在土壤微生物學(xué)與酶學(xué)研究領(lǐng)域，脲酶（Urease，簡稱 UE）是一種關(guān)鍵的酶。它在自然界氮循環(huán)過程中發(fā)揮著重要作用，能夠快速分解尿素為氨和二氧化碳，從而影響土壤肥力和植物生長。脲酶活性的測定不僅對于了解土壤微生物活性和土壤肥力狀況具有重要意義，還在環(huán)境科學(xué)、醫(yī)學(xué)等多個領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價值。

一、脲酶的基本特性

脲酶是一種含鎳的金屬酶，廣泛存在于植物、動物、微生物以及土壤等環(huán)境中。其分子量較大，通常在 450 - 550 kDa 之間。脲酶能夠催化尿素水解反應(yīng)，其反應(yīng)式為：

CO（NH?）? + H?O → 2NH? + CO?

在土壤中，脲酶主要由微生物產(chǎn)生，包括細(xì)菌、真菌和放線菌等。微生物通過合成脲酶來分解尿素，獲取氮源以滿足自身生長需求。植物根系也能分泌少量脲酶，參與土壤中尿素的分解過程。土壤脲酶活性與土壤的有機質(zhì)含量、pH 值、溫度、濕度以及微生物群落結(jié)構(gòu)等因素密切相關(guān)。

土壤脲酶活性的分布具有明顯的空間差異。一般來說，在土壤表層（0 - 20 cm）脲酶活性較高，這是由于表層土壤富含有機質(zhì)和微生物，為脲酶的合成和活性表達提供了有利條件。隨著土壤深度的增加，有機質(zhì)含量和微生物數(shù)量逐漸減少，脲酶活性也隨之降低。不同類型的土壤脲酶活性也存在顯著差異，例如，在黑鈣土、褐土、草甸土等土壤類型中，脲酶活性表現(xiàn)為黑鈣土 > 褐土 > 草甸土，這與不同土壤的理化性質(zhì)和微生物群落特征有關(guān)。

二、脲酶活性測定方法

（一）比色法

比色法是測定脲酶活性的經(jīng)典方法之一。其原理是基于脲酶催化尿素水解產(chǎn)生的氨，與納氏試劑（堿性碘汞鉀溶液）反應(yīng)生成黃棕色的膠態(tài)Hgl2銨絡(luò)合物，在波長 420 - 450 nm 處具有特征吸收峰，吸光度值與氨的含量成正比，從而可以間接測定脲酶活性。

操作步驟如下：

1. 準(zhǔn)備一系列已知濃度的氨標(biāo)準(zhǔn)溶液，分別加入納氏試劑，測定其在特定波長下的吸光度值，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。

2. 稱取適量的土壤樣品（通常為 1.0000 g），加入一定量的尿素溶液（例如 5 mL 10% 尿素溶液），在 37℃下保溫一定時間（如 30 min），使脲酶充分催化尿素水解。

3. 反應(yīng)結(jié)束后，加入納氏試劑，顯色后在相同波長下測定樣品的吸光度值。

4. 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計算樣品中氨的含量，進而求得脲酶活性。

比色法具有操作簡單、成本低等優(yōu)點，適用于大量樣品的初步篩選和測定。但該方法存在一些局限性，例如納氏試劑含有汞離子，對環(huán)境和操作人員存在潛在危害，且反應(yīng)產(chǎn)生的顏色容易受到土壤顏色和其他干擾物質(zhì)的影響，導(dǎo)致測定結(jié)果出現(xiàn)偏差。

（二）電導(dǎo)法

電導(dǎo)法是利用脲酶催化尿素水解產(chǎn)生的氨和二氧化碳溶于水后形成離子，導(dǎo)致溶液電導(dǎo)率發(fā)生變化的原理來測定脲酶活性。當(dāng)尿素被脲酶分解后，溶液中的氨離子（NH??）和碳酸根離子（CO?2?）等離子濃度增加，從而使溶液的電導(dǎo)率升高。通過測量反應(yīng)前后溶液電導(dǎo)率的變化，可以計算出脲酶活性。

