微生物次级代谢产物及其在肥料中的应用

Microbial Secondary Metabolites and Their Application in Fertilizers

doi: DOI: 10.3969/j.issn.2096-7047.2022.03.001

马志明Zhiming MA , 武良Liang WU , 高璐阳Luyang GAO

1 新洋丰农业科技股份有限公司湖北荆门 448000 Xinyangfeng Agricultural Technology Co., Ltd., Jingmen, Hubei 448000, China 2 农业农村部作物专用肥料重点实验室北京 100193 Key Laboratory of Special Fertilizers for Crops of Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Beijing 100193, China 3 山东新洋丰肥业有限公司山东菏泽 274000 Shandong Xinyangfeng Fertilizer Co., Ltd., Heze, Shandong 274000, China

Author notes:

Correspondence to: 高璐阳（1987—），男，硕士，农艺师，从事新型肥料研发及高效应用研究；gaoluyang81@126.com

摘要：

微生物次级代谢产物在改良土壤结构、提升土壤肥力、提高作物产量和改善作物品质等方面有重要作用。概述了微生物次级代谢产物的概念、来源及其作用，介绍了微生物次级代谢产物在细菌肥料、放线菌肥料和真菌肥料中的应用，分析了微生物次级代谢产物与肥料复配生产及使用过程中需注意的事项。针对微生物功能性肥料在开发、推广和应用中存在的问题，提出了应采取的措施，并对新型功能性肥料产业的发展进行了展望。

关键词：

微生物次级代谢产物; 功能性肥料; 复配; 应用; 展望;

Abstract：

Microbial secondary metabolites play an important role in improving soil structure such as increasing soil fertility, increasing crop yield and improving crop quality. The concept, source and function of microbial secondary metabolites are summarized, the application of microbial secondary metabolites in bacterial fertilizers, actinomycete fertilizers and fungal fertilizers is introduced, and the matters needing attention in the production and use of the compound production and use of microbial secondary metabolites and fertilizers are analyzed. In connection with the problems in the development, promotion and application of microbial functional fertilizers, the measures that should be taken are proposed and the development of the new functional fertilizer industry is prospected.

Keyword：

microbial secondary metabolites; functional fertilizer; compounding; application; prospect;

化肥作为保障粮食安全的基础物质，极大地促进了粮食的生产，在改善土壤养分条件、提高作物经济产量、促进农业可持续化发展等方面发挥着重要作用^[1]。随着我国农业生产的改革和推进，对肥料质量的要求进一步提高，但目前仍存在施肥结构不合理、施肥量偏多、肥料利用率较低和水体污染严重等问题^[2-3]，制约了农业的可持续发展。在化肥使用量零增长的前提下，开发和应用新型功能性肥料是保障我国粮食安全的有效措施之一。

微生物次级代谢产物在改良土壤结构、增加土壤肥力、提高作物产量和改善作物品质等方面有重要作用^[4]。利用不同活性微生物次级代谢产物与化学肥料进行复配，制备不同新型功能性肥料，应用前景十分广阔。本文综述了微生物次级代谢产物概念、来源及其在肥料中的作用，探究微生物次级代谢产物与肥料复配和应用的关键，并对新型肥料的发展前景进行展望，以期为新型功能性肥料的研究和应用提供参考。

1 微生物次级代谢产物概况

1.1 微生物次级代谢产物的定义及特点

在微生物的代谢活动中，通常将微生物在一定生长时间内，以初级代谢产物为前体，合成一些对当前生命活动无明确功能物质的过程称为微生物次级代谢，代谢合成的物质称为微生物次级代谢产物。

微生物次级代谢产物大多是分子结构较复杂的化合物，因微生物和培养条件的不同，代谢产物也不尽相同。通常次级代谢产物是被分泌到细胞外，在与其他生物竞争的过程中起重要作用。但次级代谢产物不参与细胞结构的组成，也不是酶活性所必需的，即使在某个环节发生障碍，也不会致使机体停止生长或死亡。微生物次级代谢产物被广泛应用于农业、食品和医疗等领域，前景广阔。

