磷转化微生物是一类能够利用无机磷酸盐将其转化为有机磷形式从而满足自身生长及代谢需求的微生物^[1]。这些微生物广泛存在于土壤、水体等自然环境中，在生态系统中发挥着重要的作用。常见的磷转化微生物有硝酸溶解菌、磷酸钾溶解菌、磷酸酯酶产生菌、磷酸矿化菌等^[2]。在污水处理中，使用磷转化微生物是一种高效的手段。微生物除磷过程中产生的污泥通过进一步处理可以得到有机肥料等回收产品。因此，磷转化微生物在污水处理中的应用具有良好的经济、环境和社会效益^[3-4]。在农业生产中，磷转化微生物可以促进有机物质的分解，释放无机磷供植物吸收和利用，这个过程可以提高土壤的肥力和植物的生长^[5]。例如，在巴西进行的一项研究表明，与对照植物相比，用溶磷细菌接种大豆种子可使谷物产量增加33%^[6]。总而言之，磷转化微生物在环境污染方面起着至关重要的作用，对于保护环境和维护生态平衡具有重要意义^[7]。

本文将融合文献计量学和可视化技术，对二十年来磷转化微生物的研究成果进行全面、系统地分析。检索涉及磷转化微生物的研究文献，收集整合了2002年1月至2022年12月在中国知网(China national knowledge infrastructure, CNKI)和Web of Science (WOS)数据库中收录的有关磷转化微生物方向的文献，并使用CiteSpace软件对文献之间的合作关系、主题演化、研究热点等进行分析和可视化展示，旨在深入挖掘和分析磷转化微生物领域的研究成果，为该领域的研究者提供另一种角度的参考，借此推动该领域更加系统、深入的研究。

CNKI和WOS数据库是本文全部中英文献使用的检索平台。时间跨度均为2002年1月1日至2022年12月31日。CNKI数据库检索条件：(主题= “磷转化微生物” OR “溶磷” OR “解磷” AND “基因”)，共检索出598篇与磷转化微生物相关的文献。排除与主题不符的文献、科普、会议论文、摘要及编辑资料的文献，最终搜索结果为333篇。WOS数据库检索条件：(Topic= “transformation of phosphorus” OR “microorganism dephosphorization” AND “microbe”)，将出版语言设置为“English”，共检索出853篇与磷转化微生物相关的文献。人工剔除不相关的文献后得到有效文献554篇。所有文献均以TXT格式文件的形式下载，将数据文件以“download_”作为文件名前缀。

为确保选取文献与主题的相关性，使用人工的方式剔除无关文献。建立“input” “output” “data”和“project”这4个文件夹。打开CiteSpace后将时间分区(time slicing)设置为2002−2022年，时间切片(time slice)设置为1年，节点类型(node types)分别依次选择作者(author)、机构(institution)、国家(country)、关键词(keywords)，剪切方式(pruning)采用sliced networks^[8]。本文可视化分析基于CiteSpace (6.1.R6版)，数据分析在Microsoft Excel 2013中进行，相关图形用Origin 9.1软件绘制。

为了解磷转化微生物领域的发展态势，本文对发文量随时间的变化趋势进行了可视化研究。如图 1所示，2002−2022年间国内外关于此领域的研究整体呈上升趋势。英文文献的发表大致可分为2002−2015和2016−2022这2个阶段：第1阶段为磷转化微生物发展研究的初级阶段，WOS数据库每年的发文量在20篇左右；第2阶段发文量有了明显的上升，2021年发文量高达82篇。CNKI收录的相关文献数量增长缓慢，总体呈上升趋势。2014年后每年的发文量维持在20篇以上。分析结果表明国内外该领域起步较晚，但近几年热度较高，发文量稳步增长。2016年后国外文章发文量增幅较大，说明研究者们对于此方向有着浓厚的兴趣，具有发展潜力和广阔的研究前景。

图 1　CNKI和WOS发文数量随时间变化趋势图 Figure 1　Annual number of publications in the CNKI and WOS database.

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经统计，CNKI数据库中发文机构合作图谱共有节点318个，连线181条。机构合作图谱中网络密度为0.003 6 (图 2A)。其中南京农业大学(Nanjing Agricultural University)、西北农林科技大学(Northwest A & F University)和甘肃农业大学对该领域的研究最多，发文量均为9篇；而在WOS数据库中，机构合作图谱共有节点409个，连线576条(图 2B)。在所有机构中，中国科学院(Chinese Academy of Sciences)和中国科学院大学(University of Chinese Academy of Sciences)是此领域最主要的发文机构，其中中国科学院发文70篇，中国科学院大学发文37篇。大部分研究机构的中介中心性都小于0.1，说明大部分机构之间合作不多，研究方向不同导致研究力量分散；而中国科学院的中心性为0.22，与国内外科研机构合作交流密切，不仅发文量最多，而且其文章具有较大的学术价值，研究成果在国际上有较大影响力。

图 2　发文机构合作图 Figure 2　Cooperation map of issuing institutions. A：CNKI机构合作图. B：WOS机构合作图 A: CNKI institutional cooperation map. B: WOS institutional cooperation map.

