《土壤微生物生态工程》—硅酸盐细菌（解钾菌）（64）

（一）硅酸盐细菌的发现

硅酸盐细菌，在我国被称为解钾菌，是一类能分解硅酸盐矿物的细菌。1912年前苏联学者Bassalik首先从蚯蚓肠道中分离出一株细菌，发现其能分解长石、云母、土壤矿物等铝硅酸盐类的原生态矿物，使土壤中难溶性K、P、Si等转变为可溶性物质供植物生长利用。1939年，有人直接从土壤中分离出这种细菌并命名为硅酸盐细菌( silicate bacterium)。1950年Alexandrov从岩石材料中也分离出一株产黏液的能分解硅酸盐的细菌，并定名为胶质芽孢杆菌硅酸盐亚种(Bacillus mucilaginosus subsp. siliceus)，但限于当时的条件未对其作进一步研究，因此该种的分类地位长期以来未得到国际承认。

（二）硅酸盐细菌分类地位的确立

1986年Avakyan Z．A．通过对Alexandrov保存的胶质芽孢杆菌进行深入研究，在前苏联微生物杂志发表了名为《新种Bacillus mucilaginosus》的研究报告。同年Avakyan Z．A．等采用对其表型、化学特性和遗传型综合分析的方法（包括脂肪酸成分、DNA-RNA同源性分析及16S rRNA序列分析）将之与环状芽孢杆菌(Bacillus. cirulans)、多黏芽孢杆菌(Bacillus. polymyxa）等比较以确定其分类地位。其对硅酸盐细菌模式菌株1840D描述为：在马铃薯琼脂上的菌落为光滑边缘、平坦、湿润、有光泽，直径为0. 5cm。在阿须贝培养基上的菌落为隆起、半透明（透明），有黏液、边缘平坦、胶质黏稠直径为0.5～1.0cm，细胞不运动，伴有圆形末端，形状正规，单个伴有被膜大小为(1.0～1.2)×(4.0～7.0)cm，革兰染色不稳定。在含有碳和铵态氮的人工培养基上能完成整个发育周期，形成芽孢为椭圆形，在无氮培养基上不能形成芽孢。该描述1998年在IJSB发表，从而确立了胶质芽孢杆菌（Bacitlus mucilaginosus）作为一个种的分类地位。

（三）硅酸盐细菌对硅酸盐矿物分解作用研究

20世纪60年代陈华癸以长石、云母为唯一钾源对其解钾能力做了研究，接种该菌培养10天，以重量法计算溶液中水溶性钾比对照分别增加87%和65%，以容量法计算比对照分别增加25%和35. 7%。Zahra通过在土壤中接种硅酸盐细菌发现其能风化土壤中的硅酸盐矿物。殷永娴等从南京地区分离出一株钾细菌能利用钾铝酸盐中的钾及磷矿石中的磷，其解钾能力为15.61mg/kg，解磷能力为2.55mg/kg。蒋先军把硅酸盐细菌SB121和SB138接入加有矿粉、土壤的缺钾培养液中发现菌株使矿粉和土壤中游离的钾分别比对照增加2.7%～40.5%1.6%～21.6%。Karavajk发现硅酸盐细菌能分解石英中的二氧化硅。而连宾则指出在用GY92菌株处理伊利石时，细菌浸出伊利石中的钾后，由于菌胶团的形成和大量菌体的生长，相当数量的钾被菌体吸附或成为细菌的组成物质，因此溶液中的水溶性钾不高，甚至可能低于对照，但X衍射证明试验样品中伊利石矿物含量明显减少，矿物晶格层间距增大。盛下放把硅酸盐细菌NBT菌株接种到以钾长石为唯一钾源的培养液中，接菌组中的游离钾比对照增加了127.3%。通过扫描电镜对对照组及接种组中的钾长石进行观察，发现对照组中的钾长石表面较为光滑，而接菌组中钾长石表面凹凸不平呈珊瑚状。从培养液中游离钾增多及矿物表面结构的破坏的现象，他得幽结论：硅酸盐细菌能够破坏钾长石的晶格结构并使矿物中的钾释放出来，从而增加溶液中游离钾的浓度。刘五星的研究表明胶质芽孢杆菌10013对钾长石、云母、土壤矿物等硅酸盐矿物均有分解作用。同时他用BET低温氮气吸附法测定经该菌处理前后的矿物的表面积和平均孔径，发现经该菌处理后每克土壤矿物的表面积是处理前的266. 39%，平均孔径是处理前的114. 33%。这与连宾的X衍射实验结论一一经硅酸盐细菌作用后矿物晶格层间距增大——是一致的。这实际上是用不同方法证明了同一事实。

