光合菌微生物肥料之介紹

本文收錄於臺大農業推廣通訊雙月刊96期

文/國立臺灣大學生物科技研究所 劉啟德助理教授

近年來由於化學農藥與化學肥料過度使用,不僅對於自然資源如土壤、水源造成重大的衝擊,更導致消費者對於食品安全產生疑慮。為使有限之資源得以永續利用,並兼顧自然環境保護與生態平衡,各國莫不致力於開發環境保全型之永續性農耕體系,投入有效循環利用作物養分之研究,以期減少化學合成物質之使用,以達到生產自然安全農產品的目標。自從綠色革命之後,無論是先進國家或是開發中國家,對於肥料的需求一直是有增無減。根據最近的統計,一年間世界上消費的人工氮肥約 8,000 萬噸,磷肥約 3,600 萬噸,鉀肥約 2,400 萬噸。以生產一公斤氮肥為例,所使用的能源需要 13,700 Kcal,換算成原油則一年需要消耗 7 億桶 (Gliessman, 1998)。 若以現今的人口增加速率與糧食的需求量來計算,到了 2100 年人類所使用的化肥將達到今日的 2 至 3 倍。由於合成化學肥料需仰賴不可再生之資源,如礦產及天然氣等做為原料或能源,因而肥料價格也跟隨著國際原物料價格的上升而居高不下。化學肥料的生產與使用亦會對環境造成負擔。因為在生產肥料的過程中會伴隨著二氧化碳、甲烷、氧化氮等溫室效應氣體的發生 (Farla et al., 1995)。此外,農民往往為了提高產量而施用大量的肥料,然而其中只有一小部份可被作物吸收(約為 20% 至 50% 不等)(Adesemoye & Kloepper, 2009),多餘的尿素或是硫酸銨等皆隨著排水進入地下及水源,造成土壤劣化酸化及環境污染 (Kundu et al., 2008; Vlek & Byrnes, 1986)。施肥儼然已成為現代農業的「必要之惡」,往往讓我們在增加糧食供應與環境保全的課題上陷入左右為難的困境。

鄰近國家日本與臺灣同為高人口密度的多山海島國家,在農業屬性上與我們有諸多相似之處,例如主食作物皆為稻米, 糧食自給率都不高(日本 40% 不到,臺灣約 32%(李秉璋,2010),大量的農地也面臨休耕等問題。日本的農林水產省(相當於我國的農委會)在 2005 年訂定了「農業生產活動規範」,依照各地域、作物種類等制定了肥料的合理施用量與施用方法的基準,期望能達到化學肥料用量減半的目標。 此外,他們主導國家科技政策的文部科學省附屬之科學技術政策研究所 (NISTEP) 分別於最近第 8 次與第 9 次的「科技前瞻報告」中提到農業栽培應儘量使用天然的方法來維護作物健康與促進植物生長,將「生物性肥料」與「生物性農藥」兩項農業生物技術的發展列為重要的科學技術課題,並且認為在這一、二十年內應該會達到實用化、普及化的目標 (NISTEP, 2005; NISTEP, 2010)。我國近年來也逐漸重視並倡導農業生產與生態環境相互調和之農業經營理念,明確地將「永續農業」列為農業施政的重要目標,逐年削減化學肥料的使用量也已成為既定的政策目標。不過要扭轉農民長期以來對化學肥料的依賴並不是一件容易的工作。如何能兼顧農業的豐產與永續發展,除了向農民加強宣導田間合理化施肥的觀念外,開發出肥效與安定性可以媲美化學肥料,又可以兼顧自然環境保護的技術便成為當務之急。

