屬7種中國不同地區(qū)胡枝子2屬4種2屬2種（北京）1屬2種（美）紫穗槐3屬4種中國不同地區(qū)菜豆1屬4種2種(法)1種(墨)1種(哥倫比亞)田菁2屬3種1種(墨)2種(塞內(nèi)加爾)牧豆金合歡2屬3種2種(蘇丹)1種(塞內(nèi)加爾)豆科植物與根瘤菌共生關(guān)系的多樣性(2)共生根瘤菌

蝴蝶豆、野百合等9屬12種植物慢生分離地生長速度種名B.japonicum山螞蝗、豬屎豆等8屬18種植物快生R.hainanense苦豆子、錦雞兒等6屬8種植物中慢生M.tianshanense寄主海南海南新疆陳先生的看法是：根瘤菌與宿主植物的共生關(guān)系因生態(tài)環(huán)境的差異而具有很大多樣性。根瘤菌接種、選種新見解：對某種植物擴大選擇根瘤菌的范圍；要針對植物品種選擇最佳匹配的根瘤菌；要針對種植環(huán)境選擇最能適應(yīng)的菌株?！獙⒍箍浦参铩鼍采w系的應(yīng)用納入西部大開發(fā)規(guī)劃建議陳文新李季倫陳華癸李阜棣以牧草為例在我國40億畝草場改良中單播或混播豆科牧草，接種最適根瘤菌：1）每畝至少增產(chǎn)100kg干草，增值120元；2）苜蓿根深9米以上，高效保持水土；3）年固定20kg氮/畝，大大增加土壤肥力。其它農(nóng)林牧生產(chǎn)領(lǐng)域——糧食、油料、蔬菜、飼料、綠肥、中草藥、林業(yè)等領(lǐng)域，擴種豆科植物，接種最適根瘤菌，單作或與禾本科間作、套種、輪作，可大大減少氮肥用量，減輕環(huán)境污染，提高產(chǎn)量。其經(jīng)濟效益、生態(tài)效益及社會效益無法估量。苜蓿品種(RS)接種實驗對照對照接菌接菌結(jié)瘤實驗接菌對照土壤對照接菌對照接種豆科植物/禾本科植物間作效應(yīng)（引自朱有勇）020406080100120140塑料尼龍網(wǎng)間作15N吸收量(mg/pot)蠶豆小麥小麥蠶豆間作體系15N吸收量李隆籽粒產(chǎn)量(kg/hm2)增63.7%增17.3%（引自張福鎖等）紫花苜蓿與老芒麥間作效果103.94%38.90%87.16%83.77%101.87%93.81%13.41%24.09%老芒麥田間干草產(chǎn)量（kg/ha）010002000300040005000間作單作2007年第一次刈割不施肥施肥74.12%40.10%我們認(rèn)識到禾本科為豆科解決了氮阻遏的障礙，不僅增加固氮量，豆、禾雙高產(chǎn)，還可減少病蟲危害，相互作用機制正研究中。我們更有信心要發(fā)揮豆科——根瘤菌共生體在農(nóng)、牧業(yè)生產(chǎn)中的作用。豆科植物/禾本科植物輪作效果不施肥，玉米、豆輪作，玉米增產(chǎn)235-265kg/ha種草木樨后，小麥、谷子、高粱等增產(chǎn)40-100%豆科與非豆科的輪作套種的經(jīng)濟效益1995年，江蘇如皋市龍合鄉(xiāng)70公頃棉花、荷蘭豆輪作增產(chǎn)情況：荷蘭豆嫩莢產(chǎn)7500kg/ha干豆粒2250kg/ha皮棉1350kg/ha產(chǎn)值4.8萬元（合3200元/畝）

弗蘭克氏菌——非豆科植物共生體Frankia:G+,中溫，好氣菌。無氣生菌絲，在基內(nèi)菌絲末端形成孢囊，縱橫分裂成孢子。菌絲末端膨大形成泡囊，為固氮“器官”。自生、共生均可固氮與木本雙子葉植物共生固氮，形成根瘤。與Frankia共生固氮的植物國外報道有8科21屬190種，我國8科，80多個種。如：楊梅、榿木、木麻黃、沙棘等NitrogenfixingFrankiavesicleclustersinsidethenodules.(CourtesyC.Y.Li)ActinomyceteRootNodulesfromAlder(Alnus):Similarnodulesmayfixmoreatmosphericnitrogenthanlegume/RhizobiumNodules

榿木根瘤Alnusglutinosa（榿木

）andFrankiaroot藍細菌——其他植物共生體藍細菌(藍藻)中的許多種屬除能自生固氮外，念珠藻屬、魚腥藻屬等屬的藍細菌與部分苔蘚類植物、蕨類植物、裸子植物和被子植物可建立具有固氮功能的共生體藍細菌同真菌的共生——地衣在1700~l800種地衣中，約8％含有藍細菌，主要是念珠藻，有些共生體則是眉藻(Calothrix)、偽枝藻(Scytonema)和飛氏藻(Fischerella)。

地衣生長緩慢，Peltigera屬地衣的最快生長量每年只有2—3cm。但是它們在自然界分布廣泛，能夠在極端環(huán)境中生長，在表面溫度為0℃的極地可以固氮。地衣也能忍受長期干旱，干燥后再吸水時固氮酶活性可迅速恢復(fù)。在地衣Peltigeraaphthosa中，念珠藻將所固定氮量的95％以氨的形態(tài)分泌出采，供共生伙伴吸收。給沙漠鋪上生物地毯中國地衣學(xué)之父——魏江春