在月球種植物-如何提升土壤的磷（P）含量

 

圖片來源：ChatGPT

之前曾經跟大家分享過，佛羅里達大學的團隊成功地用月球土壤種植阿拉伯芥（Arabidopsis thaliana）。不過，當時他們也觀察到，這些阿拉伯芥在長大後，出現了壓力反應。

我們想要在太空種植物，當然希望它們長得好。所以，接下來當然就是想辦法找出長不好的原因囉。

植物長不好，通常都是養分不夠。而植物最重要的養分，不外乎就是氮（N）、磷（P）、鉀（K）。

雖然「施肥」可能也是一個解方，但是一想到要萬里迢迢地運肥料過去，或許想其他的辦法會更好吧...例如，如果月球土壤中本來就有這些礦物質，只是缺乏對的微生物來溶解它，那麼，提供對的微生物不就行了？只要微生物能持續生長，就可以不用擔心養分不夠了。

最近的一項研究，就是要解決「磷」不足的問題。

在這個研究裡，研究團隊使用了由火山熔岩製成的月球土壤模擬物。它與月球土壤在礦物學特性、物理化學性質和水文特性上都非常相似。

研究團隊選擇了五種磷酸鹽溶解細菌（PSBs），這些細菌能夠將不可溶的無機磷轉化為可溶的形式。它們是：

Bacillus megaterium - 大芽孢桿菌
Bacillus subtilis - 枯草桿菌
Pseudomonas fluorescens - 綠膿桿菌
Bacillus licheniformis - 地衣芽孢桿菌
Bacillus mucilaginosus - 黏液芽孢桿菌

這些細菌在農業和環境科學中常見，廣泛應用於肥料和土壤改良。

研究中，研究團隊先對這五種磷酸鹽溶解細菌的磷酸鹽溶解能力進行了測試。實驗結果顯示，在七天的培養後，培養基中的Ca₃(PO₄)₂被分解，液體培養基中可溶無機磷的濃度相比於培養前顯著增加了212.7%至519.7%（p值小於或等於0.001，每種PSB各6次重複）。這些結果顯示，這五種細菌都有很強的潛力來分解Ca₃(PO₄)₂中的無機磷元素。但是，黏液芽孢桿菌、大芽孢桿菌 和 綠膿桿菌 表現出較強的磷酸鹽溶解能力，這可能是因為它們能夠分泌胞外黏性物質（如胞外多醣）來形成生物膜。這使得這些細菌能夠通過生物吸附與礦物顆粒緊密結合，形成穩定的細菌-礦物複合體。在這種穩定的胞外微環境中，細菌可以更有效地通過前述機制（包括質子和有機酸）分解和溶解礦物顆粒中的磷酸鹽。因此，在後續的研究中，研究團隊使用了這三種細菌來做研究。

選定的三種細菌在30°C下培養過夜。然後，將這些細菌的濃度調整到大約1 × 10⁸CFU，並將這三種細菌的培養液以1:1:1的體積比混合，以製備接種溶液。

接著，將20克的消毒過的月球表面土壤模擬物，加入0.1毫升混合接種溶液和1毫升培養基。再加入消毒過的去離子水，以達到20%的水比率。接種液和培養基在加入土壤模擬物之前被充分混合。

之後，月球土壤模擬物被放入直徑5毫米、深17.5毫米的培養盤中，並用消毒水濕潤，保持表面有一層非常薄的水層。然後將消毒過的菸草（Nicotiana benthamiana）種子播種6-7粒到每個井中。覆蓋培養盤並在培養箱內促進發芽。生長條件為24°C，相對濕度70%，光強度130微摩/(平方米·秒)，光周期16/8小時。在播種後的第6天進行人工疏苗，每個井保留2-4株植物，以避免主觀標準對實驗結果的影響。

結果顯示，經過細菌處理的月球土壤模擬物，其可用磷含量有所提高，進而促進了菸草的生長。這項研究顯示，通過使用特定的微生物處理土壤，我們可以改善月球土壤模擬物的肥力，使其成為支持高等植物生長的良好栽培基質。這一發現為在月球基地上進行植物栽培提供了技術基礎，有助於未來長期的太空探索和居住。

參考文獻：

Xia, Y., Yuan, Y., Li, C. et al. Phosphorus-solubilizing bacteria improve the growth of Nicotiana benthamiana on lunar regolith simulant by dissociating insoluble inorganic phosphorus. Commun Biol 6, 1039 (2023). https://doi.org/10.1038/s42003-023-05391-z