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1、农业微生物的研究与应用-以微生物肥料为例,农业微生物学范畴微生物肥料是农业可持续发展的必然选择微生物肥料产业发展现状微生物肥料的产业空间微生物肥料的产业拓展,提 纲,一、农业微生物学范畴,广义农业微生物学：涉及种植业、养殖业、农产品加工、农业生物技术及农业生态等方面的微生物研究和应用。 我国的农业微生物学研究主要包括：农用微生物资源、土壤微生物、生物固氮、微生物农药、微生物肥料、发酵饲料、微生物修复、沼气发酵等方面 。,二、微生物肥料是农业可持续发展的必然选择,中国农业面临的主要问题：1、人口增长的压力，粮食保障安全：2、资源紧缺，持续供给能力： 耕地、能源、动植物、微生物资源减少、水资源短缺
2、严重3、土壤环境污染，可持续发展能力：土壤生产力下降，环境的恶化4、农产品质量安全忧患，人类健康、社会稳定和谐问题：品质下降、农残、除草剂、重金属、抗生素污染、毒害。供给不足，总量保障危机，价格上涨。,石油污染土壤,甲拌磷污染的土壤,除草剂的药害,我国农业必须走可持续发展的道路,1、保持稳定、持续增长的农业生产率。2、保持稳定、持续的土壤肥力。3、保持健康、协调的生态环境。4、保持资源与环境的持续利用,平衡协调：动物、植物、微生物关系和谐,微生物多样性功能,农田土壤生态系统中微生物数量庞大生物多样性丰富生态功能活跃,土壤微生物多样性是指土壤微生物群落的种类和种间差异，包括物种多样性、生态功能多
3、样性及遗传多样性等。,国家支持微生物肥料行业发展：,出台促进生物产业加快发展的若干政策（国办发200945号）； 实施绿色农用生物产品高技术产业化专项（发改办高技2009536号；国家高技术产业化示范工程项目（发改委） ；国家土壤有机质提升试点补贴项目（农业部）：秸秆还田中，政府采购腐熟菌剂，提供农民使用；中小企业创新基金。,3.1 名称与定义的问题 微生物肥料(microbial fertilizer)在我国又被称为菌肥、生物肥料(biofertilizer) ，也有人（国外）将其称为接种剂(inoculant) 、拌种剂、菌剂。 近些年有人将单纯的微生物制剂称为菌剂、接种剂，此类制剂用量小
4、，主要用于拌种。 将微生物制剂和有机物(畜禽粪便等)或有机、无机(氮、磷、钾）混合，用量较大的，称为生物肥料，简称菌肥。 存在名称上的不同，但在微生物肥料的内含上都含有一定量的特定功能的微生物，是这类制品的共同特点。,三、微生物肥料产业发展现状,微生物肥料定义,中国科学院院士，我国土壤微生物学的奠基人、华中农业大学陈华癸教授就微生物肥料的含义问题指出，所谓微生物肥料，“是指一类含有活微生物的特定制品，应用于农业生产中，能够获得特定的肥料效应，在这种效应的产生中，制品中活微生物起关键作用，符合上述定义的制品均应归入微生物肥料”。目前“国家标准（GB20287-2006）”的定义：微生物肥料( m
5、icrobial fertilizer/biofertilizer)-含有特定微生物活体的制品，应用于农业生产，通过其中所含微生物的生命活动，增加植物养分的供应量或促进植物生长，提高产量，改善农产品品质及农业生态环境。,微生物肥料定义的发展/新提法：国外,生物肥料是一种极为重要的有效生态营养系统，该系统主要与生物，特别是微生物过程有关。这种有效的生物营养过程是土壤中存活的某些（功能/特定）微生物活动的必然结果，它可为植物提供氮、磷、钾等营养和一些有用的化合物。微生物可以活化土壤、提高土壤肥力、并为作物和其他生物的持续发展起到原动力的作用。 突出养分的有效性转化和生态营养系统过程,土壤生物与土壤
