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脲酶抑制剂研究综述
脲酶抑制剂的研究综述
康 莉1,周文生2,侯翠红1,魏占波3,石元亮3
(1.郑州大学化工学院,河南郑州 450001; 2.平煤蓝天化工股份有限公司,河南驻马店 463000; 3.中科院沈阳应用生态
研究所,辽宁沈阳 110016)
摘 要:在土壤脲酶的作用下,尿素能迅速水解生成氨和碳酸氢铵,易挥发损失,致使氮利用率低。脲酶抑制剂能
有效抑制脲酶活性,延缓尿素分解,提高氮素利用率。本文简单介绍了土壤脲酶概况、脲酶抑制剂的作用机理和种
类,综述了脲酶抑制剂的研究进展,并提出存在问题及发展方向。
关键词:氮肥;土壤脲酶;脲酶抑制剂
中图分类号:TQ441. 41   文献标识码:A   文章编号:1003-3467(2009)02-0008-03
Review on the Research ofUrease Inhibitors
KANG Li1, ZHOU W en-sheng2, HOU Cui-hong1, WEI Zhan-bo3, SHIYuan-liang3
(1.College ofChemicalEngineering, ZhengzhouUniversity, Zhengzhou 450001, China; 2.Pingmei
& Lantian ChemicalCo.Ltd. , Zhumadian 463000, China; 3. Institute ofApplied Ecology, Chinese
Academy ofSciences, Shenyang 110016, China)
Abstract:In the role ofsoilurease, urea can hydrolysis rapidly into ammonia and ammonium bicarbonate,
resulting in the loss of nitrogen.Urease inhibitors can inhibit the activity of urease effectively, delay the
decomposition ofurea, and improve the utilization rate ofnitrogen.The general of soil urease,mechanism
and varieties of urease inhibitors are introduced, and the research on urease inhibitors is reviewed. The
problems and prospects are put forward.
Key words:nitrogen fertilizer; soilurease; urease inhibitor
  尿素肥料具有许多优良特性,近年来已日益成
为世界尤其是亚洲肥料市场上最重要的固体氮肥,
约占世界氮素肥料生产及消费量的50%,但是氮肥
利用率低下是施用过程中遇到的最重要的问题。提
高氮肥利用率,最大限度地减少肥料损失,并避免环
境污染,是当前氮肥的重点发展方向。
目前国内外主要有以下几种方法提高氮肥利用
率:合理分配肥料和改进施肥技术;充分发挥农田养
分再循环作用,提高有机肥利用效率;对肥料本身进
行改性,开发适应作物生长需求的新型肥料。其中,
对肥料本身进行改性,开发缓控释肥料是最为快捷
方便、最能从根本上解决肥料损失问题的有效措施。
对肥料本身进行改性的方法之一是在尿素中添
加脲酶抑制剂。土壤中的脲酶加速了尿素的分解,
在尿素中添加脲酶抑制剂能够抑制土壤脲酶的活
性,对减缓尿素氮的转化、抑制氨的挥发以及提高作
物产量、保护环境等方面起到了积极的作用,大大提
高了尿素肥料的利用率。
1 土壤脲酶的概况
土壤中存在脲酶是Rotini于1935年发现的,随
后Conrad等人的工作为土壤中存在脲酶提供了令
人信服的证据,揭示出土壤脲酶的催化作用是尿素
在土壤中转化分解的关键因素[1]。土壤脲酶又称
酰氨基水解酶,是一种存在于土壤中能催化尿素分
解、具有氨化作用的高度专一性的好气性水解酶。
土壤脲酶在性质上有别于从生物体内分解出的纯脲
酶,土壤脲酶只对尿素起催化作用,对尿素的其他衍
  收稿日期: 2008-10-17
  作者简介:康 莉(1984-),女,硕士研究生,从事生态工艺与新型肥料的研发。通讯联系人:侯翠红(1970-),女,博士,副教授,主要从
事磷复肥技术及矿物功能材料的研发,电话: 13838568695。
·8·
河南化工
HENAN CHEMICAL INDUSTRY             2009年 第26卷生物不起作用。
