固氮蓝藻在盐碱化土地生态修复中应用的研究进展

土壤(Soils),2008,40(4):510~516固氮蓝藻在盐碱化土地生态修复中应用的研究进展①张巍，冯玉杰*（哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室，哈尔滨150090）摘要：介绍了固N蓝藻细胞的结构和主要功能：固N蓝藻细胞中含有的叶绿素a能够进行产氧型光合作用；其异形细胞（heterocyst）是进行固N的场所；细胞能分泌胞外多糖（EPS），EPS为多聚阴离子大分子，可与阳离子相互作用，它对Na+的吸附能影响外环境pH改变。从4个方面分析了固N蓝藻的耐盐机理：Na+/H+和Na+/H+-K+反向载体系统可以不断地将胞内Na+排出胞外；在盐胁迫情况下可以合成酸性化合物,从而降低土壤的pH值；积累或产生一些相溶性物质，维持细胞内外渗透压平衡；结合N的存在可以阻止过量Na+的积累，从而提高蓝细菌的耐盐性等。详细介绍了国内外固N蓝藻在盐碱土生态恢复中的研究进展，分析了固N蓝藻在盐碱地改良中的优势及应用潜力以及蓝藻生物菌肥的研究与应用。关键词：固氮蓝藻；盐碱土生态修复；耐盐机理中图分类号：S156.42土地盐碱化严重制约着耕地利用的永续性，直接影响着农业的可持续发展[1-8]。从细胞生物学角度的分析表明,盐分对植物的危害主要是引起离子毒害（特别是Na+）和渗透胁迫两方面[9-14]。而光合自养型的固N蓝藻表现出很好的耐盐性和调节渗透压的能力，采用固N蓝藻对盐碱化土地进行生态修复已经取得了一些成功。由于固N蓝藻的应用为盐碱化土地的生态修复开辟了新的途径和方法，因而引起了科学工作者的重视，并进行了大量的研究，主要包括固N机理的探讨，蓝藻细胞结构和功能对于固N过程有关的生理(特别是光合和代谢生理)机制的研究以及固N蓝藻对农业增产的试验研究等。本文就固N蓝藻的结构、功能、耐盐机理及其在盐碱地修复中的研究进展作一综述。1固氮蓝藻的细胞结构和功能蓝藻是一类原始、古老和分布昀广的固N微生物，它有非常广泛的生态分布，包括广阔的海洋、温和的土壤、淡水湖、甚至是极端的环境，如干旱的沙漠、盐碱化的土壤、寒冷的湖泊或热的喷泉等[15-16]。1973年Fogg等[17]指出蓝藻属于原核微生物，具有革兰氏阴性细菌的结构，但是却具有与真核藻类和高级植物相似的自养型光合系统。它主要具有如下的结构和功能：(1)具有原核微生物的典型细胞结构：细胞内含有核酸成分，但无细胞核的完整结构，细胞壁含胞壁酸和二氨基庚二酸，具有调节pH的作用。(2)属于革兰氏染色阴性，细胞壁带有大量的负电荷，因而可以吸附Na+。(3)细胞中含有叶绿素a，进行产氧型光合作用；营养极为简单，不需要维生素，以硝酸盐或氨作为N源，其异形细胞（heterocyst）是进行固N的场所[18]（图1）；因而固N蓝藻能在完全不含氮化物的环境中依靠光合作用和固N而独立生存；这对于提高盐碱土的N含量，改善土质具有重要的意义。(4)细胞能分泌粘液层、荚膜或形成胶鞘，通常称之为胞外多糖（EPS）（图2），EPS除含有中性单糖①基金项目：黑龙江省杰出青年基金（JC-02-04）资助。*通讯作者（[e-mail]）作者简介：张魏（1975―），男，博士研究生，主要从事环境生物和生态修复技术的研究。E-mail:[e-mail]图1固N蓝藻的结构（H为异形胞）Fig.1Structureofnitrogen-fixingcyanophytes第4期张巍等：固氮蓝藻在盐碱化土地生态修复中应用的研究进展511外，还含有硫酸基团、己糖醛酸或氨基己糖，同时有些EPS还含有甲基化的己糖或戊糖。由于EPS为多聚阴离子大分子，含有多种功能基团，如羧基、羟基、羰基、硫酸基等均可与阳离子作用，它对Na+的吸附能影响外环境pH改变。此外，EPS具有保持水分、降低蒸发的作用，因此能够抵抗强的干旱环境[19]。由于固N蓝藻具有固N耐盐的作用，这引起了众多科学工作者的重视，并成功地将其应用于盐碱土的生态修复中。