陶 濤， 葉 明， 劉 冬， 楊 柳

(合肥工業(yè)大學(xué)生物與食品工程學(xué)院，安徽合肥 230009)

自然界中大部分磷呈有機(jī)或無機(jī)磷化物狀態(tài)存在，而且施入的水溶性磷肥很快轉(zhuǎn)化為無效狀態(tài)，不能被作物直接利用[1]，在我國，耕作土壤缺磷面積約占總耕地面積的2/3[2]。磷細(xì)菌在土壤礦物質(zhì)形式的磷素轉(zhuǎn)化過程中發(fā)揮著重要作用，與磷的轉(zhuǎn)化、貯存與供應(yīng)直接相關(guān)，能夠改善土壤環(huán)境，使土壤中有效磷含量提高[3，4]，因此，提高土壤中有效磷含量成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。據(jù)報(bào)道，具有解磷作用的微生物包括解磷細(xì)菌、解磷真菌和解磷放線菌，其中解磷細(xì)菌有芽孢桿菌屬(Bacillus)、歐文氏菌屬(Erw inia)、假單胞菌屬(Pseudomonas)、土壤桿菌屬(Agrobacterium)、變形桿菌屬(Proteus)、沙雷氏菌屬(Serratia)、黃桿菌屬(Flavobacterium)、腸細(xì)菌屬(Enterbacter)、微球菌屬(M icrococcus)、固氮菌屬(Azotobacter)、根瘤菌屬(Brad yrhizobium)、沙門氏菌屬(Salmonella)、色桿菌屬(C lromobacterium)、產(chǎn)堿菌屬(A lcaligenes)、節(jié)細(xì)菌屬(Arthrobacter)、硫桿菌屬(Thiobacillus)、埃希氏菌屬(Escherichia)等[5-8]。本文研究了不同碳氮源、碳氮量、可溶性磷量及pH值對幾株解磷微生物溶解磷酸鈣能力的影響，為研發(fā)微生物肥料提供了科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

土樣采集于合肥市郊區(qū)水稻田。

培養(yǎng)基:牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基;無機(jī)磷基礎(chǔ)培養(yǎng)基[9]。

1.2 優(yōu)良解磷菌株的篩選與鑒定

取10-5、10-4、10-3稀釋液0.1 m L涂布于PKO固體培養(yǎng)基平板上，每梯度涂 3個平板，30℃培養(yǎng)72 h。

隨機(jī)挑取平板上主要形態(tài)有明顯區(qū)別的代表性菌落，劃線到牛肉膏蛋白胨平板上，再挑取單菌落，劃線培養(yǎng)于牛肉膏蛋白胨斜面，在4℃保存，備用。

將具有解無機(jī)磷能力的菌株 Pp1、Pp2、Pp3、Pp4、Pp5、Pc1、Pc2、Pc3、Pc4、Pc5、Pc6、Pc8搖瓶培養(yǎng)，測其溶磷量。

根據(jù)菌株生理生化特征，參照文獻(xiàn)[10]對分離所得菌株進(jìn)行鑒定。

1.3 溶磷能力影響因素

(1)碳氮源種類。依據(jù)不同碳氮源的組合配制培養(yǎng)基，其中碳源分別為葡萄糖、蔗糖、玉米淀粉(均為10 g/L)，氮源(含氮量相同)分別為硫酸銨(0.5 g/L)、硝酸銨(0.30 g/L)、硝酸鉀(0.77 g/L)，無機(jī)磷基礎(chǔ)培養(yǎng)基其它成分不變。

(2)碳源量。無機(jī)磷基礎(chǔ)培養(yǎng)基的碳源加入量分別為2、6、10、14 g/L。

(3)氮源量。無機(jī)磷基礎(chǔ)培養(yǎng)基的氮源為硝酸銨，加入量分別為0.1、0.3、0.5、0.7 g/L。

(4)可溶性磷量。在無機(jī)磷基礎(chǔ)培養(yǎng)基中加入K2 HPO4?3H 2O，加入可溶性磷量為0、1、5、10mg/L，以研究其對解磷的影響。

