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“腐植酸”与“微生物”,土壤修复好搭档

[2017-10-10]
腐植酸与微生物的关系十分密切。
腐植酸是动植物遗骸,主要是植物遗骸,经过微生物的分解和转化,以及地球化学的一系列过程造成和积累起来的一类有机物质。煤炭腐植酸是由亿万年前的植物和动物残骸经地壳内部高温高压厌氧反应而成。因此,在腐植酸的形成过程中,微生物发挥了重要作用。
“腐植酸+”微生物之间的相互关系涉及到腐植酸肥料生产和应用的全过程。对于化学法提取煤炭腐植酸(泥炭、褐煤和风化煤),微生物的效应主要体现在腐植酸肥料施用于土壤之后的表现,集中体现在腐植酸对土壤中土着微生物和发酵型微生物的影响;对于利用微生物发酵转化的腐植酸,微生物的效应则体现在煤炭腐植酸的发酵全过程以及腐植酸肥料应用之后,不仅要考虑发酵功能微生物转化黄腐酸、棕腐酸的效能,而且要研究该外源微生物与土壤微生物的拮抗、融合情况,还要观测该微生物群与土壤微生物之间是否建立了相对稳定可靠地微生态平衡。
一、     利用微生物发酵煤炭腐植酸是一种经济有效的转化方式
我国煤炭腐植酸资源丰富。近年来,腐植酸产业快速发展,许多地方的高中品位风化煤、褐煤通过化学提取转化生产出水溶性腐植酸后,剩余的不溶性残渣(主要是黑腐酸)被大量丢弃,既浪费资源,又污染环境。与此同时,许多煤炭腐植酸产地的中低品位煤炭腐植酸,尤其是腐植酸含量15%以下的风化煤被弃用。

国际上利用微生物转化褐煤、风化煤的研究正在广泛地进行,Cohen Gabriele 发现两株担子菌采革绒盖菌(Polyporus versicolor)和山地卧孔菌(Poria monticola),Faoussa等人研究发现卧孔菌(Poria moticola能够生长在褐煤上,并将固体褐煤转化成黑色液体。以后陆续发现许多微生物都具有转化煤的能力。
当褐煤和微生物接触后,微生物液化褐煤成黑色液体,表明微生物有分解褐煤的作用。微生物发酵和化学法处理褐煤存在显着差异。经微生物降解的腐殖酸与未降解的腐植酸,其氢、氧、氮均明显增加,而碳下降,说明产物分子中含氧、含氮官能团增加。说明腐植酸中甲基被氧化成羧基和羟基,从而使含氧量增加。经微生物降解后分子量减少,絮凝极限明显增大,腐植酸抗絮凝能力显着提高。褐煤经微生物发酵处理后其生物活性显着提高。微生物降解褐煤生成的腐植酸对土壤微生物区系具有明显地刺激作用。对萝卜枯萎病具有显着地抑制作用;促进大豆根瘤菌根瘤重增加;促进苜蓿根瘤重和根瘤数量有促进作用;能显着促进豌豆种子发芽和幼苗生长。
降解褐煤的微生物有细菌(主要是芽孢菌)、放线菌(链霉菌)、真菌(担子菌、霉菌)。降解褐煤的微生物大部分是木质素分解菌,此外微生物产生的碱性物质可以加速褐煤的分解,而分解褐煤的微生物不一定能分解木质素。褐煤在pH10时,其降解量是pH8-910倍;微生物降解褐煤的过程,既有微生物褐煤之间的作用,又有促进pH升高间接促进化学作用的过程,因此,微生物分解褐煤可能是个间接地化学过程。褐煤和木质素的结构相似,微生物分解褐煤主要的生物酶是木质素分解酶,主要有:木素过氧化物酶(Lip)、锰过氧化物酶(Mnp)、漆酶(Laccase)。除了木质素分解酶类外,一些水解酶(如酯酶)也能分解或液化褐煤。暴露在外的褐煤更容易被白腐菌等微生物分解或液化,同风化煤相似。而刚从煤矿中挖出来的褐煤则难以被微生物分解。褐煤在培养过程中,微生物也发生变化,从放线菌、细菌,逐渐向真菌转化。
褐煤风化程度降低时,主要的发酵微生物为放线菌和细菌。褐煤在自然风化过程中,微生物菌落发生变化,随着风化程度的加强,优势菌群逐渐演变成真菌,即使统一菌群中,不同的微生物群落发生更替。
风化煤中的腐植酸都是大分子物质,微生物一般很难利用。研究发现土壤、风化煤、林地等都存在能利用煤中含碳物质的微生物,主要是白腐菌、曲霉、木霉和青霉,另外链霉菌中的一些属,一些假单胞菌和杆菌也具有降解煤类物质能力。
一、     腐植酸与土壤微生物相互作用
土壤微生物和动物是土壤生态系统的重要组成部分,土壤中微生物数量庞大,微生物活力对土壤肥力有着重大影响。土壤微生物多样性可促进植物生长发育,增强植株的抗逆性,抑制土壤病原菌的繁殖。“土壤—植物—土壤微生物”构成了一个有机整体。生产上,时常出现土壤生物学障碍(土壤连坐障碍),在自然和农田生态系统中,“植物—土壤”的相互作用导致土壤生物群落(包括微生物、线虫、动物等)发生不利于某种植物生长和发育的现象。连坐导致土壤中有害微生物增加,土传病虫害严重,引起土壤微生物种群和数量发生变化。
腐植酸对土壤微生物活性的影响机理是多方面的。腐植酸可优化土壤环境中的碳氮比(C/N),有利于微生物生长发育;腐植酸通过优化土壤结构,优化土壤固、液、气三相,改善土壤理化性质,为土壤微生物提供主要的能量来源,帮助建立微生物种群,促进土壤中有益微生物的蓄积。土壤中的细菌、放线菌、真菌、藻类、原生动物、线虫、蚯蚓等与土壤有机质或土壤腐殖质含量有关。国内外大量试验结果表明,施用腐植酸可显着促进土壤微生物区系活动,提高酶活性。据河北省微生物所、吉林省农科院、365bet在线备用_365bet主页_365bet在线体育等单位测定,施用腐植酸后,土壤中好气菌(G+、芽孢杆菌等)增加100%,放线菌(链霉菌等)增加30%,硅酸盐细菌增加90%,纤维素分解菌增加500%,氨化菌增加40%,固氮菌增加40%;纤维素酶增加6%50%,磷酸酶增加8%46%,蛋白酶增加14%43%