1.2 微生物次级代谢产物的来源

微生物种类多、分布广，其次级代谢产物数量众多，来源广泛。与人类生活密切相关的次级代谢产物主要来源于细菌、真菌和放线菌等。部分微生物次级代谢产物来源及作用见表 1^[5]。

表 1

部分微生物代谢产物来源及作用

分类	代谢产物来源	次级代谢产物名称	次级代谢产物作用
细菌	芽孢杆菌类	伊枯草菌素、杆菌霉素、γ-聚谷氨酸、抗霉枯草菌素、双效菌素等	抑制胶孢炭疽菌、枯萎病菌、瓜果腐霉菌，番茄灰霉防治
	假单胞菌类	氰化氢、2, 4-二乙酰基间苯三酚、吩嗪、硝吡咯菌素、藤黄绿脓菌素等	抑制病原菌，叶枯病、小麦全蚀病防治
	伯克氏菌类	pyrrolnitrin、pseudane	水稻纹枯病防治
真菌	木霉类	木霉素、胶霉毒素、抗菌肽、吡喃酮等	抑制枯萎病菌、全蚀病菌，小麦根腐病、水稻纹枯病防治
	粘帚霉	gliovirin	抑制终极腐霉
	聚端孢霉	单端孢菌素	抑制真菌、病毒，棉籽等农作物枯萎病防治
放线菌	链霉菌	井岗霉素、春日霉素、SMP5-1、阿维菌素、链霉素等	抑制植物病原真菌，水稻稻瘟病、纹枯病、害虫防治

1.2.1 细菌

细菌随处可见，其生物量仅次于植物体总生物量^[6]。细菌代谢产物具有结构多样性和广谱活性，被广泛应用于农化和医药产品的制造。研究表明：细菌中芽孢杆菌属产生的抗菌性代谢产物，如杆菌霉素、双效菌素及抗霉菌枯草杆菌素等，被广泛应用于作物病害防治中^[7]，γ-聚谷氨酸具有较强的抗逆促生作用，被广泛应用于新型肥料生产；假单胞菌属产生的代谢产物，如2, 4-二乙酰基间苯三酚、硝吡咯菌素等，是目前被研究最多的细菌生物防治剂。

1.2.2 真菌

真菌具有生物多样性，种类和数量众多，目前已了解的真菌种类有9.7万余种，但仅占其种类数量的6%。在真菌微生物次级代谢产物中，约50%是由丝状真菌产生的^[8]。研究表明，木霉菌、非致病性镰刀菌和聚端孢霉等是少数能够产生多种抗菌代谢产物的真菌属。木霉菌能够产生木霉素和杀病毒剂等抗生素次级代谢产物；厚垣镰孢的次级代谢产物能够有效抑制花生锈病病原菌的产生；粉红聚端孢菌能够产生大量抗病毒次生代谢产物和具有农药活性的抗生菌；单端孢菌素作为粉红聚端孢菌的产物被广泛用于棉籽枯萎病的防治^[9]。

1.2.3 放线菌

对于微生物次级代谢产物的研究，大多数基于对放线菌的挖掘。放线菌能够产生大量具有不同生物活性的次生代谢产物，被广泛应用于医疗和农业领域。放线菌次级代谢产物种类丰富，约占已报道的微生物活性物质的50%，根据其化学结构，这些代谢产物可分为β-内酰胺、糖肽、核苷、多肽和聚酮类等^[10]。放线菌次级代谢产物的来源主要是链霉菌属，具有抗菌、杀虫、免疫抑制和激活等功效^[11]。研究表明：放线菌能够用于生产多种抗菌剂和抗真菌药，如四环素、氯霉素和红霉素等；除莠霉素是可用作生产除草剂的代谢产物^[12]。

