脲酶抑制剂综述

抑制剂研究进展

1、脲酶抑制剂研究进展

1.1脲酶抑制剂种类及作用原理

脲酶是氨基水解酶的一类酶的通称，是一种作用于线型酰胺C-N键（非肽）的水解酶。土壤脲酶抑制剂是对土壤脲酶活性有抑制作用的化合物或元素。Conrad早在1940年就指出向土壤中加入某些物质可以抑制脲酶活性并延缓尿素水解。在随后的几十年里，脲酶抑制剂的研究取得很大进展，包括对尿素水解、NH3挥发、尿素N土壤转化、尿素利用率、作物产量的影响等。

脲酶抑制剂主要有无机物和有机物二大类。无机物中主要是分子量大于50的重金属化合物如Cu、Ag、Pb、Hg、Co、Ni、Au、As、Cr等元素的不同价态离子；有机化合物中包括对氨基苯磺酰胺、二硫代氨基甲酸盐、羟基草氨酸盐、有机汞化合物、酚类、醌及取代醌类、磷胺类化合及其转化物等。Bremner和Douglas证明二元酚和醌是当时最有效的有机化合物，银和汞盐是最有效的无机化合物[62]。Mulvaney和Bremner（1981）、Byrnes和Freney 等(1995)指出，最有效的脲酶抑制剂是醌如 -苯醌和氢醌（HQ）、二元酚和磷胺类化合物如N-丁基硫代磷酰三胺（NBPT）、苯基磷酰二胺（PPD）、环己基磷酰三胺（CHPT）等[65]。其中HQ被认是较有效并经济的，而NBPT、PPD、CHPT等磷胺化合物的抑制效果则是最好的。

对脲酶抑制剂的筛选，通常注意的只是该化合物使用后尿素在一定培养时间内的残留量，而对脲酶抑制剂的作用机制研究的较少。重金属离子和醌类物质的脲酶抑制作用机理相同，它们均能作用于脲酶蛋白上对酶促有重要的作用的巯基（-SH）），抑制作用的效果与金属-锍化物和醌-锍化物复合体的解离能力呈反比。磷胺类化合物的作用机理为该类化合物与尿素分子有相似的结构，可与尿素竞争与脲酶的结合位点，而且其与脲酶的亲和力极高，此种结合使得脲酶减少了作用尿素的机会，达到了抑制尿素水解的目的。

综合国内外的资料研究，脲酶抑制剂的作用机理主要表现在以下几个方面:

(1)脲酶抑制剂占据了脲酶水解尿素的活性位置，降低脲酶活性。

(2)脲酶抑制剂可以改变土壤环境中的氧化还原条件，降低脲酶活性。

(3)脲酶抑制剂中有些疏水性物质，可以使尿素的水溶性降低，减慢尿素水解速率。

(4)脲酶抑制剂中有些抗代谢类物质，可以打乱能产生脲酶的微生物代谢途径，阻碍脲酶的合成，降低尿素的分解速度。

(5)脲酶抑制剂本身与尿素物理性质相似，在土壤中可以保护尿素分子不被脲酶水解，但是脲酶抑制剂也不能完全抑制土壤中所有的脲酶，应保持脲酶具有一定的活性。否则，会影响到土壤对植物的供氮。

脲酶抑制剂需要在一定的环境条件下应用。土壤pH、通气条件、水分状况以及尿素的浓度等都是影响脲酶抑制剂活性的因素。不同的脲酶抑制剂所适应的环境条件也不同。比如脲酶抑制剂N-丁基硫代磷酰二胺(nBPT)受土壤pH的影响较小，表明nBPT既适用于酸性土壤，也适用于碱性土壤。苯基磷酰一胺(PPD)作为脲酶抑制剂虽然有潜力，但是易于分解。脲酶抑制剂氢醒(HQ)在通气性良好的土壤中施用时，效果不如nBPT和PPD；在嫌气土壤中施用时，效果又不及PPD;有研究表明，HQ用量的增加会减弱土壤脲酶活性。所以，不同的脲酶抑制剂在不同的土壤环境中抑制效果不同，同一种抑制剂在不同的土壤条件下抑制效果也有所不同。脲酶抑制剂在脲酶活性高的土壤中施用能够发挥更好的抑制作用。

