基本信息
- 项目名称：
- 绿色新型脲酶抑制剂的研制和运用
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 生命科学
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 尿素具有许多优良特性，是目前世界和我国农业生产中应用最广泛、数量最多的氮肥，约占50%的世界氮肥生产及消费市场，也是牛、羊、兔等反刍动物用来合成自身蛋白(MCP)的最廉价且广泛使用的非蛋白氮(NPN)饲料。 但是尿素的使用率相对较低，一般在30%~40%，同时传统脲酶抑制剂存在着有效抑制时间短，毒副作用大等缺点。而第四类配合物脲酶抑制改善了传统脲酶抑制剂的缺点，因此本项目的是具有重要意义的！
- 详细介绍：
- 尿素具有许多优良特性，是目前世界和我国农业生产中应用最广泛、数量最多的氮肥，约占50%的世界氮肥生产及消费市场，也是牛、羊、兔等反刍动物用来合成自身蛋白(MCP)的最廉价且广泛使用的非蛋白氮(NPN)饲料，同时也是人体和动物体中大量含氮化合物的代谢产物。作为化肥，它有促进穗大粒重，养根健叶、壮秆防倒伏的作用；作为反刍动物饲料，它已被广泛用作天然蛋白质的代用料，向日粮中添加尿素可大大提高动物的生产性能，节约蛋白质，降低饲养成本。 尿素本身无毒，能够稳定地存在于水溶液中，但环境和生物体中广泛存在的脲酶(Urease)能将尿素迅速催化水解成NH3，其速度是未经催化水解的1014倍，极大地降低了动植物对氮素的利用，使尿素利用率通常只有30%~40%，全国每年因此损失化学氮素约1.0×107 t左右。尿素的快速分解，不仅造成农业资源的严重浪费，同时对人类、动物和植物等也有严重的危害：导致植物“烧苗”和亚硝酸盐污染农产品，增加农业成本；改变人和动物体液和尿液的酸碱性，引起血氨中毒或氨应激，甚至导致尿路结石、胃肠道溃疡，引起脑瘫、肝病等多种疾病的发生；引起严重的环境氮污染和农村面源污染，并导致水体富营养化。因此，如何提高尿素利用率，解决脲酶所引起的经济、环境和健康等问题，已成为当前农、牧业生产上一个迫切需要解决的难题，也是当今世界经济和农业可持续发展上的一个挑战性课题。 在相关科研工作者的努力下，人们研制出了众多脲酶抑制剂，有效地延缓了尿素的分解速率，提高了尿素在动植物界的利用率。至今已使用过的脲酶抑制剂有100多种，主要分为Ag、Hg等金属盐、有机物小分子和植物提取物等三大类。由于金属盐毒性较大，限制了其应用；有机类则高残留、毒副作用大、易溶易流失、有效抑制时间短；而植物源脲酶抑制剂一般具有制剂成分复杂，不易标准化，发挥药效慢，活性成分易分解，植物的采集具有季节性等缺点，不易为农民接受。 在此背景下，生命之光团队经历了几届毕业生的努力，系统地调研了文献，在老师的指导下，探讨了脲酶抑制剂的研究现状、对脲酶活性的影响及其对植物生长及氮肥利用率的影响，并成功地申报了3次浙江省大学生新苗人才计划项目，发表了3篇核心刊物论文，本作品就是对上述学生科研成果的总结和结晶。
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撰写目的和基本思路
- 通过撰写此次项目是使人们了解到尿素在使用中存在着利用率低，传统的脲酶抑制剂能够提高尿素利用率，但存在着毒副作用大、易流失、有效抑制时间短的特点。第四类配合物脲酶抑制剂不仅能够提高尿素利用率，还能有效改善传统脲酶抑制剂的不足。
科学性、先进性及独特之处