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如图 3所示，国家合作网络图中共有66个节点和227条连线。66个节点代表截至2022年12月已经有66个国家对磷转化微生物进行过研究。节点所代表国家的形状越大，来自相应国家的文章影响力和发文数量就越多。国家间的联系代表了它们之间的合作。节点中介中心性越高，传播影响力越大。一般而言，当节点的中介中心性≥0.1时，该节点可被定义为关键节点^[9]。其中，中国、美国、加拿大、澳大利亚和德国发文量分别为250、140、46、40和38篇，位列前五。中国、美国、加拿大、澳大利亚、德国和英国均为关键节点，其中介中心性分别为0.42、0.33、0.19、0.23、0.29和0.15。中国在此领域的发文量和中介中心性均是第一，说明其在合作网络中起到了关键的桥梁作用。这种清晰的可视化图谱有助于进一步了解世界各国对磷转化微生物领域的重大贡献。

图 3　国家合作网络图 Figure 3　Network map of national cooperation.

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节点代表发文作者，节点的大小代表作者发文量的多少；节点的不同颜色代表作者研究的不同方向；连线代表作者之间的合作关系，连线越粗代表作者之间合作关系越强^[10]。由图 4A可知，CNKI作者合作图谱共有节点459个、连线539条。国内对此领域的研究作者集中在黑龙江省农业科学院的李丽丽、来永才，东北林业大学的郎敬、杨洪一、邰飞飞，以及贵州大学的王雪郦、张芮瑞、周少奇、邱树毅等核心作者群。主要合作关系为团队内部合作。但各研究团队间相互引用较少，缺乏密切合作，说明其研究方向可能存在较大差异。WOS数据库中作者合作图谱共有573个节点、644条连线，网络密度为0.003 9 (图 4B)。WOS数据库数据显示，发文量最多的作者是Chen Qing，Chen Chengrong，说明此领域的研究主要集中在国内，并在国际上产生了一定影响力。Sun Xuecheng等中国学者与国外学者有一定交流合作。由图 4B可见，Risc Anita C、Mcculley Rebecca L、Caldeira Maria C、Eskelinen, Anu、Brown Cynthia S、Siebert Julia等之间连线线条较多，合作较为密切。除此之外，Chen Guanglei、Zhu Yiyong、Yuan Jiahui、WangShenqiang等也形成了一定的合作研究关系。目前，各国的磷转化微生物研究人员大部分都专注于内部研究，很少会组织机构与机构间的合作；同一领域作者群体之间的合作不紧密且研究团队成员构成单一，通常由同一机构的成员组成，缺乏不同机构之间的合作；各研究小组有不同的研究方向且交叉点不多，导致小组之间的横向交流较少，研究力量更分散，交流和协作空间更大。作者群间紧密的学术合作关系对促进磷转化微生物的研究具有积极影响，今后应该加强不同机构不同作者间的合作交流。

图 4　作者合作共现图 Figure 4　Cooperation network of authors. A：CNKI作者合作共现图. B：WOS作者合作共现图 A: Cooperation network of authors (CNKI). B: Cooperation network of authors (WOS).

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关键词作为能够代表文章主要内容的关键部分之一，其出现的频次与研究成果的数量呈正相关关系^[9]。利用CiteSpace生成CNKI和WOS数据库中磷转化微生物研究高频关键词共现图谱，见图 5。图中的节点越大，其代表的关键词共现频次越高，节点与节点之间的连线越明显则表示两者之间联系越密切^[11]。CNKI数据库中共现频次最高的关键词是“解磷菌”，其次为“解磷能力” “解磷细菌” “溶磷菌” “筛选” “有机酸”等，说明解磷为国内现阶段的研究热点(图 5A)。其他关键词共现频率较低，研究不够深入，说明研究方向仍处于新兴阶段，研究前景广阔。WOS数据库中“dynamics” “nitrogen” “phosphorus” “transformation”和“carbon”等关键词出现频次较高(图 5B)。由于生态系统中碳氮磷等营养元素在动态循环的过程中相互耦合，所以通常结合起来进行研究^[12]。

图 5　高频关键词共现图 Figure 5　High-frequency keyword co-occurrence atlas. A：CNKI高频关键词共现图. B：WOS高频关键词共现图 A: High-frequency keyword co-occurrence atlas of CNKI. B: High-frequency keyword co-occurrence atlas of WOS.