腐植酸直接影响土壤微生物的生理活动,增加细胞膜的透性,促进营养物质的吸收,促进微生物细胞内多种生理活动、生化反应的进行。腐植酸可作为微生物体内无氧呼吸和有氧呼吸的电子受体,促进能量生成,进而促进微生物的生长发育。
土壤微生物是化学氮肥有效利用的关键制约者。土壤施用尿素的有效性能取决于经过土壤微生物分泌的脲酶将尿素转化成氨的多少和快慢。腐植酸能抑制土壤脲酶活性,进而影响氨的释放速度,从而影响以氨为底物的氨氧化古菌(AOA)和自养型氨氧化细菌(AOB)的群落结构,抑制因尿素加入而导致的土壤硝化势的增加,降低氨被氧化成亚硝酸和硝酸的速度,以及降低通过反硝化转化成氮气造成氮损失,起到氮缓释的效果,最终能够使更多的氮被作物吸收利用。腐植酸能够促进解磷菌和硅酸盐细菌的生长发育,提高土壤有效磷、速效钾含量,提高磷、钾肥利用率。腐植酸能够显着刺激根瘤菌的生长,促进豆科植物结瘤固氮。腐植酸还能调节甜叶菊、兰花等植物内生菌的数量和比例促进植株生长发育,显着提高甜叶菊的品质,提高兰花的观赏性。
反过来,土壤中的枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)、短小芽孢杆菌(B. pumilus)、一些链霉菌、酵母菌、曲霉菌、木霉菌和青霉菌等能够持续分解施入土壤中的风化煤、木质素、纤维素等,增加土壤腐植酸含量,进一步提高和延长腐植酸的作用效果。
三、     腐植酸生物发酵材料的作用效果
腐植酸生物发酵材料能够明显改善植株性状,增强抗逆性,提高商品产量、显着改善品质,还能促进土壤有益菌的繁殖,使土壤微生物种群优化,微生物数量显着增加并保持较强的生物活性。

冬小麦每亩施用100kg腐植酸生物活性肥料,土壤细菌数量增加61.9%,放线菌增加61.5%,真菌增加38.6%。
腐植酸复合微生物肥料能够降低土壤质量,但能增加蔬菜全生育期有机物积累量,显着促进蔬菜生长,表现为植株增大、干物质增多。腐植酸生防生物有机肥能使辣椒根腐病病情指数降低,防病效果提高;同时,使根际和非根际土壤的细菌和放线菌数量增加210倍,而真菌数量减少,土传病原菌如根尖镰孢菌的数量分别减少2.186.91倍和2.517.46倍;土壤微生物碳、土壤微生物氮、土壤微生物磷均增加。


大白菜施用腐植酸生物有机肥,大白菜功能叶中叶绿素a含量增加0.02~0.05mg/gFW,叶绿素b含量增加0.06 mg/gFW;大白菜单株重增加130~750g,净菜率提高5.3%~12.1%,亩产量增加0.32%~26.27%,维生素C含量增加16.3~33.2mg/kg,可溶性固形物含量增加0.7%~1.1%。
经腐植酸和有益微生物菌肥科学复配使用,能有效供给微生物生长所需的营养元素,加速菌肥中功能微生物的生长繁殖,进而形成更有利于作物吸收的微生物代谢产物,进一步提高复合微生物肥料的作用效果。利用复合微生物群高温固态发酵褐煤、风化煤、泥炭等煤炭腐植酸材料生产兼具腐植酸和微生物复合作用的新型肥料,用作基肥,是一种良好的土壤调理剂和土壤修复剂,对连坐土壤快速修复、盐碱地改良、优良土壤保持具有显着的效果,为中低品位煤炭腐植酸科学高效利用开辟了一条有效途径。