6、碳一起构成了土壤肥力的核心,而是土壤生物功能的发挥问题： 营养元素（CNPS）的转化 有毒元素和有毒化合物的降解 良好土壤生物区系的构建 外来或自生有害生物的抵抗与消灭,沈其荣教授等专家提出：现代农业的土壤肥力核心问题不是养分缺乏的问题,要实现农业可持续发展，保障土壤的持续生产力，认为土壤肥力仅由物理肥力和化学肥力构成，提出了质疑？：一是土壤养分含量增加，但化肥报酬急剧递减：1975年：2005年：25kg 谷粒/kg化肥10kg谷粒/kg化肥15kg 油料/kg化肥7kg油料/kg化肥10kg 棉花/kg化肥5kg棉花/kg化肥二是土壤物理结构的恶化：在2001年澳大利亚学者（Lynette
7、 K. Abbott and Daniel V. Murphy）提出了生物肥力(soil biological fertility )的概念,生物肥力提出的背景,土壤生物肥力概念与微生物肥料理论基础,土壤肥力包括土壤生物肥力、土壤化学肥力和土壤物理肥力三个组分。土壤微生物（组成、数量和功能）是土壤生物肥力的核心。土壤生物肥力概念：是指生活在土壤中的微生物、动物、植物根系等有机体为植物生长发育所需营养的贡献。同时，生物过程对土壤的物理、化学特性起到良好的促进和维持作用。关于微生物肥料的理论基础的问题，一直在研究和探索之中。这主要是因为土壤环境中各种养分的转化与物质循环均在微生物主导作用下的复杂过
8、程的结果。近几年中国农大的学者提出“养分生物有效性”和“根际（层）养分调控技术”也肯定了微生物在其中的不可或缺的作用。2003年澳大利亚学者L. K. Abbott等提出“土壤生物肥力（soil biological fertility）”概念和相关的评价体系，丰富了微生物肥料的理论内涵。,土壤肥力与3个组分的概念与微生物肥料理论基础,微生物肥料行业现状：行业数字,企业总数：800个以上。可登录相关网站查询：一是中国农业信息网（）；二是 登录“农业部微生物肥料质检中心网” （ 产 量：800万吨农业部登记证产品： 1200个（截止2010年10月）累积应用面积：超亿亩（包括粮食、蔬菜、果树、中
9、草药）出口产品种类和数量显著增加：20个产品、近10万吨/年已成为生物产业和生物经济的重要组成部分我国微生物肥料标准体系基本建成,近15年微生物肥料行业的基本情况一览表,肥料化,3.5 存在问题,微生物肥料产业现状,产业化水平低（规模小、装备水平差）；,微生物肥料市场占有率低（3%）；,市场不规范（假冒伪劣时有发生）；,宣传推广不到位（农民科普知识缺乏）；,基础研究重视不够。,微生物肥料,微生物肥料产业现状,3.6 微生物肥料品种,按登记品种,复合微生物肥料,根瘤菌菌剂,光合细菌制剂,内生菌根菌剂,生物有机肥,微生物菌剂,有机物料腐熟剂,按微生物种类,细菌肥料,放线菌肥料,真菌肥料,光合细菌肥
10、料,微生物肥料的种类,产品分为两个大类: 微生物菌剂(简称菌剂类产品)：9个品种 微生物肥料类(简称菌肥类产品)：2个品种菌剂类包括：根瘤菌菌剂、固氮菌菌剂、溶磷菌剂、硅酸盐菌剂、光合细菌菌剂、有机物料腐熟剂（秸秆、粪便）、促生菌剂、复合菌剂、菌根菌剂和生物修复菌剂（农药残留降解、克服作物重茬） 菌肥类包括：生物有机肥（菌+有机质/肥）和复合微生物肥料（菌+无机养分）,3.7 微生物肥料六大功能机理,NY/T1847-2010 微生物肥料生产菌株质量评价通用技术要求 中总结的6个方面：提供或活化养分功能；产生促进作物生长活性物质能力；促进有机物料腐熟功能；改善农产品品质功能；增强作物抗逆性功能
