生物復(fù)合菌肥的研制

生物復(fù)合菌肥的研制

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，特別是工業(yè)化和城市化的加劇，污染日益嚴(yán)重。據(jù)有關(guān)材料報(bào)道,農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境每年正受到工業(yè)排放的368億噸廢水、1500萬噸煙塵和大量固體廢棄物的圍困,這些污染物大部分來自城鎮(zhèn)中小企業(yè)和鄉(xiāng)(鎮(zhèn))企業(yè)。此外,由于長期施用化肥和上述污染物的影響,目前,遭受“三廢”污染的面積已達(dá)1000萬公頃以上,每年因此損失的糧食為120多億公斤。過量施用化肥,造成水體和土壤的污染,致使土壤理化性質(zhì)惡化,肥力降低?；饰廴疽殉蔀楫?dāng)今世界一大公害。為了保護(hù)生態(tài)環(huán)境和土壤的污染。1972年國際成立了有機(jī)農(nóng)業(yè)運(yùn)動(dòng)聯(lián)盟(IFOAM),以推動(dòng)無公害健康食品的生產(chǎn)和監(jiān)測(cè)。將全國第二次土壤普查資料與第一次對(duì)比發(fā)現(xiàn):在全國1403個(gè)縣的耕地中,土壤無障礙因素的耕地僅占耕地總面積的16.3%;土壤有機(jī)質(zhì)低于0.6%的耕地占10.6%;59%左右的耕地缺鉀;23%左右的耕地缺磷;12%的土壤板結(jié)。總之,由于過量使用化肥,施用有機(jī)肥相應(yīng)減少,致使土壤肥力都不同程度的下降,對(duì)作物的產(chǎn)量、質(zhì)量和食品的安全、人類的健康都有很大的影響。對(duì)發(fā)展“一優(yōu)、兩高”生態(tài)農(nóng)業(yè)是個(gè)重要的障礙性因素。為了發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè),開發(fā)生產(chǎn)“綠色食品”,在肥料方面,無論是發(fā)達(dá)國家,還是發(fā)展中國家,都提倡施用復(fù)合肥(含有機(jī)、無機(jī)復(fù)合肥)和生物復(fù)合肥料。肥料的產(chǎn)量、質(zhì)量和應(yīng)用效果,又標(biāo)志著一個(gè)國家農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的水平。尤其是生物肥料在國際上稱之為第三代化肥。本所研制的生物肥料是一種無污染、無副作用的多功能產(chǎn)品,此種肥料對(duì)發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)具有重要作用。1物菌肥的加工生物復(fù)合菌肥的生產(chǎn)分為菌劑和載體兩大系統(tǒng)。微生物部分主要有原種篩選、一級(jí)菌種培養(yǎng)和二級(jí)菌液擴(kuò)培,生物菌肥采用復(fù)合菌種即鉀細(xì)菌和固氮細(xì)菌。載體加工包括載體的選擇和接種。載體的選擇,依據(jù)微生物的生活習(xí)性和原料來源。按此原則選擇泥炭和鉀長石粉以及其他輔料等。經(jīng)過對(duì)原料予處理,如風(fēng)干、粉碎,按一定比例混合,并接入擴(kuò)培液,濕度控制在20%~35%,通過質(zhì)檢、分裝,即為成品,其生產(chǎn)工藝流程見圖1所示。