对于这方面的研究主要经历了3个阶段：①固N蓝藻在盐碱土生态恢复中的应用；②固N蓝藻对盐碱土作用的机理研究；③蓝藻生物菌肥的研究与应用。2固氮蓝藻在盐碱土生态恢复中的应用印度地区大约有700万hm2盐碱土，其生态修复非常具有必要性，所以印度学者对于固N蓝藻在盐碱土生态恢复中的应用研究得昀多。在印度“乌萨”（Usar）的干旱、半干旱及长期渠道灌溉和地下水位高的地区，分布着大约占地250万hm2的盐碱土，含大量的Na、Ca和Mg等盐类，植物和农作物都不能生长，而Singh等[20]早在1950年就发现蓝藻却可以在“乌萨”的盐碱土上进行生存，并且在雨季（7—9月）和冬季季风气候（12—1月）时在土壤表层形成很厚的微生物垫，这些微生物垫中主要有Nostoc(N.commune,N.muscorum,N.punctiforme),Scytonema(S.ocellatum,S.javanicum),Microcoleus(M.chthono-plastes,M.vaginatus),Porphyrosiphon(P.Notarisii),Camptylonema(C.lahorense),和Cylindrospermum(C.licheniforme,C.muscicola)，其中，Anabaenasp.和Nostocsp.是昀多和昀常见的。Singh等[20]利用这一特点，在雨季之前将土地分成小块，然后四周都用土坝围起，并且保持灌溉水的存在，这样蓝藻的微生物垫就可以在雨季对所围起的盐碱地进行改良，1年之后使土壤的pH值从9.5降到7.6、土壤固水能力提高了40%、土壤熟化现象得到改善、可交换性Na降低了20%~33%，并且能成功地种植水稻等作物。由于这种方式需要采取上述工程措施，并且盐碱地只能在雨季进行修复，所以就限制了固N蓝藻的实际应用。但是这却表明了固N蓝藻用来改良盐碱土的可能性。Subhashini等[21]于1981年研究了Calothrixmembra-nacea,Tolypothrixcampylonemoides和Hapalosiphonfontinalis3种蓝藻的混合物对盐碱土的作用。土壤样品取自于印度的“卡纳尔”（Karnal），其研究是在实验室进行的，结果表明：土壤的pH从9.60降到8.95，可交换性Na降低了37.26%，土壤的电导率降低了11.67%。印度学者Kaushik等[22]于1985年进一步研究了固N蓝藻（Calothrixbraunii,Hapalosiphonintricatus,Scytonematolypothrichoides和Tolypothrixceylonica）对稻田盐碱土的影响,具体实施方式是采用上述4种蓝藻的混合物配制菌液，分3次加入到试验田中，随后采用建议的灌溉程序。取改良前后的土壤样品进行分析表明：土壤的pH从9.2降到8.3，可交换性Na降低了39.41%，土壤的孔隙度提高了12%，水力传导率从0.579cm/h提高到1.659cm/h,C的百分数从0.99升高到1.31，N的百分数从0.034提高到0.045，总P的含量提高了68.31%。由此可见，蓝藻的有效利用可以提高盐碱土的物理、化学和营养特性。虽然上述印度学者都将蓝藻用于盐碱土的改良，其共同的不足在于改良过程中都必须辅以一定的灌溉程序，而且都没能对蓝藻改良盐碱土的机理做出解释。在其他的国家也有采用蓝藻对盐碱土进行改良的实例。西班牙学者Valiente等[23]主要采用15N标定蓝藻（NostocUAM206）的方法研究了固N蓝藻对盐碱土N素的影响，结果表明作物生长所需N的67%~85%都来自于蓝藻所固定的N。由此可见，蓝藻所固定的N可以作为盐碱土N素的主要来源。墨西哥Aziz等[24]于2003年研究了联合使用蓝藻（采用从盐碱土中分离出来的8株蓝细菌菌株的混合物所配制的菌液）和N肥对盐碱土的共同作用效果，田间试验结果表明：当采用施加40%N肥+蓝藻的方式时土壤有机质提高了9.41%，总N提高了18.75%，总P提高了9.77%，总S提高了10.83%。