- 现有的三类脲酶抑制剂毒性大、药效短、易流失。对具有潜在脲酶抑制活性的Schiff碱有机小分子和植物生长必需的Cu2+盐为分子建筑块，借助于组合化学等合成技术，探讨了环境友好、高效的第四类配合物型脲酶抑制剂。有机配体和金属离子就被限制在配合物骨架中，从而使它们相对稳定，作用时间延长，毒性大为降低。目前国际上尚未开展铜配合物型脲酶抑制剂的构效关系使得这方面有很大的拓展空间。
应用价值和现实意义
- 脲酶抑制剂是农业缓控释肥料技术和动物营养行业所急需，并且是目前国内外在该领域的领先技术。用于缓控释肥料方面，它可以节省劳动力投入，降低农产品的生产成本，减少农村面源污染，明显提高农产品的品质和农业效益，保障粮食生产安全。另外，脲酶抑制剂也是牛、羊、兔等反刍动物利用尿素非蛋白氮合成自身蛋白质不可缺少的有效添加剂和唯一途径。
学术论文摘要
- [1] 论文题目：脲酶抑制剂的研究现状与展望 摘要：综述了脲酶抑制剂的种类和作用机理,简要介绍了脲酶抑制剂在动植物生产中的应用。 [2] 论文题目：乙酰氧肟酸对蔬菜生长及氮肥利用率的影响 摘要：[目的]研究乙酰氧肟酸( AHA)对蔬菜生长及氮肥利用率的影响。结果]D组的3种蔬菜出苗率最高, 与对照相比出苗率均增加了13%左右; D组大蒜和芹菜株高比对照增加了23. 2%和25. 4%; 以D组的小白菜中氮含量最高,对氮素的吸收率也比对照组提高了17. 8%。[结论]糊化淀粉包被AHA用作尿素添加剂, 可以增加AHA的稳定性, 明显提高蔬菜对尿素的利用率, 更好地发挥脲酶抑制剂的作用。 [3] 论文题目：竹叶提取液对黄豆脲酶活性的影响 摘要：[目的]研究竹叶提取液对黄豆脲酶活性的影[结果]竹叶水浸液和乙醇提取液对脲酶都有抑制作用，但乙醇提取液的抑制效率高于水浸液。乙醇提取液与微渡辅助乙醇提取液相比，微波辅助乙醇提取液能明显降低黄豆脲酶的活性，故竹叶提取液对黄豆脲酶具有抑制作用。并且竹叶提取液随着用量的增加，抑制效果呈正相关系。
获奖情况
- 本作品成功发表在核心刊物上，并被浙江省大学生科技创新活动立项资助，作品如下： [1]《脲酶抑制剂的研究现状与展望》发表于《安徽农业科学》2009年第37卷23期 [2]《乙酰氧肟酸对蔬菜生长及氮肥利用率的影响》发表于《安徽农业科学》2010年第38卷25期 [3]《竹叶提取液对黄豆脲酶活性的影响》发表于《安徽农业科学》2010年第38卷26期 [4] 2009年浙江省大学生科技创新项目《长效化肥添加剂脲酶抑制剂的研制》（2009年）获得立项 [5] 2010年浙江省大学生科技创新项目《非蛋白氮型饲料预混料的研制》（2010年）获得立项 [6] 2011年申报了大学生科技成果推广项目《环境友好型尿素添加剂的应用研究》（2011年）此项目正在审批之中
鉴定结果
- 本作品能结合社会经济发展的要求，开展前沿性的研究工作，对脲酶活性抑制剂进行了一系列的探讨，创新性强，成果显著，技术水平高，并积累了一定的科研经验，使学生得到了多学科的专业知识学习。
参考文献
- [1] 张莹,郭旭生,丁路明,龙瑞军. 反刍动物尿素氮再循环利用的研究进展[J]. 动物营养学报,2009,21(5):609-61. [2] 张俊瑜,杨开伦.脲酶抑制剂及其在反刍动物中的应用[J].中国饲料，2008,13:29-31. [3] 刘开朗，王加启，卜登攀. 2008--2009年反刍动物营养研究进展(瘤胃微生物多样性与功能)[J]. 中国畜牧兽医,2010, 37(2):5-14. [4] 唐纪良，冯家勋．广西水牛瘤胃中的细菌多样性[J]．