脲酶抑制剂在饲料添加剂、粪污堆肥及水肥一体化中的研究进展

Progress of urease inhibitors in feed additives, manure composting, water and fertilizer integration

摘要

目的 为畜禽养殖废弃物的高效处理和除臭工作提供依据，助力养殖业的可持续发展。 方法 通过分析脲酶抑制剂在尿素分解过程中对氨气挥发的抑制效果，系统研究其在源头减量、过程控制和末端利用三大治理途径中的作用机制。 结果 脲酶抑制剂在畜禽粪污处理和农业生产中显著降低了氮素流失，提升了资源利用效率，为畜禽粪污的高效资源化利用提供了有力支持。 结论 应进一步加强对脲酶抑制剂在养殖粪污资源化利用中的研究与推广，推动其在现代养殖业中的广泛应用，实现养殖废弃物的高效处理和环境保护的双重目标。

Abstract

Objectives To provide a basis for efficiently treating and deodorizing wastes from farming livestock and poultry, and assist in the sustainable development of the farming industry. Methods The mechanisms of urease inhibitors acting in three major treatment pathways including the reduction from the origin, the control of process, and end utilization was systematically investigated by analyzing the effects of urease inhibitors on inhibiting ammonia volatilization during urea hydrolysis. Results Urease inhibitors significantly reduced nitrogen losses and improved the efficiency of resource utilization in treating livestock and poultry manure and the production of agriculture, providing strong support for efficiently utilizing the resources in livestock and poultry manure. Conclusions Further efforts should be made to strengthen the research and promotion of urease inhibitors in the resource utilization of livestock and poultry manure, facilitate their widespread application in modern farming industry, and achieve the double goals including the efficient treatment of wastes from farming and the protection of environment.

Graphical abstract

关键词

脲酶 / 脲酶抑制剂 / 氨气 / 畜禽粪污 / 氨气挥发 / 氮素流失

Key words

urease / urease inhibitor / ammonia gas / livestock and poultry manure / ammonia volatilization / nitrogen loss

集约化养殖模式推动了畜牧经济的快速发展，但由此产生的畜禽粪污对环境构成了严峻挑战。在大规模养殖场中，高密度养殖导致畜禽粪尿堆积，其中尿素经微生物脲酶分解产生大量氨气。据研究统计，养殖过程中排放的氨气约占我国氨气排放总量的60%^[1]，成为大气氨污染的主要来源之一。作为国家规定的首要恶臭污染物，氨气不仅危害人畜健康，还会引发酸雨、土壤酸化和水体富营养化等环境问题^[2-3]。因此，减少养殖氨气排放对于改善大气质量和实现养殖业的可持续发展具有重要意义。

国务院发布的《关于加快推进畜禽养殖废弃物资源化利用的意见》明确指出，抓好畜禽养殖废弃物资源化利用是重大的民生工程。为实现这一目标，源头减量化是关键措施之一。鉴于养殖氨气主要源于粪便含氮物（如尿酸）的分解，通过抑制其中的关键酶——脲酶的活性^[4]，便可实现源头减排。脲酶抑制剂可以通过降低脲酶活性^[5]，有效抑制动物体内氨的生成和粪便中的氨释放。因此，在畜禽粪污资源化利用过程中引入脲酶抑制剂的研究已成为新的热点领域。本文系统探讨了脲酶抑制剂在源头减量、过程控制和末端利用中的作用，旨在为畜禽养殖废弃物资源化利用提供参考。

1 脲酶抑制剂作为饲料添加剂的应用

1.1 改善畜舍环境

脲酶抑制剂作为一种常见的饲料添加剂，能够在源头上有效阻控氨气的生成。在饲料中添加脲酶抑制剂，可以减缓动物体内氨的生成速率，减少养殖场氨气排放，改善畜舍环境，对集约化养殖环境中畜禽健康和福利具有重要意义。周霞等^[6]研究表明，饲喂脲酶抑制剂能显著降低肉仔鸡血液和肠道内氨的浓度，从而有效抑制氨气释放，降低鸡舍内氨气浓度，减少氨气污染。近期研究发现，在育肥猪舍中施用不同剂量的脲酶抑制剂，氨排放量大幅下降^[7]，且随着抑制剂剂量的增加，氨释放抑制效果显著增强，可减少约21%的氮损失。

1.2 提高尿素氮利用率

脲酶抑制剂通过降低瘤胃微生物脲酶活性，提高瘤胃内尿素的利用率，从而减少氮排放。这对于提高反刍动物尿素氮利用率、开发低蛋白日粮和减少氮排放具有重要意义。尿素等非蛋白氮作为蛋白补充剂添加到反刍动物日粮中，可替代部分饼粕类蛋白饲料，充当约30%的蛋白质来源，从而降低饲料成本^[8]。

