植物源脲酶诱导碳酸钙沉积固化石灰石粉尘试验研究

露天石灰石矿山的粉尘会导致空气、水和土壤污染,对人体健康和周围生态系统产生不利影响,制约着绿色矿山的建设和生产。为了解决这一问题,本工作基于酶诱导碳酸钙沉淀技术,利用大豆脲酶制备生物抑尘剂。从宏观和微观角度分析了生物抑尘剂对石灰石粉尘的固化效果,并揭示其固化机理。结果表明脲酶的活性与尿素浓度和温度密切相关,当胶结液浓度为0.8 mol·L^(-1)时,生物抑尘剂的碳酸钙沉淀比最大,pH值为7.47,呈弱碱性。生物抑尘剂作用下的碳酸钙生成量显著提高,抑尘效率得到大幅提升。生物抑尘剂能够有效提高抗风蚀能力,在最高风速下抑尘效率达49.65%,最低风速下更是达到85.45%。此外,生物抑尘剂能有效减缓腐蚀速率,96 h达到0.020 mm/a,约为水的11.05%。脲酶诱导碳酸钙沉积(Enzyme-induced carbonate precipitation,EICP)的矿化产物主要为方解石型碳酸钙,具有充填、黏附、桥接和整体固化作用,能有效固化石灰石粉尘。研究表明EICP技术的经济性、环保性、可持续性以及对石灰石粉尘的积极影响使其成为一种具有极大潜力的解决方案。

利用Triton X-100提升巴氏芽孢杆菌脲酶活性的效果

微生物诱导碳酸盐沉积(MICP)技术是近年来发展起来的一种新型绿色加固技术,如何提升MICP技术的加固效能一直是学者关注的热点,本工作重点结合巴氏芽孢杆菌产脲酶原理和非离子表面活性剂的特点,设计采用非离子表面活性剂Triton X-100提升MICP效能的试验研究。结果表明:(1)在单因素试验结果的基础上,通过响应面试验分析确定了活性剂的最优处理条件,即掺量1.37%、处理时间5.02 h、处理温度34.28℃、菌胶比1∶2.11;(2)采用最优条件处理的巴氏芽孢杆菌对钙质砂进行加固后,钙质砂固化体碳酸钙含量和无侧限抗压强度分别提升了25.48%和22.83%;(3)非离子表面活性剂Triton X-100增大了巴氏芽孢杆菌的细胞膜通透性,一方面使得更多的胞内脲酶释放到细胞外,同时更多的尿素分子进入到细胞内,促进了尿素水解,提升了碳酸钙的生成速率;另一方面使得以细菌为核点生成的碳酸钙胶凝体的结构更为致密,在这两方面作用下,MICP效能得到有效提升。相关思路和研究结果可为MICP加固效果的提升提供新的参考和思路。

窖池中酸性脲酶产生菌的分离鉴定及其对模拟窖泥pH值和风味物质的影响

为改善窖池老化现象,该文从水井坊窖泥中分离酸性脲酶产生菌,将分离株与产香克氏梭菌S008复配后固态发酵,探究酸性脲酶产生菌对模拟窖泥pH值及挥发性风味物质影响。结果表明,筛选出4株酸性脲酶产生菌,鉴定并命名为布氏乳杆菌S162、科氏葡萄球菌S163、鲁梅利芽孢杆菌S164和水原拉梅尔芽孢杆菌S165;4株菌的脲酶活性在0.45~1.51 U/mL;复配菌株的模拟窖泥pH值呈现:上部>中部>下部,其中S163的模拟窖泥pH值最高(P<0.05)。在风味物质检测中,协同发酵后S163乙醛含量(2.38 mg/100 mL)最高,而S162乙缩醛含量(2.50 mg/100 mL)最高;正丙醇、正丁醇、正己醇和异戊醇含量分别是S008单菌发酵的1.41~1.97倍、0.92~1.85倍、0.66~1.58倍、1.13~1.69倍;S164与S008协同发酵对己酸含量提升最显著(P<0.05);4株菌与S008协同发酵可以分别提高“四大酯”含量2.66~5.02倍、1.21~4.85倍、1.33~3.31倍、1.27~2.86倍。研究表明,酸性脲酶产生菌与克氏梭菌S008协同发酵可以不同程度提高模拟窖泥pH值及主要挥发性风味物质含量。

