微生物對(duì)土壤的修復(fù)與改良的直接作用機(jī)理

工程建設(shè)后植被恢復(fù)的重要限制因子之一就是養(yǎng)分不足，而土壤微生物通過養(yǎng)分循環(huán)直接改善土壤質(zhì)量，通過改變周圍土壤性質(zhì)或構(gòu)建礦物結(jié)構(gòu)來改善土壤環(huán)境，比如土壤pH、金屬可用性、礦物成分、團(tuán)聚體和土壤水文等，進(jìn)而通過養(yǎng)分循環(huán)及結(jié)構(gòu)變化等間接促進(jìn)植物生長(zhǎng)，植物根系的生長(zhǎng)再反哺土壤養(yǎng)分以及微生物群落和組成的改善，從而達(dá)到修復(fù)改良的目的。

一、促進(jìn)養(yǎng)分循環(huán)，提升土壤健康

土壤微生物通過自身代謝參與土壤中碳、氮、磷、鐵和硫等元素的循環(huán)，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)與能量循環(huán)具有非常重要的意義。土壤微生物參與有機(jī)質(zhì)的分解，比如植物的殘根敗葉和施入土壤中的有機(jī)肥料，經(jīng)過土壤微生物的作用腐爛分解，釋放出營(yíng)養(yǎng)元素，供植物利用，并形成腐殖質(zhì)，改善土壤結(jié)構(gòu)。土壤微生物經(jīng)由“體外修飾(exvivomodification)”途徑和“體內(nèi)周轉(zhuǎn)(invivoturnover)”途徑將植物殘?bào)w轉(zhuǎn)化為微生物生物量和代謝產(chǎn)物?！绑w外修飾”指凋落物進(jìn)入土壤后不經(jīng)過微生物細(xì)胞的同化過程，微生物重構(gòu)或修飾植物大分子成分，通過分泌胞外酶將植物殘?bào)w分解成顆粒更小的碎屑輸入土壤內(nèi)部。這些酶具有分解土壤中的纖維素、木質(zhì)素、蛋白等有機(jī)質(zhì)等功能，從而在土壤中完成大分子物質(zhì)分解，不但加速微生物自身的生長(zhǎng)與繁殖，也改善土壤的養(yǎng)分循環(huán)。“體內(nèi)周轉(zhuǎn)”指凋落物進(jìn)入土壤后，微生物攔截并攝入植物小分子成分，以生長(zhǎng)至死亡的生理路徑將植物小分子有機(jī)質(zhì)同化成自身生物量后促成微生物源有機(jī)質(zhì)在土壤內(nèi)不斷堆積，微生物死亡后形成的殘留物也是土壤有機(jī)質(zhì)的重要來源。而土壤自身也具有豐富的酶類，微生物的活性可提高土壤酶活力，加快土壤中有機(jī)質(zhì)分解和養(yǎng)分循環(huán)。比如在采石場(chǎng)廢棄的土壤中添加膠質(zhì)芽孢桿菌、細(xì)黃鏈霉菌(Streptomycesmicroflavus)和里氏木霉(T.reesei)復(fù)合菌劑能平衡土壤的酸堿性，提高土壤養(yǎng)分含量和生物活性，改善土壤質(zhì)量。

另外，土壤微生物是土壤元素生物地球化學(xué)循環(huán)的引擎，比如前文提到的氮循環(huán)作為土壤生態(tài)系統(tǒng)元素循環(huán)的核心之一，其4個(gè)主要過程，即生物固氮、氨化作用、硝化作用、反硝化作用，均由微生物驅(qū)動(dòng)。這些土壤微生物就好比土壤中的肥料加工廠，將土壤中的礦質(zhì)肥料加工成作物可以吸收利用的形態(tài)。

土壤微生物還可以分解礦物質(zhì)，土壤微生物的代謝產(chǎn)物能促進(jìn)土壤中難溶性物質(zhì)的溶解。例如解磷細(xì)菌如芽孢桿菌屬、伯克氏菌屬、假單胞桿菌屬、歐文氏菌屬和沙雷氏菌屬等多個(gè)屬的細(xì)菌能分解出磷礦石中的磷，這項(xiàng)功能是通過分泌有機(jī)酸降低土壤pH，促進(jìn)礦質(zhì)磷溶解，或者產(chǎn)生磷酸酶和植酸酶的酶解作用實(shí)現(xiàn)；解鉀細(xì)菌如根瘤菌、固氮菌屬、芽胞桿菌屬、微桿菌屬、假單孢菌屬、克雷伯氏桿菌屬等能分解出鉀礦石中的鉀，解鉀菌分泌的無機(jī)酸、有機(jī)酸、多糖、蛋白質(zhì)等物質(zhì)能夠通過降低環(huán)境pH、質(zhì)子交換、絡(luò)合或螯合等作用促進(jìn)含鉀礦物的分解。