1.1初始篩選及其作用1.1.1芽孢桿菌生長特性原種從吉林、樺甸、敦化等地的農(nóng)田采集玉米根系和根際土壤10余個(gè)樣品。采用硅酸鹽細(xì)菌的分離培養(yǎng)基等技術(shù)進(jìn)行篩選,從中分離篩選出具有解鉀能力的菌株,復(fù)篩出解鉀能力最強(qiáng),且產(chǎn)生多種生理活性物質(zhì)的細(xì)菌,以此菌作為生物鉀肥的生產(chǎn)菌株。菌體細(xì)胞為桿狀,菌落呈圓形、半透明,革蘭氏染色陰性,氧化酶陰性。以葡萄糖、阿拉伯糖和甘露醇等碳水化合物為碳源。上述生理生化性狀和形態(tài)特征與芽孢桿菌屬相符,故菌株應(yīng)歸屬于芽孢桿菌屬胨凍樣芽孢桿菌,鉀細(xì)菌亦稱硅酸鹽菌,具有轉(zhuǎn)化土壤中無效鉀、磷、硅等灰分元素的機(jī)能,可改善植物鉀、磷等元素的營養(yǎng)水平。同時(shí)分泌多種生理活性物質(zhì),促進(jìn)植物生長發(fā)育并有增強(qiáng)植株的抗寒、抗旱以及抵御病蟲害等多種作用。1.1.2生物復(fù)合菌肥的制備原種從樺甸、敦化等地的玉米根系和根際土壤中采集的15個(gè)樣品。采用固氮細(xì)菌的分離培養(yǎng)基等進(jìn)行篩選,從中分離、純化篩出具有固氮能力的菌株,復(fù)篩出固氮能力最強(qiáng)的細(xì)菌,以此菌作為生物復(fù)合菌肥的生產(chǎn)菌株。菌體細(xì)胞幼年為桿狀,成長后變?yōu)閳A形細(xì)胞常成對(duì)呈“8”字形,有時(shí)4個(gè)細(xì)胞聯(lián)在一起或者形成菌膠團(tuán)。其菌落特征產(chǎn)生非水溶性色素,在阿須貝瓊脂培養(yǎng)基上生長的菌落由無色透明變?yōu)榘咨?逐步變?yōu)楹稚蚝谏?所以稱為圓褐固氮菌。固氮菌的生理特點(diǎn)可利用分子態(tài)氮為氮源。它能利用的碳源很多,常用的有葡萄糖、蔗糖等,約每消耗1g碳水化合物可固氮10mg。1.2細(xì)菌培養(yǎng)和分離鉀細(xì)菌和固氮菌均采用阿須貝培養(yǎng)基,即白糖10g、磷酸二氫鉀0.2g等養(yǎng)分,最后加入定量的瓊脂稀釋到1000mL。除瓊脂外,將上述各種營養(yǎng)成分溶于水中加熱再緩緩加入瓊脂,不斷攪拌,待瓊脂全部溶化后,分裝至試管(或培養(yǎng)皿)。然后用棉花把試管塞嚴(yán),再用防潮紙捆好,置于高壓滅菌器內(nèi)滅菌。將試管制成斜面,使之凝固。然后在無菌室內(nèi)將鉀鈿菌和圓褐固氮菌分別接入試管(或培養(yǎng)皿)培養(yǎng)基上。在一定溫度條件下,置于恒溫培養(yǎng)箱內(nèi)培養(yǎng),分別觀察兩種細(xì)菌生長狀況。鉀細(xì)菌,在斜面上可看到粘稠的鉀細(xì)菌菌苔,表面光滑凸起,粘而有彈性,似半個(gè)玻璃球扣在上面。用復(fù)紅染色鏡檢時(shí),可看到桿狀菌和周圍的莢膜。圓褐固氮細(xì)菌在斜面上可看到凸起半球形菌落,經(jīng)一定時(shí)間培養(yǎng)在菌苔上呈現(xiàn)非水溶性褐色色素。1.3菌液的制備及檢測(cè)二級(jí)擴(kuò)培液在阿須貝營養(yǎng)成分基礎(chǔ)上,做了適當(dāng)調(diào)整,經(jīng)擴(kuò)培試驗(yàn)取得良好效果。將上述營養(yǎng)物質(zhì)置于干凈的容器中,用自來水稀釋至10000mL,充分混勻再分裝至500mL清潔的點(diǎn)滴瓶中,分別用帶有防潮紙的棉塞捆好,置于高壓滅菌器內(nèi)滅菌,冷卻后送到無菌室,分別接入鉀細(xì)菌和圓褐固氮細(xì)菌,在一定的溫度下進(jìn)行擴(kuò)培。