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关键词突现能够统计出某个时间段内某一关键词出现频次的增加，从而判断发展趋势和研究热点。CNKI中的关键词突现信息如表 1所示。关键词“解磷”持续时间较长，从2003年到2011年共持续了8年。关键词“溶磷”突现强度为3.16，是2002−2022年间的最高值。突现分析的结果表明前期的研究主要着重机制、作用条件等方面。2018年后，有机酸活化磷的研究在国际上成为了新的热点，突现强度为2.63。溶磷细菌在其正常生命活动中会产生各种有机酸，这些有机酸通过高稳性磷向活性磷转化的形式提高土壤有效磷含量^[13]。从2020年起，关键词“有机酸”突现至今，或可能成为未来受关注的科研热点之一。

WOS中的关键词突现信息如表 2所示。在2002−2013年间，“dynamics”的突现性最高，突现强度为4.89。2013年往后，关键词数量逐渐增多。其中“mechanism” “response”和“biochar”是近几年的热点关键词，突现强度分别为4.24、3.82和3.68。碳和氮作为生态系统中不可或缺的营养物质，其现有形态的变化和迁移转化过程中的相互作用以及对微生物响应环境变化的机制具有一定研究意义。近年来，随着污染土壤修复领域的崛起，生物炭(biochar)因其独有的物理化学性质，对微生物磷转化率的提高以及有效磷含量的增加有着重要的作用，在贫瘠土壤改良中被大量应用^[14]。大量的农业研究结果表明，生物炭可以显著地提高土壤养分含量^[15]。

关键词聚类分析是使用CiteSpace对提取的所有关键词进行分类，一般认为当聚类模块值(Q值) > 0.3时就意味着聚类结构显著；当平均轮廓值(S值) > 0.7时，聚类是高效率令人信服的，在0.5以上，聚类认为是合理的^[14]。若S值为无穷大，则聚类数通常为1，这样选择的网络可能太小，只能代表一个研究主题。将CNKI数据库生成的磷转化微生物关键词聚类的主题信息导出后汇总，见图 6A和表 3。这12个聚类其平均轮廓值分别为0.893、0.881、0.816、0.859、0.800、0.948、0.818、0.930、0.811、0.734、0.995和0.974。

图 6　关键词聚类图 Figure 6　Keyword cluster diagram. A：CNKI关键词聚类图. B：WOS关键词聚类图 A: Keyword cluster diagram of CNKI. B: Keyword cluster diagram of WOS.

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聚类#0、#1涉及解磷菌的分类。“解磷菌”包含“解磷真菌”和“解磷细菌”。解磷真菌在数量上远不如解磷细菌多，其种类也少，主要局限于青霉(Penicillium)、曲霉(Aspergillus)、镰刀菌(Fusarium)、小丝核菌(Sclerotium)等几个属种。解磷细菌有芽孢杆菌(Bacillus sp.)、假单胞杆菌(Pseudomonas sp.)、欧文氏菌(Erwinia sp.)、土壤杆菌(Agrobacterium sp.)、沙雷氏菌(Serratia sp.)等^[16]。聚类#2强调了微生物代谢产物对植物的影响。有研究表明解磷菌的作用机制与其产生的有机酸有关^[17]。王富民等通过对黑曲霉(Aspergillus niger)的研究发现，解磷菌通过发酵产生草酸等多种有机酸^[18]，能够有效提高作物整体的产量和质量。聚类#3着重于微生物解磷功效的研究，是磷转化微生物研究中的重要方向。聚类#4和#8关注的是如何获得大量目的菌株的问题。筛选是指在微生物分类和培养过程中，通过对不同微生物的特征和功能进行判断筛选出具有理想性状的微生物，并进行后续的利用和开发，是微生物试验中得到目的菌株的主要方法之一^[19]。测定微生物解磷能力的常用方法有平板法、液体培养法和土壤培养法等^[20]。定殖是指各种微生物从一种环境迁移到另一种环境(通常为动物体、植物体、人体)，并在某一新环境或新地点生存、繁殖^[21]。聚类#5、#6、#10和#11涉及微生物在生态系统中的重要作用，展示了微生物参与磷循环过程的不同方式。聚类#7与农业生产密切相关。产量与经济效益挂钩，也是判断一种微生物是否为磷转化微生物以及是否可以应用于农业生产的关键^[22]；聚类#9 “土壤”是微生物的大本营，是筛选磷转化微生物的材料和源头^[23]。然而微生物的活动也对土壤的结构和质量有着重要的影响^[24]。随着近年来土壤污染问题的加剧，在今后的研究中应重点关注对环境的影响。