(5)pH值。調(diào)節(jié)無機(jī)磷基礎(chǔ)培養(yǎng)基的pH值為4、5、6、7。

分析以上影響因素時的實(shí)驗(yàn)條件均為30℃下培養(yǎng)72 h(140 r/m in)。

1.4 搖瓶培養(yǎng)

向100 m L三角瓶中加入30 m L培養(yǎng)基，再接種1m L菌體懸浮液，菌數(shù)約為108cfu/m L，同時做空白對照實(shí)驗(yàn)(加入1m L無菌水)，在30℃下培養(yǎng)72 h(140 r/m in)。

1.5 數(shù)據(jù)處理

含磷量用鉬銻抗比色法測定，溶磷量以扣除對照值表示(m g/L)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel和SAS軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 優(yōu)良解磷菌株的篩選

各菌株的溶磷量如圖1所示，由圖1可知，各菌株溶磷能力差異較大，如菌株P(guān)c3的溶磷量高達(dá)174.08 m g/L，而菌株 Pc8的溶磷 量只有20.98mg/L，所以選取其中4株溶磷能力較強(qiáng)的菌株(Pc1、Pc3、Pp2、Pp3)研究。

圖1 各菌株的溶磷量

2.2 菌株鑒定

依據(jù)菌株的革蘭氏染色、芽孢染色、淀粉水解、明膠液化、檸檬酸鹽、硝酸鹽還原、三糖鐵、MR、VP、接觸酶、發(fā)酵型等生理生化實(shí)驗(yàn)結(jié)果及文獻(xiàn)[10]對菌株進(jìn)行鑒定的方法可知，Pc1、Pp2、Pp3屬于芽孢桿菌屬(Bacillus)，菌株P(guān)c3屬于土壤單胞菌屬(Agromonas)。

2.3 碳氮源對微生物溶磷的影響

2.3.1 碳氮源種類

不同碳氮源組合對溶磷能力的影響如圖2所示。圖2中，1代表葡萄糖，2代表蔗糖，3代表玉米淀粉;a代表(NH 4)2 SO4，b代表NH4 NO3，c代表KNO3;培養(yǎng)條件為:溫度30℃、搖床轉(zhuǎn)速140 r/min、發(fā)酵時間72 h。圖3～圖6皆同。

由圖2可知，菌株P(guān)c1、Pc3、Pp2、Pp3在不同碳氮源培養(yǎng)基上，表現(xiàn)出不同的溶磷能力，差異較大，如菌株P(guān)c3在玉米淀粉、硝酸銨無機(jī)磷基礎(chǔ)培養(yǎng)基培養(yǎng)時，其溶磷量為106.80 mg/L，表現(xiàn)出較強(qiáng)的溶磷能力;而在玉米淀粉、硝酸鉀無機(jī)磷基礎(chǔ)培養(yǎng)基培養(yǎng)時，其溶磷量為-0.85 mg/L，這可能是因?yàn)榫關(guān)c3在此條件下溶磷活力受到限制，導(dǎo)致菌株P(guān)c3的增長繁殖除了要利用其自身溶解的有效磷，還需消耗磷酸鈣水解產(chǎn)生的有效磷，使得有效磷的質(zhì)量濃度低于對照值。

同時可以發(fā)現(xiàn)，在以不同碳氮源為培養(yǎng)基比較菌株P(guān)c1、Pc3、Pp2、Pp3溶磷能力，所得溶磷能力大小順序并不一致。

圖2 不同碳氮源組合對溶磷能力的影響

2.3.2 碳氮量

碳源量對菌株溶磷能力的影響如圖3所示。由圖3可知，Pc1的溶磷能力隨著碳源量的增加而增強(qiáng)(先快后慢)，Pp3在碳源量為2 g/L時，其溶磷量只有5.88mg/L，但當(dāng)碳源量達(dá)到6 g/L時，其溶磷量高達(dá)85.95m g/L，此后溶磷能力隨著碳源量增加又顯著降低，而Pc3、Pp2的溶磷能力則呈明顯波動。