2 微生物次级代谢产物的作用

微生物次级代谢产物种类和数量众多，不同代谢产物具有不同的作用，微生物次级代谢产物在农业生产中的主要作用见图 1。

图 1

微生物次级代谢产物的主要作用

2.1 调节作物生长，增强作物抗逆性

微生物通过代谢活动产生的各种物质能够调节作物生长，提高作物对土壤旱涝、酸碱和有害金属元素的耐受力，增强在胁迫条件下作物的存活率。研究表明：根际微生物产生的生长素、赤霉素等生长调节物质，可以刺激细胞分裂，促进植物生长^[13]。部分假单胞菌产生的细胞分裂素可诱导植株生长，促进细胞分裂^[14]。某些促生菌能够调节细胞分裂素和脱落酸的平衡，延缓作物衰老^[15]。利用微生物代谢产物产生的病原菌可提高作物抗病能力。研究还表明，盐胁迫条件下，施用根瘤菌和施用氮肥的相同花生品种间氮肥利用率无明显差异^[16]。恶臭假单胞菌可提高盐胁迫下棉花种子的萌发率，增加对Mg²⁺、K⁺、Ca²⁺的吸收，减少对Na⁺的吸收^[17]。假单胞菌可提高水淹状态下芦笋的发芽率^[18]。

2.2 改善土壤状况，提高供养分能力

微生物代谢产物能够改善土壤状况，溶解土壤中难以直接利用的营养元素，提高土壤供给养分的能力。研究表明：微生物代谢产物可加快植物残体的腐解速率，提高土壤通透性，增加土壤有机质^[19]。大量有益微生物还能够释放出糖类物质与土壤矿物胚体结合，改善土壤团粒结构^[20]。固氮菌能够有效增加土壤氮素，促进作物对氮素的吸收利用，提高供氮能力。溶磷细菌和解钾细菌能够分泌多种有机酸，增强对土壤磷、钾的溶解性，提高土壤中磷、钾养分含量，满足作物对磷、钾养分的需求^[21-22]。

2.3 促进氮磷钾养分吸收

微生物代谢产物能够通过固氮、溶磷、解钾等方式，增强作物对氮、磷、钾养分的吸收利用。根瘤菌类、自生固氮菌和联合固氮菌类能够通过自身生命活动将空气中的氮素固定，并将其转化为植物可利用的氮源。研究表明，在小麦和玉米上应用固氮菌肥，可增加玉米、小麦经济产量^[23]。解磷菌可通过代谢过程分解有机磷化合物，产生有机酸和无机酸分解无机磷，进而提高植物对磷的利用效率。土壤中90%以上的钾存在于硅酸盐矿物中，难以被植物吸收利用。解钾菌能够分解土壤中难溶性矿物，将其转化为易溶性物质，以便于植物吸收钾养分，其中以胶质芽孢杆菌和多黏芽孢杆菌为主。

3 微生物次级代谢产物在肥料中的应用

微生物通过自身生命活动产生的代谢产物结构复杂，依据代谢产物来源和种类的不同，主要被应用于细菌肥料、放线菌肥料和真菌肥料。

3.1 细菌肥料

细菌肥料主要有根瘤菌肥料、固氮菌肥料、解磷菌肥料、解钾菌肥料和光合细菌肥料等。根瘤菌和固氮菌可利用固氮酶将空气中的N₂还原成NH₃，被植物吸收利用。研究表明：大豆根瘤菌AWCS13-4具有耐酸、耐盐等特点；褐球固氮菌可提高小麦、燕麦的氮固定^[24-25]。解磷菌是一种根际促生菌，可将土壤难溶性磷转化为易于植物吸收的形态。研究还表明，黄杆菌属、假单胞菌属、芽孢杆菌属和微球菌属代谢产物都具有良好的溶磷能力^[26-27]。解钾菌是能将土壤中难溶性钾和硅转变为植物可吸收形态的一类微生物。研究表明，芽孢杆菌属C1和Y3等高效菌株，已被广泛应用于肥料行业^[28]。林启美等^[29]分离出的解钾菌株RGBC13能够促进番茄生长，增加番茄对磷、钾的吸收量。光合细菌对土壤培肥效果显著，白红娟等^[30]的研究表明，光合细菌可抑制蔬菜从土壤中吸收Pd、Cd等元素，保证食品安全；曾益波等^[31]的研究表明，光合细菌PSBO6可提高水稻种子活力，是一种高效浸种剂。

