土壤中細(xì)菌產(chǎn)氨代謝對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的意義

王國興，徐福利，王渭玲，王偉東

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，陜西 楊凌712100；2.中國科學(xué)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(tài)（N2）、無機(jī)態(tài)（銨態(tài)氮和硝態(tài)氮等）和有機(jī)態(tài)（蛋白質(zhì)和核酸等）形式存在，分布在地球的各個(gè)部位。進(jìn)入土壤中的動(dòng)植物殘?bào)w，除各類不含氮有機(jī)物質(zhì)外，還有含氮有機(jī)物質(zhì)。生物來源的含氮有機(jī)物主要是蛋白質(zhì)，還有核酸、尿素、尿酸、幾丁質(zhì)等。尿素作為土壤氮素的主要來源之一，主要源于有機(jī)肥料如動(dòng)植物組織的核酸降解產(chǎn)物。植物雖然可以直接吸收尿素，但進(jìn)到土壤中的尿素一般都很快地被土壤中的細(xì)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(jié)合產(chǎn)生碳酸銨。近年來，研究顯示土壤中細(xì)菌利用尿素產(chǎn)生氨不僅直接影響土壤中N源的循環(huán)利用，并且可以用于酸化土質(zhì)的改良。本文就土壤中細(xì)菌利用尿素產(chǎn)生氨的生物學(xué)特征以及對(duì)農(nóng)業(yè)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(yǎng)，滿足植物生長對(duì)N素營養(yǎng)需求，提高植物產(chǎn)量與品質(zhì)，促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和土壤N素肥力提供科學(xué)依據(jù)。

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(tǒng)能量循環(huán)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(xì)菌尿素酶的作用下快速分解產(chǎn)生氨，二氧化碳以及ATP［2］。尿素酶催化產(chǎn)氨是自然界三條微生物氮源代謝產(chǎn)氨的途徑之一［2－5］。研究發(fā)現(xiàn)土壤中有大量的微生物具有產(chǎn)生尿素酶的能力，包括真菌，酵母菌，細(xì)菌，藍(lán)細(xì)菌（cyanobacteria）和放線菌。尿素酶通過分解有機(jī)氮源對(duì)土壤培肥起到極其關(guān)鍵的作用。土壤中氮源的轉(zhuǎn)化和利用與土壤中尿素酶密切相關(guān)；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(fā)與過濾，以及環(huán)境中氮源污染［6］。土壤中尿素酶活性的檢測(cè)被認(rèn)為是檢測(cè)土壤質(zhì)量以及衡量土壤肥沃程度的重要指標(biāo)［7］。

關(guān)于細(xì)菌尿素酶生物學(xué)特征以及分子調(diào)控機(jī)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(xì)胞內(nèi)酶的形式存在［11］。目前，對(duì)土壤細(xì)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(fā)現(xiàn)巴斯德氏芽胞桿菌尿素酶的活性在pH 8.0的弱堿性環(huán)境活性較低，在pH 5.0的酸性環(huán)境酶活性顯著增強(qiáng)［12］。這種在酸性環(huán)境下尿素酶活性被誘導(dǎo)增強(qiáng)的表達(dá)方式在其他細(xì)菌，如唾液鏈球菌，內(nèi)氏放線菌以及幽門螺桿菌也曾被檢測(cè)到［9，13－14］。從細(xì)菌生理學(xué)角度講，細(xì)菌在酸性環(huán)境下尿素酶代謝有利于維持細(xì)菌自身酸堿平衡，尿素水解產(chǎn)生的ATP同時(shí)為細(xì)菌生長提供能量，因此尿素代謝被認(rèn)為是細(xì)菌耐受酸性環(huán)境壓力的重要生理機(jī)制［15－16］。與唾液鏈球菌，內(nèi)氏放線菌以及幽門螺桿菌等其他細(xì)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(jié)合的方式存在［12］。Gianfreda等人研究發(fā)現(xiàn)土壤中無機(jī)成分黏土，氧化鋁，黏土有機(jī)復(fù)合物均能與尿素酶結(jié)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(xì)菌，該菌為周生鞭毛的四聯(lián)或八聯(lián)球菌，細(xì)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(jī)物或無機(jī)物相結(jié)合從而防止酶被降解。與其它細(xì)菌尿素酶類似，土壤中尿素酶的活性也同時(shí)受到多種因素的影響，這些因素包括土壤的化學(xué)特性，環(huán)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(xì)菌（包括放線菌，真菌和固氮細(xì)菌）組成比例和尿素酶活性均呈現(xiàn)隨季節(jié)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(xì)菌比例被認(rèn)為尿素酶活性直接相關(guān)［18］。McCarty等人利用不同形式的氮源研究其對(duì)土壤中細(xì)菌尿素酶活性的影響，發(fā)現(xiàn)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(duì)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(xì)菌尿素酶的合成受全局氮源調(diào)節(jié)子調(diào)控［19］。研究發(fā)現(xiàn)在土壤中加入有機(jī)成分能夠有效的促進(jìn)土壤中細(xì)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(duì)使用殺蟲劑百菌清（Chlorothalonil）后土壤中具有尿素酶活性的細(xì)菌和土壤尿素酶活性進(jìn)行檢測(cè)，研究發(fā)現(xiàn)第一次使用百菌清后，土壤中具有尿素酶活性的細(xì)菌如放線菌數(shù)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(xì)菌對(duì)百菌清出現(xiàn)耐受，并能對(duì)百菌清進(jìn)行降解。因此，Yu等人認(rèn)為反復(fù)使用百菌清不會(huì)對(duì)土壤中具有尿素酶活性的細(xì)菌和土壤尿素酶活性造成影響［22］。Tabatabai M發(fā)現(xiàn)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(qū)土壤發(fā)現(xiàn)，土壤中尿素酶的活性與土壤的濕潤程度無明顯的相關(guān)性；不同的土壤酸堿值，碳酸鈣含量以及陽離子滲透程度對(duì)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(xì)菌含量呈明顯的正相關(guān)，而與土壤的電流傳導(dǎo)性呈負(fù)相關(guān)［24］。