11、；改良和修复土壤功能。,1、提供或活化养分功能：生物固氮,根瘤菌及其制剂产品：如花生根瘤菌Bradyrhizobium sp.(Arachis hypogae);大豆根瘤菌(B. japonicum或B. elkanii或Sinorhizobium fredii);紫云英根瘤菌自生固氮菌/联合固氮菌及其制剂： 圆褐固氮菌(Azotobacter chroococcum) 、拜氏固氮菌(Azotobacter beijerimckii); 雀稗固氮菌（A. paspali）等；巴西固氮螺菌(Azospirillium brasilense)、粪产碱菌(Alcalige faecalis),图A
12、大豆根瘤,图 B 大豆根瘤菌,1、提供或活化养分功能：溶磷,我国磷矿资源缺乏，尤其是高品位的磷矿；土壤中积累了大量的难溶性磷，研究开发溶磷菌剂十分必要。微生物解磷或溶磷机理是：通过产有机酸（如乳酸、柠檬酸）和一些酶类（如植酸酶），使土壤中的难溶性磷素如磷酸铁、磷酸铝以及有机磷酸盐矿化形成作物能够吸收利用的可溶性磷。将分解利用不同磷素来源如分解卵磷脂类的细菌称为有机磷细菌，分解磷酸三钙的细菌称为无机磷细菌。目前主要研究和应用的菌种有以下一些种： 细菌：巨大芽胞杆菌(Bacillus megatherium)；氧化硫硫杆菌(Thiobacillus thiooxidans)；假单胞菌属的一些种(P
13、seudomonas spp.)；芽胞杆菌属或类芽胞杆菌属的一些种(Bacillus spp.或Paenibacillus spp.)； 许多真菌：(例如青霉菌、黑曲霉，菌根等)具有非常强的溶磷能力。,青霉菌溶磷实验,高效溶磷的真菌菌株,+AM -AM,1、提供或活化养分功能：解钾,解钾菌种主要有：胶质芽胞杆菌(Paenibacillus mucilaginosus)、环状芽胞杆菌(B. circulans) 。前者的全基因组系列即将完成。,施用硅酸盐菌剂,常规施肥,示范试验地点：山西省平遥,增产23.960，增收1600元,1、提供或活化养分功能：溶解中量元素能力,难溶性钙、镁或硫元素的活化
14、，提供给作物利用微生物种类：产生铁载体：Thiobacillus thiooxidans （氧化硫硫杆菌）Rhizopus arrhizus (根霉),微生物肥料提高化肥利用率，减少化肥的使用量,微生物肥料与化肥配合使用，可提高化肥的利用率，减少化肥的流失，从而降低化肥的施用量（10%-30%）。巴西、阿根廷种植大豆不施化学氮肥，美国仅施 5Kg/公顷 氮肥。我国则施用150Kg/公顷 氮肥，产量比国外低30以上。有经济上的意义，而且有生态学方面的价值，对环境也有益处。,2、产生促进作物生长活性物质能力,种类多：菌种主要有醋杆菌(Acetobacter diazotrophicus)、 气单胞
15、菌(Aeromonas caviae)、 柠檬节杆菌(Arthrobacter citreus)、 巴西固氮螺菌(Azospirllum brasilense)、 自生固氮菌(Azotobacter spp.)、 巨大芽胞杆菌(Bacillus megaterium)、 多粘类芽胞杆菌(Paenibacillus polymyxa)、 枯草芽胞杆菌(B. subtilis)、 阴沟肠杆菌(Enterobacter cloaced)、 荧光假单胞菌(P. fluorescens)，等。多粘类芽胞杆菌(Paenibacillus polymyxa)的全基因组序列不久前完成。应用范围广：在农业上有良