具體操作步驟如下：

1. 稱取一定量的土壤樣品（如 2.0000 g），加入適量的緩沖溶液（如 0.1 mol/L 磷酸鹽緩沖溶液，pH 7.0）和尿素溶液（例如 10 mL 5% 尿素溶液），在 30℃下反應(yīng)一段時間（如 60 min）。

2. 反應(yīng)結(jié)束后，將反應(yīng)液過濾或離心，取上清液。

3. 使用電導(dǎo)儀測定反應(yīng)前后上清液的電導(dǎo)率值（Δκ）。

4. 根據(jù) Δκ 與脲酶活性之間的定量關(guān)系，計算土壤脲酶活性。

電導(dǎo)法具有操作簡便、快速、無需顯色試劑等優(yōu)點，避免了比色法中顯色反應(yīng)的干擾和汞離子污染問題。但電導(dǎo)法的靈敏度相對較低，容易受到土壤溶液中其他離子的干擾，尤其是當(dāng)土壤中含有較高濃度的可溶性鹽時，可能會影響測定結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，在使用電導(dǎo)法測定脲酶活性時，需要對土壤樣品進行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理，以降低其他離子的干擾。

（三）氣相色譜法

氣相色譜法是一種高靈敏度、高選擇性的脲酶活性測定方法。其原理是基于脲酶催化尿素水解產(chǎn)生的二氧化碳和氨等氣體產(chǎn)物，通過氣相色譜儀的分離和檢測系統(tǒng)，對氣體產(chǎn)物進行定性和定量分析，從而測定脲酶活性。

操作步驟如下：

1. 稱取適量的土壤樣品（如 0.5000 g），放入密封的反應(yīng)容器中。

2. 加入一定量的尿素溶液（例如 2 mL 1 mol/L 尿素溶液）和適量的緩沖溶液（如 1 mL 0.2 mol/L 磷酸鹽緩沖溶液，pH 7.2），在 37℃下反應(yīng)一定時間（如 90 min）。

3. 反應(yīng)結(jié)束后，通過氣體采樣針吸取反應(yīng)容器中的氣體產(chǎn)物，注入氣相色譜儀中。

4. 利用氣相色譜儀的色譜柱分離氣體成分，檢測器（如熱導(dǎo)檢測器 TCD）檢測二氧化碳和氨的含量。

5. 根據(jù)二氧化碳或氨的含量計算脲酶活性。

氣相色譜法具有高靈敏度、高選擇性、準(zhǔn)確可靠等優(yōu)點，能夠精確測定微量氣體產(chǎn)物的含量，適用于對脲酶活性的高精度分析。但該方法設(shè)備昂貴，操作復(fù)雜，需要專業(yè)的技術(shù)人員進行操作和維護，且分析成本較高，因此通常用于科研領(lǐng)域的精確測定和方法研究。

三、脲酶活性的影響因素

（一）土壤理化性質(zhì)

土壤的有機質(zhì)含量是影響脲酶活性的關(guān)鍵因素之一。有機質(zhì)為土壤微生物提供了豐富的碳源和能源，促進微生物的生長繁殖和脲酶的合成。研究表明，土壤有機質(zhì)含量與脲酶活性呈顯著正相關(guān)。例如，在有機質(zhì)含量豐富的肥沃土壤中，脲酶活性通常較高；而在有機質(zhì)貧乏的貧瘠土壤中，脲酶活性則相對較低。此外，土壤中的腐殖質(zhì)等有機成分還具有調(diào)節(jié)土壤酸堿度、改善土壤結(jié)構(gòu)等作用，間接影響脲酶活性。

土壤 pH 值對脲酶活性具有顯著影響。不同的脲酶在不同的 pH 值條件下具有不同的活性。大多數(shù)土壤脲酶的最適 pH 值范圍在 7.0 - 8.0 之間。在這個 pH 范圍內(nèi)，脲酶的活性中心結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，底物尿素與酶的結(jié)合能力較強，催化反應(yīng)效率高。當(dāng) pH 值偏離最適范圍時，脲酶的活性會逐漸降低。例如，酸性土壤（pH < 6.0）中，過低的 pH 值會使脲酶的活性中心發(fā)生構(gòu)象變化，導(dǎo)致酶與底物的結(jié)合能力下降，同時酸性環(huán)境還可能抑制微生物的生長和代謝活動，減少脲酶的產(chǎn)生，從而降低脲酶活性。堿性土壤（pH > 9.0）同樣會對脲酶活性產(chǎn)生不利影響，過高的 pH 值會使尿素分子發(fā)生解離，影響其與脲酶的結(jié)合，降低反應(yīng)速率。