脲酶的活性是影响尿素分解的最主要因素,在
土壤中脲酶作用下,尿素水解为简单无机离子,水解
的速度非常快,经实验验证,尿素在15天内分解率
就达到了98%。如果要降低尿素的分解速度,提高
肥料利用率,关键是要控制能引起尿素分解的脲酶
的活性。
2 脲酶抑制剂的作用机理
综合已有的研究结果,国外对脲酶抑制剂控制
尿素水解的作用机理的研究主要集中在以下两种观
点:
一是由于SH的氧化降低脲酶活性。脲酶
是一种分子量为480 000的含镍酶,它有129个半
胱氨酰基, 47个巯基(半胱氨酰残基),其中有4~8
个巯基对酶的活性具有重要意义。醌类和酚类脲酶
抑制剂对土壤脲酶的抑制作用具有相同的机制,主
要作用于对脲酶活性具有重要意义的巯基
( SH )[2]。半胱氨酰的SH被醌氧化脱氢形
成S S的胱氨酰,从而降低了脲酶的活性强度。
二是争夺配位体,降低脲酶活性。1999年,
Manunza等[3]解释了尿素、氧肟酸、酰胺类脲酶抑制
剂(NBPT)竞争脲酶活性部位的机制,认为脲酶抑
制剂是通过与尿素竞争脲酶活性部位起作用的。
3 脲酶抑制剂的种类
目前在国内外市场上看到的脲酶抑制剂种类繁
多,主要可分为以下几类[2]:①磷胺类:如环乙基磷
酸三酰胺(CNPT)、硫代磷酰三胺(TPT)、磷酰三胺
(PT)、N-丁基硫代磷酰三胺(NBPT)、N-丁基磷
酰三胺(NBPTO)等,其主要官能团为P O或
PNH2S。②酚醌类:对苯醌、氢醌、醌氢醌、蒽
醌、菲醌、1, 4-对苯二酚、邻苯二酚、间苯二酚、苯
酚、甲苯酚、苯三酚、茶多酚等,其主要官能团为酚羟
基醌基。③杂环类:六酰氨基环三磷腈(HACTP)、
硫代吡啶类、硫代吡唑-N -氧化物、N-卤-2-
咪唑艾杜烯、N,N-二卤-2-咪唑艾杜烯,主要特
征是均有含N基及含O基团。
此外,还有楝树胶、腐殖酸、硼酸、汞盐、银盐、木
质素、硫酸铜、石灰氮、硫代硫酸盐、硫脲、菜籽饼、烟
叶、茶叶、蓖麻叶等也可作为脲酶抑制剂使用。
4 国内外研究进展
国外对脲酶和脲酶抑制剂的研究进行较早。
Conrad早在20世纪40年代提出,将某些物质施入
土壤中可以抑制脲酶活性,从而延长氮肥的肥效。
1971年Bremner等人从上百种化合物中筛选出对脲
酶抑制效果较好的醌类化合物以及银和汞有机化合
物[4]。Bundy等(1973年)的实验表明苯醌的效果
最好。
进入20世纪80年代后,国际上已开发出近七
十种有实用意义的脲酶抑制剂,主要包括醌类、多羟
酚类、磷酞胺类、重金属类及五氯硝基苯等。在日本
和西欧一些国家,可直接施用的含抑制剂肥料品种
已经非常丰富,其中包括尿素、硝铵尿素、硫酸铵、液
氨、含尿素氮复合肥料等几十个品种,应用面积也在
逐年增加。
我国脲酶抑制剂的研究起步较晚。中国科学院
沈阳应用生态研究所(原中科院林业土壤研究所)
自20世纪80年代起对脲酶抑制剂进行了系统研
究。中国农科院土肥研究所先后对氢醌、对苯醌、硫
酸铜等二十几种化合物和农副产品进行了相关研究
和大量田间试验,研究了脲酶抑制剂对抑制尿素水
解、减少氨气挥发损失和氮素总损失的作用以及对
环境保护的效应等方面的问题。
国内外大量研究表明,二元酚及醌类如氢醌、邻
苯二酚和对苯醌是最有抑制效果的有机化合物,进
一步的研究发现,磷酰胺类化合物,特别是N-丁基
硫代磷酰三胺(NBPT)和苯基磷酰二胺(PPD)对于
抑制尿素肥料在土壤中的水解较氢醌或对苯醌更为
有效。氢醌因其成本较低,在我国也受到极大的关
注[5-6]。
N-丁基硫代磷酰三胺(NBPT)是目前最有效
的土壤脲酶抑制剂之一,在非酸性土壤、通气性良好
的条件下,脲酶抑制剂NBPT能够有效削弱NO3-N
的形成,从而提高尿素的利用率。1996年,美国
IMC-Agrico公司开发了Agrotain系列添加剂,可用
于固体尿素和硝铵尿素液体肥料,其活性成分是
NBPT(浓度24%以上),溶剂是含10% N-甲基吡
咯烷酮及无毒害的惰性缓冲溶液[7-8]。在土壤中该
产品能降解成N、P、S等各种营养成分,主要应用于
播种前,也可用于追施、侧施、喷施和其它播种后施
用。NBPT在那些作物产量潜力高、土壤氮的水平
低、土壤和环境条件都对氨的挥发损失有利的土壤
上与氮肥配合施用将达到最好的效果[9]。国内相
关实验表明,NBPT用量在0. 1% ~0. 5%对脲酶活
性影响较小;当浓度为1%时,抑制作用最为显著;
当浓度大于1%时,随其用量的增加,抑制作用提高
·9·第2期                 康莉等:脲酶抑制剂的研究综述幅度较小。若将NBPT比尿素先施2天,结果显示
有一定的改善抑制效果的作用[10]。
氢醌的研究和应用主要集中在我国。20世纪
80年代初,中国科学院沈阳应用生态研究所首先对
