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基本信息
- 項目名稱：
- 綠色新型脲酶抑制劑的研制和運用
- 小類：
- 生命科學(xué)
- 簡介：
- 尿素具有許多優(yōu)良特性，是目前世界和我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛、數(shù)量最多的氮肥，約占50%的世界氮肥生產(chǎn)及消費市場，也是牛、羊、兔等反芻動物用來合成自身蛋白(MCP)的最廉價且廣泛使用的非蛋白氮(NPN)飼料。 但是尿素的使用率相對較低，一般在30%~40%，同時傳統(tǒng)脲酶抑制劑存在著有效抑制時間短，毒副作用大等缺點。而第四類配合物脲酶抑制改善了傳統(tǒng)脲酶抑制劑的缺點，因此本項目的是具有重要意義的！
- 詳細介紹：
- 尿素具有許多優(yōu)良特性，是目前世界和我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛、數(shù)量最多的氮肥，約占50%的世界氮肥生產(chǎn)及消費市場，也是牛、羊、兔等反芻動物用來合成自身蛋白(MCP)的最廉價且廣泛使用的非蛋白氮(NPN)飼料，同時也是人體和動物體中大量含氮化合物的代謝產(chǎn)物。作為化肥，它有促進穗大粒重，養(yǎng)根健葉、壯稈防倒伏的作用；作為反芻動物飼料，它已被廣泛用作天然蛋白質(zhì)的代用料，向日糧中添加尿素可大大提高動物的生產(chǎn)性能，節(jié)約蛋白質(zhì)，降低飼養(yǎng)成本。 尿素本身無毒，能夠穩(wěn)定地存在于水溶液中，但環(huán)境和生物體中廣泛存在的脲酶(Urease)能將尿素迅速催化水解成NH3，其速度是未經(jīng)催化水解的1014倍，極大地降低了動植物對氮素的利用，使尿素利用率通常只有30%~40%，全國每年因此損失化學(xué)氮素約1.0×107 t左右。尿素的快速分解，不僅造成農(nóng)業(yè)資源的嚴(yán)重浪費，同時對人類、動物和植物等也有嚴(yán)重的危害：導(dǎo)致植物“燒苗”和亞硝酸鹽污染農(nóng)產(chǎn)品，增加農(nóng)業(yè)成本；改變?nèi)撕蛣游矬w液和尿液的酸堿性，引起血氨中毒或氨應(yīng)激，甚至導(dǎo)致尿路結(jié)石、胃腸道潰瘍，引起腦癱、肝病等多種疾病的發(fā)生；引起嚴(yán)重的環(huán)境氮污染和農(nóng)村面源污染，并導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化。因此，如何提高尿素利用率，解決脲酶所引起的經(jīng)濟、環(huán)境和健康等問題，已成為當(dāng)前農(nóng)、牧業(yè)生產(chǎn)上一個迫切需要解決的難題，也是當(dāng)今世界經(jīng)濟和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展上的一個挑戰(zhàn)性課題。 在相關(guān)科研工作者的努力下，人們研制出了眾多脲酶抑制劑，有效地延緩了尿素的分解速率，提高了尿素在動植物界的利用率。至今已使用過的脲酶抑制劑有100多種，主要分為Ag、Hg等金屬鹽、有機物小分子和植物提取物等三大類。由于金屬鹽毒性較大，限制了其應(yīng)用；有機類則高殘留、毒副作用大、易溶易流失、有效抑制時間短；而植物源脲酶抑制劑一般具有制劑成分復(fù)雜，不易標(biāo)準(zhǔn)化，發(fā)揮藥效慢，活性成分易分解，植物的采集具有季節(jié)性等缺點，不易為農(nóng)民接受。 在此背景下，生命之光團隊經(jīng)歷了幾屆畢業(yè)生的努力，系統(tǒng)地調(diào)研了文獻，在老師的指導(dǎo)下，探討了脲酶抑制劑的研究現(xiàn)狀、對脲酶活性的影響及其對植物生長及氮肥利用率的影響，并成功地申報了3次浙江省大學(xué)生新苗人才計劃項目，發(fā)表了3篇核心刊物論文，本作品就是對上述學(xué)生科研成果的總結(jié)和結(jié)晶。
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作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 通過撰寫此次項目是使人們了解到尿素在使用中存在著利用率低，傳統(tǒng)的脲酶抑制劑能夠提高尿素利用率，但存在著毒副作用大、易流失、有效抑制時間短的特點。第四類配合物脲酶抑制劑不僅能夠提高尿素利用率，還能有效改善傳統(tǒng)脲酶抑制劑的不足。