将WOS数据库生成的磷转化微生物关键词聚类的主题信息导出后汇总，见图 6B和表 4。这10个聚类其平均轮廓值分别为0.752、0.788、0.684、0.823、0.733、0.736、0.777、0.827、0.738和0.887。

聚类#0、#2、#3、#6和#7探讨了生态系统运转机制和功能维持的重要性。反硝化聚磷菌(denitrifying phosphate-accumulating bacteria, DPB)是一种在厌氧和缺氧交替进行的环境中驯化出的磷转化微生物，可以通过反硝化作用(denitrification)同时来完成污水的脱氮和除磷^[25]，而硝化作用(nitrification)指的是氨基酸脱下的氨，在有氧条件下经硝化细菌作用转化为硝酸的过程^[26]。这2个聚类反映出研究者对营养元素循环的关注度较高。衡量土壤肥力的标准之一是土壤微生物量(microbial biomass)，其数值高低受土壤生态环境和耕作制度的影响^[27-28]。然而在生态系统中只有当有机磷矿化为无机磷才能被生物吸收利用^[29]，磷酸酶(P enzymes)可以实现这一过程，在生物的循环代谢中起到重要的作用^[30]。聚类#1探讨了磷形态与磷转化微生物之间的关系。由于自然环境中大部分磷元素不能直接为植物或者微生物所利用，需要通过磷循环才能转化为可以被利用的形态。因此，对磷形态进行深入研究可以帮助人们更好地理解磷的生物循环过程，为农业生产和环境保护提供科学依据。聚类#4、#5表明研究者们非常关注磷转化微生物对环境的影响以及由此产生的环境污染和生态保护问题。此外，废水处理和污泥处理等环境工程中对磷转化微生物的利用也是此领域的热点问题；聚类#8、#9表明在提高土壤肥力和产量的同时可以通过评估土壤微生物群体的代谢水平来了解土壤状况以及种植适宜作物的可能性^[31-32]。

本研究采用CiteSpace对CNKI和WOS数据库中检索出的887篇文献进行分析，对磷转化微生物的研究趋势进行了全面综述。通过一系列分析得出以下结论：国内外文献发表数量2014年以来逐年增加，2016年以后增速明显加快，英文文献的发文量要多于中文文献。在磷转化微生物相关研究中，我国处于优势地位，发文数量和中心性位列第一，这得益于中国政府颁布的一系列助农政策以及对农业发展的大力支持；发文量与中心性最高的机构是中国科学院；美国与其他国家的合作最为紧密。合作图谱分析显示，磷转化微生物的研究热点集中在菌株的分类与筛选、代谢途径、营养元素循环、酶的功能特征、生态功能维持、环境影响和环境污染与生态保护等方面。生物炭与微生物代谢途径及其调控机制正在成为新的研究方向。尽管磷转化微生物具有广阔的发展前景，但现阶段的研究存在不足。例如，现有研究对磷转化微生物代谢转化网络及其对环境的响应机制了解有限。虽然已有研究初步揭示了磷转化微生物在某些条件下的行为与代谢机制，但其在实际生产中的可行性与效率尚未得到充分评估。在今后的研究中可采用系统生物学和代谢组学等新兴技术手段加强对微生物行为和代谢机理的研究，探索其潜在的应用价值。同时，加强技术标准的制定，以推广其应用。其次，微生物群落结构对磷转化效率的影响尚未深入研究。对磷转化微生物在自然生境下的行为规律和生态适应性不够清楚。未来的研究可通过环境基因组学分析、代谢物分析、群落构建试验等生态学方法加强对微生物种群分布、种群动态及生存策略的研究。

展望未来的研究方向，有助于深入挖掘和发现科学领域的新知识和新方法，为农业生产提供更有益的帮助。为此，我们提出以下建议：

(1) 把握未来研究与发展方向。对于磷转化微生物，未来的研究应当坚持基础理论研究与应用研究并重的发展方向，注重本领域的创新性，同时要结合实际应用需求，积极开展与磷资源保护和利用、农业生产、环境保护等相关学科的合作研究，推进磷转化微生物的应用技术研究，并寻求相关问题的系统性解决方案，以促进经济、环境、社会的可持续发展。

(2) 应用新兴技术与研究方法。例如，发展高通量磷代谢组织学和基因组学技术，帮助解析微生物内部的磷转化代谢网络，构建大规模磷转化微生物基因组数据和样本库，深入了解微生物多样性，拓宽研究视野并推动行业发展。