微生物学报，2009．49：251～256． [5] 宋玉婷，吕小红，陈温福. 水稻土壤碱解氮与脲酶活性对不同氮素水平的响应[J].北方水稻，2010.40(4):8-12. [6] 华建峰，蒋倩，施春健，等．脲酶／硝化抑制荆对土壤脲酶活性、有效态氮及春小麦产量的影响[J]．土壤通报，2008,39(1)：94—99． [7] 闫湘,金继运,何萍,梁鸣早. 提高肥料利用率技术研究进展[J]. 中国农业科学，2008，41(2)：450-459. [8] Alvareza G，Pinos—Rodrigueza J M，Herrerac J G，et a1．Effects of exogenous fibrolytic enzymes on ruminal digestibility in steers fed high fiber rations．Livest Sci，2009，121：150～154． [9] Klingerman C M，Hu W，McDonell E E．et a1．An evaluation of exogenous enzymes with amylolytic activity for dairy COWS．J Dairy Sci，2009,92(3)：1050～1059．
同类课题研究水平概述
- 半个世纪以来，国内外寻求提高尿素利用率的最为引人注目的研究工作之一，就是脲酶抑制剂的筛选和应用研究。至今已使用过的脲酶抑制剂有100多种，主要分为金属盐、有机物小分子和植物提取物等三大类。对于前者，抑制效果最好的是Ag盐和Hg盐，但由于集中使用时重金属毒性较大，在抑制脲酶的同时其它生物酶的活性也被抑制，限制了它的应用；对于后者主要是胺和酰胺类、醛类、酚醌类、杂环类等一些单纯的有机物小分子，它们的应用领域比重金属盐类脲酶抑制剂广泛得多，研究的领域主要集中在人类医学应用方面和种植业方面，其共同的缺点是：高残留、毒副作用大、易溶易流失、有效抑制时间短；而植物源脲酶抑制剂一般具有制剂成分复杂，不易标准化，发挥药效慢，活性成分易分解，植物的采集具有季节性等缺点。 在国外(如美国、加拿大等)，脲酶抑制剂作为尿素添加剂在农业及畜牧业生产等方面的应用已较为广泛，我国只是自20世纪90年代后期才开始重视脲酶抑制剂及其相关应用技术的研究，其中以中科院沈阳应用生态所、中国农科院畜牧所、西南大学、山东农业大学、中国农业科学院等为代表，分别做了长期而艰苦的筛选和推广工作。先后筛选出了硼砂、硫酸铜、硫脲、异位酸、HQ、AHA等无机和有机类脲酶抑制剂，在此基础上又发展了缓/控释尿素、包被尿素、反刍动物尿素饲料专用添加剂和大颗粒尿素等技术，但终因包膜材料价格太高，又有潜在危害，费工费时，以及对控释效率的有效条件等还缺乏系统的研究等原因，目前仍无一脲酶抑制剂得到大面积的推广应用，有效脲酶抑制剂的研发滞后制约了建立合理的农业技术措施来调控脲酶活性的应用，以及尿素有效利用率的提高。 近年来，针对现有的三类脲酶抑制剂毒性大、药效短、易流失等缺点,配合物型脲酶抑制剂的研究引起了日本、印度等国家的高度重视，但他们主要偏向于人类医学和动物饲料添加剂方面的应用，尚未开展配合物作为尿素缓控释高效利用的新型添加剂的作用条件和应用研究。综观研究现状, 因为缺乏理论指导，当前国内外对脲酶抑制剂的研究仍然停留在不断地筛选实验和实践中，现阶段设计和合成控制效果好，抑制高效、低廉、毒性小、无污染的脲酶抑制剂是人们追求的目标和热点之一，也被我国农业部和科技部列为跨世纪新技术的重点工程之一。