植物源黄酮类化合物对幽门螺杆菌脲酶抑制作用的研究进展

脲酶作为氮循环的关键酶,为生物体提供生长所需的氮源,同时也是一种在各种致病菌中发现的毒力因子。幽门螺杆菌(H.pylori)产生的脲酶为其在胃里的定植和生存中起着重要作用,而幽门螺杆菌的感染与肠化生、活动性胃炎、消化性溃疡和胃癌等胃肠道疾病密切相关,且随着耐药性菌株的增多,迫切需要治疗有效、安全的新型药物,所以幽门螺杆菌成为最常研究的产脲酶细菌之一,脲酶作为抗菌药物的潜在靶点也受到关注。安全性较高的药用植物已被证明具有治疗潜力,许多植物天然提取物已成为新型药物开发的灵感和起点,以往研究还发现许多天然存在的黄酮类化合物具有抗脲酶活性。该文概述了一些植物源黄酮类化合物对幽门螺杆菌脲酶的抑制作用,根据其来源、结构特点以及可能的作用机制,寻找和开发植物来源且特异性抗幽门螺杆菌的化合物,从而为临床候选药物的研发提供参考。

土壤脲酶活性调控因素和脲酶活性细菌系统发育研究

为探究利用脲酶活性细菌调控土壤脲酶活性的可行性,以土壤、土壤关联脲酶活性材料及土壤无关联脲酶活性材料为对象,采用土壤理化性质分析、脲酶活性细菌分离及其系统发育分析的方法,分析了包括土壤脲酶细菌在内的土壤脲酶相关理化性质,并分析了土壤与其关联材料及其他环境中脲酶活性细菌的种类及系统发育情况。结果表明,土壤脲酶活性细菌、有机质、总氮、C/N、硝酸根离子、无机氮含量是土壤脲酶活性的关联因素,且土壤有机质、C/N和土壤脲酶活性细菌是直接影响因素。通过细菌分离和16s rRNA测序,土壤中分离出2门5属9种脲酶活性细菌,厚壁菌门是优势类群,土壤关联脲酶活性材料中发现3门8属9种脲酶活性细菌,变形菌门是优势类群。仅粪产碱菌和绿脓杆菌2种细菌在2种材料(即土壤及土壤关联脲酶活性材料)中均被发现。

脲酶抑制剂对脲酶活性的抑制试验

试验研究了乙酰氧肟酸对牛瘤胃液脲酶及大豆脲酶的抑制作用。研究结果表明,乙酰氧肟酸对脲酶活性有明显抑制作用。当乙酰氧肟酸在牛精料中的添加水平为150mg/kg时,对牛瘤胃液脲酶活性的平均抑制率为42.6%;当乙酰氧肟酸含量为125mg/L时,大豆脲酶活性降低80%以上。

脲酶诱导碳酸钙沉积(EICP)减小三峡库区紫色土分离能力效果

为探究脲酶诱导碳酸钙沉积(enzyme-induced carbonate precipitation,EICP)减小三峡库区紫色土分离能力效果,该研究设置5个EICP浓度(0(CK对照)、0.5、1.0、1.5和2.0 mol/L)和6个养护时间(1、7、15、30、60和120 d),开展模拟冲刷试验分析土壤分离能力,通过表观黏聚力和碳酸钙含量变化阐明EICP作用下紫色土分离能力变化原因,并从微观角度揭示其减蚀机制。结果表明:与CK对照相比,EICP处理显著减小土壤分离能力,随着EICP浓度的增加,紫色土分离能力呈现先减小后增大的变化趋势,在浓度为1.5 mol/L时效果最佳;而随着养护时间的延长,紫色土分离能力呈现先快速减小再缓慢减小的变化规律,CK对照在前30天减小明显,EICP处理下在第7天时减幅明显,减幅占总减幅的85.79%~92.21%。表观黏聚力与碳酸钙含量随EICP浓度的增加先增大后减小,而随养护时间的延长分别呈持续增大和先增大后趋于稳定的变化趋势。EICP作用下紫色土碳酸钙聚集是引起分离能力降低的重要原因,表观黏聚力和碳酸钙含量与紫色土分离能力呈现显著指数函数关系(P<0.01),能够很好解释紫色土分离能力的变化。研究结果表明EICP能够有效减小紫色土分离能力,可为三峡库区水土流失治理提供理论指导。