1.3 避免反刍动物氨中毒

饲料中的蛋白质和尿素进入瘤胃后，经瘤胃内微生物酶的作用降解生成氨，随后一部分氨被瘤胃微生物合成蛋白质，另一部分经瘤胃壁和胃肠道吸收进入血液，经体循环运送至肝脏、经鸟氨酸循环转化成尿素。据报道，瘤胃细菌能够产生大量脲酶，其水解尿素生成氨的速率约为微生物利用氨速率的4倍^[9]。若尿素添加过量，瘤胃内氨堆积迅速进入血液，就会引起氨中毒。为避免这种情况发生，需在饲料中添加适量脲酶抑制剂以减缓氨气生成。刘大森等^[10]研究了乙酰氧肟酸（acetohydroxamic acid，AHA）、氢醌（hydroquinone, HQ）、儿茶酚和硼砂这4种脲酶抑制剂对瘤胃微生物脲酶活性的影响，结果显示，随着脲酶抑制剂浓度的升高，瘤胃内微生物脲酶活性被显著抑制，其中以HQ的抑制效果最佳。

1.4 提高生产性能

饲喂脲酶抑制剂能够显著提高畜禽的生产性能。例如，在饲料中添加樟科皮提取物能有效降低脲酶活性，提高猪的粗蛋白消化率及日增重^[11]。此外，脲酶抑制剂能够降低瘤胃微生物发酵中的尿素降解和氨的产生量，从而提高反刍动物日粮和内源性尿素氮的利用效率^[12]。王淑香等^[13]研究发现，添加AHA复合预混料能使奶牛产奶量和乳脂率显著增加，如在日粮中添加25 mg/kg的AHA能使奶牛增产3.6 kg，投入产出比高达1∶7.2。

1.5 预防家禽腹水症

脲酶抑制剂通过抑制脲酶活性，不仅能够提升饲料中氮素的利用效率，还能有效预防家禽腹水症的发生。肉仔鸡采食含脲酶抑制剂的饲料后，料重比显著降低、日增重提高，并且死亡率明显下降^[14]。作用机制：脲酶抑制剂通过抑制脲酶活性，减缓了肠道氨氮的生成速率和肠氨浓度，降低了腹水症的发生风险，进而降低了死亡率。

2 脲酶抑制剂在粪污堆肥中的应用

2.1 粪污堆肥过程中的氮损失

随着我国养殖规模的不断扩大，畜禽粪污污染问题日益严峻。畜禽粪便富含有机质和作物所需要的氮、磷、钾等营养元素，对提升土壤肥力和增加作物产量具有重要作用。然而，粪便中同时含有大量病菌、虫卵与杂草种子等有害物质，直接施用易引发病虫害，不利于作物生长。因此，通常采用高温堆肥的方式将畜禽粪污腐熟，转化为生物有机肥并就地还田利用。但在高温堆肥过程中，粪污中的氮素大量流失，不仅会造成环境污染，还会降低肥料养分，影响粪肥的农用价值。研究表明，在翻堆式和槽式堆肥过程中，氮素总损失量分别占初始总氮含量的18.67%和13.44%，其中80%以上以氨气形式释放^[15]。

堆肥过程中氮素含量变化^[16]大致分为3个阶段：在堆肥初期，由于微生物脲酶的作用，粪尿中的有机氮逐渐转化为铵态氮（NH₄⁺­N），同时堆肥温度快速升高，释放出氨气；在高温阶段，微生物迅速繁殖，降解活动剧烈，NH₄⁺­N含量达到顶峰，同时粪污pH值升高，加速了氨气挥发；在腐熟阶段，随着易降解的有机物逐渐耗尽，降解速率快速下降，NH₄⁺­N含量也随之降低。在此过程中，部分NH₄⁺­N经氨氧化细菌的硝化作用转化为硝态氮（NO₃^－­N），起到一定的固氮作用。但在缺氧环境下，少量NO₃^－­N通过反硝化作用以含氮气体的形式释放^[17]。