圖3 碳源量對菌株溶磷能力的影響

菌株溶磷能力與碳源量相關(guān)系數(shù)及其矩陣見表1所列。

由表1可知，菌株P(guān)c1的溶磷能力與碳源量的相關(guān)性關(guān)系顯著，菌株P(guān)c3、Pp2、Pp3的溶磷能力與碳源量的相關(guān)性關(guān)系不顯著。

表1 菌株溶磷能力與碳源量相關(guān)系數(shù)及其矩陣

氮源量對菌株溶磷能力的影響如圖4所示，由圖4可知，菌株P(guān)c1、Pc3、Pp2、Pp3在氮源質(zhì)量濃度為0.1 g/L時，溶磷量均很小，菌株P(guān)p3溶磷量僅為7.23 mg/L，且菌株P(guān)c1的溶磷量在氮源質(zhì)量濃度為0.3 g/L，達(dá)到一個峰值后，又隨著氮源量的增加而增加，菌株P(guān)c3、Pp2、Pp3的溶磷量隨著氮源量的增加均顯著增加。

圖4 氮源量對菌株溶磷能力的影響

菌株溶磷能力與氮源量相關(guān)系數(shù)及其矩陣見表2所列。由表2可知，菌株P(guān)c3、Pp2、Pp3的溶磷能力與氮源量的相關(guān)性顯著，菌株P(guān)c1的溶磷能力與氮源量的相關(guān)性不顯著。

表2 菌株溶磷能力與氮源量相關(guān)系數(shù)及其矩陣

2.4 可溶性磷

可溶性磷對菌株溶磷能力的影響如圖5所示。由圖5可知，菌株P(guān)c1、Pc3、Pp2、Pp3在不加入可溶性磷時，溶磷量均最高，菌株P(guān)c1、Pp2、Pp3在加入1 g/L可溶性磷時，溶磷量急劇下降，隨著可溶性磷量的增加而增加，菌株P(guān)c3的溶磷量隨著可溶性磷的變化，溶磷量波動不大。

圖5 可溶性磷對菌株溶磷能力的影響

菌株溶磷能力與可溶性磷量相關(guān)系數(shù)及其矩陣見表3所列。由表3可知，菌株P(guān)c1、Pc3、Pp2、Pp3的溶磷能力與可溶性磷量的相關(guān)性均不顯著。

表3 菌株溶磷能力與可溶性磷量相關(guān)系數(shù)及其矩陣

2.5 pH值

pH值對菌株溶磷能力的影響如圖6所示。由圖6可知，Pc1、Pc3、Pp3的溶磷量均隨著pH值的下降而升高，Pp2則在pH值為5時，溶磷量達(dá)到最大。

圖6 p H值對菌株溶磷能力的影響

菌株溶磷能力與pH值相關(guān)系數(shù)及其矩陣見表4所列。由表4可知，菌株P(guān)c1、Pc3、Pp3的溶磷能力與pH值的相關(guān)性顯著，菌株P(guān)p2的溶磷能力與pH值相關(guān)性不顯著。

3 結(jié)束語

本實(shí)驗(yàn)中，從水稻根際共分離獲得13株具有解無機(jī)磷能力的菌株，選取其中4株溶磷能力較強(qiáng)的菌株作為研究對象，并依據(jù)文獻(xiàn)[10]對供試菌株進(jìn)行鑒定，結(jié)果表明，菌株P(guān)c1、Pp2、Pp3屬于芽孢桿菌屬(Bacillus)，菌株P(guān)c3屬于土壤單胞菌屬(Agromonas)，其溶磷量為 102.77～ 174.08 mg/L，是文獻(xiàn)[11]篩選的幾株解磷細(xì)菌溶磷量的3～4倍。

