發(fā)酵的土壤添加劑的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于改善土壤的基于發(fā)酵糖的土壤添加劑和其制備方法。
【背景技術(shù)】
【背景技術(shù)】 [0002] 的以下討論意在只是促進(jìn)對(duì)本發(fā)明的理解。討論并非確認(rèn)或承認(rèn)任何提 及的材料是或曾是截止本申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)日期的公知常識(shí)的部分。
[0003] 增加的土壤有機(jī)物質(zhì)含量賦予農(nóng)業(yè)土壤產(chǎn)率益處。這樣的益處包括通過(guò)增加聚集 體穩(wěn)定性來(lái)改善土壤結(jié)構(gòu)、改善保水能力、提高土壤養(yǎng)分含量和對(duì)植物的可用性和賦予抗 根病性。增加土壤碳的方法可以通過(guò)針對(duì)較低的投入成本生產(chǎn)出較高的產(chǎn)量和通過(guò)結(jié)合土 壤中的碳為作物和糧食生產(chǎn)者提供商業(yè)利益。
[0004] 土壤有機(jī)物質(zhì)產(chǎn)生于來(lái)自大氣的通過(guò)植物的光合作用而逐漸轉(zhuǎn)化進(jìn)入植物生物 質(zhì)中的二氧化碳。這樣的植物生物質(zhì)成為土壤微生物的能量來(lái)源，所述土壤微生物通過(guò)氧 化分解有機(jī)物質(zhì)，留下難以進(jìn)一步分解并因此在土壤中積累的殘余物。難治和穩(wěn)定的有機(jī) 物質(zhì)以改善土壤的結(jié)構(gòu)和肥沃力的形式逐漸累積增加土壤碳的量。
[0005] 參與植物殘余物的氧化分解的生化機(jī)制的研宄已經(jīng)表明，含有諸如軟木脂和木質(zhì) 素的物質(zhì)的木質(zhì)殘余物不容易被氧化。能夠分解這種難治性物質(zhì)的生物體需要高能量催化 反應(yīng)以使環(huán)裂解，其中酚醛殘余物中可用的能量變成對(duì)新陳代謝可用的。這樣的生物體通 常都屬于高等的土壤微生物，包括高等雙核亞界真菌（fungi Dikarya)和高等細(xì)菌放線菌 (Actinobacteria)。這些微生物具有比低等的土壤微生物更復(fù)雜的生長(zhǎng)要求，如簡(jiǎn)單的細(xì) 菌變形菌（Proteobacteria)和厚壁菌（Firmicute)。雖然低等微生物可以在諸如糖的簡(jiǎn) 單基質(zhì)上生長(zhǎng)，但是高等的微生物需要包括維生素和較高分子量的有機(jī)基質(zhì)在內(nèi)的生長(zhǎng)因 子。在天然土壤中，高等的微生物所要求的生長(zhǎng)因子通常通過(guò)由低等的微生物產(chǎn)生的生物 質(zhì)和碎肩提供。
[0006] 土壤激發(fā)（priming)是這樣一種現(xiàn)象，其中當(dāng)有機(jī)物質(zhì)被添加到土壤中時(shí)它刺激 微生物的呼吸，經(jīng)常達(dá)到氧化的有機(jī)物質(zhì)的總量超過(guò)添加量的程度。在最早的幾天內(nèi)，有機(jī) 添加物是類似于葉肩、稻草或肥料的物質(zhì)。在過(guò)去的五年左右的時(shí)間中，研宄人員已經(jīng)加入 逐漸變小的量的類似于葡萄糖和氨基酸的較純的物質(zhì)。這證明活性的起始爆發(fā)來(lái)自于簡(jiǎn)單 的細(xì)菌例如變形菌，這在生態(tài)學(xué)上是k-對(duì)策者（strategist) -意味著它們迅速成長(zhǎng)，以簡(jiǎn) 單的培養(yǎng)基為生，從而可以在整個(gè)微生物種群中占優(yōu)勢(shì)。該活性隨著時(shí)間的推移而消退，并 且R-對(duì)策者來(lái)接管。R-對(duì)策者是具有更復(fù)雜的生長(zhǎng)要求的微生物，通常為可在較低的能源 可用性下生存的貧營(yíng)養(yǎng)微生物（oligotroph)，并且通常具有比k-對(duì)策者高得多的生物多 樣性。