16、好的应用前景，尤其是这类微生物可以单独使用，更可以与其它微生物种类复合使用，使促生作用、肥效作用更好地结合起来，以提高和加强应用效果。这种复合剂型的研制是一个发展方向。,筛选的有效菌株(1.108)对小麦苗期促生作用,3、促进有机物料腐熟功能腐熟菌剂产品使用的菌种：50个种,细 菌（13）：枯草芽孢杆菌、多粘芽孢杆菌、黄褐假单胞菌、嗜热脂肪地芽孢杆菌、多食鞘氨醇杆菌、戊糖片球菌、解淀粉芽孢杆菌、植物乳杆菌、乳酸乳杆菌、施氏假单胞菌、地衣芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌、短小芽孢杆菌； 放线菌（15）：白色链霉菌、天青链霉菌、白浅灰链霉菌、热紫链霉菌、唐德链霉菌、细黄链霉菌、嗜热灰色链霉菌、灰肉红链霉菌、
17、除虫链霉菌、泾阳链霉菌、微白黄链霉菌、灰螺链霉菌，等; 霉菌（15）：里氏木霉、绿色木霉、黑曲霉、米曲霉、温特曲霉、帚状曲霉、杂色曲霉、嗜热性侧孢霉、米根霉、卷枝毛霉;酵母菌（7）：粉状毕赤酵母、酿酒酵母、热带假丝酵母、扣囊拟内孢霉、乳酸可鲁维酵母，等。,有机物料腐熟,秸秆还田:国家需求,机割秸秆还田,人工秸秆还田,热纤梭菌Clostridium thermocellum的纤维小体（示意图）,宿主细菌的细胞,脚手架蛋白（黄色）,底物结合域,纤维素,酶凝集域,锚定域,细胞表面的锚定蛋白,4、改善农产品品质功能 菌剂试验瓜平均含糖量（） (2001年上海试验),降低蔬菜中硝酸盐的含量,5、增强作物
18、抗逆性功能,减轻作物病虫害发生（病情指数）提高作物抗倒伏、抗旱、抗寒克服作物连作障碍等方面的能力,对照,加功能微生物和有机载体,仅加功能微生物,施用微生物有机肥后土壤微生物区系得到改善,施用微生物有机肥后土壤细菌显著增加，尖孢镰刀菌数量显著减少,施用微生物有机肥后土壤DGGE图谱,增强植物对重金属污染的抗性,6、改良和修复土壤功能农药等污染物的生物修复作用：新的热点,微生物由于数量大、种类多，变异快，降解有机物的潜力相当大，而且干净彻底、无二次污染，几乎所有能造成环境污染的有机物都能被微生物所分解、利用，这为我们消除农药残留环境污染提供了一条崭新的途径农药面源污染的微生物修复（微生物降解的全面
19、性）。 生物修复在美国已经形成了一门新兴的生物技术产业，有几十家生物修复公司，专门提供污染环境（土壤和水体的石油、化工污染）生物修复的技术方案和产品，在美国生物修复市场的营业额已经达到了百亿美元（新兴的生物技术产业）。 农药污染是中国等发展中国家所面临的迫切需要解决的问题，国内在农药残留的微生物降解方面进行了很多的研究，逐步在加大应用（现实迫切需要）。,CK （No atrazine） Atrazine BATH1 BATH1,阿特拉津降解菌盆钵试验,农药残留微生物降解技术在韭菜生产中的生物修复,生物修复项目实施基地,韭菜栽培现场,农药残留降解,创建无公害品牌,特色产业,无公害农产品,大丰市南
20、阳镇的城乡村2000亩韭菜，97年因农药残留超标进不了上海市场，严重影响其销售，实施本技术后农药残留降解率在99%以上，经农业部环境质量检测总站检测达到国家绿色食品标准，进入上海杭州等市场，每公斤增收0.1元以上，每年增收50-100万元。目前已注册“城乡牌”韭菜，形成品牌。,四、产业化空间,4.1 节能减排,四、产业化空间,我国农田施用氮肥有效固碳潜力为-51 Tg Ca-1，不具备有效固碳潜力;微生物肥料能增加土壤有机质和腐殖质含量，提高土壤总有机碳和活性有机碳含量，有碳汇作用。,四、产业化空间,4.2 食品安全,随着社会经济发展，人们对无公害食品、绿色食品、有机食品/生态食品的需求将日益
