土壤中細菌產氨代謝對農田生態系統的意義

王國興，徐福利，王渭玲，王偉東

（1.西北農林科技大學 生命科學學院，陜西 楊凌712100；2.中國科學院 水利部 水土保持研究所，陜西 楊凌712100）

自然界的氮素以分子態（N2）、無機態（銨態氮和硝態氮等）和有機態（蛋白質和核酸等）形式存在，分布在地球的各個部位。進入土壤中的動植物殘體，除各類不含氮有機物質外，還有含氮有機物質。生物來源的含氮有機物主要是蛋白質，還有核酸、尿素、尿酸、幾丁質等。尿素作為土壤氮素的主要來源之一，主要源于有機肥料如動植物組織的核酸降解產物。植物雖然可以直接吸收尿素，但進到土壤中的尿素一般都很快地被土壤中的細菌和土壤中的尿素酶分解成為氨、二氧化碳和水。氨可以與土壤中碳酸鹽結合產生碳酸銨。近年來，研究顯示土壤中細菌利用尿素產生氨不僅直接影響土壤中N源的循環利用，并且可以用于酸化土質的改良。本文就土壤中細菌利用尿素產生氨的生物學特征以及對農業的意義作一綜述，為深入研究利用土壤中尿素代謝，給土壤提供N素營養，滿足植物生長對N素營養需求，提高植物產量與品質，促進農業生產和土壤N素肥力提供科學依據。

1 土壤中的尿素酶

尿素酶（E.C.3.4.1.5）在自然界中廣泛存在。土壤微生物作為土壤生物系統能量循環的重要組成部分，為土壤中尿素酶的活性提供了主要來源［1］。尿素在細菌尿素酶的作用下快速分解產生氨，二氧化碳以及ATP［2］。尿素酶催化產氨是自然界三條微生物氮源代謝產氨的途徑之一［2－5］。研究發現土壤中有大量的微生物具有產生尿素酶的能力，包括真菌，酵母菌，細菌，藍細菌（cyanobacteria）和放線菌。尿素酶通過分解有機氮源對土壤培肥起到極其關鍵的作用。土壤中氮源的轉化和利用與土壤中尿素酶密切相關；此外，土壤中尿素酶的活性直接影響到土壤中尿素肥料的使用，氮源揮發與過濾，以及環境中氮源污染［6］。土壤中尿素酶活性的檢測被認為是檢測土壤質量以及衡量土壤肥沃程度的重要指標［7］。

關于細菌尿素酶生物學特征以及分子調控機制在放線菌和鏈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，并作為一種細胞內酶的形式存在［11］。目前，對土壤細菌尿素酶的研究主要集中于桿菌，如巴斯德氏芽胞桿菌（Bacillus pasteurizing），該菌具有較高尿素酶活性［11］。研究發現巴斯德氏芽胞桿菌尿素酶的活性在pH 8.0的弱堿性環境活性較低，在pH 5.0的酸性環境酶活性顯著增強［12］。這種在酸性環境下尿素酶活性被誘導增強的表達方式在其他細菌，如唾液鏈球菌，內氏放線菌以及幽門螺桿菌也曾被檢測到［9，13－14］。從細菌生理學角度講，細菌在酸性環境下尿素酶代謝有利于維持細菌自身酸堿平衡，尿素水解產生的ATP同時為細菌生長提供能量，因此尿素代謝被認為是細菌耐受酸性環境壓力的重要生理機制［15－16］。與唾液鏈球菌，內氏放線菌以及幽門螺桿菌等其他細菌尿素酶不同的是，巴斯德氏芽胞桿菌尿素酶不僅以自由形式存在，也可以結合的方式存在［12］。Gianfreda等人研究發現土壤中無機成分黏土，氧化鋁，黏土有機復合物均能與尿素酶結合［11，16］。此外，尿芽胞八疊球菌（Sporosarcina ureae）也是土壤中一種具有較高尿素酶活性的細菌，該菌為周生鞭毛的四聯或八聯球菌，細胞大小為1.2～2.5um，能形成芽胞（0.8～1.0mm），這是唯一能形成芽孢的球菌。

2 影響土壤中尿素酶活性的因素

土壤樣本中能夠直接提取分離有活性的尿素酶，尿素酶可以與土壤的有機物或無機物相結合從而防止酶被降解。與其它細菌尿素酶類似，土壤中尿素酶的活性也同時受到多種因素的影響，這些因素包括土壤的化學特性，環境因素，尿素來源以及微生物間相互作用［9，17］。土壤中尿素酶活性與細菌（包括放線菌，真菌和固氮細菌）組成比例和尿素酶活性均呈現隨季節變遷呈周期性變化，從年季變化分析，四月最高，從七月開始下降至十二月最低，因此，Liu等人提出土壤中細菌比例被認為尿素酶活性直接相關［18］。McCarty等人利用不同形式的氮源研究其對土壤中細菌尿素酶活性的影響，發現具有生物活性的左旋丙胺酸、精氨酸、天冬酰胺酸、谷氨酸鹽能夠抑制土壤中尿素酶活性，右旋氨基酸和谷氨酸鹽對土壤中尿素酶活性沒有顯著的抑制作用。因此，McCarty等人提出土壤中細菌尿素酶的合成受全局氮源調節子調控［19］。研究發現在土壤中加入有機成分能夠有效的促進土壤中細菌生長以及土壤中尿素酶的活性，例如殺蟲劑［20－21］。最近，Yu等人對使用殺蟲劑百菌清（Chlorothalonil）后土壤中具有尿素酶活性的細菌和土壤尿素酶活性進行檢測，研究發現第一次使用百菌清后，土壤中具有尿素酶活性的細菌如放線菌數量和土壤尿素酶活性明顯下降，然而四次使用（21d）后，土壤中具有尿素酶活性的細菌對百菌清出現耐受，并能對百菌清進行降解。因此，Yu等人認為反復使用百菌清不會對土壤中具有尿素酶活性的細菌和土壤尿素酶活性造成影響［22］。Tabatabai M發現土壤中金屬元素的含量可以抑制土壤尿素酶活性，包括鉛和鉻［23］。Nourbakhsh等人通過研究伊朗中部地區土壤發現，土壤中尿素酶的活性與土壤的濕潤程度無明顯的相關性；不同的土壤酸堿值，碳酸鈣含量以及陽離子滲透程度對土壤中尿素酶活性也沒有影響；但是土壤中尿素酶的活性與土壤中可分離的具有尿素酶活性的細菌含量呈明顯的正相關，而與土壤的電流傳導性呈負相關［24］。