2.2 脲酶抑制剂的保氮作用

减少粪污堆肥过程中氮素损耗与氨气释放，是畜禽粪污资源化利用和防治大气污染的重要举措。自20世纪末以来，国外已经开始应用脲酶抑制剂来控制动物粪便中的氨排放，以减轻环境污染。研究发现，使用脲酶抑制剂可使NH₃排放量降低26.3%；而脲酶抑制剂和硝化抑制剂共同施用后，N₂O排放量减少了63.9%。在大规模养殖场中，通常将脲酶抑制剂喷洒在固体畜禽粪便表面，以达到除臭和减少氨气逸散的效果，其中以正丁基硫代磷酸三胺（N-(n-butyl) thiophosphoric triamide, NBPT）的应用最为广泛。

在堆肥中添加不同浓度的NBPT，可以有效阻控堆料pH升高，降低脲酶活性，减缓尿素态氮向铵态氮的转化，从而减少氮素损失^[18]。此外，NBPT的添加还能提高堆肥中后期的硝态氮含量和全氮含量，同时不影响粪肥的全钾、全磷和有机质含量。陈哲等^[19]研究结果显示，经NBPT处理后的牛粪尿混合物中总有机氮含量增加，NH₄⁺­N含量下降，氨气逸散减少，表明脲酶抑制能够通过阻断铵的生成来减少粪污储存过程中氮素损耗和NH₃排放。近期，史晓晴等^[20]通过检测NBPT处理组和对照组的水泡粪猪舍粪尿氮素含量变化，进一步验证了NBPT在粪污堆置中的保氮作用。因此，在粪污肥化过程中添加脲酶抑制剂能有效抑制微生物脲酶活性，阻控尿素水解，减少粪肥氮素损失。

3 脲酶抑制剂在水肥一体化中的应用

3.1 土壤的氨损失和氮素淋溶

我国作为种养大国，种养结合不仅能够有效缓解化肥大量使用造成的环境压力，还能显著减少畜牧业高速发展引发的环境污染。通过采用固体粪便堆肥技术和水肥一体化施用技术，将畜禽粪污就地还田，可以显著改善土壤板结，提高种植效益^[21]。经高温肥化技术处理后的粪肥含有大量无机氮和部分有机氮，在水肥一体化技术施灌过程中，高浓度的NH₄⁺­N会快速转化为NH₃挥发损失，也有少部分在氨氧化细菌和硝化细菌作用下转化为硝态氮。由于土壤胶体携带负电荷，对硝态氮的吸附能力较弱，过量的硝态氮易随灌溉水渗入土壤深层，导致氮素流失，并可能造成地下水体污染^[22]。此外，养殖肥液灌溉强度越大，土壤氮素淋失风险越高，因此需要严格控制灌水量。借助滴灌技术实施沼液水肥一体化施灌，既符合农业环境保护和可持续发展理念，也是现代智慧农业的重要发展方向。

3.2 脲酶抑制剂防控氨损失和氮素淋溶

脲酶抑制剂通过抑制土壤脲酶活性，延缓铵态氮的生成速率，从而间接减少土壤氮素淋失，提高粪肥的氮素利用率（如图1所示），在农业生产中常作为氮肥增效剂使用^[23]。近期研究显示，采用新型脲酶抑制剂腰果壳液包被尿素的施肥方式，可显著降低大田温室气体排放和氨挥发损失^[24]。赖睿特等^[25]研究结果表明，在养殖肥液施用过程中添加HQ能够有效减缓灌溉后N₂O排放；而HQ联合硝化抑制剂双氰胺（dicyandiamide, DCD）共同使用时，对土壤氮素淋失的防控效果更佳。进一步分析发现，硝化抑制剂主要通过抑制亚硝化细菌的活性，阻止铵态氮氧化为硝态氮来发挥作用，进而减少氮素气态损失和硝态氮淋溶，同时延长了NH₄⁺­N在土壤中的滞留时间，以供作物吸收利用^[26]。Tao等^[27]通过盆栽和田间试验发现，添加NBPT可抑制脲酶水解，显著降低土壤中NH₄⁺­N的浓度；而NBPT和硝化抑制剂硝基吡啶共同处理后，土壤硝化作用被抑制，N₂O排放减少。因此，在农业生产中，通常将二者作为氮肥增效剂共同施用，以维持铵态氮和硝酸盐之间的平衡，减少氮通过挥发和反硝化等过程的损失，从而支持植物生长。

合理搭配使用脲酶/硝化双抑制剂，不仅能够提高农产品的产量和质量，还能够提高氮素利用率，减少土壤氮素残留及与氮相关的温室气体排放^[28-29]。此外，采取覆土施肥模式可以有效减少养殖肥液漫灌导致的土壤N₂O排放，NBPT和DCD联合使用后抑制氮排放的效果更佳^[30]。杨涵博等^[22]在此基础上进行了优化，开发了1套高效的土壤固氮技术，即硝化－脲酶抑制剂－生物炭阻控技术。在这项技术中，生物质炭^[31-32]表面积大且携带大量表面负电荷，能够吸附土壤中带正电的NH₄⁺­N，减缓氮素以气态形式损失，从而实现高效固氮。该技术通过整合脲酶抑制剂、硝化抑制剂和生物炭的多重作用机制，显著提高了土壤氮素的保留效率，为减少农业面源污染、提高氮肥利用率提供了创新性解决方案^[33]。