可溶性大豆多糖对大豆脲酶诱导碳酸钙沉积固化风积沙效果的影响研究

大豆脲酶诱导碳酸钙沉积用于固化沙漠风积沙具有潜在价值,为提升固化的均匀性及效果,在提取的大豆脲酶溶液中加入可溶性大豆多糖(SSPS)用于诱导碳酸钙沉积反应过程。首先,在液体环境下分析了SSPS对大豆脲酶溶液特性及反应生成碳酸钙的影响,随后土体环境中采用单相灌注法固化风积沙,测试了胶结试样的无侧限抗压强度和三轴固结不排水剪切特性,并结合SEM探究了固化机理。结果表明:SSPS的添加量为1,3g/L时虽轻微抑制脲酶活性,但几乎不影响溶液黏度,且更利于液体环境下生成方解石晶体,同时土体环境中提升了固化风积沙的强度以及改善了单相灌注固化的均匀性,其中3 g/L添加量时效果更佳。SEM观察分析显示,添加SSPS后,液体环境下生成了尺寸更大且更紧密的碳酸钙晶体,土体环境中更多更紧密的碳酸钙晶体分布在沙颗粒间接触点处,从而增强了胶结作用效果。

添加脲酶/硝化抑制剂条件下基于^(15)N示踪的夏玉米当季肥料氮去向研究

【目的】以华北平原夏玉米为研究对象,利用高丰度15N同位素示踪方法,探究添加脲酶/硝化抑制剂条件下肥料氮的去向。【方法】于2022−06−25至2022−10−09在河北省廊坊市进行试验。设置5个处理:不施氮肥对照(CK)、单施尿素(U)、尿素+脲酶抑制剂(UI)、尿素+硝化抑制剂(NI)、尿素+脲酶抑制剂+硝化抑制剂(UI+NI),测定了氮素吸收量,监测了累积NH3挥发和N_(2)O排放量,并计算了肥料氮的气态损失量和土壤氮肥残留量。【结果】与单施尿素处理相比,3个添加抑制剂处理UI、NI和UI+NI的地上部吸氮量分别显著提高了39.7%、33.1%和41.8%,氮肥利用率分别显著提高12.5、6.8和12.3个百分点,UI和UI+NI的提升效果显著高于NI。与U和NI相比,UI处理的土壤中肥料氮残留量分别提高了35.6%和27.9%,UI+NI分别提高了45.7%和37.4%。与U处理相比,NI处理的NH3挥发累积量无显著差异,而UI和UI+NI处理土壤的NH3挥发累积量分别显著减少了14.3%和11.6%;UI、NI和UI+NI处理土壤的N_(2)O累积排放量分别显著降低了17.2%、19.9%和34.5%,UI+NI处理土壤的N_(2)O累积排放量又比UI和NI处理分别显著降低了20.9%和18.2%。【结论】尿素配合脲酶/硝化抑制剂施用显著提高了夏玉米的氮素吸收量,添加脲酶抑制剂显著提高了土壤中肥料氮残留量,减少了累积NH3挥发量和N_(2)O累积排放量,而添加硝化抑制剂增加土壤中肥料氮的残留量和减少NH3挥发的效果不显著,但降低了N_(2)O累积排放量。同时配施脲酶抑制剂和硝化抑制剂处理增加了土壤中肥料氮的残留量,降低NH3挥发量和N_(2)O累积排放量的效果显著优于配施一种抑制剂,肥料氮的损失率降至3.7%。因此,在华北平原典型潮土区,夏玉米生产中推荐尿素同时配施脲酶抑制剂和硝化抑制剂,以减少肥料氮的气态损失,提高氮肥当季利用率。