一、國內外有關微生物肥料的研究情況

近年來許多國家紛紛投入農業微生物研究與開發有用的微生物遺傳資源,進而衍生出生物性肥料 (Biofertilizer) 的概念 (Vessey, 2003)。生物性肥料或稱微生物肥料是經由自然環境中選拔培養出具有活性的微生物體或休眠孢子,如細菌(含放線菌類)、真菌及藻類及其代謝產物等所製成的特定製劑。將其施用在種子、幼苗或土壤,可增進土壤營養狀況或改良土壤之理化、生物性質,協助植物吸收營養,補充土壤中有益微生物數量,甚至可以增加植物抗病及抗旱等能力,因而增加作物產量及品質(Bashan, 1998; Vessey, 2003; 楊秋忠,2005)。在農業生產上,藉著土壤中的有益微生物來改善土壤及農作物生長的事例越來越普遍。例如,有的微生物群可藉分泌特定激素促進植物生長 (Adesemoye & Kloepper, 2009; Adesemoye et al., 2009; Ahmad et al., 2008; Amanullah et al., 2010; Gray & Smith, 2005; Khan et al., 2009; Srilastava, 2002; Yang et al., 2009; Zhuang et al., 2007),有的微生物則是會分泌多種酵素分解巨分子biomass 或透過特定機制來延長植物所需要素在土壤停溜時間以幫助植物獲取養分 (Karen McNulty Walsh, 2009 / 01; Park et al., 2009),也有的菌群會分泌拮抗物質殺滅或干擾植物病原菌 (Murphy et al., 2003; Ortiz-Castro et al., 2009; Randy J. McLaughlin, 1989; Saikia et al., 2006; Son et al., 2009; Udaya Shankar et al., 2009; Walters et al., 2005; Yan et al., 2002),有些微生物則會藉由吸附、固定或是轉換植物生長必需之元素,或是與宿主形成共生等方式促進植物生長 (Chen et al., 2006; Van Wees et al., 2008; Young et al., 1988)。

臺灣由於地處熱帶和亞熱帶,雨量充沛,氣候溫和,具豐富且高度歧異化的生物及微生物資源,相較歐美溫帶地區,更具有開發出能因應各種氣候條件與土壤理化特性之微生物肥料的本錢。根據農業生技產業資訊網資料 (http://agbio.coa.gov.tw/),目前在臺灣進行微生物肥料產銷的廠商約有三十家左右,例如台肥、興農、福壽、台鹽、永豐餘等傳統企業,或是像聯發、百泰、沅渼、凱將等新興生技公司。上述的企業除了有自己的研發設施之外,更藉著與學界積極合作,提昇其基礎研發能量。以臺灣目前在市面上所流通的的生物性肥料依其功能可分為固氮菌(楊秋忠,2005)、溶磷菌(包括真菌、放線菌及細菌類)(楊秋忠,沈佛亭,2008)、堆肥用微生物肥料(賴朝明 et al., 2008)、溶矽菌、菌根菌、促進作物生長之根圈微生物、分解菌、鐵物質生產菌、有機聚合物生產菌、複合微生物肥料等(張裕釧 & 吳美貌,2005)。國內以有機栽培農園或是種植高經濟作物(蓮霧、高接梨、葡萄等)之農家的接受度與使用率最高。

二、光合細菌的介紹

光合細菌 (photosynthetic bacteria) 又稱為光營養細菌 (phototrophic bacteria),是具有原始光能合成體系的原核生物,在自然界的分布相當廣闊,舉凡水田、河川、海岸土等含水環境皆存在此菌屬 (Hiraishi & Kitamura, 1984; Oda et al., 2002; Roper & Ladha, 1995)。光合作用微生物涵蓋原核生物界中的四個門,包括紅色非硫磺細菌 (Rhodospirillaceae)、紅色硫磺細菌 (Chromatiaceae)、綠色硫磺細菌 (Chlorobiaceae)、藍綠細菌、綠藻、紅藻等 (Madigan et al., 2006)。光合細菌在不同的自然環境下,具有多種異營功能(固氮、脫氮、固碳、硫化物氧化等),與自然界中的氮、磷、硫循環有著密切的關係,在自然環境的自淨過程中,擔任著重要的角色 (Hunter et al., 2009; Pfennig, 1967)。在水產養殖上,光合細菌常被用來除去水中之硫化氫與氨氮,藉以改善養殖池的水質環境,降低魚蝦病害。例如 Rhodopseudomonas palustrisRhodobacter capsulatusRhodobacter sphaeroidesRubrivivax gelatinosus 等光合菌能有效降低廢水中生化需氧量 (BOD) 和化學需氧量 (COD) 濃度 (Kobayashi and Kobayashi, 1995),快速分解有機質,達到淨化水質與降低魚蝦病害的目的 (Jin et al., 2011)。由於光合菌的細胞內含豐富之蛋白質、類胡蘿蔔素、生物輔因子和維生素,因此做為飼料添加劑能有效提高禽畜、水產養殖等產量與品質 (Kobayashi and Tchan, 1973; Kobayashi, 1977; Mitsui, 1979)。近年來隨著能源議題愈受矚目,利用光合菌生產生質氫也成為替代能源方案中的一個熱門選項 (Carlozzi, 2012; Lee et al., 2011)。

