含鉀巖石生物轉(zhuǎn)化中的微生物多樣性與作用機(jī)制研究.pdf

1、鉀是農(nóng)作物生長必需的大量營養(yǎng)元素之一，而我國鉀肥資源短缺，因此通過生物轉(zhuǎn)化將我國含量豐富的低品位含鉀巖石生產(chǎn)成生物鉀肥不但能拓寬我國鉀肥生產(chǎn)資源，還可以緩解農(nóng)業(yè)生產(chǎn)鉀肥緊張的狀況。微生物在含鉀巖石生物轉(zhuǎn)化過程中發(fā)揮重要作用，對含鉀巖石生物轉(zhuǎn)化過程中微生物的多樣性進(jìn)行研究，進(jìn)而對其風(fēng)化含鉀巖石的機(jī)制進(jìn)行探討，有利于為進(jìn)一步改進(jìn)含鉀巖石生物轉(zhuǎn)化工藝提供理論依據(jù)。
　　為研究蚯蚓(Pheretima carnosa)對低品位含鉀礦石風(fēng)化

2、的促進(jìn)作用，用含鉀礦粉喂養(yǎng)了蚯蚓，然后對喂養(yǎng)蚯蚓前后含鉀礦粉水溶性和硝酸浸提液中鉀、鋁、鐵、鈣等元素進(jìn)行了測定，結(jié)果表明：飼養(yǎng)過蚯蚓的鉀礦粉與不加蚯蚓的對照樣品相比，前者水溶性和硝酸浸提液中鉀、鋁、鐵、鈣等四種元素含量均明顯高于后者，其中水溶性鉀、鋁、鐵、鈣等元素含量比后者分別高5.64％、20.25％、27.52％、17.21％，硝酸浸提液中鉀、鋁、鐵、鈣等元素含量比后者分別高6.59％、3.94％、4.36％、8.49％。上述結(jié)果說

3、明蚯蚓能促進(jìn)含鉀礦粉的風(fēng)化。為揭示與蚯蚓促進(jìn)含鉀礦粉風(fēng)化相關(guān)的微生物群落結(jié)構(gòu)，用16S rRNA基因克隆文庫和限制性酶切片段長度多樣性分析(ARDRA)技術(shù)研究了蚯蚓腸道內(nèi)容物及喂養(yǎng)環(huán)境樣品中細(xì)菌的多樣性，研究結(jié)果表明：除含鉀礦粉初始樣品細(xì)菌的多樣性很低外，喂養(yǎng)蚯蚓10d的含鉀礦粉及在這些含鉀礦粉喂養(yǎng)10d的蚯蚓腸道內(nèi)容物、黃棕壤及黃棕壤中喂養(yǎng)10d的蚯蚓腸道內(nèi)容物等四種樣品中都具有很高的微生物多樣性；蚯蚓腸道與蚯蚓生存環(huán)境雖共有一些相

4、同種類的微生物，但各個樣品細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)相差很大；γ-變形桿菌(Gammaproteobacteria)是蚯蚓腸道優(yōu)勢菌群，在蚯蚓腸道內(nèi)對礦粉風(fēng)化可能起重要作用；與含鉀礦石風(fēng)化相關(guān)的微生物菌落結(jié)構(gòu)隨環(huán)境變化而改變，含鉀礦石的風(fēng)化是由多種微生物共同作用的結(jié)果。
　　堆肥固態(tài)發(fā)酵是生物轉(zhuǎn)化含鉀巖石的有效技術(shù)。為獲得堆肥固態(tài)發(fā)酵的有效菌種，我們對耐高溫鉀礦物溶解細(xì)菌進(jìn)行了分離和篩選。從飼喂含鉀礦粉的蚯蚓腸道內(nèi)分離到了一株耐高溫的鉀礦物溶解

5、菌EGT，16S rRNA基因序列和系統(tǒng)發(fā)育結(jié)果可以確定該菌為一種鏈霉菌(Streptomyces sp)；采用固態(tài)發(fā)酵法用該鏈霉菌對以鉀長石為主要成份的含鉀礦粉進(jìn)行發(fā)酵處理，ICP的檢測結(jié)果表明用該鏈霉菌處理后的發(fā)酵物料水溶性Al、Fe和K的含量均明顯高于接滅活菌未發(fā)酵和發(fā)酵14天的兩個對照，其中比接滅活菌未發(fā)酵的對照分別高23.08％、123.19％和30.99％，比接接滅活菌發(fā)酵的對照分別高45.45％、52.48％和9.13％。