土壤脲酶酶促反应对3种有机氮肥施用的响应

土壤脲酶(URE)是催化土壤氮素转化的重要酶类,其酶促反应的动力学和热力学特性能够反映土壤氮素转化的方向和强度,研究不同形式有机氮肥施用后的土壤脲酶酶促反应过程,对于维持农田土壤氮素的供应有积极意义。通过为期60 d的小麦盆栽试验,测定尿素(UR)、猪粪(PM)和白星花金龟子虫粪(BM)施用后土壤脲酶活性在不同温度和底物浓度下的变化,运用公式计算酶动力学和热力学参数,并分析其与土壤碳氮组分的关系。结果表明:氮肥对土壤脲酶动力学和热力学参数均有显著影响(P<0.05);而升温及其与氮肥的交互作用仅对土壤URE活性、土壤脲酶动力学参数和热力学参数ΔG有显著影响(P<0.05)。随温度升高,3种氮肥处理土壤脲酶动力学和热力学参数都显著增加(P<0.05),在35℃或45℃达到峰值。在各温度下,UR施用后土壤脲酶酶促米氏常数(K_m)显著增加(P<0.05),BM施用后无显著变化,PM在不同温度下无规律性变化;3种氮肥施用后土壤脲酶最大反应速率(V_(max))与米氏常数的比值(V_(max)/K_m)不变或显著降低(P<0.05);除UR施用35℃、PM施用35℃和45℃以及BM施用5℃和45℃外,土壤脲酶V_(max)均显著升高(P<0.05)。UR和BM施用后酶促反应活化能(E_(a))、热力学参数ΔH显著降低和ΔS显著增加(P<0.05),而PM施用后无显著变化。统计分析结果表明,氮肥施用后土壤URE活性及其动力学和热力学参数与土壤碳氮组分间存在一定的相关关系,脲酶动力学和热力学参数是土壤氮素转化的主要因子。综上所述,3种氮肥处理对土壤脲酶酶促反应的影响存在差异,可以利用土壤脲酶酶促反应参数来指示氮肥施用后的土壤氮素变化;与UR和PM相比,BM能够维持土壤脲酶与底物的结合能力,降低反应所需的能量,提高反应自发程度,更有利于土壤氮素的转化。

添加脲酶/硝化抑制剂对棉花养分吸收和产量的影响

【目的】研究添加脲酶抑制剂N-丁基硫代磷酰三胺(NBPT)和硝化抑制剂3,4-二甲基吡唑磷酸盐(DMPP)对棉花养分吸收和产量的影响。【方法】采取大田试验,供试棉花品种为新陆早64号和鲁棉研24号,共设置4个处理:不施氮肥(N_(0))、施氮肥(N_(300))、氮肥+脲酶抑制剂(N_(300)+NBPT)、氮肥+硝化抑制剂(N_(300)+DMPP)。【结果】与N_(0)相比,所有施氮处理均显著增加棉花生物量,促进棉花植株对养分氮、磷和钾的吸收。氮肥利用率从高到低顺序为N_(300)+DMPP>N_(300)+NBPT>N_(300)。施加氮肥和脲酶/硝化抑制剂均能显著提高棉花产量。鲁棉研24号养分吸收、氮肥利用率以及产量均优于新陆早64号,但生物量却显著低于新陆早64号。【结论】添加脲酶抑制剂和硝化抑制剂可以促进棉花植株对养分的吸收利用,并提高氮肥利用率和棉花产量。

粒径效应对大豆粗脲酶固化砂土效果的影响

基于大豆粗脲酶的生物固化技术是岩土工程领域新兴起的一种新型环保的地基处理技术,其固化均匀性是推进该技术在实际工程应用中亟待解决的一个重要问题,而土体粒径是其中一个重要影响因素。选取13种不同粒径的砂土并采用自提取的大豆粗脲酶液,通过开展脲酶渗滤试验、砂柱固化试验和扫描电镜测试,分析土体粒径效应对基于大豆粗脲酶固化砂土效果的影响,并对其影响机制进行探讨。研究结果表明:土体颗粒粒径对大豆粗脲酶液中脲酶的迁移与吸附有显著影响,土体粒径小有利于脲酶的吸附,但土体粒径过小(比如小于0.425mm)会导致大多吸附的脲酶集中在土体的中上部区域;土体粒径过大(比如大于4.750mm)则又不利于脲酶在土体的中上部区域吸附。两种工况均易导致生物固化不均匀。除脲酶吸附量外,土体粒径效应对基于大豆脲酶生物固化效果的影响还与土体内孔隙尺寸、单位土体内颗粒接触数等因素有关。土体粒径越大,颗粒间孔隙尺寸越大,颗粒接触数少,不利于有效碳酸钙晶体的形成。

