2019科創講堂

小兵立大功:土壤微生物世界及應用

2019/10/23 整理/科學人
講者/楊秋忠(中央研究院院士、教育部終生榮譽國家講座教授、中興大學土壤環境科學系特聘講座教授)


土壤是人類的重要資產,土壤微生物多樣性越高,表示土中的各種機能越好,即使遇到問題也能夠很快恢復健康。楊秋忠介紹土壤內的精彩世界和微生物令人驚奇的眾多功能,讓我們更加了解土壤如何包容萬物、孕育生機。


多才多藝的土壤微生物


從細菌到線蟲,土壤中微生物眾多,但目前99.9%無法在實驗室培養,成了進一步了解和運用時的阻礙。直到最近次世代定序方法誕生,可以從土壤中萃取DNA,才幫助我們更加了解土壤中的生物。


土壤微生物的生存方式多樣,如自營或異營、光合營或化學營,以及各種不同組合,形成複雜的物理化學動態系統。土壤是自然循環的基地,碳、水、氮、磷、磷、硫等都在此透過微生物的工作而得以循環,也因此整個環境與生態才能永續、生生不息。


楊秋忠實驗室長期收集菌種,現在菌種庫已有8000多株、2000多個菌種,如有特殊需求時可加以運用,例如殺線蟲、抗病、作為肥料的菌等;醫學上可以提煉作藥,工業上可產生合成物質;甚至還能達到環境保育之應用,如浮起菌可以在水中浮起利用污染的石油,幫助污染物的移除。


健康的作物來自健康的土壤微生物


從1995開始,楊秋忠進行一項超過20年的長期實驗,發現用有機肥處理的土壤微生物多樣性非常均勻,化學肥處理者腸內菌特別多,多樣性嚴重降低;這表示土壤無法抵抗病原菌,因此從灌溉用水中流入的腸內菌增加。作為對照的有機堆肥也不會發生這樣的現象。由此確實可見,如果長期使用化學肥料,土壤多樣性會嚴重降低。


土壤劣化後施肥效率也變差,例如磷在土中變成植物不能使用的形式,累積在土中。溶磷菌可以把磷溶出來,讓植物利用,經過許多實驗證明確實可以取代化學肥料。許多微生物具有多項功能,植物是否接種微生物,根系的生長差別非常大,也大為影響吸收能力。有些植物非常依賴微生物,實驗顯示,殺菌後如果植物會長得好,不接菌則生長不良。


近年來微生物肥料在台灣終於產業化。肥料管理法規已於2010年公告,兩年前國家也開始補助國內微生物肥料的使用,鼓勵農民多使用。


微生物不只能當肥料,也可間接應用,包括促進植物根系生長、抗逆境、減少病蟲害等,扮演和農藥同樣的功能。例如微生物產生的化學物質水楊酸,植物吸收後能產生對抗病原的能力。植物也有很多內生菌,功能很多,包括對抗氣候變遷的抗旱、抗鹽、抗冷、抗熱等能力。


速成有機肥


楊秋忠長期關心的另一個題目是有機質廢棄物再利用。傳統堆肥需時兩三個月,現在的技術已可三小時內完成有機肥,主要關鍵是酵素催化劑的使用。楊秋忠在2007年便已將此概念發表於《自然》期刊,至今仍是獨步全球的技術實現者。透過中興大學衍生企業「地天泰農業生技有限公司」,現已可生產酵素和設備給業者使用。


楊秋忠估計,如果台灣能夠善加利用有機廢棄物,則根本不需進口化學肥料。宏觀而言,他認為沒有化學肥料是能夠養活地球人的,因為土壤條件改善後,可以解決作物種植的問題。植物的根圈就像人類腸道般有著豐富的微生物系統,複雜度甚至更高。而有健康的土壤才有健康的作物、食物,也才有健康的人類。


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