科學(xué)性、先進性及獨特之處
- 現(xiàn)有的三類脲酶抑制劑毒性大、藥效短、易流失。對具有潛在脲酶抑制活性的Schiff堿有機小分子和植物生長必需的Cu2+鹽為分子建筑塊，借助于組合化學(xué)等合成技術(shù)，探討了環(huán)境友好、高效的第四類配合物型脲酶抑制劑。有機配體和金屬離子就被限制在配合物骨架中，從而使它們相對穩(wěn)定，作用時間延長，毒性大為降低。目前國際上尚未開展銅配合物型脲酶抑制劑的構(gòu)效關(guān)系使得這方面有很大的拓展空間。
應(yīng)用價值和現(xiàn)實意義
- 脲酶抑制劑是農(nóng)業(yè)緩控釋肥料技術(shù)和動物營養(yǎng)行業(yè)所急需，并且是目前國內(nèi)外在該領(lǐng)域的領(lǐng)先技術(shù)。用于緩控釋肥料方面，它可以節(jié)省勞動力投入，降低農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，減少農(nóng)村面源污染，明顯提高農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)和農(nóng)業(yè)效益，保障糧食生產(chǎn)安全。另外，脲酶抑制劑也是牛、羊、兔等反芻動物利用尿素非蛋白氮合成自身蛋白質(zhì)不可缺少的有效添加劑和唯一途徑。
學(xué)術(shù)論文摘要
- [1] 論文題目：脲酶抑制劑的研究現(xiàn)狀與展望 摘要：綜述了脲酶抑制劑的種類和作用機理,簡要介紹了脲酶抑制劑在動植物生產(chǎn)中的應(yīng)用。 [2] 論文題目：乙酰氧肟酸對蔬菜生長及氮肥利用率的影響 摘要：[目的]研究乙酰氧肟酸( AHA)對蔬菜生長及氮肥利用率的影響。結(jié)果]D組的3種蔬菜出苗率最高, 與對照相比出苗率均增加了13%左右; D組大蒜和芹菜株高比對照增加了23. 2%和25. 4%; 以D組的小白菜中氮含量最高,對氮素的吸收率也比對照組提高了17. 8%。[結(jié)論]糊化淀粉包被AHA用作尿素添加劑, 可以增加AHA的穩(wěn)定性, 明顯提高蔬菜對尿素的利用率, 更好地發(fā)揮脲酶抑制劑的作用。 [3] 論文題目：竹葉提取液對黃豆脲酶活性的影響 摘要：[目的]研究竹葉提取液對黃豆脲酶活性的影[結(jié)果]竹葉水浸液和乙醇提取液對脲酶都有抑制作用，但乙醇提取液的抑制效率高于水浸液。乙醇提取液與微渡輔助乙醇提取液相比，微波輔助乙醇提取液能明顯降低黃豆脲酶的活性，故竹葉提取液對黃豆脲酶具有抑制作用。并且竹葉提取液隨著用量的增加，抑制效果呈正相關(guān)系。
獲獎情況
- 本作品成功發(fā)表在核心刊物上，并被浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新活動立項資助，作品如下： [1]《脲酶抑制劑的研究現(xiàn)狀與展望》發(fā)表于《安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)》2009年第37卷23期 [2]《乙酰氧肟酸對蔬菜生長及氮肥利用率的影響》發(fā)表于《安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)》2010年第38卷25期 [3]《竹葉提取液對黃豆脲酶活性的影響》發(fā)表于《安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)》2010年第38卷26期 [4] 2009年浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新項目《長效化肥添加劑脲酶抑制劑的研制》（2009年）獲得立項 [5] 2010年浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新項目《非蛋白氮型飼料預(yù)混料的研制》（2010年）獲得立項 [6] 2011年申報了大學(xué)生科技成果推廣項目《環(huán)境友好型尿素添加劑的應(yīng)用研究》（2011年）此項目正在審批之中
鑒定結(jié)果
- 本作品能結(jié)合社會經(jīng)濟發(fā)展的要求，開展前沿性的研究工作，對脲酶活性抑制劑進行了一系列的探討，創(chuàng)新性強，成果顯著，技術(shù)水平高，并積累了一定的科研經(jīng)驗，使學(xué)生得到了多學(xué)科的專業(yè)知識學(xué)習(xí)。