在培養(yǎng)中鉀細(xì)菌采用搖床培養(yǎng),以滿足對(duì)氧氣的需求。菌液外觀呈灰白或淺褐色,微酸味,下部呈膠團(tuán),其液比原液粘稠。經(jīng)檢測(cè)每種菌液其菌數(shù)20~25億個(gè)細(xì)菌/毫升,雜菌數(shù)小于15%。該菌液亦稱液體鉀肥和氮肥,可直接用于蔬菜菜苗蘸根和基肥等。二級(jí)擴(kuò)培菌在培養(yǎng)過程中,如發(fā)現(xiàn)菌液有異味,其下部不呈膠團(tuán),溶液渾濁,菌數(shù)減少,雜菌數(shù)增加。此種菌液不能作為生產(chǎn)菌液使用,否則影響菌肥質(zhì)量。1.4選擇合適的載體圓褐固氮菌和鉀細(xì)菌,在pH值為6.5~7條件下易生長繁殖。按二者生活習(xí)性,對(duì)其載體要有良好的通氣性,pH值近于中性,吸附能力強(qiáng),對(duì)增加土壤有機(jī)質(zhì),提高土壤肥力,改善土壤理化性質(zhì)均有一定的作用。此外,選擇的載體要廉價(jià)、易得、減少運(yùn)輸,降低生產(chǎn)成本也是非常重要的。依據(jù)上述,載體主要有:泥炭和鉀長石粉等。將泥炭和輔料等經(jīng)預(yù)處理按一定比例混均勻,把二級(jí)擴(kuò)培菌液分別接入載體再混均,水分控制在20%~35%,經(jīng)質(zhì)檢合格、分裝,即成品——生物復(fù)合菌肥。2有機(jī)碳肥料的原料及其生產(chǎn)條件的選擇2.1礦物資源量和土壤養(yǎng)分含量泥炭:生物復(fù)合菌肥其載體以草本泥炭為主料,但不是所有的草本泥炭都符合要求。由于泥炭形成環(huán)境不同,其質(zhì)量差異較大。為了確保菌肥的質(zhì)量,我們選擇了部分地區(qū)的草本泥炭進(jìn)行了理化性質(zhì)分析。分析結(jié)果見表1。由表1可以看出,敦化大橋草本泥炭灰分含量最低,有機(jī)質(zhì)和腐植酸含量則最高。在此基礎(chǔ)上,又對(duì)大橋泥炭進(jìn)行了微量元素的分析。分析結(jié)果見表2。按表1、表2多項(xiàng)指標(biāo)分析,選擇了敦化大橋草本泥炭做為菌肥的載體。該地泥炭資源儲(chǔ)量豐富,泥炭層厚度為1.5m左右,最厚可達(dá)2m以上。直接裸露地表,便于開采,為生物菌肥的開發(fā)提供了豐富原料。鉀長石粉和磷礦粉是生產(chǎn)生物菌肥的輔料。我國土壤全鉀平均含量為1.66%,但95%存在于鉀長石和云母兩種礦物中,土壤是在地殼風(fēng)化成土母質(zhì)上形成的。因此土壤是植物惟一鉀源。據(jù)測(cè)算每畝(1畝=666.67m2,下同)耕層含鉀量為1740kg,但大部分鉀的存在形態(tài)呈礦物態(tài)鉀和固定態(tài)鉀,不能被植物吸收利用。僅有極少量的水溶性鉀和代換性鉀,才能被植物吸收利用。磷礦粉成分比較復(fù)雜,其中以磷酸三鈣為主,僅有少部分溶于弱酸的有效磷能被植物吸收利用。其余大部分是難溶性的無效磷。兩種礦石中存在的鉀、磷等元素,大部分不能被植物利用。硅酸鹽細(xì)菌具有分解釋放有效性鉀、磷等元素。所以,在載體中選擇鉀長石粉和磷礦粉,為菌肥施入土壤后,起著“離娘奶”的作用。2.2擴(kuò)培溫度和載體配比篩選在實(shí)驗(yàn)過程中,我們對(duì)硅酸鹽細(xì)菌和圓褐固氮細(xì)菌的最適宜的培養(yǎng)溫度、pH值、培養(yǎng)時(shí)間等進(jìn)行了條件實(shí)驗(yàn)研究,其結(jié)果見表3。