3.2 放线菌肥料

放线菌通常能够产生抗逆性较强的孢子，并定殖于植物根部土壤，抑制多种植物病原菌，目前已发现的微生物次级代谢产物有70%来源于放线菌^[32]。链霉菌是放线菌次级代谢产物的主要来源，研究表明，链霉菌S-101对病原菌有很好的拮抗作用，可抑制黄瓜尖镰孢菌和草莓炭疽菌^[33]；链霉菌HBERC-57169能够有效防治蔬菜枯萎病、青枯病和根腐病的发生^[34]。链霉菌AgN₂₃可促使拟南芥叶片产生防御反应，抵抗念珠菌感染^[35]；密旋链霉菌AcBT12可促使堆肥酸度降低，增加有效磷、有效钾和有机质的含量^[36]。娄彻氏链霉菌也是放线菌的一种，主要用于真菌病害的防治，如番茄青枯病、黄瓜枯萎病、水稻稻瘟病等^[37-38]。

3.3 真菌肥料

真菌肥料主要包括菌根菌肥料、解磷菌肥料和真菌有机肥等。菌根菌可产生植物激素和其他抗生素，主要作为植物生长促进剂、生物防治剂或生物肥料接菌剂应用于农业中。解磷菌能够提高土壤磷酸钙的溶解性，其解磷能力一般强于细菌的。研究表明，高效解磷真菌C2′(草酸青霉菌属)在代谢过程中产生的苹果酸和酒石酸对溶磷起重要作用^[39]。溶磷青霉菌株FC28、FC39和产黄青霉菌株PSM-1可增大磷酸三钙的溶解量；溶磷菌株V1可提高土壤中有效磷的含量^[40-42]。与解磷细菌相比，解磷真菌可始终保持解磷活力。

4 微生物代谢产物与肥料复配、应用的关键

肥料中含有的微生物及代谢产物不同，肥料效果和作用机制也不同。在肥料实际生产和使用过程中，通常会因不同环境条件、施用方式等造成肥料效果差异，因此需提前根据作物、环境特点及肥料中微生物活性进行预试验。在微生物代谢产物与肥料复配生产和应用时，需要注意以下几个方面。

(1) 严格按照种植作物实际需求使用复配肥料产品。必须根据种植作物实际需求、土壤理化性质和肥料特点选择适合的肥料，避免因对物料特点、效果不了解造成功能性肥料在生产和使用过程中出现各种问题。

(2) 严格依据肥料的施用方法、所需环境条件应用复配肥料。微生物代谢产物是生物活性物质，在适宜的水肥气热条件下才能发挥作用。肥料在使用前，需合理调节土壤pH至6.5~7.5，及时补充土壤水分，保持适宜的土壤湿度，避免与未腐熟的农家肥和杀菌剂等共同使用。

(3) 明确产品信息，配套使用肥料产品，开展适当的农化服务。肥料应用过程中，需查看肥料有效期和肥料产品是否已登记，确保登记证信息与肥料产品一致，避免使用质量无保障的肥料产品。相关肥料生产企业需为其经营的产品开展农化服务，说明产品应用注意事项等配套信息，确保复配肥料的正确使用。

5 展望

目前新型肥料产业发展迅猛，微生物功能性肥料因其特有的优势逐渐在肥料市场和现代农业发展中占有席位，并具有广阔的前景。但新型功能性肥料在新产品开发、农业推广和全面应用方面仍存在许多问题：代谢产物分离提纯难度大，与肥料结合不稳定；肥料效果研究仅针对于增产原因分析和田间试验验证，对代谢产物作用机制、功能性肥料生产的工艺条件等探索较少；肥料种类较少，作用机理尚不明确，推广应用较缓慢等。为加强新型肥料的开发、应用和推广，建议采取以下措施。

(1) 建立完全的市场化机制，统一微生物代谢产物培养和加工标准，加深对代谢产物生物学特性和作用机理的研究力度。

(2) 加快研究成果与知识产权的转化，肥料生产企业与相关高校院所展开合作，提升肥料新产品的研发力度。

(3) 政府及相关行业机构应加强联合宣传和肥料应用推广示范，以促进新型肥料的合理利用。

新型功能性肥料的开发与应用是改善和保障生态环境的重要措施，是我国粮食安全体系的基础。随着对新型功能性肥料的进一步深入研究、肥料标准的完善和人们对生态环境保护意识的增强，我国功能性肥料产业必将得到更快的发展，具有更加广阔的市场前景。

ckwx 参考文献

朱兆良, 金继运. 保障我国粮食安全的肥料问题[J]. 植物营养与肥料学报, 2013, 19(2): 259-273.