（四）硅酸盐细菌解钾作用机理研究

亚历山大罗夫认为该细菌生长过程中分泌的有机酸是溶解硅酸盐矿物并释放钾的主要原因。而华中农学院的陈华癸的研究表明硅酸盐细菌在实验过程中很少产酸。另外他将钾细菌用火胶棉与磷灰石分开发现钾细菌不能生长，磷灰石也不被分解。因此，他认为解钾途径可能有两种：①钾细菌和矿石接触并产生特殊的酶破坏矿石结构而释放出其中养分；②钾细菌和岩石矿物表面接触从而进行交换作用。前苏联学者Mallnovskaya I．M.指出钾、硅从硅酸盐矿物中析出是由于硅酸盐细菌释放的胞外多糖及低分子量酸性代谢物的综合作用。盛下放通过对硅酸盐细菌NBT菌株对钾长石的分解作用研究，认为其晶格结构的破坏与NBT菌株分泌的草酸、柠檬酸、酒石酸和苹果酸等有机酸、氨基酸及荚膜多糖的溶解、络合作用密切相关。连宾在综合已有的实验证据的基础上并结合理论分析提出了解钾作用的综合效应学说即：①不断增殖的细菌通过其胞外多糖与钾长石形成细菌矿物复合体；②细菌矿物复合体对有机酸及一些无机离子强烈吸附，从而导致该复合体微区域发生变化；③被包裹在复合体中的矿物颗粒被生物侵蚀，导致K+释放，K+与酸根离子结合，同时在缺钾情猊下细菌主动吸收复合体中的K+，从而打破了矿物溶解与结晶过程中的动态平衡，促进矿物降解及K+的进一步释放。

（五）硅酸盐细菌的应用

1．硅酸盐细菌肥料

由于硅酸盐细菌能够分解含钾硅酸盐矿物，因此以此菌剂为主要活性成分的生物钾肥在国内外被广泛应用。在20世纪50年代使用硅酸盐细菌制剂（生物钾肥）带来的增产效果在前苏联已有广泛研究。近年来，国内大量田间实验也表明生物钾肥对各种喜钾作物如甘薯、烟草、水稻等有明显的增产作用。作为微生物肥料，其在根际的定殖及在作物生长周期保持较多数量的成活，这是人工接种菌剂能否有效提高作物产量的重要因素。盛下放通过在无菌和有菌条件下培养和抗生素标记法测定表明硅酸盐细菌NBT菌株在小麦根际能够定殖并保持较多数量。其对作物的增产原因普遍认为是该菌能对土壤中的云母、长石、磷石灰等含钾、磷的矿物进行分解，释放出钾、磷等元素，改善作物的营养条件。但龙键认为生物钾肥在实际生产应用中，它们的增产作用不是因为增加了土壤中可溶性钾的含量，而可能和它们能合成维生素类、生长激素类物质以及和添加剂有关。近年来随着植物根圈促生细菌(PGPR)研究的发展，有关植物微生物区系对植物生长和产量显著影晌的证据增加，蒋先军认为：硅酸盐细菌的增产作用不应当只从它能分解硅酸盐矿物释放出钾来考虑其作用，还应当考虑到硅酸盐细菌作为一种根际微生物在植物微生物系统中的作用，而且作为根际微生物本身它还会产生各种作用如影响植物营养的有效吸收、植物病原物的活动和病害以及其代谢产物对植物生长的影响。

2．硅酸盐细菌肥料发酵生产的研究

由于硅酸盐细菌在生产中的广泛应用，为降低成本，提高产量，许多人在菌体发酵方面进行了研究。俄国学者Glukhova A.A．通过硅酸盐细菌在液体培养液中发酵试验发现，在以蔗糖为碳源，以铵盐为氮源时，代时最短，生物量最高。李华的研究则表明在分别以葡萄糖、甘露糖、淀粉、蔗糖四种为碳源的培养液中细菌在葡萄糖中生长最快，在以麸皮汁、豆饼、粉汁、酵母膏、牛肉膏四种为氮源的培养液中，麸皮汁为最佳氮源。另外，他认为金属离子、培养温度、pH、气/液比也对菌株的生长有一定影响。Erygin则在接种前用磁场处理培养基，发现处理比对照在生长速率、生物量方面均有较大增加。Krinarii则发现芽孢杆菌核糖核酸酶加入会明显地促进营养细胞的生长和芽孢的萌发。殷永娴的研究表明该菌为好氧细菌，摇床培养比静置培养的菌量多，在有氮培养基中的菌量明显多于无氮培养基，故生严菌肥应采用有氮培养基而在淀粉培养基中可形成较多的芽孢，适于制干菌粉。