土壤中细菌产氨代谢对农田生态系统的意义

王国兴，徐福利，王渭玲，王伟东

（1.西北农林科技大学 生命科学学院，陕西 杨凌712100；2.中国科学院 水利部 水土保持研究所，陕西 杨凌712100）

自然界的氮素以分子态（N2）、无机态（铵态氮和硝态氮等）和有机态（蛋白质和核酸等）形式存在，分布在地球的各个部位。进入土壤中的动植物残体，除各类不含氮有机物质外，还有含氮有机物质。生物来源的含氮有机物主要是蛋白质，还有核酸、尿素、尿酸、几丁质等。尿素作为土壤氮素的主要来源之一，主要源于有机肥料如动植物组织的核酸降解产物。植物虽然可以直接吸收尿素，但进到土壤中的尿素一般都很快地被土壤中的细菌和土壤中的尿素酶分解成为氨、二氧化碳和水。氨可以与土壤中碳酸盐结合产生碳酸铵。近年来，研究显示土壤中细菌利用尿素产生氨不仅直接影响土壤中N源的循环利用，并且可以用于酸化土质的改良。本文就土壤中细菌利用尿素产生氨的生物学特征以及对农业的意义作一综述，为深入研究利用土壤中尿素代谢，给土壤提供N素营养，满足植物生长对N素营养需求，提高植物产量与品质，促进农业生产和土壤N素肥力提供科学依据。

1 土壤中的尿素酶

尿素酶（E.C.3.4.1.5）在自然界中广泛存在。土壤微生物作为土壤生物系统能量循环的重要组成部分，为土壤中尿素酶的活性提供了主要来源［1］。尿素在细菌尿素酶的作用下快速分解产生氨，二氧化碳以及ATP［2］。尿素酶催化产氨是自然界三条微生物氮源代谢产氨的途径之一［2－5］。研究发现土壤中有大量的微生物具有产生尿素酶的能力，包括真菌，酵母菌，细菌，蓝细菌（cyanobacteria）和放线菌。尿素酶通过分解有机氮源对土壤培肥起到极其关键的作用。土壤中氮源的转化和利用与土壤中尿素酶密切相关；此外，土壤中尿素酶的活性直接影响到土壤中尿素肥料的使用，氮源挥发与过滤，以及环境中氮源污染［6］。土壤中尿素酶活性的检测被认为是检测土壤质量以及衡量土壤肥沃程度的重要指标［7］。

关于细菌尿素酶生物学特征以及分子调控机制在放线菌和链球菌中曾被深入研究［2，8－10］。土壤中大量微生物均具有尿素酶活性，并作为一种细胞内酶的形式存在［11］。目前，对土壤细菌尿素酶的研究主要集中于杆菌，如巴斯德氏芽胞杆菌（Bacillus pasteurizing），该菌具有较高尿素酶活性［11］。研究发现巴斯德氏芽胞杆菌尿素酶的活性在pH 8.0的弱碱性环境活性较低，在pH 5.0的酸性环境酶活性显著增强［12］。这种在酸性环境下尿素酶活性被诱导增强的表达方式在其他细菌，如唾液链球菌，内氏放线菌以及幽门螺杆菌也曾被检测到［9，13－14］。从细菌生理学角度讲，细菌在酸性环境下尿素酶代谢有利于维持细菌自身酸碱平衡，尿素水解产生的ATP同时为细菌生长提供能量，因此尿素代谢被认为是细菌耐受酸性环境压力的重要生理机制［15－16］。与唾液链球菌，内氏放线菌以及幽门螺杆菌等其他细菌尿素酶不同的是，巴斯德氏芽胞杆菌尿素酶不仅以自由形式存在，也可以结合的方式存在［12］。Gianfreda等人研究发现土壤中无机成分黏土，氧化铝，黏土有机复合物均能与尿素酶结合［11，16］。此外，尿芽胞八叠球菌（Sporosarcina ureae）也是土壤中一种具有较高尿素酶活性的细菌，该菌为周生鞭毛的四联或八联球菌，细胞大小为1.2～2.5um，能形成芽胞（0.8～1.0mm），这是唯一能形成芽孢的球菌。

2 影响土壤中尿素酶活性的因素

土壤样本中能够直接提取分离有活性的尿素酶，尿素酶可以与土壤的有机物或无机物相结合从而防止酶被降解。与其它细菌尿素酶类似，土壤中尿素酶的活性也同时受到多种因素的影响，这些因素包括土壤的化学特性，环境因素，尿素来源以及微生物间相互作用［9，17］。土壤中尿素酶活性与细菌（包括放线菌，真菌和固氮细菌）组成比例和尿素酶活性均呈现随季节变迁呈周期性变化，从年季变化分析，四月最高，从七月开始下降至十二月最低，因此，Liu等人提出土壤中细菌比例被认为尿素酶活性直接相关［18］。McCarty等人利用不同形式的氮源研究其对土壤中细菌尿素酶活性的影响，发现具有生物活性的左旋丙胺酸、精氨酸、天冬酰胺酸、谷氨酸盐能够抑制土壤中尿素酶活性，右旋氨基酸和谷氨酸盐对土壤中尿素酶活性没有显著的抑制作用。因此，McCarty等人提出土壤中细菌尿素酶的合成受全局氮源调节子调控［19］。研究发现在土壤中加入有机成分能够有效的促进土壤中细菌生长以及土壤中尿素酶的活性，例如杀虫剂［20－21］。最近，Yu等人对使用杀虫剂百菌清（Chlorothalonil）后土壤中具有尿素酶活性的细菌和土壤尿素酶活性进行检测，研究发现第一次使用百菌清后，土壤中具有尿素酶活性的细菌如放线菌数量和土壤尿素酶活性明显下降，然而四次使用（21d）后，土壤中具有尿素酶活性的细菌对百菌清出现耐受，并能对百菌清进行降解。因此，Yu等人认为反复使用百菌清不会对土壤中具有尿素酶活性的细菌和土壤尿素酶活性造成影响［22］。Tabatabai M发现土壤中金属元素的含量可以抑制土壤尿素酶活性，包括铅和铬［23］。Nourbakhsh等人通过研究伊朗中部地区土壤发现，土壤中尿素酶的活性与土壤的湿润程度无明显的相关性；不同的土壤酸碱值，碳酸钙含量以及阳离子渗透程度对土壤中尿素酶活性也没有影响；但是土壤中尿素酶的活性与土壤中可分离的具有尿素酶活性的细菌含量呈明显的正相关，而与土壤的电流传导性呈负相关［24］。

