朱芝宜 李培根 李林玉 琚淑明 南 楠

(徐州工程學(xué)院環(huán)境工程學(xué)院，江蘇 徐州 221018)

鐵在自然界中廣泛存在，尤其在土壤與地殼中，僅次于硅與鋁，居礦質(zhì)元素第三位，占土壤干重的4%～5%[1]。鐵在植物體內(nèi)含量占到0.01%，參與植物的新陳代謝與形態(tài)構(gòu)成，是植物維持生命活動(dòng)不可缺少的必需元素。雖然土壤中鐵含量豐富，但大多數(shù)屬于植物難溶性鐵存在于原生礦物、粘粒、氫氧化物或氧化物中，植物無(wú)法有效吸收。研究顯示，土壤中滿足植物正常生長(zhǎng)所需的有效鐵含量約是10-6M ～10-8M，但在鹽堿土壤中，植物有效態(tài)鐵(Fe2+)的含量往往達(dá)不到10～10mol·L-1[2]，從而導(dǎo)致植物缺鐵黃化。

植物缺鐵性黃化病是植物體內(nèi)鐵元素含量相對(duì)過(guò)低使葉片黃化，生長(zhǎng)勢(shì)衰弱，甚至危害植物生存的一種病癥。近年來(lái)，隨著全球干旱逐漸加重，世界耕地鹽堿化面積逐漸擴(kuò)大，植物缺鐵性黃化病愈發(fā)嚴(yán)重。相關(guān)科研人員研發(fā)出多種技術(shù)來(lái)改善此病癥，如施用納米氧化鐵溶液、土壤局部酸化、叢枝菌根真菌定殖等，但總是出現(xiàn)經(jīng)濟(jì)投入過(guò)高，易復(fù)發(fā)的情況，為此就需要找到一種生態(tài)、長(zhǎng)效、經(jīng)濟(jì)的解決方式。近年來(lái)鐵載體細(xì)菌通過(guò)分泌鐵載體，絡(luò)合鐵元素，提高植物對(duì)鐵元素的吸收，這些在改善植物缺鐵性黃化病的研究多有報(bào)道。

1 鐵載體細(xì)菌的研究現(xiàn)狀

鐵載體細(xì)菌是指在缺鐵條件下，能夠分泌分子量低，特異性高，具有極強(qiáng)螯合Fe3+能力的小分子有機(jī)化合物(鐵載體)的細(xì)菌。其分泌物能夠?qū)⑼寥乐须y溶性的鐵(主要以氫氧化物或氧化物形式存在)轉(zhuǎn)變成可溶性鐵，從而被植物所利用。

1.1 鐵載體細(xì)菌的優(yōu)勢(shì)

在自然界中，幾乎所有好氧和兼性厭氧菌(包括細(xì)菌和真菌)都可以分泌鐵載體[3]，鐵載體具有極強(qiáng)的螯合Fe3+能力，可以溶解難溶性鐵，使得微生物有效地獲得鐵。一些研究發(fā)現(xiàn)細(xì)菌可以利用真菌和外源細(xì)菌鐵載體[4-5],而且分泌鐵載體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，與真菌鐵載體相比具有競(jìng)爭(zhēng)力，且細(xì)菌鐵載體比真菌鐵載體更具有多樣性[6]，所以在應(yīng)用上更多使用鐵載體細(xì)菌。

1.2 影響鐵載體細(xì)菌分泌鐵載體的因素

細(xì)菌對(duì)鐵載體的合成環(huán)境中鐵濃度的調(diào)節(jié)[7]，表現(xiàn)為低濃度鐵的促進(jìn)，高濃度鐵的抑制。除鐵離子外，鐵載體細(xì)菌分泌鐵載體也受環(huán)境中其他金屬離子濃度的影響。研究顯示，Cr、Pb 可誘導(dǎo)銅綠假單胞菌(Pseudomonasaeruginosa)分泌鐵載體[8]，Co2+可以促進(jìn)熒光假單胞菌分泌更多的鐵載體[9]。另外，鐵載體上的結(jié)合位點(diǎn)還可能被Cu2+、Zn2+、Co2+等重金屬離子占據(jù)，導(dǎo)致鐵載體無(wú)法運(yùn)輸鐵離子[10]。

由于鐵載體是由細(xì)菌分泌產(chǎn)生，因此，溫度、碳源、氮源等微生物正常生長(zhǎng)所需要的因素也會(huì)影響鐵載體的合成。研究顯示，在果糖、甘露醇、葡萄糖充足的情況下，熒光假單胞菌菌株(Pyochelin)分泌量有所不同，發(fā)現(xiàn)碳源為甘露醇分泌量最大，其次為葡萄糖，最后為果糖[11]。殺鮭弧菌(Vibriosalmonicida)為一種水生細(xì)菌，研究發(fā)現(xiàn)只有在10℃以下的條件下，這種細(xì)菌才能夠分泌異羥肟酸型鐵載體。Calvente V發(fā)現(xiàn)紅酵母菌株以尿素作為氮源，PH接近8，C:N比為8∶1時(shí)，紅酵母酸(異羥肟酸鐵載體)增產(chǎn)70%。