在農業應用方面,光合菌常被用來做為土壤改良資材,不僅能修復因長期使用化學肥料與農藥導致酸化、鹽化的土地,也可提昇作物的品質、產量以及抗病能力 (ref)。光合菌幫助作物提升產量與品質的機制如下:

1.   生成植物生長賀爾蒙

光合菌具有合成多種植物生長賀爾蒙的能力,如吲垛乙酸 (indole-3-acetic acid, IAA) 及 5-氨基酮戊酸 (5-aminolevulinic acid, ALA) (Rajasekhar et al., 1999),前者是主要的植物生長激素,能刺激細胞分裂,促進植物根系發展,讓植物吸收更多的水份和養份,也有助於植株地上部的發育,包括擴大葉面積及莖的延長,可增進植物行光合作用的效率 (Koh et al., 2007);而 ALA 為維生素 B12、血紅素、葉綠素等的前驅體,低濃度的 ALA 可提升植株的葉綠素含量,提高植物的光合作用效率,進而增加對於鹽害等逆境的耐受性。此外,高濃度的 ALA 亦可作為一種生物可降解性除草劑 (Koh and Song, 2007)。

2.   固氮作用

紫色非含硫光合菌 (purple non-sulfur bacteria) 可利用細胞內的固氮酵素 (nitrogenase) 將空氣中的氮氣轉化成生物體可利用的氨態氮 (NH4+) (Drews and Imhoff, 1991; Ludden and Roberts, 1995; Madigan, 1995)。當光合菌 Rhodopseudomonas capsulata 添加到缺氮的水田中,可以有效提升植株重量及組織中的氮含量,而藉由 15N 同位素標定的方式知道水稻幼苗植株中的氮來自於光合菌的固氮作用 (Maudinas et al., 1981)。

3.   溶解土壤中不溶性磷化物

磷酸根離子 (PO43-) 易與土壤礦石中之陽離子(鈣、鐵、鋁、鎂等)結合,形成不溶性的無效磷化合物,加上磷的流失性小,及作物不易吸收利用等特性,常會造成磷在農田中累積。利用光合菌能溶解這些無效性的磷化合物,並將之轉化成植物能利用的有效性磷,進而增加作物產量 (Koh et al., 2007)。

4.   合成營養物質

光合細菌利用植物根的分泌物來合成多糖類、胺基酸、核酸、維生素等養分,並再度分泌到根圈中,可以直接被植物吸收。此外,其次級代謝產物亦有抑制病原菌的效果,在水稻根圈更可以有效除去硫化氫等有害物質,降低根腐病的發生 (Daly & Stewart, 1999; Elbadry et al., 1999; Harada et al., 2005; Higa & Wididana, 1991; Higa & Parr, 1994; Hirotani et al., 1991; Hunter et al., 2009; Hussain et al., 1999; Hussain et al., 2002; Lee et al., 2009; Parr & Hornick, 1992; Sasikala et al., 1995)。

5.   去除土壤中有毒物質

長期使用慣行農法耕作的農地,由於土壤理化性質惡化,常會累積許多有毒物質,如硫化氫,胺類化合物等,某些光合菌對於這些有毒物質具有相當的耐受性,甚至能以硫化物作為光合作用的電子供給者 (Hansen and Imhoff, 1985; Hansen and van Gemerden, 1972; Imhoff, 1983; Neutzling et al., 1984),進而達到分解硫化物的作用,例如常見的紫色非含硫光合菌 Rhodopseudomonas palustris