3 尿素代谢对于农业的意义

3.1 固氮作用

土壤中尿素酶的活性直接影响到土壤中尿素肥料的使用，氮源挥发与淋失，以及环境中氮源对环境的污染［6］。土壤中尿素酶活性的检测被认为是检测土壤质量和土壤肥力的重要指标之一［7］。在一些已知的具有尿素酶的土壤细菌中，一些氨氧化细菌（ammonia oxidizing bacteria－AOB），如亚硝化单孢菌，可以通过氧化氨或者其它尿素酶催化产物产生细菌生长所需能量，这一过程被成为固氮［25］。AOB细菌的氨氧化作用是生态系统中固氮的重要环节，其作用水平主要受到系统中氨水平的限制。

腐植酸是土壤中植物，动物和微生物等生物和化学降解产生的大分子复合物。腐植酸可以通过影响氮源的分布，生物供给以及有机氮的最终走向［26］。研究发现腐植酸可以抑制土壤微生物群的组成比例和微生物数量，从而影响土壤尿素酶活性降低氨的产生，并且改变AOB细菌比例从而影响氨氧化作用最终影响固氮作用［27］。

3.2 改良土质

在尿素酶的作用下，尿素分解产生的氨可以升高周围环境的pH值，引起环境中矿物离子（如钙离子和碳酸根离子）的沉积。土壤生物钙化是指在产碱细菌的诱导作用下土壤中钙盐沉积（Microbial induced calcium carbonate precipitation－ MICP）［28］。这 一过程与细菌细胞浓度，离子强度以及pH值密切相关。将MICP用于改良土壤的机械特性，近年来受到了大量关注。Whiffin等学者认为MICP可以增强砂质土壤的强度和持久度［29］。与其它利用化学或者cement grouting techniques改良土壤的方法相比，MICP对环境的污染更小［30］。研究发现巴斯德氏芽胞杆菌尿素酶可以被土壤吸收固定，被吸收固定的细菌尿素酶稳定性增强。细菌尿素酶被土壤吸收固定的过程与土壤中氯化钠的浓度密切相关，此外，呈弱酸性的土壤更有利于细菌尿素酶的吸收固定［11］。

3.3 土壤中其他产氨代谢

精氨酸脱氨酶是自然界微生物三条主要的产碱代谢之一，精氨酸在细菌精氨酸脱氨酶系统的作用下分解产生氨，二氧化碳，水和 ATP［31－32］。然而，与其他植物与人体的细菌相比，土壤中细菌利用精氨酸脱氨酶系统进行产氨通常被认为是一条很弱的产氨活性［33－34］。2008年，Liu等学者通过从西湖和无锡水渠的土壤中成功分离到54株具有精氨酸脱氨酶的活性的土壤菌株，通过16SrDNA测序分析鉴定所有分离株均属于假单胞菌属。其中Pseudomonas plecoglossicida菌精氨酸脱氨酶很高。研究发现具有高活性精氨酸脱氨酶的Pseudomonas plecoglossicida对人类肿瘤细胞HEPG2具有高度的抑制作用［35］。此外，Williams在利用蛋白组学的方法研究土壤细菌功能蛋白的作用以及随土壤环境因素变化所发生的功能变化时，发现在丙酮处理的土壤样本中，细菌精氨酸脱氨酶表达明显增高［36］。因此，Williams等学者提出土壤中细菌精氨酸脱氨酶在特殊的环境下可能成为土壤中重要的产氨固氮途径。

4 结语

土壤微生物区系和土壤酶活性是土壤肥力和农作物生产基础物质的重要基础［37］。其中尿酶对土壤氮素转化和氮肥有效利用作用更大［38－40］。本综述认为，土壤细菌利用尿素产氨不仅可以直接影响土壤中氮源的循环利用和土壤氮素肥力，并且可以酸化土质的改良。分析指出了土壤中细菌利用尿素产氨的生物学特征及分子调控机制。

同时，影响土壤尿素酶活性的壤的化学特性，环境因素，尿素来源以及微生物间相互作用，土壤中尿素酶活性被认为是检测土壤质量和土壤肥力的重要指标之一，它与固氮作用、土壤改良和土壤中其他产氨代谢因素有着密切关系［9，11，20－21］。土壤中尿素 酶的活性对 土壤氮素肥力评价和农作物生产具有重要意义。

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