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微生物与农业生产_生物世界面面观

时间:2020-02-09百科知识联系我们
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微生物与农业生产

虽然,单细胞蛋白可以为我们解决一些蛋白质的不足,但地球要养活50多亿人口和几百几千亿的畜禽主要还要依靠农业生产。怎样提高粮食单产,怎样防治粮食病害的问题,早已摆在人们面前,多年来人们作过各种尝试,走过许多弯路,回过头来还是把目光投到了微生物这个神通广大的生命家族上来。

前面我们已谈到微生物在土壤物质转化中的作用及微生物与植物间存在着的极为密切的关系。事实上,微生物与农业生产密不可分。

任何植物都必须依土壤为基地,从土壤中汲取养分。而土壤形成的本身,及土壤熟化的过程都主要是微生物的作用。微生物分解土壤中植物所不能直接利用的有机质,形成腐殖质,改善了土壤结构,增加了植物可吸收利用的养分。同时,土壤中一些固氮的微生物把大气中游离态的N2固定到菌体中或土壤里供植物利用,这样大大改善土壤肥力。另外,土壤中的微生物由于存在着拮抗作用,而产生了许多抗生物质,这些物质可以抑制和杀灭有害微生物,从而使作物生长得更好,使产量大大提高。

积肥、沤粪、翻土压青等有意识地创造有机肥料腐熟条件是人在农业生产中控制微生物的生命活动的规律的生产技术,这些技术很早就被古代劳动人民所接受,公元前1世纪的《汜胜之书》中就指出,肥田要熟粪;同时,该书也提出了瓜与小豆间作,即与豆类作物间作,利用豆科植物的共生性固氮作用来改善植物营养条件,可见古人也已知共生固氮的作用了。而公元5世纪,贾思勰所著的《齐民要术》更反复强调了相类似的观点。

微生物在农业生产上的应用主要有这几个方面:①有机肥的腐熟;②生物固氮作用;③土壤中难溶的矿物态磷、硫的转化作用;④生物农药等。人粪尿、厩肥等都是很好的有机肥,这些肥料在施用之前都必须经堆积腐熟后才可使用,否则,会因为有机肥发酵发热而烧坏作物。有机肥腐熟过程就是微生物分解有机物,同时产热的一个过程。有机肥在堆制之初,由于富含有机养料而导致大量微生物生长,在微生物生长的同时,有机物被分解,这时产生了大量的热,导致堆积的有机肥温度上升,在高温和一些耐热的微生物共同作用下,堆积肥中的一些难分解的有机物如纤维素、半纤维素和果胶质等也开始分解,并在堆肥中形成了腐殖质,之后,堆积的肥料开始降温,在这过程中继续有许多有机质被分解,新的腐殖质被形成,最后,堆积的有机肥完全腐熟,而成为主要以腐殖质为主的稍加降解就能为植物直接利用的有机肥了。

生物固氮,这在土壤中的许多微生物中都有这种功能。在农业生产中我们可以有意识地选用固氮能力强的菌种接种到植物上或施用到大田中去,即所谓的菌肥或增产菌。

把豆类植物连根拔起,除了看到像胡须一样的根毛之外,还能看到根毛上长有许多的小圆疙瘩,这是由于一种微生物侵入植物根部后形成的“肿瘤”,叫根瘤。

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利用显微镜来观察根瘤,会发现根瘤中住着一种叫根瘤菌的细菌,它们在侵入植物根部后能分泌一些物质刺激根毛的薄壁细胞,很快增殖就形成了“肿瘤”。根瘤菌是依赖于植物提供营养来生活的,同时,它们也把空气中游离的氮固定下来供给植物利用。一个小小的根瘤就像一个微型化肥厂一样,源源不断地把氮转变成氨,供给植物吸收,使它们枝繁叶茂,欣欣向荣。根瘤菌生产的氮肥不仅可满足豆科植物的需要,还能分出一些来帮助“远亲近邻”,我国人民很早就知道豆粮间作可提高产量,并且有种豆肥田的习惯。我国在建国初期,即在华北地区推广应用花生根瘤菌接种剂,接着又在东北地区推广应用大豆根瘤菌剂,在长江流域使用紫云英、苜蓿和苕子等的根瘤菌剂。目前根瘤菌接种剂已在全国各地广泛使用,成为栽培豆科植物中一项重要的农业技术。

不仅如此,我国山东大学的聂延富等人还用植物生长剂“2,4-D”将根瘤菌导入小麦根系,并形成根瘤,从而使小麦也可以固氮。

在国外,许多科学家利用细胞融合技术或基因技术,使一些树木或作物获得固氮机制。如在新西兰,科学家将自养固氮菌融合到松树的外生菌根原生质体中,培养200天后使松树具有固氮作用;日本科学家用重组基因技术改良水稻固氮菌:他们利用基因重组技术,改变细菌的染色体,破坏阻碍固氮的基因,并促使固氮基因充分发挥作用,从而提高水稻固氮菌的固氮能力。除根瘤菌有固氮作用外,光合细菌中的红螺菌和蓝细菌也能进行固氮。