1.3 鐵載體細(xì)菌的篩選方法

為篩選出高效能鐵載體細(xì)菌，實(shí)驗(yàn)室常用目前應(yīng)用最廣泛的CAS檢測(cè)法，該方法簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確、可檢測(cè)多類鐵載體及產(chǎn)鐵載體能力的大小，適用于鐵載體細(xì)菌的初步篩選。CAS和HDTMA(十六烷基三甲基溴化銨)以及Fe3+混合后可以形成一種藍(lán)色復(fù)合物，而鐵載體能與Fe3+形成更穩(wěn)定的螯合物，使其顏色從藍(lán)色變?yōu)槌燃t色。因此，可根據(jù)平板上有無(wú)顯色變化及隨著時(shí)間顏色的變化程度來(lái)定性和定量地檢測(cè)供試材料產(chǎn)鐵載體的能力大小。此外，為獲得更為高效能鐵載體細(xì)菌，應(yīng)采用誘導(dǎo)方式。何苗利用紫外誘導(dǎo)、紫外氯化鋰復(fù)合誘導(dǎo)和硫酸二乙脂(DES)誘導(dǎo)，得到高產(chǎn)細(xì)菌菌種MX26-18，鐵載體產(chǎn)出量較原菌種提高32.9%,楊常娥利用在優(yōu)化條件碳氮比為3，初始PH8及裝液量82ml的MKB培養(yǎng)基，實(shí)現(xiàn)鐵載體高效誘導(dǎo)。

2 鐵載體細(xì)菌對(duì)防治植物缺鐵性黃化病的機(jī)理

植物黃化病主要是土壤中有效性鐵元素含量過(guò)低，提高土壤中的有效性鐵的含量，促進(jìn)植物對(duì)土壤鐵的吸收以及與其他細(xì)菌競(jìng)爭(zhēng)是鐵載體細(xì)菌緩解植物缺鐵型黃化病的重要機(jī)制。

2.1 增加土壤鐵的有效性

在環(huán)境缺Fe的條件下，植物的根系會(huì)分泌出小分子化合物，如酚類、黃素等，而這些化合物對(duì)土壤微生物具有毒害脅迫作用，同時(shí)部分分泌物又可以作為某些微生物的碳源物質(zhì)，從而改變植物的根際微生物群落結(jié)構(gòu)，這些改變的微生物群落結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)而影響植物對(duì)鐵營(yíng)養(yǎng)的吸收[12-13]。為了克服鐵有效性低的問(wèn)題，許多微生物自身合成并且分泌高鐵載體。釋放到土壤中的高鐵載體具有極強(qiáng)的螯合Fe3+能力，使難溶性的鐵得以釋放出來(lái)，增加土壤中鐵的生物有效性[14]。

2.2 增加植物對(duì)土壤鐵的吸收

鐵載體與Fe3+的結(jié)合能力高且專一性強(qiáng)，可以從各種水溶性和非水溶性化合物中奪走其中的Fe3+[15]。鐵載體產(chǎn)生菌通過(guò)合成分泌鐵載體，到其細(xì)胞表面或細(xì)胞外部，借助配位基與Fe3+螯合，并且形成siderophore-Fe螯合物，極大地提高植物對(duì)根際及周圍土壤中Fe3+的吸收利用，從而保證植物正常生長(zhǎng)。鐵載體憑借著親和性極高的攝鐵機(jī)制，極大的增加植物對(duì)土壤鐵的吸收量以維持正常的植物機(jī)體生命活動(dòng)。

2.3 利用鐵載體細(xì)菌與其他細(xì)菌的競(jìng)爭(zhēng)

鐵離子是酶合成的必需元素，電子傳遞的受體，所有生命有機(jī)體都需要從環(huán)境中獲取鐵離子來(lái)維持正常的生命活動(dòng)。而病原菌無(wú)法利用Fe3+與鐵載體形成的螯合物，植物根際周圍的鐵被鐵載體結(jié)合，病原菌吸收不到足夠的鐵，生長(zhǎng)繁殖受到阻礙,從而減輕對(duì)植物的危害,從而使其得以正常生長(zhǎng)[16]。

3 結(jié)論與展望

近年來(lái)，鐵載體細(xì)菌在農(nóng)業(yè)、環(huán)境等領(lǐng)域中都凸顯出其潛在價(jià)值，鐵載體細(xì)菌接種是促進(jìn)植物對(duì)Fe的吸收的重要一環(huán)，為防治植物缺鐵性黃化問(wèn)題提供新的途徑，為植物缺鐵性黃化病的防治提供長(zhǎng)期有效的方案，有重要的研究與應(yīng)用前景。從以上綜述可以看到，篩選出高效能的細(xì)菌菌種，利用影響因素進(jìn)行誘導(dǎo)將會(huì)是一個(gè)重要的研究課題。同時(shí)，篩選的鐵載體細(xì)菌接種到一個(gè)新的環(huán)境中，必然有一個(gè)本土化的過(guò)程，如何保證接種菌種成功定植，維持較長(zhǎng)時(shí)間的競(jìng)爭(zhēng)力是十分重要的，這仍需進(jìn)一步的去探討，其也是穩(wěn)定防治植物缺鐵性黃化病的關(guān)鍵所在。