3 尿素代謝對(duì)于農(nóng)業(yè)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(fā)與淋失，以及環(huán)境中氮源對(duì)環(huán)境的污染［6］。土壤中尿素酶活性的檢測(cè)被認(rèn)為是檢測(cè)土壤質(zhì)量和土壤肥力的重要指標(biāo)之一［7］。在一些已知的具有尿素酶的土壤細(xì)菌中，一些氨氧化細(xì)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(chǎn)物產(chǎn)生細(xì)菌生長所需能量，這一過程被成為固氮［25］。AOB細(xì)菌的氨氧化作用是生態(tài)系統(tǒng)中固氮的重要環(huán)節(jié)，其作用水平主要受到系統(tǒng)中氨水平的限制。

腐植酸是土壤中植物，動(dòng)物和微生物等生物和化學(xué)降解產(chǎn)生的大分子復(fù)合物。腐植酸可以通過影響氮源的分布，生物供給以及有機(jī)氮的最終走向［26］。研究發(fā)現(xiàn)腐植酸可以抑制土壤微生物群的組成比例和微生物數(shù)量，從而影響土壤尿素酶活性降低氨的產(chǎn)生，并且改變AOB細(xì)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(zhì)

在尿素酶的作用下，尿素分解產(chǎn)生的氨可以升高周圍環(huán)境的pH值，引起環(huán)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(chǎn)堿細(xì)菌的誘導(dǎo)作用下土壤中鈣鹽沉積（Microbial induced calcium carbonate precipitation－ MICP）［28］。這 一過程與細(xì)菌細(xì)胞濃度，離子強(qiáng)度以及pH值密切相關(guān)。將MICP用于改良土壤的機(jī)械特性，近年來受到了大量關(guān)注。Whiffin等學(xué)者認(rèn)為MICP可以增強(qiáng)砂質(zhì)土壤的強(qiáng)度和持久度［29］。與其它利用化學(xué)或者cement grouting techniques改良土壤的方法相比，MICP對(duì)環(huán)境的污染更小［30］。研究發(fā)現(xiàn)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(xì)菌尿素酶穩(wěn)定性增強(qiáng)。細(xì)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(guān)，此外，呈弱酸性的土壤更有利于細(xì)菌尿素酶的吸收固定［11］。

3.3 土壤中其他產(chǎn)氨代謝

精氨酸脫氨酶是自然界微生物三條主要的產(chǎn)堿代謝之一，精氨酸在細(xì)菌精氨酸脫氨酶系統(tǒng)的作用下分解產(chǎn)生氨，二氧化碳，水和 ATP［31－32］。然而，與其他植物與人體的細(xì)菌相比，土壤中細(xì)菌利用精氨酸脫氨酶系統(tǒng)進(jìn)行產(chǎn)氨通常被認(rèn)為是一條很弱的產(chǎn)氨活性［33－34］。2008年，Liu等學(xué)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(cè)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(fā)現(xiàn)具有高活性精氨酸脫氨酶的Pseudomonas plecoglossicida對(duì)人類腫瘤細(xì)胞HEPG2具有高度的抑制作用［35］。此外，Williams在利用蛋白組學(xué)的方法研究土壤細(xì)菌功能蛋白的作用以及隨土壤環(huán)境因素變化所發(fā)生的功能變化時(shí)，發(fā)現(xiàn)在丙酮處理的土壤樣本中，細(xì)菌精氨酸脫氨酶表達(dá)明顯增高［36］。因此，Williams等學(xué)者提出土壤中細(xì)菌精氨酸脫氨酶在特殊的環(huán)境下可能成為土壤中重要的產(chǎn)氨固氮途徑。

4 結(jié)語

土壤微生物區(qū)系和土壤酶活性是土壤肥力和農(nóng)作物生產(chǎn)基礎(chǔ)物質(zhì)的重要基礎(chǔ)［37］。其中尿酶對(duì)土壤氮素轉(zhuǎn)化和氮肥有效利用作用更大［38－40］。本綜述認(rèn)為，土壤細(xì)菌利用尿素產(chǎn)氨不僅可以直接影響土壤中氮源的循環(huán)利用和土壤氮素肥力，并且可以酸化土質(zhì)的改良。分析指出了土壤中細(xì)菌利用尿素產(chǎn)氨的生物學(xué)特征及分子調(diào)控機(jī)制。

同時(shí)，影響土壤尿素酶活性的壤的化學(xué)特性，環(huán)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(rèn)為是檢測(cè)土壤質(zhì)量和土壤肥力的重要指標(biāo)之一，它與固氮作用、土壤改良和土壤中其他產(chǎn)氨代謝因素有著密切關(guān)系［9，11，20－21］。土壤中尿素 酶的活性對(duì) 土壤氮素肥力評(píng)價(jià)和農(nóng)作物生產(chǎn)具有重要意義。

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