[0007] 已經(jīng)開(kāi)發(fā)諸如宏基因組學(xué)（直接從環(huán)境樣品中重新獲得的遺傳物質(zhì)的研宄）的技 術(shù)來(lái)研宄土壤微生物生態(tài)學(xué)。宏基因組學(xué)通常使用鳥(niǎo)槍法測(cè)序或焦磷酸測(cè)序以確定提取自 土壤中的微生物的DNA的性質(zhì)，從而允許在自然樣品中產(chǎn)生微生物多樣性的分布。當(dāng)土壤 微生物根據(jù)它們的系統(tǒng)發(fā)育分組時(shí)，宏基因組學(xué)表明每個(gè)主要的群組（group)中存在多個(gè) 分類群（taxa)，而且群組和那些群組中分類群的比例根據(jù)土壤的物理、化學(xué)和環(huán)境屬性發(fā) 生變化。
[0008] 宏基因組學(xué)已經(jīng)表明，用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的土壤的培育和肥料和其他農(nóng)用化學(xué)品的應(yīng) 用對(duì)土壤中的微生物種群產(chǎn)生了深刻的變化。農(nóng)業(yè)上的使用通常會(huì)導(dǎo)致在低等的土壤微生 物中的個(gè)體和分類群的數(shù)目的相對(duì)增加和高等的土壤微生物的數(shù)目和分類群的減少。此 外，天然植被的清理和農(nóng)業(yè)用地的使用造成土壤有機(jī)物質(zhì)的大幅下降。由于它是為土壤微 生物提供生長(zhǎng)基質(zhì)的土壤有機(jī)物質(zhì)，因此對(duì)農(nóng)業(yè)用地的清理會(huì)導(dǎo)致微生物多樣性的顯著損 失。
[0009] 正是在這樣的背景下研發(fā)出了本發(fā)明。
[0010] 本發(fā)明力圖為消費(fèi)者提供用于通過(guò)凈植物產(chǎn)率的提高來(lái)改善土壤結(jié)構(gòu)和/或肥 沃力的土壤添加劑的有用的或商業(yè)選擇
[0011] 發(fā)明概述
[0012] 本發(fā)明提供了一種包含糖發(fā)酵劑的土壤添加劑，其中所述發(fā)酵劑含有信號(hào)傳導(dǎo)分 子，所述信號(hào)傳導(dǎo)分子包含存在于所述發(fā)酵劑中的約1-50 %的有機(jī)物質(zhì)。
[0013] 優(yōu)選地，所述土壤添加劑的信號(hào)傳導(dǎo)分子選自下列組中的一者或多者：微生物群 體（quorum)感應(yīng)劑和淬滅劑、滅微生物劑和/或植物激活劑
[0014] 本發(fā)明還提供了用于生產(chǎn)包含糖發(fā)酵劑的土壤添加劑的方法，所述方法包括以下 步驟：
[0015] a)在高代謝脅迫的條件下用微生物發(fā)酵糖
[0016] 其中所述高代謝脅迫的條件導(dǎo)致通過(guò)所述微生物產(chǎn)生高水平的信號(hào)傳導(dǎo)分子。
[0017] 本發(fā)明還提供了用于調(diào)節(jié)土壤的試劑盒，所述試劑盒包含：
[0018] a)包含糖發(fā)酵劑的土壤添加劑，其中所述發(fā)酵劑含有信號(hào)傳導(dǎo)分子，所述信號(hào)傳 導(dǎo)分子包含存在于所述發(fā)酵劑中的約1-50% (w/w)的有機(jī)物質(zhì)；和
[0019] b)用于施用所述土壤添加劑的說(shuō)明書(shū)。
[0020] 本發(fā)明還提供了用于調(diào)節(jié)土壤的方法，所述方法包括以下步驟：
[0021] a)向所述土壤加入一定量的包含糖發(fā)酵劑的土壤添加劑，其中所述發(fā)酵劑含有信 號(hào)傳導(dǎo)分子，所述信號(hào)傳導(dǎo)分子包含存在于所述發(fā)酵劑中的約1-50% (w/w)的有機(jī)物質(zhì)。
[0022] 本發(fā)明還提供了用于促進(jìn)植物生長(zhǎng)的方法，所述方法包括以下步驟：
[0023] a)向所述土壤加入一定量的包含糖發(fā)酵劑的土壤添加劑，其中所述發(fā)酵劑含有信 號(hào)傳導(dǎo)分子，所述信號(hào)傳導(dǎo)分子包含存在于所述發(fā)酵劑中的約1-50% (w/w)的有機(jī)物質(zhì)。
[0024] 本發(fā)明還提供了用于增加作物產(chǎn)量的方法，所述方法包括以下步驟：
[0025] a)向所述土壤加入一定量的包含糖發(fā)酵劑的土壤添加劑，其中所述發(fā)酵劑含有信 號(hào)傳導(dǎo)分子，所述信號(hào)傳導(dǎo)分子包含存在于所述發(fā)酵劑中的約1-50% (w/w)的有機(jī)物質(zhì)。
[0026] 本發(fā)明還提供了用于改變根際微生物區(qū)系（microflora)的種群組成的方法，所 述方法包括以下步驟：