土壤溫度也是調(diào)節(jié)脲酶活性的重要因素。在一定溫度范圍內(nèi)，隨著溫度的升高，脲酶活性逐漸增強，這是由于溫度升高使分子運動加劇，底物與酶的碰撞頻率增加，同時提高了酶分子的活性。當(dāng)溫度升高到一定程度后，脲酶活性會達到最大值，此時的溫度即為脲酶的最適溫度。大多數(shù)土壤脲酶的最適溫度在 30 - 40℃之間。超過最適溫度后，脲酶活性會迅速下降，因為高溫會導(dǎo)致酶蛋白變性失活，破壞酶的活性中心結(jié)構(gòu)，使酶失去催化功能。

土壤濕度對脲酶活性也有一定影響。適量的水分是土壤微生物生存和代謝活動的必需條件，能夠促進尿素在土壤中的擴散和脲酶的催化反應(yīng)。在一定濕度范圍內(nèi)，隨著土壤濕度的增加，脲酶活性逐漸升高。但當(dāng)土壤濕度超過一定限度后，過高的濕度會導(dǎo)致土壤通氣性變差，氧氣供應(yīng)不足，不利于好氧微生物的生長和代謝，從而減少脲酶的產(chǎn)生，降低脲酶活性。

（二）農(nóng)業(yè)管理措施

施肥是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中常見的管理措施之一，對土壤脲酶活性具有顯著影響。施用有機肥（如農(nóng)家肥、堆肥等）可以顯著提高土壤脲酶活性。有機肥富含有機質(zhì)和多種營養(yǎng)元素，能夠改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤微生物數(shù)量和活性，促進微生物合成脲酶。例如，長期施用有機肥的農(nóng)田土壤脲酶活性比未施肥或僅施用化肥的土壤高 30% - 50%。此外，有機肥在分解過程中釋放出的有機酸等物質(zhì)可以調(diào)節(jié)土壤酸堿度，使其更接近脲酶的最適 pH 值范圍，進一步增強脲酶活性。

化學(xué)氮肥的施用對土壤脲酶活性的影響較為復(fù)雜。適量施用化學(xué)氮肥可以為微生物提供氮源，促進其生長繁殖和脲酶合成，從而提高脲酶活性。但過量施用化學(xué)氮肥會導(dǎo)致土壤溶液中銨離子（NH??）濃度過高，產(chǎn)生毒害作用，抑制微生物活性，降低脲酶活性。此外，長期過量施用化學(xué)氮肥還可能引起土壤酸化，改變土壤 pH 值，影響脲酶活性。

耕作方式也是影響土壤脲酶活性的重要農(nóng)業(yè)管理措施之一。免耕或少耕可以減少土壤擾動，保護土壤結(jié)構(gòu)，降低土壤水分蒸發(fā)，有利于土壤微生物的生存和活動，從而提高土壤脲酶活性。例如，與傳統(tǒng)翻耕相比，免耕可以使土壤脲酶活性提高 15% - 20%。然而，長期免耕可能導(dǎo)致土壤表層有機質(zhì)積累過多，通氣性變差，進而影響脲酶活性。適時的土壤翻耕可以打破土壤板結(jié)，改善土壤通氣性和水分條件，促進微生物的生長和代謝，對土壤脲酶活性產(chǎn)生積極影響。

四、脲酶活性的應(yīng)用

（一）土壤肥力評價

脲酶活性是土壤肥力評價的重要指標(biāo)之一。土壤肥力是指土壤能夠供應(yīng)和協(xié)調(diào)植物生長所需養(yǎng)分、水分、空氣和熱量等的能力。土壤脲酶活性與土壤有機質(zhì)含量、微生物數(shù)量和活性等密切相關(guān)，而這些因素又是土壤肥力的重要組成部分。因此，通過測定土壤脲酶活性，可以間接反映土壤的肥力狀況。