參考文獻
- [1] 張瑩,郭旭生,丁路明,龍瑞軍. 反芻動物尿素氮再循環(huán)利用的研究進展[J]. 動物營養(yǎng)學(xué)報,2009,21(5):609-61. [2] 張俊瑜,楊開倫.脲酶抑制劑及其在反芻動物中的應(yīng)用[J].中國飼料，2008,13:29-31. [3] 劉開朗，王加啟，卜登攀. 2008--2009年反芻動物營養(yǎng)研究進展(瘤胃微生物多樣性與功能)[J]. 中國畜牧獸醫(yī),2010, 37(2):5-14. [4] 唐紀(jì)良，馮家勛．廣西水牛瘤胃中的細菌多樣性[J]．微生物學(xué)報，2009．49：251～256． [5] 宋玉婷，呂小紅，陳溫福. 水稻土壤堿解氮與脲酶活性對不同氮素水平的響應(yīng)[J].北方水稻，2010.40(4):8-12. [6] 華建峰，蔣倩，施春健，等．脲酶／硝化抑制荊對土壤脲酶活性、有效態(tài)氮及春小麥產(chǎn)量的影響[J]．土壤通報，2008,39(1)：94—99． [7] 閆湘,金繼運,何萍,梁鳴早. 提高肥料利用率技術(shù)研究進展[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，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．
同類課題研究水平概述
- 半個世紀(jì)以來，國內(nèi)外尋求提高尿素利用率的最為引人注目的研究工作之一，就是脲酶抑制劑的篩選和應(yīng)用研究。至今已使用過的脲酶抑制劑有100多種，主要分為金屬鹽、有機物小分子和植物提取物等三大類。對于前者，抑制效果最好的是Ag鹽和Hg鹽，但由于集中使用時重金屬毒性較大，在抑制脲酶的同時其它生物酶的活性也被抑制，限制了它的應(yīng)用；對于后者主要是胺和酰胺類、醛類、酚醌類、雜環(huán)類等一些單純的有機物小分子，它們的應(yīng)用領(lǐng)域比重金屬鹽類脲酶抑制劑廣泛得多，研究的領(lǐng)域主要集中在人類醫(yī)學(xué)應(yīng)用方面和種植業(yè)方面，其共同的缺點是：高殘留、毒副作用大、易溶易流失、有效抑制時間短；而植物源脲酶抑制劑一般具有制劑成分復(fù)雜，不易標(biāo)準(zhǔn)化，發(fā)揮藥效慢，活性成分易分解，植物的采集具有季節(jié)性等缺點。 在國外(如美國、加拿大等)，脲酶抑制劑作為尿素添加劑在農(nóng)業(yè)及畜牧業(yè)生產(chǎn)等方面的應(yīng)用已較為廣泛，我國只是自20世紀(jì)90年代后期才開始重視脲酶抑制劑及其相關(guān)應(yīng)用技術(shù)的研究，其中以中科院沈陽應(yīng)用生態(tài)所、中國農(nóng)科院畜牧所、西南大學(xué)、山東農(nóng)業(yè)大學(xué)、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院等為代表，分別做了長期而艱苦的篩選和推廣工作。先后篩選出了硼砂、硫酸銅、硫脲、異位酸、HQ、AHA等無機和有機類脲酶抑制劑，在此基礎(chǔ)上又發(fā)展了緩/控釋尿素、包被尿素、反芻動物尿素飼料專用添加劑和大顆粒尿素等技術(shù)，但終因包膜材料價格太高，又有潛在危害，費工費時，以及對控釋效率的有效條件等還缺乏系統(tǒng)的研究等原因，目前仍無一脲酶抑制劑得到大面積的推廣應(yīng)用，有效脲酶抑制劑的研發(fā)滯后制約了建立合理的農(nóng)業(yè)技術(shù)措施來調(diào)控脲酶活性的應(yīng)用，以及尿素有效利用率的提高。 近年來，針對現(xiàn)有的三類脲酶抑制劑毒性大、藥效短、易流失等缺點,配合物型脲酶抑制劑的研究引起了日本、印度等國家的高度重視，但他們主要偏向于人類醫(yī)學(xué)和動物飼料添加劑方面的應(yīng)用，尚未開展配合物作為尿素緩控釋高效利用的新型添加劑的作用條件和應(yīng)用研究。綜觀研究現(xiàn)狀, 因為缺乏理論指導(dǎo)，當(dāng)前國內(nèi)外對脲酶抑制劑的研究仍然停留在不斷地篩選實驗和實踐中，現(xiàn)階段設(shè)計和合成控制效果好，抑制高效、低廉、毒性小、無污染的脲酶抑制劑是人們追求的目標(biāo)和熱點之一，也被我國農(nóng)業(yè)部和科技部列為跨世紀(jì)新技術(shù)的重點工程之一。