4 总结与展望

脲酶抑制剂通过抑制脲酶活性，在畜禽日粮添加、粪污堆肥处理及养殖肥液施用中展现出巨大潜力。脲酶抑制剂不仅可以提高畜禽粪污资源化利用效率，推动绿色农业可持续发展^[34]，还能减少氮素淋失及温室气体（如N₂O）排放，在农业面源污染防治和大气污染减排方面发挥重要作用^[35]。此外，脲酶抑制剂在医学领域的研究也取得了显著进展。例如，幽门螺杆菌依赖脲酶维持其生存和致病性，而该菌的感染与胃溃疡及胃癌的发生密切相关。因此，开发高效且特异性强的脲酶抑制剂，有望为治疗幽门螺杆菌感染提供一种新型策略^[36]。

尽管已有多种脲酶抑制剂应用于农业和医学领域，但其效果和稳定性仍有待提高。未来的研究将重点聚焦于开发更高效环保的新型脲酶抑制剂，深入探究其作用机制，并优化其与硝化抑制剂及生物炭等技术的集成应用。此外，还需建立完善的安全评价体系，推动多学科协同创新。总之，脲酶抑制剂的研究与应用将朝着更加高效、安全、环保的方向发展，为养殖废弃物资源化利用和农业可持续发展提供新的动力。

参考文献

[1] 王琛，张秀明，段佳堃，等.中国农畜牧业高分辨率氨排放清单[J].中国生态农业学报（中英文），2021，29（12）：1973-1980.

[2] MICHIELS A， PIEPERS S， ULENS T，et al.Impact of particulate matter and ammonia on average daily weight gain，mortality and lung lesions in pigs[J].Preventive veterinary medicine，2015，121（1-2）：99-107.

[3] GALLOWAY J N， TOWNSEND A R， ERISMAN J W，et al.Transformation of the nitrogen cycle：recent trends，questions，and potential solutions[J].Science，2008，320（5878）：889-892.

[4] KROL D J， FORREATAL P J， WALL D，et al.Nitrogen fertilisers with urease inhibitors reduce nitrous oxide and ammonia losses, while retaining yield in temperate grassland[J/OL].Science of the total environment, 2020, 725: 138329[2025-02-18].

[5] LOHARCH S, BERLICKI Ł.Rational development of bacterial ureases inhibitors[J/OL].Chemical record, 2022, 22(8): e202200026[2025-02-18].

[6] 周霞，张海滨，周明东，等.4种植物提取物对肉鸡氨气散发、生长性能及血液生化指标的影响[J].中国兽医学报，2012，32（5）：793-797.

[7] HENNING S， CHRISTIAN A， FRAUKE H K，et al.Investigating the time-dependent dose: response relationship of ammonia emissions reduction through the application of a urease inhibitor in pig fattening houses[J].Biosystems engineering，2022，222：45-61.

[8] 刘建芳.尿素在反刍动物育肥中的应用[J].当代畜牧，2024（5）：44-45.

[9] 单安山，刘大林，张永根.反刍动物瘤胃脲酶抑制剂的作用及应用[J].东北农业大学学报，2003（4）：465-468.

[10] 刘大森，单安山，石宝明，等.几种脲酶抑制剂对大豆脲酶和绵羊瘤胃微生物脲酶的抑制作用[J].中国畜牧杂志，2004（6）：10-12.

[11] 付石军，郭时金，张志美，等.脲酶抑制剂在单胃动物中的应用进展[J].饲料与畜牧，2014（3）：38-40.

[12] ZHANG Z， LI M， ZHANG X，et al.A novel urease inhibitor of ruminal microbiota screened through molecular docking[J/OL].International journal of molecular sciences，2020，21（17）：6006[2025-02-18].

[13] 王淑香，闫明伟.乙酰氧肟酸（AHA）型脲酶抑制剂提高奶牛产奶量的理论与实践[J].饲料博览，2004（7）：46-48.

[14] 孙得发，徐秀容，张宏福，等.脲酶抑制剂对肉仔鸡代谢氨浓度的影响[J].西北农林科技大学学报（自然科学版），2002（2）：59-62.

