微生物高效制備技術(shù)：微生物治理鹽堿地成效初顯！
小楊 / 2024-09-05 10:00:34
“我們已經(jīng)從新疆鹽堿地采集的微生物里，篩選出能依靠亞磷酸鹽提供的碳與甲酰胺提供的氮而生長的微生物。”近日，南京工業(yè)大學(xué)（以下簡稱“南工大”）食品與輕工學(xué)院教授江凌團(tuán)隊成員、南工大副教授劉偉打開實驗室一個冷藏柜的柜門，向記者展示了一個微生物的世界。
只見幾層柜架上，擺滿了培養(yǎng)皿。里面的微生物雖然身份各異，但都有一個共同的使命，那就是貢獻(xiàn)出它們的耐鹽堿基因，推動鹽堿地治理。
最近，團(tuán)隊正在嘗試將這些微生物應(yīng)用于農(nóng)業(yè)，希望能降低微生物菌種發(fā)酵成本，高效開發(fā)微生物菌劑。
系統(tǒng)篩選耐鹽堿微生物
新疆鹽堿地分布范圍廣、面積大，占全國鹽堿地總面積的22%，是潛在的耕地戰(zhàn)略儲備資源。“極端微生物因其強(qiáng)大的氧化還原能力，以及獨(dú)特的代謝產(chǎn)物，成為修復(fù)鹽堿及重金屬土壤最理想的微生物之一。”江凌說。
為了“喚醒”鹽堿地沉睡的微生物資源，從2012年開始，歷經(jīng)十余年，南工大、南京師范大學(xué)、新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院微生物應(yīng)用研究所等機(jī)構(gòu)的科研人員組建的聯(lián)合研究團(tuán)隊，進(jìn)行上百次野外科考，在新疆輻射污染區(qū)、阿克蘇鹽山、羅布泊鹽湖、冰川一號、艾丁湖等特殊環(huán)境中，采集了500余份土壤樣本。
“經(jīng)過系統(tǒng)篩選，我們最終建立了國內(nèi)最大的來源于新疆輻射、鹽堿等極端生境的農(nóng)業(yè)微生物種質(zhì)資源庫，收錄了在極端環(huán)境中生長的5297株微生物菌株，并從中發(fā)現(xiàn)了烏魯木齊異常球菌等14個微生物新種。”江凌說。
江凌團(tuán)隊成員、南工大教授朱麗英介紹，從新疆鹽堿地中篩選耐受高鹽環(huán)境，并能促進(jìn)作物生長的微生物，始終是團(tuán)隊的目標(biāo)。
團(tuán)隊從農(nóng)業(yè)微生物種質(zhì)資源庫進(jìn)一步篩選出白蟻菌IS7、芽孢桿菌HM-311等57株菌株。“這57株菌株中，86%的菌株可以在氯化鈉含量達(dá)10%的溶劑中生存，50%的菌株具有分解無機(jī)磷的能力。其中，白蟻菌IS7抗逆性能強(qiáng)，不僅在氯化鈉含量達(dá)10%的培養(yǎng)基上生長良好，同時具有解磷、解鉀、固氮等特性；而芽孢桿菌HM-311對重金屬吸附去除率達(dá)90%以上。”劉偉說。
開發(fā)微生物高效制備技術(shù)
想要將發(fā)現(xiàn)的極端微生物菌株用于土壤改良，需要將其大規(guī)模制備。
“以往制備菌株時，需要抑制雜質(zhì)產(chǎn)生，滅除不相干的菌，所以要在高溫高壓的發(fā)酵罐中進(jìn)行，能耗較高。”劉偉說。
團(tuán)隊在經(jīng)過一年的摸索后，漸漸掌握了一種非滅菌高密度發(fā)酵過程放大技術(shù)。
“我們將發(fā)酵培養(yǎng)基中的磷源替換為亞磷酸鹽，氮源替換為尿素和甲酰胺后，發(fā)現(xiàn)培養(yǎng)基中并沒有滋生其他菌落，且亞磷酸鹽、尿素、甲酰胺為篩選獲得的微生物菌株提供了豐富的磷和氮。這意味著，將這些物質(zhì)用于定向培養(yǎng)微生物菌株，可以提高培養(yǎng)的純度和效率，降低發(fā)酵成本。”劉偉說。在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊進(jìn)一步通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法結(jié)合的智能模型，對發(fā)酵培養(yǎng)基成分進(jìn)行了優(yōu)化，以菌株的生物量和發(fā)酵體系中菌群結(jié)構(gòu)為評價指標(biāo)，確定了最優(yōu)發(fā)酵培養(yǎng)基組分，實現(xiàn)了芽孢桿菌的非滅菌發(fā)酵，使原料成本下降了30%。
鹽堿土壤修復(fù)效果顯現(xiàn)
“科研成果只有走出實驗室，在廠房車間、田間地頭開花結(jié)果，才能真正地發(fā)揮作用。”江凌說，極端生境農(nóng)作物種植是個系統(tǒng)工程，考慮到微生物菌劑的應(yīng)用過程受溫度、酸堿度等環(huán)境條件影響，團(tuán)隊制備了基于功能菌、海藻糖、生物炭的三聯(lián)復(fù)合微生物菌劑。
“我們將三聯(lián)復(fù)合微生物菌劑應(yīng)用于在重金屬污染土壤中種植的盆栽玉米，發(fā)現(xiàn)菌劑固化了土壤中的重金屬離子，玉米芽與根對鉛離子的富集量分別下降了40.86%和51.34%，玉米植株長度與干重分別提高了23.6%和73.3%。”劉偉說。
我國新疆地區(qū)鹽堿土地分布廣，農(nóng)業(yè)種植難。針對這一問題，團(tuán)隊還與新疆天物生態(tài)環(huán)保股份有限公司開展聯(lián)合技術(shù)攻關(guān)，開發(fā)了系列復(fù)合微生物菌劑，取得了3項肥料登記證，并在新疆石河子、阿克蘇等地區(qū)的鹽堿地進(jìn)行了鹽堿土壤修復(fù)示范工程。
江凌介紹，通過3—5年的推廣應(yīng)用，堿解氮、速效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)等土壤肥力指標(biāo)分別提高了26.3%、24.7%、40.2%、37.8%。同時，鹽漬化土壤農(nóng)作物的生長與存活率得到有效提升，其中，棉花、沙棘、甘草等作物存活率分別從57%、55%、60%提升至96%以上，畝產(chǎn)分別提升了21.5%，26.4%、18.3%。
“未來，我們希望能篩選出更多耐鹽、吸附土壤重金屬的微生物，用于改良江蘇等沿海區(qū)域的鹽堿地，以提高土壤肥力、植物產(chǎn)量。”江凌說。
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