其中固氮的蓝细菌是提供氮肥来源的一类重要的生物,目前,已在许多国家水稻中试养蓝细菌,促进水稻增产获得成功。在印度,曾有广泛的田间试验,结果表明,在完全不施化肥的情况下,使用蓝细菌后,可使每公顷土壤增加氮素约20~30公斤,稻谷增产10%~15%。近年来,在我国湖北省大面积放养蓝细菌也获得了成功。

地球的岩石中含磷量很高,但多数磷都以难溶性的磷酸盐形式存在,这些不能为植物所利用。而土壤中含有的一些细菌如氧化硫硫杆菌、磷细菌等可以通过产酸或直接转化磷盐存在的形式而成为植物可利用的成分。因而在农业生产上,我们可以培养这类细菌,然而把它们放养到缺磷肥的土壤中去,通过这类微生物的转化,即可使该土壤成为富含磷肥的地块而使作物高产。人们为了防治病虫害,获得粮食高产而广泛使用农药,据统计,目前世界上生产和使用农药的多达1300多种,其中主要是化学农药。过去化学农药在植保工作中一直占主导地位。但是,由于化学农药对所有生物都有毒害作用,有些化学农药在土壤中很难降解,如DDT、六六六、艾氏剂等通过食物链的富集,现在已成为一种公害。因此,寻找高效、低毒、低残留的农药已成为当务之急,而生物农药的出现恰解决了这一难题。

生物农药统属于所谓的“第三代农药”。第三代农药包括杀灭剂、绝育剂、性诱剂、拒食剂、激素等,这些多数是生物代谢的产物。

生物农药根据其作用可分为杀虫剂、农用抗生素、除草剂和植物生长激素等。

生物杀虫剂包括细菌、真菌和病毒等,用作细菌杀虫剂的,目前主要是苏方金杆菌和日本金龟子芽孢杆菌。这类细菌对人畜无害,而当昆虫吃下这类细菌即可发病而死亡。真菌杀虫剂种类很多,目前最常用的是白僵菌,它主要可以用来防治玉米螟、松毛虫、甘薯象虫、大豆食心虫、苹果食心虫和栎褐天蛾等许多农林害虫。昆虫病毒是近年来开始使用的生物杀虫剂,如美国的棉铃虫病毒,日本的赤松毛虫病毒,我国的桑毛虫核型多角体病毒在防治一定的病虫害上均有良好效果。

有一些长在昆虫体内的真菌叫虫生真菌,它可以消灭害虫。

蝗虫是一种危害农作物的害虫,以前我国的一些地区闹蝗虫,数不清的蝗虫在天空飞舞,遮天蔽日,它们飞过庄稼地,庄稼的叶子、杆子就会被吃得精光,颗粒无收。而现在,人们发现了一种能使蝗虫得病的真菌——蝗虫霉。它可谓蝗虫的克星。

夏天,假如你注意一下有些生长茂密的水稻叶子上,常常会有些蝗虫一动不动地停留在水稻叶子上,你仔细一瞧,会发现它已经僵死了。周围还有许多白色的小点。这些白色的小点就是蝗虫霉的孢子囊,在囊里面装有许多孢子,正是这些肉眼看不见的小孢子帮助我们叮死了蝗虫。(www.anred.net.cn)

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这些小东西到底有什么秘密武器,能杀死比它们大得多的蝗虫呢?原来,蝗虫霉的孢子离开孢子囊后便在空中随风飘荡,捕捉目标。当它落到蝗虫的身上之后,就不走了。如果有足够的水分、合适的温度,它就会在蝗虫的身上发芽生长。孢子的发芽小管能够穿过蝗虫厚厚的表皮而进到蝗虫的体内。在蝗虫的体内,小芽碰到了许多好吃的,长得就更快了,很快就形成了许多菌丝。菌丝钻到蝗虫的血液里,产生了一种很短的、一段一段的虫菌体。这种虫菌体又可以增殖,长出小枝,产生了第二代虫菌体。这些虫菌体在血管里随着血液一起流动,很快就分布到蝗虫的全身。它们走到哪里,就在哪里吃,就这样把蝗虫的肌肉、脂肪都吃得差不多了,蝗虫也就慢慢地死亡了。染上这种病的蝗虫,行动迟缓,萎靡不振,临死前,它要使劲地爬到植物的顶端,紧紧抱住植物的茎或叶而僵死。人们管这种病叫“抱瘟病”。蝗虫死后仍然保持着原来的外形和位置。直到风吹雨林把它吹到地面上为止。有趣的是,患病死亡的蝗虫尸体一般都变硬,不腐烂,所以这种病又叫“硬化病”。蝗虫还有一个主要的对手,那就是大名鼎鼎的白僵菌。

白僵菌在世界上分布极广,白僵菌能消灭的昆虫也比较多。我国对白僵菌认识得最早。明代李时珍在《本草纲目》一书中对白僵菌及其应用就作过比较详细的记载。白僵菌可以杀死二百多种昆虫,其中包括玉米螟、麦椿、大豆食心虫、梨叶蜂、苹果食心虫、蝗虫、松毛虫等。白僵菌是真正的杀虫能手。