鉀、氮兩種細(xì)菌均屬于中溫型微生物,在20~35℃的范圍內(nèi)均可生長,但最適宜的培養(yǎng)溫度為28~30℃溫度,過高或過低對(duì)微生物生長、繁殖均有影響,因?yàn)槲⑸锛?xì)胞的一切代謝活動(dòng)與自身的酶系統(tǒng)有密切關(guān)系。溫度過低影響細(xì)菌生物代謝緩慢;溫度過高,降低酶的活性,影響細(xì)菌生長發(fā)育。鉀細(xì)菌和固氮菌一級(jí)斜面培養(yǎng)和二級(jí)生產(chǎn)菌種擴(kuò)培的培養(yǎng)時(shí)間過短,活菌數(shù)量相對(duì)減少;培養(yǎng)時(shí)間過長,雖可增加菌數(shù),但菌種老化,影響其活力。鉀、氮細(xì)菌在二級(jí)擴(kuò)培中pH值在6.5~8之間皆可生長,但以pH值在6.5~7之間為最適宜。由于微生物代謝作用產(chǎn)生酸類物質(zhì),使pH值一般降低0.5~1個(gè)單位,因此配制二級(jí)擴(kuò)培液時(shí)可將pH值調(diào)至7.2~7.8,細(xì)菌仍能正常生長。載體配比的優(yōu)選,由泥炭和輔料組成不同配比的混合載體,分別接入定量鉀、氮擴(kuò)培菌液,然后分別測(cè)定其菌數(shù),比較不同配比對(duì)菌肥質(zhì)量的影響,最后選定“711”方案較為適宜。產(chǎn)品菌數(shù)每克可達(dá)1.5億。菌肥批量生產(chǎn)工藝參數(shù)見表4。3產(chǎn)菌性能測(cè)試結(jié)果泥炭生物復(fù)合菌肥經(jīng)10余次批量生產(chǎn),產(chǎn)品質(zhì)量經(jīng)敦化市復(fù)合肥廠和吉林大學(xué)測(cè)試中心等單位測(cè)試結(jié)果:(1)外觀呈暗褐色粉末、疏松、濕潤;(2)活菌數(shù)≥1.5×108/g;雜菌數(shù)≤15%;(3)pH值6.5~7.0;(4)含水量20%~35%。4生物菌肥使用對(duì)水稻產(chǎn)量的影響泥炭生物復(fù)合肥料應(yīng)用效果,從1992-1995年在吉林省長春、樺甸、東豐、敦化等地試驗(yàn),示范約1000余畝。試驗(yàn)作物有玉米、水稻、大豆、小麥、黃瓜、白菜、蘿卜等10余種。據(jù)試驗(yàn)得出:玉米增產(chǎn)9.5%~10.94%;水稻增產(chǎn)9.4%~16.7%;黃瓜增產(chǎn)28.5%~33.1%;白菜和蘿卜增產(chǎn)20%~30%。試驗(yàn)結(jié)果概述如下。玉米是喜鉀的高產(chǎn)作物,也是吉林省主要糧食作物之一。目前土壤有效鉀不足是限制玉米提高單產(chǎn)的主要因素。1993年在樺甸北臺(tái)子農(nóng)業(yè)站試驗(yàn)結(jié)果表明,玉米應(yīng)用生物菌肥拌種,二銨做底肥與對(duì)照相比,苗期葉色濃綠,拔節(jié)后植株增高且健壯,根系發(fā)達(dá)、根粗、次生根多,莖粗、抗倒伏。生物菌肥組比對(duì)照組畝增產(chǎn)58kg,增產(chǎn)率為10.5%,比氯化鉀(或硫酸鉀)組增產(chǎn)36.5kg,增產(chǎn)率為6.4%,因此施用生物菌肥是一項(xiàng)有效的經(jīng)濟(jì)增長措施。水稻是吉林省主要糧食作物之一,也是需鉀較多的作物。經(jīng)在長春和東豐兩地試驗(yàn)結(jié)果表明:東豐試驗(yàn)點(diǎn)應(yīng)用生物菌肥水稻秧苗蘸根,以二銨做底肥,尿素追肥。結(jié)果比對(duì)照組水稻增產(chǎn)52.8kg,增產(chǎn)率為9.4%;比氯化鉀增產(chǎn)11kg,增產(chǎn)率為1.88%。