[15] 巴士迪，张克强，杨增军，等.奶牛粪便翻堆式与槽式堆肥过程气体排放规律及养分损失原位监测[J].生态环境学报，2021，30（2）：420-429.

[16] 张玉兰，孙彩霞，段争虎，等.堆肥原位保氮技术研究进展[J].土壤通报，2010，41（4）：1000-1004.

[17] 许本姝，门梦琪，武晓桐，等.牛粪堆肥过程中nosZ型反硝化细菌动态变化[J].农业环境科学学报，2019，38（9）：2210-2218.

[18] 张发宝，顾文杰，徐培智，等.脲酶抑制剂NBPT对鸡粪好氧堆肥的保氮效果[J].中国生态农业学报，2010，18（3）：643-648.

[19] 陈哲，吕艳花，杜岩功，等.牛粪尿短期储存氨释放与养分转化的抑制剂作用成效研究[J].生态科学，2023，42（5）：1-11.

[20] 史晓晴，张鑫，徐霄，等.脲酶抑制剂NBPT对水泡粪猪舍粪尿氮素转化及氨挥发的影响[J].中国农业大学学报，2024，29（12）：165-173.

[21] 李文涛，冯康，吕洋.沼液施肥对土壤肥力特性的影响[J].安徽农业科学，2018，46（20）：108-109.

[22] 杨涵博，罗艳丽，赵迪，等.养殖肥液不同灌溉强度下硝化－脲酶抑制剂－生物炭联合阻控氮淋溶的研究[J].农业环境科学学报，2020，39（10）：2363-2370.

[23] CANTARELLA H， OTTO R， SOARES J R，et al.Agronomic efficiency of NBPT as a urease inhibitor：a review[J].Journal of advanced research，2018，13：19-27.

[24] ROSE H L， NIVETA J，OM K，et al.The effect of the use of a novel urease inhibitor coated urea on the greenhouse gas emissions and ammonia volatilization losses froma maize field[J].International journal of environment and climate change，2024，14（11）：60-70.

[25] 赖睿特，杨涵博，张克强，等.硝化/脲酶抑制剂及生物质炭对养殖肥液灌溉土壤氮素转化的影响[J].农业资源与环境学报，2020，37（4）：537-543..

[26] WANG X， BAI J， XIE T，et al.Effects of biological nitrification inhibitors on nitrogen use efficiency and greenhouse gas emissions in agricultural soils：a review[J/OL].Ecotoxicology and environmental safety，2021，220：112338[2025-02-18].

[27] TAO R， LI J， GUAN Y，et al. Effects of urease and nitrification inhibitors on the soil mineral nitrogen dynamics and nitrous oxide（N₂O）emissions on calcareous soil[J].Environmental science and pollution research，2018，25（9）：9155-9164.

[28] 陈书融，何禹畅，秦碧蓉，等.稻田配施氮肥增效剂的应用研究进展[J].中国稻米，2024，30（6）：23-28.

[29] LI X， ZHANG X， WANG S，et al.The combined use of liquid fertilizer and urease/nitrification inhibitors on maize yield，nitrogen loss and utilization in the mollisol region[J/OL].Plants（Basel），2023，12（7）：1486[2025-02-18].

[30] 颜青，赖睿特，张克强，等.养殖肥液施用方式配合NBPT-DCD对土壤N₂O的减排效应[J].节水灌溉，2021（7）：26-30.

[31] LIU Y， LI H， HU T，et al.A quantitative review of the effects of biochar application on rice yield and nitrogen use efficiency in paddy fields：a Meta-analysis[J/OL].Science of the total environment，2022，830：154792[2025-02-18].

[32] 王振，韩永胜，张淑芬，等.畜禽粪便基生物炭在环境污染防治中的研究进展[J].家畜生态学报，2024，45（9）：1-6.

[33] 郭延轲，赵长盛，刘伟，等.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[J].江苏农业科学，2024，52（9）：1-11.

[34] 张芳，屈素斋.硝化抑制剂和脲酶抑制剂在高温堆肥中的应用研究进展[J].磷肥与复肥，2022，37（6）：14-17.

[35] 马芬，杨荣全，郭李萍.控制氮肥施用引起的活性氮气体排放：脲酶/硝化抑制剂研究进展与展望[J].农业环境科学学报，2020，39（4）：908-922.

[36] 肖洒.基于抗幽门螺杆菌感染药物筛选的生物传感器创制[D].济南：山东大学，2023.

基金资助

保定市科技计划资助(2394N010)

保定市科技计划资助(2411ZN003)