[0027] a)向土壤加入一定量的包含糖發(fā)酵劑的土壤添加劑，其中所述發(fā)酵劑含有信號(hào)傳 導(dǎo)分子，所述信號(hào)傳導(dǎo)分子包含存在于所述發(fā)酵劑中的約1-50% (w/w)的有機(jī)物質(zhì)。
【附圖說(shuō)明】
[0028] 將參照附圖進(jìn)行描述，在所述附圖中：
[0029] 圖1是根據(jù)本發(fā)明糖蜜溶液在發(fā)酵期間比重隨著時(shí)間的推移的變化的圖形。
[0030] 圖2是根據(jù)本發(fā)明糖蜜溶液在發(fā)酵期間pH隨著時(shí)間的推移的變化的圖形。
[0031] 圖3A和圖3B是在用20/50發(fā)酵劑處理的高有機(jī)物質(zhì)（試驗(yàn)地1)地塊和低有機(jī) 物質(zhì)（試驗(yàn)地2)地塊中的5-6天時(shí)的出苗數(shù)量的圖形。
[0032] 圖4A和圖4B是在用20/50發(fā)酵劑處理的高有機(jī)物質(zhì)（試驗(yàn)地1)地塊和低有機(jī) 物質(zhì)（試驗(yàn)地2)地塊中的植物干重的圖形。
[0033] 圖5A-圖是示出了采集自用20/50發(fā)酵劑處理的具有高有機(jī)物質(zhì)（試驗(yàn)地1) 和低有機(jī)物質(zhì)（試驗(yàn)地2)的地塊的葉片組織中的N和P的水平的圖形。
[0034] 圖6A-圖6D是示出了用20/50發(fā)酵劑處理的具有高有機(jī)物質(zhì)（試驗(yàn)地1)和低有 機(jī)物質(zhì)（試驗(yàn)地2)的地塊中被植物攝取的N和P的水平的圖形。
[0035] 圖7A和圖7B是在用20/50發(fā)酵劑處理的高有機(jī)物質(zhì)（試驗(yàn)地1)地塊和低有機(jī) 物質(zhì)（試驗(yàn)地2)地塊中生長(zhǎng)的植物根部上的VAM定植的圖形。
[0036] 圖8A-圖8C是定植于在用20/50發(fā)酵劑處理的高有機(jī)物質(zhì)（試驗(yàn)地1)和低有機(jī) 物質(zhì)（試驗(yàn)地2)地塊中生長(zhǎng)的植物根部的六種主要生物體群的相對(duì)豐度的圖形。
[0037] 圖9示出了如通過(guò)ARISA測(cè)定的20/50發(fā)酵劑對(duì)微生物群的運(yùn)算分類單位（OTU) 計(jì)數(shù)的影響的曲線圖。該曲線圖僅示出了通過(guò)處理被顯著改變的那些群組。條塊顯示每個(gè) 處理的平均計(jì)數(shù)的+1的標(biāo)準(zhǔn)誤差。
[0038] 圖10示出了 20/50發(fā)酵劑對(duì)（a)放線菌和（b)雙核亞界真菌的OTU群落 (community)組成的影響。曲線圖為在兩個(gè)軸上作圖的針對(duì)每個(gè)群組的OTU (存在/缺失數(shù) 據(jù)）的說(shuō)明數(shù)據(jù)集的坐標(biāo)中的最大方差的優(yōu)化多維標(biāo)度坐標(biāo)。字母表示九個(gè)地塊在坐標(biāo)軸 上的位置以及它們接受的氮處理（無(wú)-0N，低-LN，高-HN)和20/50發(fā)酵劑（無(wú)-0B，低-LB， 高-HB)。重疊的橢圓（通過(guò)眼睛擬合）描繪出20/50發(fā)酵糖處理的群組，其中畫(huà)陰影的橢 圓描繪出無(wú)20/50發(fā)酵劑群組。
[0039] 圖IlA和圖IlB示出了使用根據(jù)本發(fā)明的20/50發(fā)酵劑處理的區(qū)域（A)的植物生 長(zhǎng)和未處理的區(qū)域（B)的原生植物再生長(zhǎng)之間差異。
[0040] 圖12A和圖12B示出了使用根據(jù)本發(fā)明的20/50發(fā)酵劑處理的野桉（Eucalyptus rudis)植物（A)和未處理的野桉植物（B)的生長(zhǎng)差異。
[0041] 圖13A和圖13B示出了使用根據(jù)本發(fā)明的20/50發(fā)酵劑處理的金合歡（Acacia) 植物（A)和未處理的金合歡植物（B)的生長(zhǎng)差異。
[0042] 圖14A和圖14B示出了使用根據(jù)本發(fā)明的20/50發(fā)酵劑處理的山龍眼（Banksia) 植物（A)和未處理的山龍眼植物（B)的生長(zhǎng)差異。
[0043] 圖15是通過(guò)Vitazyme產(chǎn)生的峰值的LC/MS/MS曲線圖。
[0044] 圖16是通過(guò)TM Ag產(chǎn)生的峰值的LC/MS/MS曲線圖。