長春試驗(yàn)點(diǎn)應(yīng)用生物菌肥水稻秧苗蘸根盆栽試驗(yàn),盆土肥力相同,其結(jié)果表明:從株高、植株(克/盆)和總重量(克/盆)泥炭菌肥組均優(yōu)于對(duì)照組,總重量比對(duì)照組增加44(克/盆);比N、P、K組和1/2N、P、K菌肥組分別增加7(克/盆)和2.3(克/盆)。此外,玉米、小麥、大豆應(yīng)用生物菌肥做基肥,各生育期的表現(xiàn),均優(yōu)于對(duì)照組,同樣獲得顯著效果。黃瓜苗應(yīng)用泥炭生物菌肥蘸根,移栽時(shí)按每畝施菌肥2kg與對(duì)照組相比,明顯促進(jìn)秧苗生長,植株健壯、葉片大且厚,葉與葉節(jié)間短、開花、座瓜早2~3天,以20株計(jì)增產(chǎn)4.65kg,增產(chǎn)率為33.1%;比生物菌肥底肥組增產(chǎn)0.65kg;增產(chǎn)率為3.6%。按河北農(nóng)科院微生物研究所試驗(yàn),生物菌肥用于黃瓜還提高了其品質(zhì),含糖量比對(duì)照組增20%,8種必須氨基酸比對(duì)照組增加8.94mg/100g,提高6.6%。白菜和蘿卜示范試驗(yàn)在敦化市監(jiān)獄。試驗(yàn)地土壤有機(jī)質(zhì)含量低,質(zhì)地粘重的崗地白漿土。該地從未種植過蔬菜,1995年應(yīng)用生物有機(jī)—無機(jī)復(fù)合肥每畝施40kg和2kg菌肥,不追肥。試驗(yàn)結(jié)果表明,白菜連座期調(diào)查株高、葉寬和葉片數(shù),比對(duì)照組株高增加3.47cm,葉寬增加13.54cm,葉片增加1.93片,白菜鮮重相差0.3kg。蘿卜示范區(qū)其總重比對(duì)照區(qū)增重0.06kg,肉質(zhì)根增重0.04kg。此外,在敦化官地鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站和林勝鄉(xiāng)大甸子村等地還進(jìn)行了玉米、水稻試驗(yàn),均獲得良好效果。5k等營養(yǎng)水平的研究農(nóng)作物施用生物復(fù)合菌肥后,改變了植株N、P、K等營養(yǎng)水平,增強(qiáng)了作物體內(nèi)氧化酶的活性,使氧的營養(yǎng)條件也得到了改善,加速土壤中物質(zhì)的轉(zhuǎn)化,促進(jìn)作物生長發(fā)育,提高產(chǎn)量和改善其品質(zhì)。5.1生物菌肥及其應(yīng)用經(jīng)試驗(yàn)分析,施用生物菌肥后,土壤中鉀細(xì)菌菌數(shù)增加。我們?cè)谟衩椎禺€施菌肥2kg,經(jīng)35天后取田間試驗(yàn)土樣用平板稀釋法測(cè)定鉀細(xì)菌菌數(shù),試驗(yàn)區(qū)為每克土1.1×105個(gè),對(duì)照區(qū)為每克土5.2×104個(gè),試驗(yàn)區(qū)比對(duì)照區(qū)增加一倍多。土壤中鉀細(xì)菌數(shù)量增多,由于其生命活動(dòng),土壤中速效鉀、磷的含量提高。從敦化市林勝大甸子取從上述可看出,施用生物菌肥不僅增加了土壤中速效磷、鉀元素的含量,且增加了植株及籽粒氮、磷、鉀的含量,三要素對(duì)植物的生長發(fā)育、產(chǎn)量的形成、品質(zhì)的優(yōu)劣起著重要作用。鉀細(xì)菌還能分解土壤中硅酸鹽礦物使其水溶性硅酸含量增加。水稻和小麥屬含硅酸較高的作物,需硅也多。