张灿强, 王莉, 华春林, 等. 中国主要粮食生产的化肥削减潜力及其碳减排效应[J]. 资源科学, 2016, 38(4): 790-797.

张福锁, 王激清, 张卫峰, 等. 中国主要粮食作物肥料利用率现状与提高途径[J]. 土壤学报, 2008, 48(5): 915-924.

杨淑君, 杨成德, 徐炜, 等. 微生物肥料在土壤改良和植物生产中的应用[J]. 农家参谋, 2020(22): 65-66.

张阳, 刘重喜, 王相晶, 等. 微生物代谢产物在植物病害防治中的应用[J]. 世界农药, 2013, 35(3): 34-40.

HUG J J, KRUG D, MVLLER R. Bacteria as genetically programmable producers of bioactive natural products[J]. Nature Reviews Chemistry, 2020, 4(4): 172-193.

赵婷峰, 龚国利. 黏细菌: 天然的制药厂[J]. 生物技术通报, 2014(12): 40-46.

BÉRDY J. Bioactive microbial metabolites[J]. The Journal of Antibiotics, 2005, 58(1): 1-26.

兰琪, 姜广华, 吴文君. 农用植物内生真菌研究进展[J]. 世界农药, 2002, 24(3): 10-11.

张超群, 戴建荣. 放线菌的研究现况与展望[J]. 中国病原生物学杂志, 2019, 14(1): 110-113.

WOHLLEBEN W, MAST Y, MUTH G, et al. Synthetic biology of secondary metabolite biosynthesis in actinomycetes: Engineering precursor supply as a way to optimize antibiotic production[J]. FEBS Letters, 2012, 586(15): 2171-2176.

张一宾. 由植物中放线菌产生的植物生理活性物质[J]. 世界农药, 2003, 25(1): 9-12.

蒋先军, 黄昭贤, 谢德体, 等. 硅酸盐细菌代谢产物对植物生长的促进作用[J]. 西南农业大学学报(自然科学版), 2000, 22(2): 116-119.

ORTIZ-CASTRO R, DÍAZ-PÉREZ C, MARTÍNEZ-TRUJILLO M, et al. Transkingdom signaling based on bacterial cyclodipeptides with auxin activity in plants[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2011, 108(17): 7253-7258.

熊国胜, 李家洋, 王永红. 植物激素调控研究进展[J]. 科学通报, 2009, 54(18): 2718-2733.

EL-AKHAL M R, RINCÓN A, PEÑA T C, et al. Effects of salt stress and rhizobial inoculation on growth and nitrogen fixation of three peanut cultivars[J]. Plant Biology, 2013, 15(2): 415-421.

YAO L X, WU Z S, ZHENG Y Y, et al. Growth promotion and protection against salt stress by Pseudomonas putida Rs-198 on cotton[J]. European Journal of Soil Biology, 2010, 46(1): 49-54.

LIDDYCOAT S M, GREENBERG B M, WOLYN D J. The effect of plant growth-promoting rhizobacteria on asparagus seedlings and germinating seeds subjected to water stress under greenhouse conditions[J]. Canadian Journal of Microbiology, 2009, 55(4): 388-394.

汪景宽, 徐英德, 丁凡, 等. 植物残体向土壤有机质转化过程及其稳定机制的研究进展[J]. 土壤学报, 2019, 56(3): 528-540.

尹丽华, 邸文静, 于连海, 等. 微生物肥料及其应用推广分析[J]. 现代农业科技, 2010(17): 288.

于海洋, 周方园, 李凤, 等. 解磷微生物及其在土壤污染防治中的应用研究进展[J]. 环境科学与技术, 2020, 43(增刊1): 44-51.

席琳乔, 宋爱民, 龚明福, 等. 棉花根际硅酸盐细菌解钾机理的初步研究[J]. 西北农业学报, 2009, 18(3): 309-314.