[0045] 圖17是通過(guò)過(guò)期的TM Ag產(chǎn)生的峰值的LC/MS/MS曲線圖。
[0046] 圖18是通過(guò)Mycorcin產(chǎn)生的峰值的LC/MS/MS曲線圖。
[0047] 圖19是通過(guò)Digestor產(chǎn)生的峰值的LC/MS/MS曲線圖。
[0048] 圖20是通過(guò)Bioprime 20/50發(fā)酵劑產(chǎn)生的峰值的LC/MS/MS圖。
[0049] 圖21是通過(guò)Bioprime 20/50發(fā)酵劑產(chǎn)生的峰值的LC/MS/MS圖。
[0050] 圖22是采用和未采用Bioprime 20/50發(fā)酵劑的情況下在不同葡萄品種上生長(zhǎng)的 微生物種群的整理過(guò)的ARISA結(jié)果的曲線圖。
[0051] 詳細(xì)說(shuō)明
[0052] 本發(fā)明的詳細(xì)說(shuō)明
[0053] 根據(jù)本發(fā)明，提供了一種基于發(fā)酵糖的用于改善土壤的土壤添加劑。本發(fā)明的優(yōu) 點(diǎn)在于能夠?qū)?lái)自多種來(lái)源的糖轉(zhuǎn)化成復(fù)雜有機(jī)分子的混合物，所述復(fù)雜有機(jī)分子的混合 物在結(jié)構(gòu)和組成上與植物使用的用于信號(hào)傳導(dǎo)微生物種群的以及在微生物種群中使用的 用于信號(hào)傳導(dǎo)的復(fù)雜有機(jī)分子的混合物具有相似性。由糖源產(chǎn)生的復(fù)雜有機(jī)分子起到信號(hào) 傳導(dǎo)分子的作用，以改變土壤微生物學(xué)，從而提高植物產(chǎn)率。
[0054] 土壤添加劑
[0055] 在一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明提供了一種包含糖發(fā)酵劑的土壤添加劑，其中所述發(fā) 酵劑中含有信號(hào)傳導(dǎo)分子，所述信號(hào)傳導(dǎo)分子包含存在于所述發(fā)酵劑中的約1-50% (w/w) 的有機(jī)物質(zhì)。優(yōu)選地，土壤添加劑包含信號(hào)傳導(dǎo)分子，所述信號(hào)傳導(dǎo)分子包含存在于所述發(fā) 酵劑中的約1-50%、5-50%、10-45%、15-40%、20-40% (w/w)的有機(jī)物質(zhì)，存在于所述發(fā) 酵劑中的20-30%或20-25%的有機(jī)物質(zhì)。所述土壤添加劑可含有信號(hào)傳導(dǎo)分子，所述信號(hào) 傳導(dǎo)分子包含存在于所述發(fā)酵劑中的1%、2. 5%、5%、7. 5%、10%、15%、20%、25%、30%、 35 %、40 %、45 % 或 50 % (w/w)的有機(jī)物質(zhì)。
[0056] 優(yōu)選地，所述糖發(fā)酵劑為糖蜜發(fā)酵劑，最優(yōu)選含有約20-25%的信號(hào)傳導(dǎo)分子的糖 蜜發(fā)酵劑。
[0057] 該信號(hào)傳導(dǎo)分子可以是種內(nèi)信號(hào)傳導(dǎo)分子，種間信號(hào)傳導(dǎo)分子或二者的混合 物。信號(hào)傳導(dǎo)分子是一種結(jié)合到膜受體和/或穿過(guò)細(xì)胞膜運(yùn)動(dòng)進(jìn)入細(xì)胞的內(nèi)部并導(dǎo)致 基因表達(dá)和/或代謝發(fā)生變化，從而使得對(duì)變化的條件或外部威脅引發(fā)適應(yīng)性響應(yīng)的分 子。信號(hào)傳導(dǎo)分子可以在微生物種群和/或群落水平上調(diào)芐基因表達(dá)，導(dǎo)致所述種群或 群落的成員中的活性發(fā)生變化。信號(hào)傳導(dǎo)分子的概念討論在，例如，C 〇〇per(2000) "The Cell: A Molecular Approach. "第 2 版；Sunderland (MA) : Sinauer Associates ;Signaling Molecules and Their Receptors''。
[0058] 涉及信號(hào)傳導(dǎo)分子的最新公布的文獻(xiàn)包括：Cirou等人（2012) Appl Env Micro 78:481-492 ;Brackman 等人（2011)PL〇S ONE 6:el6084.doi:10.1371/ journal, pone. 0016084；B Jolivet(博士 論