我們?cè)谒旧鲜┥锞试囼?yàn)中取其植株化驗(yàn),硅的含量為9.95%,未施用菌肥的植株含量為7.76%,二者相差2.19%。關(guān)于硅酸鹽細(xì)菌分解土壤中硅酸鹽礦物的機(jī)理問題。據(jù)國內(nèi)文獻(xiàn)報(bào)道,在鉀細(xì)菌溶解磷礦石過程中,發(fā)現(xiàn)此菌大量膠團(tuán)圍繞礦物顆粒而釋放磷、鉀養(yǎng)分。如用火棉膠把鉀細(xì)菌和磷礦石分開時(shí),鉀細(xì)菌不能生長,磷礦石也不能分解,因而認(rèn)為鉀細(xì)菌利用巖礦養(yǎng)分的可能有兩種途徑:第一,鉀細(xì)菌和礦石接觸并產(chǎn)生特殊的酶,破壞礦石晶格結(jié)構(gòu)從而釋放其中的養(yǎng)分;第二,鉀細(xì)菌和礦石表面接觸土壤樣化驗(yàn),玉米播前土壤速效鉀含量為43mg/kg,速效磷含量為6.0mg/kg;收獲后施生物菌肥的土壤速效鉀含量為60~65mg/kg,速效磷7.5mg/kg,比不施生物菌肥土壤速效鉀、磷分別增加17~22mg/kg和1.5mg/kg。施用生物菌肥,對(duì)各種植物的營養(yǎng)體,甚至種子果實(shí)的氮、磷、鉀含量也有明顯變化,見表5。而進(jìn)行交換作用,釋放其代換性鉀被植物吸收利用。此外,也有的文獻(xiàn)提出,鉀細(xì)菌活化土壤礦物中的鉀、磷、鐵、鎂、硅等各種元素,與鉀細(xì)菌菌體分泌的酸有關(guān),如呼吸作用產(chǎn)生碳酸,在有碳源的條件下產(chǎn)生琥珀酸、乳酸、檸檬酸等。這些有機(jī)酸和無機(jī)酸都可以破壞含鉀礦物晶格結(jié)構(gòu),釋放鉀、磷等元素,還能和鈣、鐵、鋁等金屬離子形成更穩(wěn)定的磷酸鹽有機(jī)化合物,即金屬有機(jī)酸復(fù)合體,從而增加了難溶性磷酸鹽的溶解度。鉀細(xì)菌通過上述幾種途徑將長石、云母等鋁硅酸鹽礦物晶格中的鉀釋放出來。一部分鉀為其生命繁殖活動(dòng)所需要,組成菌體成分。在菌體灰分中鉀的含量可高達(dá)33%~43%。此種菌體內(nèi)的鉀當(dāng)菌體死亡之后,又從其體內(nèi)游離出來,可為植物吸收利用。另一部分鉀從礦物晶格中釋放出來直接為植物吸收利用。5.2培養(yǎng)硫酸鉀的結(jié)果經(jīng)試驗(yàn)研究表明,利用酸洗粘土為底物,添加適量硫酸鉀,作接菌與不接菌的對(duì)比試驗(yàn),在相同條件下經(jīng)3天培養(yǎng)其結(jié)果鉀素固定降低21.1%;培養(yǎng)10天降低37.5%,明顯提高了鉀素的有效性。5.3內(nèi)標(biāo)法測(cè)定菌株中赤霉類和較多的細(xì)胞分裂素鉀細(xì)菌菌株在其生命活動(dòng)中產(chǎn)生植物生長刺激素,利用高壓液相色譜,用內(nèi)標(biāo)法測(cè)定結(jié)果表明,該菌株培養(yǎng)液中含有較多的赤霉類和少量的細(xì)胞分裂素。這些生理活性物質(zhì)可以直接刺激作物生長發(fā)育。5.4有利于作物生長發(fā)育施用生物菌肥后,土壤中由于鉀細(xì)菌的增殖,從多方面改善了作物營養(yǎng)條件,特別是鉀、磷、硅等元素都是有利于作物生長健壯和增強(qiáng)抗病能力的。1996年在江南鄉(xiāng)官屯村呂福成家保護(hù)地黃瓜發(fā)生霜霉病,施用生物菌肥和未施菌肥對(duì)照區(qū)內(nèi)調(diào)查,在試驗(yàn)區(qū)病情輕,對(duì)照區(qū)病情嚴(yán)重,甚至植株死亡。5.5土壤條件的改善,促使作物生長發(fā)育生物復(fù)合菌肥,除含速效養(yǎng)