大家都知道,森林对于一个国家来说,是宝贵的自然资源。它对人类有很大的好处。而松毛虫又是危害森林的大敌,它们专门食用松树的叶子,使松树大片大片地死亡。据统计,我国近十年来,每年因松毛虫破坏的森林面积就有四千万亩。

以前人们对付松毛虫的办法就是喷洒化学药剂,但是喷药杀灭了一些松毛虫,却也株连了许多森林害虫的天敌,结果使害虫更加泛滥。

这时如果使用白僵菌来杀死松毛虫,就可以保护害虫的天敌,使益虫和白僵菌一道共同杀敌。

白僵菌也会产生孢子,孢子借助于空气、雨水和虫体接解,这样本来健康的松毛虫就染上了病。白僵菌接触到虫体后,通过虫子的嘴巴、毛孔、伤口钻入虫体内部。白僵菌虽然没有嘴,但它可以依靠自己分泌出的酶,把虫子坚硬的外壳上“钻”出一个洞,然后钻进去,白僵菌也可以产生一种有毒的物质,把虫子毒死。或者进入虫体后,就狠吃虫体的营养物质,生儿育女,繁殖后代。用不了多久,这大量的菌丝就会钻入虫子的各种组织和细胞内,使虫体遭到破坏。最后,菌丝体会把虫体内的水分吸干,使虫子死亡并变得又干又硬。当菌丝体消灭虫子后,就完成了任务,便沿着虫体的缝隙长到虫子的外面,形成气生菌丝,然后再产生孢子。这时我们就会看到虫体上长着白茸茸的一层毛。白僵菌就由此而得名。这些孢子再被风一吹,又会投入新的战斗,去消灭松毛虫。

白僵菌虽然如此厉害,但它却不会对人和牲畜造成伤害。白僵菌除了对付松毛虫外,还能使家蚕得病,所以在养蚕业发达的地方如何使用白僵菌还有待于研究。

白僵菌现在已被制成农药,通过喷洒到森林、田间的方法,消灭害虫,成为我们的新式武器。

农用抗生素是由多种微生物,特别是放线菌所产生的一类抑制有害微生物生长的生物制剂。目前在农业生产中使用的抗生素很多,像医用的链霉素、氯霉素、土霉素等在防治瓜果、蔬菜的一些细菌性病害中同样有效。有许多则是农业上专用的,如防治稻瘟病的杀稻瘟素-S和春雷霉素;防治麦类及瓜类百粉病和稻瘟病的庆丰霉素;防水稻纹枯病的井岗霉素和“5102”等,有些抗生素除了防治病害外,还有促植物生长作用,如“5406”等。抗生素在农业生产中的应用,对作物高产稳产提供了有力的保障。

生物除草剂,是利用某些微生物对有害杂草有致病作用的原理而培养的制剂,如我国曾使用“保鲁1号菌”用来防治危害大豆的菟丝子取得良好效果。

农业上使用植物生长激素比较多,其中大家比较熟悉的就是“九二○”,也叫赤霉素,它是水稻恶苗病菌的一种代谢产物。它对植物有很强的生理活性,一般在很低的浓度(几十万分之一)就能促使植物细胞迅速长大,茎秆伸长,叶面增大;也可以使作物提前抽苔、抽穗和开花,缩短发育周期,提高成熟;也能打破种子、块根、块茎的休眠,催芽发苗;还能刺激果实生长,增加结果率。甚至对动物中的“僵猪”都有催长作用。因而“九二○”广泛用于催芽、催熟和促生长上。

青霉素是治疗某些细菌性炎症的一种特效药。一个人发炎、高烧,医生往往给他注射青霉素。现在,青霉素的价格很便宜,可是解放前这种药很贵,一瓶青霉素竟要一两黄金!穷人根本买不起,而且我国不会制造。

青霉素是青霉分泌出的一种抗生素。它是英国人弗莱明发现的。弗莱明当时发现青霉素周围的培养基是透明的——细菌长不起来。他经过研究,证实青霉素菌会产生一种杀菌物质——青霉素。于是,他提炼出青霉素来治病。

人们立刻办工厂来生产青霉素,可是产量极低,每毫升培养液只含有几十个单位,成本太高,而且供不应求。为了提高青霉素的单位产量,科学家们开始设法培育高产菌种。

细胞遗传学家通过实验证明,用X光、紫外光或用某些化学药品进行处理,可以大大增加基因或染色体发生变异的机会。这种方法叫“人工诱变”。科学家们便用x光、紫外光和一些化学药品去处理青霉素,然后从其中挑选产量较高的后代。经过反复试验,效果好极了。没有多久,青霉素的产量很快就提高到每毫升几千单位;后来又提高到每毫升三四万单位。

在设备和原料没有多大变化情况下,现在一个工厂生产的青霉素相当于过去一千个工厂的产量!这是人类育种史上独一无二的奇迹。

采用类似的方法,其他抗生素,如土霉素、链霉素等,产量也提高了几十倍、上百倍,从而大大地降低了成本。如果说,杂交玉米是20世纪生物科学对农业的重大贡献,那么,诱变育种则是生物科学对工业的重大贡献。

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