6、上述結(jié)果說明該菌可以促進(jìn)含鉀礦物的風(fēng)化。由于該鏈霉菌不但解鉀，而且還耐高溫，因此可以做為堆肥化處理含鉀礦物制備鉀肥的有效菌種。
　　為探討含鉀礦石的生物轉(zhuǎn)化工藝及轉(zhuǎn)化過程中的微生物多樣性，我們采用先堆肥發(fā)酵再用蚯蚓處理的方法處理低品位含鉀礦粉，然后用DGGE技術(shù)研究了該工藝過程中細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化。堆肥有效鉀含量的測定結(jié)果表明堆肥發(fā)酵和蚯蚓處理均能提高低品位含鉀巖石粉的釋鉀量，其中經(jīng)過堆肥發(fā)酵處理，有效鉀含量提高了37.36％

7、；經(jīng)過蚯蚓處理，有效鉀含量提高了9.77％；DGGE指紋圖譜顯示鉀礦粉堆肥化處理過程中微生物群落結(jié)構(gòu)變化很大。其中，堆肥固態(tài)發(fā)酵前期樣品之間細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)差異較大，而堆肥固態(tài)發(fā)酵后期及加蚯蚓處理階段樣品之間細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)差異則相對較?。还虘B(tài)發(fā)酵前期堆肥中優(yōu)勢細(xì)菌種類變動較大，而后期優(yōu)勢細(xì)菌種類則比較穩(wěn)定；在整個固態(tài)發(fā)酵階段一直占據(jù)優(yōu)勢地位的細(xì)菌僅見條帶12(可能屬于交替單胞菌屬Alteromonas)和14(壁厚菌門Firmicutes的一

8、種細(xì)菌)所代表的細(xì)菌；加蚯蚓處理堆肥后，并未出現(xiàn)特殊的優(yōu)勢細(xì)菌。16SrRNA基因序列相似性和系統(tǒng)發(fā)育樹聚類結(jié)果表明：DGGE指紋圖上13個主要條帶代表的細(xì)菌全部屬于變形桿菌門(Proteobacteria)和壁厚菌門(Firmicutes)，說明這兩大類細(xì)菌在堆肥化處理過程中發(fā)揮主要作用。
　　含鉀礦粉有機(jī)肥不僅含有豐富的活性鉀，而且還有N、P等其他營養(yǎng)元素，將其作為底肥施用到農(nóng)田后，不但會影響植物生長，而且也會影響植物根部內(nèi)生

9、細(xì)菌的組成和多樣性。植物根部內(nèi)生菌在幫助植物分解土壤礦物、攝取營養(yǎng)、抗病抑病及促進(jìn)植物生長等方面發(fā)揮重要作用。莧菜(Amaranthus mangostanus L.)是一種富鉀植物，其內(nèi)生菌可能在協(xié)助莧菜風(fēng)化土壤中的含鉀礦物方面發(fā)揮重要作用。為探討施含鉀礦粉有機(jī)肥對莧菜內(nèi)生細(xì)菌多樣性的影響，我們用非培養(yǎng)的分子方法研究了在施含鉀礦粉有機(jī)肥和不施肥莧菜根部內(nèi)生細(xì)菌的群落結(jié)構(gòu)。雖然兩個文庫挑選出的陽性克隆數(shù)差別不大，但不施肥莧菜根16S r

10、RNA基因克隆文庫內(nèi)生細(xì)菌的OTUs數(shù)量和克隆數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于施含鉀礦粉有機(jī)肥莧菜根文庫，說明不施肥莧菜根文庫中代表內(nèi)生細(xì)菌的克隆無論是種類和數(shù)量都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于施含鉀礦粉有機(jī)肥的莧菜。與施含鉀礦粉有機(jī)肥的莧菜根部內(nèi)生細(xì)菌群落相比，γ-變形菌綱(Gammaproteobacteria)腸桿菌目(Enterobacteriales)和假單胞菌目(Pseudomonadales)的細(xì)菌在不施肥莧菜根部內(nèi)生細(xì)菌群落占有絕對的優(yōu)勢，其中OTUs和克隆數(shù)量

11、較大的主要有腸桿菌屬(Enterobacter)、泛菌屬(Pantoea)和假單胞屬(Pseudomonas)。這些類群的細(xì)菌可能通過協(xié)助植物風(fēng)化土壤礦物、固氮以及產(chǎn)生植物生長激素等途徑在促進(jìn)莧菜生長過程中扮演著重要角色。
　　上述研究不但解析了與蚯蚓促進(jìn)含鉀礦石風(fēng)化相關(guān)的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)，探明了堆肥固態(tài)發(fā)酵與加蚯蚓處理低品位含鉀礦粉過程細(xì)菌群落的動態(tài)變化，還揭示了施用含鉀礦粉有機(jī)肥后對莧菜生長及其根部內(nèi)生菌多樣性的影響，為進(jìn)一步改進(jìn)