21、增加。使用微生物肥料可以改善农产品品质，降低硝酸盐含量和农药残留。,四、产业化空间,4.3 循环农业和生态农业,生物有机肥料以农业有机废弃物为主要原料，可促进资源循环利用，减少污染物排放； 培肥地力，减少化肥利用量，减少潜在面源污染，促进农业可持续发展； 改良或修复污染土壤，净化土质，保护农业生态环境。,我国年化肥需求量约1.4亿t （实物量）；欧洲国家微生物肥料的使用比例达到45-60%，美国高达60-70%。 如果我国生物有机肥、生物有机无机专用肥的使用量达到10%，年需求量将达到1400万t 。综上所述，我国微生物肥料产业化极为广阔。,四、产业化空间,无芽胞菌种有芽胞菌种,单一功能多功能
22、,单一菌种复合菌种,单一微生物菌剂生物有机 生物有机无机,发展方向,豆科作物接种剂非豆科作物肥料,四、产业化空间,4.4 微生物肥料发展方向,四、产业化空间,新品种不断增加,施用效果逐渐被认可,质量标准体系逐步完善,国际市场日趋活跃,国家扶持政策陆续出台,提供了利好驱动和需求动力，具有广阔的发展空间。,1,2,3,4,5,4.5 微生物肥料产业环境,5.1 功能微生物,固氮解钾解磷,杀虫抑菌,土壤修复,植物生物调节,植物生长调节,五、产业化拓展,功能微生物拓宽了微生物肥料菌种的选择，应采用先进技术，筛选培育功能性、适应性强的优良菌株。,杀虫抑菌,固氮解钾解磷,抗旱耐盐,有机质分解,五、产业化拓
23、展,5.2 微生物肥料的种类多元化拓展,微生物肥料总的发展趋势是多菌种联合，多功能复合和多物料混合,有机肥,无机肥,微生物菌剂,大三元肥料,以特定复合微生物菌种、有机组分及无机组分为主要原料的大三元肥料，具有微生物的“促”、有机肥的“”缓和化肥的“速”多重效应！,五、产业化拓展,5.2 微生物肥料种类多元化拓展,大三元复合肥料生产存在问题：,问题,大三元肥料中活性菌与化肥共存，易出现“烧”菌现象，失去生物肥作用；,造粒工艺需要烘干，高温环境易使微生物菌种丧失活性；,有机物料发酵不彻底，有害微生物菌杀灭不彻底，既影响功能菌效果，还易出现烧苗、死苗现象， 另外还造成土壤二次污染 。,1,2,3,五
24、、产业化拓展,5.2 微生物肥料的种类多元化拓展,解决途径：,问题,筛选耐高温、耐干燥、耐酸碱、耐盐份强的微生物菌 ，如芽孢杆菌类。,选择经济高效的有机物料发酵工艺与设备，加强生产运行与管理。,选择合理的复合生产工艺：免造粒；低温低水分含量造粒；包裹材料造粒。,1,2,3,五、产业化拓展,5.3 微生物肥料消费市场开拓,扩大应用对象范围：,经济作物,养殖业(牧草种植 饲料添加剂）,林业,粮食作物,种植业,五、产业化拓展,5.3 微生物肥料消费市场开拓,扩大微生物肥料功能范围：,微生物农药制剂,环境修复剂,饲料添加剂,5.3 微生物肥料消费市场开拓,个性化产品研发：,五、产业化拓展,Text 1
25、,作物品种,Text 3,Text 1,个性化产品,Text 3,多样化,使用目的,使用环境,菌种选择,剂型选择,Text 3,Text 3,环保化,Text 3,Text 3,特殊化,五、产业化拓展,5.3 微生物肥料消费市场开拓,拓展国际市场：,与周边国家相比,我国微生物肥料行业优势: 有机原料资源丰富； 品种多、应用范围广;应积极拓展国际微生物肥料市场。,没有愚蠢的微生物,微生物比生物学家、工程师等,大脑更聪明手脚更灵巧精力更充沛 !,微生物,能将,做任何事!,微生物,是人类真正的朋友永远的合作伙伴 !,编译自Perlman的Development in industrial Microbiology(1980),本章知识点,微生物肥料六大功能和相应的机理？,Thank You for Your time!,