在實際應(yīng)用中，通常結(jié)合其他土壤肥力指標(biāo)（如土壤有機質(zhì)含量、速效養(yǎng)分含量、微生物數(shù)量等）共同構(gòu)建土壤肥力評價體系。例如，在某一農(nóng)田土壤肥力評價研究中，發(fā)現(xiàn)脲酶活性與土壤有機質(zhì)含量的相關(guān)系數(shù)為 0.85，與土壤微生物數(shù)量的相關(guān)系數(shù)為 0.78，說明脲酶活性能夠較好地表征土壤的有機質(zhì)狀況和微生物活性。通過綜合分析脲酶活性和其他指標(biāo)，可以對土壤肥力進行準(zhǔn)確分級，為合理施肥、土壤改良和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理提供科學(xué)依據(jù)。

（二）環(huán)境監(jiān)測

脲酶活性還可用于環(huán)境監(jiān)測，特別是在檢測土壤污染和生態(tài)修復(fù)效果方面具有重要意義。土壤中的重金屬污染（如鎘、汞、鉛等）、有機污染物（如多環(huán)芳烴、石油烴等）以及農(nóng)藥殘留等都會對土壤微生物產(chǎn)生毒害作用，進而影響土壤脲酶活性。

例如，研究表明，當(dāng)土壤中鎘含量超過一定閾值（如 2 mg/kg）時，脲酶活性會顯著下降，且下降幅度與鎘污染程度呈正相關(guān)。通過監(jiān)測土壤脲酶活性的變化，可以快速、靈敏地反映土壤受到重金屬污染的程度。在生態(tài)修復(fù)過程中，脲酶活性的恢復(fù)情況可以作為評估修復(fù)效果的重要指標(biāo)之一。例如，在對受石油烴污染的土壤進行生物修復(fù)時，定期測定土壤脲酶活性，發(fā)現(xiàn)隨著修復(fù)時間的延長，脲酶活性逐漸恢復(fù)至接近未污染土壤的水平，表明土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和功能得到了有效修復(fù)，生態(tài)修復(fù)取得了良好效果。

（三）醫(yī)學(xué)診斷

在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，脲酶活性測定可用于某些疾病的診斷和監(jiān)測。例如，幽門螺桿菌（Helicobacter pylori）是一種常見的胃部病原菌，與胃炎、胃潰瘍、十二指腸潰瘍等疾病密切相關(guān)。幽門螺桿菌具有豐富的脲酶活性，能夠快速分解胃黏膜中的尿素，產(chǎn)生氨和二氧化碳。氨可以中和胃酸，為細(xì)菌創(chuàng)造適宜的生存環(huán)境，同時也會破壞胃黏膜屏障，引發(fā)炎癥和潰瘍。

臨床上，通過檢測患者胃黏膜組織或呼氣中的脲酶活性，可以快速、無創(chuàng)地診斷幽門螺桿菌感染。例如，尿素呼氣試驗是一種常用的檢測方法，患者服用含有穩(wěn)定同位素（如13C 或1?C）標(biāo)記的尿素后，若胃部存在幽門螺桿菌感染，脲酶會迅速分解標(biāo)記尿素，產(chǎn)生標(biāo)記二氧化碳，通過收集和分析患者呼出的氣體中標(biāo)記二氧化碳的含量，即可判斷是否存在幽門螺桿菌感染。該方法具有靈敏度高、特異性好、操作簡便等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于臨床診斷和治療效果監(jiān)測。

通過對脲酶活性的測定方法、影響因素以及應(yīng)用領(lǐng)域的深入探討，我們可以發(fā)現(xiàn)脲酶在科學(xué)研究和實際應(yīng)用中具有不可替代的重要作用。在土壤肥力評價、環(huán)境監(jiān)測和醫(yī)學(xué)診斷等領(lǐng)域，脲酶活性測定為相關(guān)工作的開展提供了有力支持。隨著分析技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，脲酶活性的測定方法將更加精準(zhǔn)、高效，其應(yīng)用范圍也將進一步拓展，為解決實際問題提供更有力的技術(shù)保障。