三、本研究室篩選臺灣本土光合菌做為微生物肥料之應用實例

NTUIOB-PS3 菌株(專利申請號:第 101136842 號)為本實驗室從臺灣北部水田土壤中所篩選到的光合細菌,經由 16S rRNA 分子鑑定的結果,其序列與紫色非硫光合菌 Rhodopseudomonas palustris 有極高的相似度 (99%)。NTUIOB-PS3 的菌體呈短桿狀,菌體長約 1 至 1.5 mm,在有氧培養條件下之的菌落為米白色,表面光滑,在厭氣培養條件下菌落則呈現鮮紅色(圖一)。為確認篩選出的菌株在化肥減量使用的條件下亦可以提供作物足夠的養分,對於作物有實際的生長促進效果,我們利用溫室栽培的方式評估各分離菌株的肥效。試驗之作物採用丸葉山東小白菜。各實驗處理如下:[1] 對照組 (0%),未施用任何處理、[2] 半量化肥(50% 之化學肥料)、[3] 全量化肥(100% 之化學肥料)、[4] 半量化肥接種潛力菌株。100% 之化學肥料的施用量是依照作物施肥手冊推薦量做為全量化肥之施用量。盆栽試驗採隨機取樣設計。種植 30 天後測量株高、鮮重與乾重。根據小白菜盆栽試驗結果,在半量化肥條件下添加了 NTUIOB-PS3 液體菌肥後 (50% +NTUIOBP3),不論是植株的鮮重或是乾重皆明顯高於單獨施用半量化肥的處理組(50% 化學肥料),更可達到與全量化肥處理組(100% 化學肥料)同等的肥效。施用其他 Rhodopseudomonas palustris 光合菌肥的處理組(50% +NTUIOB-YSC3、50% +NTUIOB-YSC4 以及 50% +Rhodopseudomonas palustris(Molisch) van Niel BCRC16408 標準菌株)則無法達到與 NTUIOB-PS3 同樣顯著的促進作物生長功能(圖二 A-C)。經由土壤分析試驗發現,施用半量化肥 +PS3 光合菌處理的小白菜土壤中的銨態氮含量低於 100% 化肥處理組,甚至低於 50% 化肥處理組(圖二 D)。表示添加潛力菌肥不僅可以促進作物生長,還可提高化學氮肥的利用效率。近年來隨著化肥施用量增加(主要是尿素),蔬菜中硝酸鹽含量累積議題逐漸受到重視,尤其以市售葉菜類的殘留問題最為嚴重。上述施用 NTUIOB-PS3 光合菌肥的小白菜植株在採收時,檢測其植體所含的硝酸鹽含量,發現明顯低於施用純粹化學肥料的小白菜(圖二 E)。由上述結果可知,化學肥料減量搭配微生物肥料的栽種方法,不僅可節省含肥料的施用與支出,並可提高化學氮肥的利用效率,降低植體內硝酸鹽含量,真正有益於消費者的健康。

圖一、紫色非硫光合細菌 Rhodopseudomonas palustris NTUIOB-PS3 之菌體與菌落形態:圖一 A 菌體呈短桿狀;圖一 B 有氧培養條件下之菌落呈米白色,表面光滑;圖一C 係於厭氧培養條件下之 NTUIOB-PS3 菌落呈現鮮紅色形態

圖二、施用不同 Rhodopseudomonas palustris 光合菌肥對於丸葉山東小白菜生長的影響:(A) 地上部鮮重;(B) 地上部乾重;(C) 植株外觀;(D) 土壤中銨態氮含量;(E) 小白菜植體內硝酸鹽含量,CF:化學肥料組,PS3:施用光合菌 NTUIOB-PS3 處理組。光合菌菌株 NTUIOB-PS3、NTUIOB-YSC3以及 NTUIOB-YSC4 為本實驗室從農地土壤篩選出的潛力菌株;BCRC16408為 Rhodopseudomonas palustris(Molisch) van Niel BCRC16408 的標準菌株

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