相關(guān)研究表明，不同菌株分解Ca3(PO4)2的能力有很大的差異[8]，此外，同一株磷細(xì)菌在利用不同的碳源時表現(xiàn)的溶磷能力并不一致[12，13]，這說明解磷細(xì)菌表現(xiàn)出的解磷能力與其所處環(huán)境有很大關(guān)系。

本研究發(fā)現(xiàn)同一菌株在不同碳氮源培養(yǎng)基上，表現(xiàn)出的溶磷能力差異較大，且菌株P(guān)c3、Pp2、Pp3的溶磷能力與碳氮源量相關(guān)性均顯著，而菌株P(guān)c1的溶磷能力與碳氮源量的相關(guān)性均不顯著。

磷是微生物生長繁殖的必需營養(yǎng)元素之一，不足或過多都將影響微生物的生長繁殖以及生理活性，但本研究表明，菌株P(guān)c1、Pc3、Pp2、Pp3菌株的溶磷能力與可溶性磷量的相關(guān)性均不顯著。大量的研究[3，14-16]發(fā)現(xiàn)，pH值與解磷量呈極顯著負(fù)相關(guān)，但也有報(bào)道[17，18]認(rèn)為兩者之間存在顯著的相關(guān)性。

本試驗(yàn)中Pc1、Pc3、Pp3的溶磷能力與pH值的相關(guān)性顯著，菌株P(guān)p2的溶磷能力與pH值相關(guān)性不顯著。菌株P(guān)c1、Pc3、Pp2、Pp3均具有高效解磷能力，關(guān)于其促生作用效果在進(jìn)一步研究中，從而為后期研發(fā)微生物肥料提供科學(xué)依據(jù)。

[1] M eh ta S，Nautiyal C S.An efficien tm ethod for qualitative screening of phosphate-solubilizing bacteria[J].Cu rrent M icrobiology，2001，43:51-56.

[2] 陳廷偉.解磷巨大芽孢桿菌分類名稱、形態(tài)特征及解磷性能述評[J].土壤肥料，2005，(1):7-9.

[3] 朱培淼，楊興明，徐陽春，等.高效解磷細(xì)菌的篩選及其對玉米苗期生長的促進(jìn)作用[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2007，18(1): 107-112.

[4] Tilak K，Ranganayaki N，Pal K K，et al.Diversity of plant g row th and soilhealth supporting bacteria[J].Cu rrent Science，2005，89(1):136-150.

[5] 李阜棣，胡正嘉.微生物學(xué)[M].第5版.北京:中國農(nóng)業(yè)出版社，2000:228.

[6] 趙小蓉，林啟美.微生物解磷的研究進(jìn)展[J].土壤肥料，2001，(3):7-11

[7] Son H J，Park G T，Cha M X，et al.Solubilization of insoluble inorganic phosphate by a novel salt and pH-tolerant Pantoea agglomerans R-42 isolated from soybean rhizosphere[J].Ioresource Technol，2006，97(2):204-210.

[8] M olla M A Z，Chow dhury A A.M icrobialm ineralization of organic phosphate in soil[J].Plan t and Soil，1984，78: 393-399.

[9] 田 宏，李鳳霞，張德罡，等.草坪草溶磷菌篩選及溶磷能力的初步研究[J].草業(yè)科學(xué)，2005，22(10):92-96.

[10] 東秀珠，蔡妙英.常見細(xì)菌系統(tǒng)鑒定手冊[M].北京:科學(xué)出版社，2001:43-191.