尿素经脲酶水解为铵态氮后才能被作物吸收利用，但是基于目前的环境问题以及氮残留在土壤中可能会造成的环境问题，延缓脲酶的水解作用非常重要，所以许多学者都己经在脲酶抑制剂上做了大量研究。到目前为止，人们研究了脲酶抑制剂对土壤环境、植物生物量、产量等的影响。

研究较多的脲酶抑制剂有N-丁基硫代磷酰二胺(nBPT)和氢醌(HQ)等。周礼恺等人在1992年就研究了HQ在尿素的水解、气态氮的释放、铵态氮的硝化、硝态氮反硝化作用以及微生物固持等过程中所起的作用。结果表明，HQ不仅可以延缓尿素的水解，减少NH3挥发损失，更重要的是，它还可以影响尿素水解产物的进一步反应过程，使得尿素氮对作物有持续性供应，减少了氮的损失。

王小彬等的研究发现，尿素表施和种旁施用，nBPT的用量完全不同。表施

时，nBPT用量为0.25%最佳；种旁施用时，nBPT用量为0.15%时能够更好的促进作物氮的吸收。脲酶抑制剂nBPT对土壤中各种细菌和酶的作用也有一定的影响，0.1-0.5%的nBPT对土壤脲酶活性影响较小;浓度在1%时抑制效果最为显著。低浓度(0.1mg/mL)的nBPT对放线菌、细菌的生长有一定的促进作用，但中高浓度的nBPT却抑制了它们的生长。nBPT可以抑制细菌和放线菌的发酵产酶，最大抑制率分别可以达到67.1%和55.4%。王玉琪等研究了不同用量的脲酶抑制剂氢醌对小白菜光合特性和氮代谢的影响。结果表明：适量的氢醌能增大小白菜叶片的气孔导度，降低细胞间CO2浓度，降低蒸腾速率，提高净光合速率;使小白菜叶片谷酰胺合成酶活性、硝酸还原酶活性、蛋白质含量、总氮含量、谷氨酸脱氢酶活性提高，降低游离氨基酸含量。

氢醒(HQ)在土壤中的作用

HQ是一种白色针状结晶型物质，易燃，熔点172-175℃，沸点285-287℃，相对密度1.328kg/m3)，易溶于热水、乙醇及乙醚，微溶于苯。早在20世纪80年代，中国科学院沈阳应用生态研究所就对HQ抑制脲酶的作用进行了大量的研究，发现HQ作为脲酶抑制剂具有抑制率高，成本低，来源广泛的特点。在普通尿素中添加HQ可使氮肥利用率由40%提高到52%以上。总的来说，HQ在土壤中的作用主要表现在以下儿个方面:①对脲酶活性的抑制。这是HQ最主要的作用。HQ对土壤脲酶活性的抑制率及其抑制时间随着其施用量的增加而提高，与土壤脲酶活性呈显著负相关关系，并随着时间的推移而逐渐降低。但是由于土壤质地不同，HQ的作用效果也会因土壤脲酶活性大小的不同而呈现出不同。②对土壤尿素氨挥发的抑制。因为HQ对土壤脲酶活性有抑制作用，所以延缓了脲酶对尿素的水解，也就抑制了因尿素水解而导致的氨挥发，减少了氮的挥发损失，降低了对大气环境的污染。周礼凯等人用硼酸吸收法对添加了HQ的灭菌和不灭菌土壤的氨挥发量进行测定，结果表明了灭菌土壤氨挥发量和HQ的用量有很好的负相关关系，但是在不灭菌土壤中，由于土壤微生物的作用，氨挥发的机理比较复杂。汤树德等的研究也表明HQ对土壤氨挥发的影响，不仅取决于HQ对土壤脲酶活性的抑制强弱和抑制时间，在很大程度上也取决于土壤质地及其对氨的吸收饱和度。③对土壤硝化和反硝化作用的抑制。尿素氮损失的一个重要途径就是因硝化作用导致的硝酸盐的淋失，反硝化作用所导致的含氮气体的挥发。HQ