3 尿素代謝對于農業的意義

3.1 固氮作用

土壤中尿素酶的活性直接影響到土壤中尿素肥料的使用，氮源揮發與淋失，以及環境中氮源對環境的污染［6］。土壤中尿素酶活性的檢測被認為是檢測土壤質量和土壤肥力的重要指標之一［7］。在一些已知的具有尿素酶的土壤細菌中，一些氨氧化細菌（ammonia oxidizing bacteria－AOB），如亞硝化單孢菌，可以通過氧化氨或者其它尿素酶催化產物產生細菌生長所需能量，這一過程被成為固氮［25］。AOB細菌的氨氧化作用是生態系統中固氮的重要環節，其作用水平主要受到系統中氨水平的限制。

腐植酸是土壤中植物，動物和微生物等生物和化學降解產生的大分子復合物。腐植酸可以通過影響氮源的分布，生物供給以及有機氮的最終走向［26］。研究發現腐植酸可以抑制土壤微生物群的組成比例和微生物數量，從而影響土壤尿素酶活性降低氨的產生，并且改變AOB細菌比例從而影響氨氧化作用最終影響固氮作用［27］。

3.2 改良土質

在尿素酶的作用下，尿素分解產生的氨可以升高周圍環境的pH值，引起環境中礦物離子（如鈣離子和碳酸根離子）的沉積。土壤生物鈣化是指在產堿細菌的誘導作用下土壤中鈣鹽沉積（Microbial induced calcium carbonate precipitation－ MICP）［28］。這 一過程與細菌細胞濃度，離子強度以及pH值密切相關。將MICP用于改良土壤的機械特性，近年來受到了大量關注。Whiffin等學者認為MICP可以增強砂質土壤的強度和持久度［29］。與其它利用化學或者cement grouting techniques改良土壤的方法相比，MICP對環境的污染更小［30］。研究發現巴斯德氏芽胞桿菌尿素酶可以被土壤吸收固定，被吸收固定的細菌尿素酶穩定性增強。細菌尿素酶被土壤吸收固定的過程與土壤中氯化鈉的濃度密切相關，此外，呈弱酸性的土壤更有利于細菌尿素酶的吸收固定［11］。

3.3 土壤中其他產氨代謝

精氨酸脫氨酶是自然界微生物三條主要的產堿代謝之一，精氨酸在細菌精氨酸脫氨酶系統的作用下分解產生氨，二氧化碳，水和 ATP［31－32］。然而，與其他植物與人體的細菌相比，土壤中細菌利用精氨酸脫氨酶系統進行產氨通常被認為是一條很弱的產氨活性［33－34］。2008年，Liu等學者通過從西湖和無錫水渠的土壤中成功分離到54株具有精氨酸脫氨酶的活性的土壤菌株，通過16SrDNA測序分析鑒定所有分離株均屬于假單胞菌屬。其中Pseudomonas plecoglossicida菌精氨酸脫氨酶很高。研究發現具有高活性精氨酸脫氨酶的Pseudomonas plecoglossicida對人類腫瘤細胞HEPG2具有高度的抑制作用［35］。此外，Williams在利用蛋白組學的方法研究土壤細菌功能蛋白的作用以及隨土壤環境因素變化所發生的功能變化時，發現在丙酮處理的土壤樣本中，細菌精氨酸脫氨酶表達明顯增高［36］。因此，Williams等學者提出土壤中細菌精氨酸脫氨酶在特殊的環境下可能成為土壤中重要的產氨固氮途徑。

4 結語

土壤微生物區系和土壤酶活性是土壤肥力和農作物生產基礎物質的重要基礎［37］。其中尿酶對土壤氮素轉化和氮肥有效利用作用更大［38－40］。本綜述認為，土壤細菌利用尿素產氨不僅可以直接影響土壤中氮源的循環利用和土壤氮素肥力，并且可以酸化土質的改良。分析指出了土壤中細菌利用尿素產氨的生物學特征及分子調控機制。

同時，影響土壤尿素酶活性的壤的化學特性，環境因素，尿素來源以及微生物間相互作用，土壤中尿素酶活性被認為是檢測土壤質量和土壤肥力的重要指標之一，它與固氮作用、土壤改良和土壤中其他產氨代謝因素有著密切關系［9，11，20－21］。土壤中尿素 酶的活性對 土壤氮素肥力評價和農作物生產具有重要意義。

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