曹云海. 非豆科作物施用固氮菌肥的肥效试验[J]. 甘肃农业, 2005(11): 93-94.

SAHOO R K, ANSARI M W, DANGAR T K, et al. Phenotypic and molecular characterisation of efficient nitrogen-fixing Azotobacter strains from rice fields for crop improvement[J]. Protoplasma, 2014, 251(3): 511-523.

WANI S A, CHAND S, ALI T. Potential use of Azotobacter chroococcum in crop production: an overview[J]. Current Agriculture Research Journal, 2013, 1(1): 35-38.

DASTAGER S G, DEEPA C K, PANDEY A. Isolation and characterization of novel plant growth promoting Micrococcus sp NII-0909 and its interaction with cowpea[J]. Plant Physiology and Biochemistry, 2010, 48(12): 987-992.

银婷婷, 王敬敬, 柳影, 等. 高效解磷菌的筛选及其促生机制的初步研究[J]. 生物技术通报, 2015, 31(12): 234-242.

王翠坚, 刘斌. 浅谈微生物在肥料生产中的应用[J]. 农村实用技术, 2020(2): 67-69.

林启美, 饶正华, 孙焱鑫, 等. 硅酸盐细菌的筛选及其对番茄营养的影响[J]. 中国农业科学, 2002, 35(1): 59-62.

白红娟, 肖根林, 贾万利. 光合细菌对土壤中呋喃丹的生物降解[J]. 工业安全与环保, 2013, 39(4): 66-69.

曾益波, 刘骏, 赵国盛, 等. 光合细菌PSB06浸种对水稻促生作用研究[J]. 杂交水稻, 2018, 33(3): 50-53.

詹庆, 曹雅丽. 土壤中放线菌的分离与应用[J]. 现代园艺, 2017(3): 24-25.

圆圆, 张虹, 苏道拉呼, 等. 抑制黄瓜枯萎病的链霉菌S-101及其生防作用研究[J]. 中国生物防治学报, 2019, 35(5): 813-820.

万中义, 方伟, 吴兆圆, 等. 广谱抗真菌链霉菌HBERC-57169活性物质的分离鉴定[J]. 生物资源, 2019, 41(6): 516-523.

VERGNES S, GAYRARD D, VEYSSIERE M, et al. Phyllosphere colonization by a soil Streptomyces sp. promotes plant defense responses against fungal infection[J]. Molecular Plant-Microbe Interactions, 2019, 33(2): 223-234.

GUO D, REN C Y, ALI A, et al. Streptomyces pactum combined with manure compost alters soil fertility and enzymatic activities, enhancing phytoextraction of potentially toxic metals (PTMs) in a smelter-contaminated soil[J]. Ecotoxicology and Environmental Safety, 2019, 181: 312-320.

李威, 肖熙鸥, 李可, 等. 娄彻氏链霉菌XL-6的抑菌活性及对茄子幼苗的防病促生效应[J]. 中国生物防治学报, 2017, 33(4): 531-536.

刘琴, 徐健, 刘怀阿, 等. 黄瓜内生放线菌SR-1102分离及对枯萎病菌拮抗活性[J]. 扬州大学学报(农业与生命科学版), 2015, 36(2): 83-88.

王莉晶, 高晓蓉, 吕军, 等. 解磷真菌C2′的分离鉴定及其在土壤中实际解磷效果的研究[J]. 土壤通报, 2009, 40(4): 771-775.

CHATLI A S, BERI V, SIDHU B S. Isolation and characterisation of phosphate solubilising microorganisms from the cold desert habitat of Salix alba Linn. in trans Himalayan region of Himachal Pradesh[J]. Indian Journal of Microbiology, 2008, 48(2): 267-273.

BHATTACHARYA S S, BARMAN S, GHOSH R, et al. Phosphate solubilizing ability of Emericella nidulans strain V1 isolated from vermicompost[J]. Indian Journal of Experimental Biology, 2013, 51(10): 840-848.

李海云, 牛世全, 孔维宝, 等. 猪粪堆肥中一株溶磷菌的筛选鉴定及溶磷能力初步测定[J]. 环境科学学报, 2015, 35(5): 1464-1470.