[11] 林啟美，趙小蓉，孫焱鑫，等.四種不同生態(tài)系統(tǒng)的土壤解磷細(xì)菌數(shù)量及種群分布[J].土壤與環(huán)境，2000，9(1):對壓電致動器/傳感器，能夠在幾乎不改變主結(jié)構(gòu)特征模態(tài)應(yīng)變分布的情況下，通過選擇適當(dāng)?shù)目刂齐妷簷?quán)值使結(jié)構(gòu)各階模態(tài)的振動得到理想的控制效果，同時也可以通過調(diào)整狀態(tài)變量權(quán)值αi來加強(qiáng)對相應(yīng)模態(tài)的控制。

4 結(jié)束語

本文由線彈性壓電層合結(jié)構(gòu)有限元動力方程，進(jìn)一步推導(dǎo)了壓電智能結(jié)構(gòu)的主動控制方程。運(yùn)用ANSYS參數(shù)化語言(APDL)建立了四邊固支方形壓電智能板結(jié)構(gòu)的有限元模型，并進(jìn)行模態(tài)分析，將系統(tǒng)耦合有限元動力方程轉(zhuǎn)化到模態(tài)坐標(biāo)下的狀態(tài)空間方程。采用LQR全狀態(tài)最優(yōu)反饋控制，考慮離散分布式壓電致動器/傳感器對于主結(jié)構(gòu)特征模態(tài)應(yīng)變/曲率分布的影響，分析了離散分布壓電致動器對系統(tǒng)各階模態(tài)的控制效果，結(jié)果表明:離散的分布式壓電致動器/傳感器可有效控制板結(jié)構(gòu)的多模態(tài)振動;離散分布式壓電致動器/傳感器對于主結(jié)構(gòu)特征模態(tài)應(yīng)變/曲率分布的影響較小，合理選擇壓電致動器/傳感器的數(shù)量及分布與尋求最優(yōu)控制率一樣重要;壓電致動器在對系統(tǒng)產(chǎn)生控制作用的同時，由于受其分布位置的影響可能會引起或加強(qiáng)系統(tǒng)其它模態(tài)的振動。將本文數(shù)值算例結(jié)果與現(xiàn)有文獻(xiàn)結(jié)果進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，配置9對壓電致動器/傳感器可以使結(jié)構(gòu)各階模態(tài)的振動得到理想的控制效果。

[參 考 文 獻(xiàn)]

[1] Yousefi-Koma A.Active vib ration control of smart structures using piezoelement[D].Otlaw a:Conletom University，1997.

[2] Zabihollah A，Sedagahti R，Ganesan R.Active vibration suppression of smart lam inated beam susing layerw ise theory and an op timal control strategy[J].Smart M ater Stru ct，2007，16:2190-2201.

[3] Bailey T，Hubbard JE.Distributed piezoelectric-polymer active vibration control of a cantilever beam[J].Jou rnal of Guidance Control，1985，8(5):605-611.

[4] Narayanan S，Balamurugan V.Finite element modelling of piezolam inated smart structures for active vibration con trol w ith distribu ted sensorsand actuators[J].Journalof Sound and V ibration，2003，262:529-562.

[5] Xu S X，Koko T S.Finite element analy sisand design of actively controlled piezoelectric smart structu res[J].Finite E lements in Analysis and Design，2004，40:241-262.

[6] Sohn JW，Kim H S，Choi S B.Active vib ration control of smart hull structures using piezoelectric actuators[J].Proc IMech E Part C:J M echanical Engineering Science，2006，220:1329-1337.

[7] 錢 鋒，王建國.壓電智能結(jié)構(gòu)振動控制的數(shù)值模擬[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2010，33(1):76-80.

[8] Lim Y H.Finite-elemen t sim ulation of closed loop vibration controlof a smart plate under transient loading[J].Smart M ater Stru ct，2003，12:272-286.

[9] Leissa A W.V ib ration of plates[M].Washington D C: NASA SP-160，1969.

[10] 歐進(jìn)萍.結(jié)構(gòu)振動主動控制:主動、半主動和智能控制[M].北京:科學(xué)出版社，2003:82.