硝化/脲酶抑制剂和生物炭对设施农业土壤微生物及碳氮循环影响的研究进展

在我国设施农业生产快速发展的形势下,肥料的高投入量和低利用率的问题亟待解决。氮肥以硝态氮淋溶、温室气体排放的方式释放到自然环境中,在影响土壤微生物环境和碳氮循环过程的同时,加剧生态污染。针对氮肥高投入量带来的设施农业土壤养分流失问题,了解硝化/脲酶抑制剂和生物炭对设施土壤微生物及碳氮循环的影响机制,对维持微生物群落动态平衡、温室气体减排、提高设施农业生产力具有重要指导意义。本文综述硝化/脲酶抑制剂、生物炭影响土壤养分循环的作用机制,对多种抑制剂的现存优缺点和生物炭特性进行系统分析,总结三者近年来在设施农业中的研究应用进展,包括硝化/脲酶抑制剂和生物炭的单独施用与联合施用对微生物活性、温室气体排放、土壤质量、作物产量的影响,探究3种物质在田间的最佳施用方式及施用量。考虑到硝化/脲酶抑制剂和生物炭在现阶段的应用仍存在局限性,本文在讨论新型硝化/脲酶抑制剂发展现状的同时,对3种物质未来发展趋势和使用方法进行展望,以期为硝化抑制剂、脲酶抑制剂、生物炭在设施农业中的合理应用提供科学依据。

产脲酶微生物诱导碳酸盐沉淀修复重金属污染的研究进展

产脲酶微生物诱导碳酸盐沉淀修复重金属污染是近年重金属污染修复领域的新方向。为了解产脲酶微生物诱导碳酸盐沉淀修复重金属污染的研究进展,总结了产脲酶微生物诱导碳酸盐沉淀固定稳定化环境中不同重金属的效率,阐述了产脲酶微生物固定稳定化不同重金属离子的机制,讨论了产脲酶微生物诱导碳酸盐沉淀固定稳定化重金属技术应用的局限性。产脲酶微生物通过利用肽聚糖、脂多糖、磷壁酸和胞外多糖等物质吸附重金属离子、借助细胞表面的-COOH、-OH、-CONH_(2)、-NH_(2)和-SH等官能团络合重金属离子和诱导方解石沉淀、白铅矿沉淀、Ca-Cr共沉淀和羟基磷酸石转化矿化固定重金属离子等途径达到修复重金属污染环境的目的。当前,产脲酶微生物诱导碳酸盐沉淀修复重金属污染技术的应用仍受到NH4+积累、微生物活性受抑制和反应持续时间短等因素限制。今后需重视产脲酶微生物诱导碳酸盐沉淀过程环境因子的控制、产脲酶微生物固定化技术等领域的研究。

脲酶诱导碳酸钙沉积(EICP)固化土体研究进展

近年来,脲酶诱导碳酸钙沉积(Enzyme Induced Calcium Carbonate Precipitation,简称EICP)技术在岩土领域得到广泛应用,作为一种加固土体的新型方法,EICP直接从植物中提取脲酶,催化尿素水解成碳酸根离子,与钙离子反应产生碳酸钙沉淀;所生成的游离脲酶可降解,不会对环境造成长期影响,且其尺寸小能透过孔隙更小的土体,生成碳酸钙过程中不易发生堵塞。本文从EICP的背景出发,研究了EICP的国外现状、固化土体力学特性及作用机理,为EICP固化土体进行了系统的总结。

脲酶诱导碳酸钙沉积关键影响因素研究

黄土颗粒间黏结力不足是导致土壤侵蚀流失的重要原因,酶诱导方解石沉积(EICP)技术因其方法简便、胶结强度高、对环境友好等特点迅速在国内发展起来。本文通过研究EICP中脲酶活性、CaCO3生成量与影响因素之间的关系,基于五因素五水平正交试验分析了各因素对脲酶活性及碳酸钙生成量的影响规律。结果表明:脲酶活性与碳酸钙生成量呈线性增加;当胶结液浓度在0.8~1.4 mol/L时,脲酶活性与碳酸钙含量出现较大幅度增长;通过正交实验极差与方差分析得到,最佳影响因素组合为脲酶浓度100 g/L,胶结液浓度1.4 mol/L,脱脂奶粉浓度6 g/L,pH 值8,培养时间5天。