由此可见，采用蓝藻可以有效提高盐碱土的肥力。国外的研究大部分都是针对于稻田盐碱土中水生蓝藻的研究。康金花等[25]于1998年研究了分布在灰图2通过甲苯胺蓝技术确定的蓝藻中EPS的位置（Filaments为藻丝）Fig.2LocalizationofEPSfromcyanobacteriabytheToluidinebluetechnique512土壤第40卷钙土（pH8.95~9.05）中的陆生固N蓝藻对土壤环境的影响。研究结果表明：①陆生固N蓝藻可以利用空气中的分子态N合成N素化合物，不断地加富土壤中的氮化物；②陆生固N蓝藻大量地繁殖和死亡腐解也增加了土壤中的有机物质；③陆生固N蓝藻除本身能固N以外，它们所产生的糖类也能被固N细菌利用，这样还可以促使固N细菌的大量繁殖，共同增加土壤N素。这说明了陆生固N蓝藻也具有增强土壤肥力的能力。3固氮蓝藻对盐碱土作用的机理研究进展在采用固N蓝藻对盐碱化土地进行生态修复取得成功的同时，人们试图对蓝藻改良盐碱土的机理做出解释，起初都认为Na+被蓝藻吸收了，而且被永远地固定或永久地消失了。1997年印度生物技术中心的Apte等[26]验证了上述说法是不正确的，验证结果表明采用蓝藻从盐碱土壤中永久性地除去Na+是不可能的，这是由于蓝藻衰退或死亡之后Na+就释放回土壤，所以认为蓝藻能使Na+固定住或消失的说法是错误的。根据大量学者的长期的探索和研究，可以将蓝细菌对盐碱土的作用机理归结为如下几个方面：①渗透压调节；②Na+/H+和Na+/H+-K+反向载体系统；③结合N的存在加强耐盐性；④pH的调节。3.1渗透压调节土壤溶液中可溶性盐增加，导致溶液渗透压增大，一方面使水分生理有效性降低，植物生长受到抑制，引起植物萎蔫或枯死；另一方面升高的环境渗透压会破坏微生物的细胞膜和菌体内的酶，从而破坏微生物的生理活动。而固N蓝细菌自身具有调节渗透压的能力。Miller等[27]于1976年指出：固N蓝细菌为了适应盐胁迫的环境，主要是通过在细胞内积累无机离子（K+）或有机溶质（碳水化合物、多羟基化合物和季铵化合物）进行渗透压调节。Borowitzka等[28]于1980年采用13C-NMR分析法鉴定了蓝细菌渗透压调节的有机溶质主要包括：葡萄糖、海藻糖、蔗糖、果糖、葡糖基甘油、谷氨酸内铵盐和甘氨酸内铵盐等。这些物质既维持细胞内外渗透压平衡，又有助于细胞代谢活动[29]。3.2Na+/H+和Na+/H+-K+反向载体系统盐碱土环境中对土壤危害昀大的是NaCl、Na2CO3和Na2SO4，高的Na+含量是阻止盐碱地植物生长的重要因素，主要表现在两个方面：①影响细胞内的代谢，细胞膜的完整性与酵素的活性；②盐离子大量累积导致水流失和阻止生长。虽然蓝细菌的生长和固N需要一定的Na+，但是Na元素却是盐碱地中危害昀大的元素之一。跨膜Na+的传输特征与蓝细菌的耐盐性有很大的关系[30-31]。虽然在高盐胁迫下会有瞬间的Na+吸收，但是在一般情况下蓝细菌不积累Na+。对比盐敏性的和耐盐的蓝细菌菌株发现Na+吸收量的减少和Na+的排出对于这些微生物的耐盐性有很大的贡献[32-33]。固N蓝藻的上述调节Na+传输的功能主要是由于它具有Na+/H+和Na+/H+-K+反向载体系统[34-37]，如图3所示。反向载体系统(antiporter)是指物质跨膜运动的方向与离子转移的方向相反，即载体在与H+结合后再与其他分子或离子(如Na+)结合，两者朝相反方向通过细胞膜进行运输。Na+/H+和Na+/H+-K+反向载体系统的主要作用一方面是促使Na+流出，减少Na+累积，以增加蓝藻对于盐分环境的耐受性；另一方面Na+/H+和Na+/H+-K+反向载体系统不断将胞外H+摄入胞内，以调节细胞内的pH值的平衡[38-40]。图3固N蓝藻的Na+/H+和Na+/H+-K+反向载体系统示意图Fig.3Na+/H+andNa+/H+-K+a