二、改善土壤結(jié)構(gòu)及質(zhì)地

土壤結(jié)構(gòu)對(duì)土壤質(zhì)量及其作用起著舉足輕重的作用，它直接影響著水分吸收、氣體交換、土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分循環(huán)。土壤微生物對(duì)促進(jìn)土壤顆粒的團(tuán)聚和維持團(tuán)聚體穩(wěn)定性方面起著關(guān)鍵作用。微生物分解有機(jī)質(zhì)形成的大分子物質(zhì)比如腐殖酸、纖維素、木質(zhì)素、多糖羧酸類等物質(zhì)被吸附于土壤膠體上，有助于形成大的土壤團(tuán)粒。此外，根毛和真菌菌絲，尤其是叢枝菌根真菌產(chǎn)生的菌絲，對(duì)于大團(tuán)聚體的形成特別重要。土壤微生物自身能產(chǎn)生大量的代謝物，部分代謝物比如多糖和球囊霉素等作為膠體促使土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成，或者通過胞外聚合物將細(xì)胞附著至礦物表面，促進(jìn)礦物顆粒的聚集，形成的土壤微團(tuán)聚體。這些團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成同時(shí)也有助于提高土壤微生物的代謝活性，進(jìn)一步促進(jìn)了土壤的養(yǎng)分循環(huán)。

三、減輕土壤污染危害

微生物還可以降解土壤中殘留的有機(jī)農(nóng)藥、城市污物和工廠廢棄物等，把這些分解成低害甚至無害的物質(zhì)，降低殘毒危害，大量的土壤微生物可用于污染土壤的修復(fù)。土壤微生物對(duì)其修復(fù)并不是直接降解和破壞重金屬，而是通過與重金屬離子發(fā)生一系列物理比如吸附和沉淀作用或者化學(xué)反應(yīng)比如絡(luò)合和氧化還原等作用，從而改變重金屬離子的形態(tài)，使其不能被植物吸收。

部分微生物比如蠟狀芽孢桿菌(B.cereus)、枯草芽孢桿菌(B.subtilis)、粗毛栓菌(Trametesgallica)、綠膿假單胞菌(P.aeruginosa)等通過細(xì)胞壁上的氨基、羧基、羥基、磷?；?、酰胺基、硫酸脂基和巰基等官能團(tuán)，與重金屬離子成鍵，通過這種絡(luò)合作用，將重金屬吸附固定在細(xì)胞表面，降低重金屬離子的毒性。而部分微生物分泌一些蛋白酶類，通過催化氧化還原反應(yīng)使重金屬溶解度減低或者毒性降低。如芽孢桿菌通過分泌Cr?還原酶到細(xì)胞表面，將細(xì)胞表面高毒性的Cr5+還原為低毒性的Cr3+。一些微生物如短桿菌(B.brevis)和假單胞菌屬細(xì)菌可以通過分泌多糖、脂類、蛋白質(zhì)等胞外大分子聚合物，這些大分子物質(zhì)與鎘、鋅、汞等重金屬離子發(fā)生沉淀作用起到固定重金屬的作用。如Pseudomonasfluorescens分泌的生物高分子可以通過羥基、羧基等官能團(tuán)使鎘、銅、汞等重金屬離子發(fā)生沉淀，Streptococcussp.通過分泌脂肪分解酵素來提高溶液pH，使重金屬離子發(fā)生絮凝沉淀，從而大大降低重金屬離子的毒害。

附注：“老燕說農(nóng)”微信公眾號(hào)的文章來自“老燕--燕淑海（15253670881）”的整理，或者是個(gè)人觀點(diǎn)。所用圖片若來自網(wǎng)絡(luò)，若侵犯版權(quán)，與我聯(lián)系，盡快撤銷或更正。若有平臺(tái)轉(zhuǎn)發(fā)，請(qǐng)標(biāo)注轉(zhuǎn)自“老燕說農(nóng)”，版權(quán)歸“原作者所有”，任何人不得利用該平臺(tái)任何文章進(jìn)行商業(yè)活動(dòng)，否則追究法律責(zé)任。轉(zhuǎn)載時(shí)，必須標(biāo)注轉(zhuǎn)載平臺(tái)和參考文獻(xiàn)來源，否則視為侵權(quán)行為，后果自負(fù)。原文：參考文獻(xiàn)：[1]宋澤海，田沛.土壤微生物在土壤改良與修復(fù)中的作用概述.草業(yè)科學(xué),2024,41(11):2622-2636.