等氮配施脲酶抑制剂对滴灌棉花生长发育和产量及品质的影响

【目的】研究滴灌棉花生长发育及产量品质对等氮配施脲酶抑制剂乙酰氧肟酸(AHA)的响应特征,为滴灌棉花高效合理的氮肥管理提供依据。【方法】以新陆早42号为材料,设置施氮量0%(U)、施氮量1%(U+UI_(1%))、施氮量2%(U+UI_(2%))和施氮量5%(U+UI_(5%)),4种AHA添加比例进行棉花田间试验。【结果】与U处理相比,添加AHA显著提高了棉花在花期、结铃期、盛铃期的生理生长,株高、茎粗、叶面积指数(LAI)、净光合速率、蒸腾速率和气孔导度总体表现为U+UI_(2%)>U+UI_(1%)>U+UI_(5%)。U+UI_(1%)、U+UI_(2%)、U+UI_(5%)处理的籽棉产量较U处理分别显著提高4.59%、9.18%和4.65%,且U+UI 2%处理与其他处理均有显著差异(P<0.05)。不同处理棉花品质均无显著差异(P>0.05)。叶片净光合速率与棉花籽棉产量间呈最大正相关,棉花单铃重与籽棉产量呈负相关。【结论】尿素配施2%施氮量AHA的U+UI_(2%)处理在棉花生长、生理和产量方面均表现最优,为滴灌棉花高稳定性氮素施配的最佳选择。

大豆脲酶诱导碳酸钙固化黄土的强度试验研究

大豆脲酶诱导碳酸钙沉积(SICP)是一种植物酶微生物矿化技术,为了探究其在黄土工程中的应用前景,开展0~4.5 mol/L胶结液浓度下固化黄土的不固结不排水三轴试验,分析固化前、后黄土强度及应力-应变关系,通过SEM和XRD测试固化前、后黄土微观结构变化和矿物组成。结果表明,随胶结液浓度增大,黄土强度先增大后减小,胶结液浓度为2.5 mol/L时,强度最大;经SICP固化后,黄土强度显著提升,最大为2066.63 kPa,较未固化土至少增大1.31倍。SEM测试表明,SICP固化生成的碳酸钙晶体可以填充土粒孔隙,胶结部分土颗粒,进而提高土体强度;XRD测试表明,固化前后黄土的主要矿物成分不变,但固化后碳酸钙晶体的衍射峰数量和高度明显增加。成果可为应用SICP技术固化黄土提供新思路。

外源Ca^(2+)对两种产脲酶细菌修复Cd-As复合污染水稻土的影响

微生物诱导碳酸盐沉淀(Microbially induced carbonate precipitation,MICP)技术已被广泛应用于土壤重金属污染修复。为促进MICP过程,提高土壤修复效果,以Cd-As复合污染的水稻土为研究对象,利用巴氏八叠球菌(Octococcus pasteurii)和蜡样芽孢杆菌(Bacillus cereus)两种产脲酶细菌,分析比较了外源添加氯化钙(CaCl2)对两种菌株固定土壤中Cd、As效果的影响,并对修复后土壤理化性质、酶活性及微生物多样性的变化进行了检测。结果表明:两种菌株均能固定土壤Cd、As,其中,蜡样芽孢杆菌对土壤Cd、As的固定效果更佳,与巴氏八叠球菌处理相比,蜡样芽孢杆菌处理下土壤有效态Cd、As含量分别降低了16.7%、11.1%;添加外源Ca^(2+)后,在两种细菌处理下有效态Cd、As含量均发生显著变化,分别降低了17.3%~22.2%、16.8%~26.7%,可见Ca^(2+)的添加能有效促进MICP过程,促进对Cd、As的固定。此外,与未添加Ca^(2+)处理相比,添加Ca^(2+)后,两种细菌处理下显著提高了土壤脲酶活性(52.6%~113.3%)、蔗糖酶活性(13.1%~28.9%)、碱解氮含量(3.4%~25.5%)、速效钾含量(2.1%~34.1%)以及微生物多样性,表明外源Ca^(2+)可有效提高土壤肥力及土壤生态功能。综上,基于MICP作用,可通过添加外源Ca^(2+)来增强产脲酶细菌对Cd-As复合污染土壤的修复效果,其中,蜡样芽孢杆菌修复效果更佳。