氢醌进行了系统的研究实验。以周礼凯、张志明为
代表的土壤酶工作学者关于氢醌对尿素的水解、氨
的释出和挥发、硝化、反硝化、生物固持作用以及氢
醌和硝化抑制剂双氰胺在尿素氮行为的协同作用、
作物产量、环境效益评价等方面做了大量系统的实
验室培养和田间实验[11-12]。有关实验证明氢醌对
脲酶抑制是有时间性的,随着时间延长抑制作用逐
渐减弱,具有一定的保氮作用。脲酶抑制剂氢醌混
拌尿素配合磷钾对农作物有明显的经济效益。由于
氢醌混拌尿素配合磷钾作基肥一次施入,具有明显
增产效果,同时减少了生产环节,降低了施肥成本,
适于大面积播种小麦的地区广泛施用[13]。
硫脲(TU)也是一种典型的弱脲酶抑制剂,对尿
素的水解也有显著的抑制作用,作用强度与其用量
有关,相关试验表明,硫脲用量在0. 1%时就起到了
抑制作用,用量0. 3% ~1. 0%之间差异不是非常显
著,用量1. 0% ~5. 0%之间抑制效果随用量增加而
加强[14]。
进入20世纪90年代后,国内学者的研究目标
由纯化合物或无机盐转向了天然物质,如腐殖酸类
等。期间开发出长效碳酸氢铵、长效尿素和一系列
含尿素的长效复合肥料,并申请了专利。目前含有
氢醌、双氰胺和其它抑制剂的长效氮肥增效剂(肥
隆等)、长效复合肥添加剂、各种专用肥已经投入生
产并大面积推广应用。
5 存在问题及发展方向
脲酶抑制剂在使用过程中的有效量还需在大量
实验的基础上做出总结。在今后脲酶抑制剂的研究
过程中,应多研制开发出减少对作物土壤、水体环境
污染的新品种。未来的发展方向将是选择控氮效果
好,抑制高效、低廉、无毒、无污染的脲酶抑制剂,应
用到缓控释复合肥料以提高氮肥利用率。
参考文献:
[1] 王天元,宋雅君,滕鹏起.土壤脲酶及脲酶抑制剂[J].
化学工程师,2004,107(8):22-24.
[2] Burns R G. Soil Enzymes[M]. Academic prese,London
New York San Francisco,1978. 149-187.
[3] Manunza B,Deiana S,PinoreM,et a.l The bindingmech-
anismof urea,hydroxamic acid and N(N-butyl)-
phosphoric tramide to the urease active site. A compara-
tive molecular dynamic study[J]. Soil Biologyand Bio-
chemistry,1999,31:789-796.
[4] Douglas L A,Bremner JM.A rapid method of evaluating
different compounds as inhibitors of urease in soils[J].
SoilBiolBiochem,1971, (3):309-315.
[5] 宁国辉,刘树庆,张笑归.脲酶抑制剂的研究进展[J].
河北农业大学学报,2003,11(4):30-34.
[6] 陆 欣,王申贵,王海洪,等.新型脲酶抑制剂的试验
研究[J].土壤学报,1997,34(4):461-466.
[7] 石元亮.氮肥长效增效剂研究进展[A].迈向21世纪
的土壤科学———提高土壤质量,促进农业持续发展
[C].中国土壤学会第九次全国会员代表人会(辽宁
卷),1999. 173-177.
[8] 王小彬,蔡典雄.脲酶抑制剂NBPT在农业中的应用
[J].中国化工,1998, (5):53-55.
[9] 王小彬,辛景峰,GrantC A,等.尿素与脲酶抑制剂配
用对春小麦植株氮吸收的影响[J].干旱地区农业研
究,1998,16(3):6-9.
[10] 罗奇祥.几种脲酶抑制剂抑制作用的室内培养与盆
栽实验[J].江南农业学报,1993,5(1):21-28.
[11] 吴玉光.氮肥增效剂的应用效果[J].北京农业科学,
1999, (17):33-35.
[12] 徐星凯,周礼恺,Oswald Van Cleemput.脲酶抑制剂/
硝化抑制剂对土壤中尿素氮转化以及形态分布的影
响[J].土壤学报,2000,37(3):339-345.
[13] 李晓鸣.氢醌在小麦吸收利用氮素中的作用[J].黑
龙江农业科学,2002, (4):4-5.
[14] 孙爱文,石元亮,尹宏斌,等.硫脲对脲酶活性和尿素
氮转化的试验初报[J].土壤通报,2003,34(6):
554-557.
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河南化工
HENAN CHEMICAL INDUSTRY             2009年 第26卷