- 文献综述（或调研报告）：
巴氏芽孢八叠球菌产脲酶条件研究进展
摘要：巴氏芽孢八叠球菌是迄今为止所知的利用尿素降解进行生物矿化的最为高效的微生物系统之一，基于其碳酸钙生物矿化形成的“超强能力”，巴氏芽孢八叠球菌已经被成功地应用于沙石、土壤等生物固化中，成为一种全新的、具有极大潜力的生物建筑辅助技术，同时在环境与医疗方面也得到了越来越广泛的应用。而针对于这一切，巴氏芽孢八叠球菌极高的脲酶活性至关重要，因此巴氏芽孢八叠球菌培养优化以得到高脲酶活性这一工作也成了国内外学者的研究热点。本综述概述了巴氏芽孢八叠球菌产脲酶的相关机理、培养条件优化的不同方法以及巴氏芽孢八叠球菌在不同领域的应用，希望能够对于该菌之后的研究提供帮助。
关键词：巴氏芽孢八叠球菌；培养优化；生物矿化；脲酶
生物矿化是从微生物到高等哺乳动物中广泛观测到的一种基于生化反应形成高分子材料的现象。其中微生物诱导碳酸钙沉淀（microbial induced calcite precipitation, MICP）是一种在自然界中广泛存在的生物矿化过程，机理简单，快速高效，环境耐受性好。在生物矿化过程中，尿素水解是很重要的一环，在微生物脲酶催化下，通过尿素水解产生碳酸根离子和铵离子，这时如果溶液中存在钙离子，就会生成碳酸钙。由于脲酶在细菌中广泛存在，因此这是最常用的利用MICP过程产生碳酸钙晶体的方法。常用的是巴氏芽八叠球菌[1]（Sporosarcina pasteurii），这种细菌是非致病性菌，并且在一定的恶劣环境（如，酸碱，高盐度等）条件下，都能保持较强的生物活性。近年来，基于巴氏芽孢八叠球菌极高脲酶活性的碳酸钙生物矿化，在建筑[2]、环境[3]、乃至医疗[4]等领域得到了越来越广泛的应用[5]，其中生物水泥、生物砖[6]等技术已经商业化，不仅成为了重要的工程技术，更是国内外学者的研究热点。
- 巴氏芽孢八叠球菌产脲酶相关机理
巴氏芽孢八叠球菌属于芽孢杆菌目球菌科芽孢八叠球菌属，革兰氏阳性菌，是一种尿素降解能力很高的，分离自土壤的细菌[7]。
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- 脲酶的基因构成以及表达调控
尽管不同物种的脲酶操纵子所包含的基因数量和顺序都不尽相同，但其核心基因的氨基酸序列尤其是活性中心的氨基酸是高度保守的。除枯草芽孢杆菌外，大部分物种的脲酶基因簇都包含了ureA、ureB、ureC、ureD、ureE、ureF和ureG七个基因。在巴氏芽孢八叠球菌的脲酶基因簇中，ureA、ureB和ureC是脲酶的三个亚基基因，ureD、ureE、ureF和ureG是脲酶活性必需的辅助蛋白基因。
基于与模型菌的已知相关分子机理的对比，人们对于巴氏芽孢八叠球菌的脲酶的分子机理有了初步的了解。首先，尿素降解的核心基因产物，组成UreABC的三亚基脲酶分子复合体，并会依次和辅助酶UreD、UreF和UreG结合，形成UreABC-UreDEF超级复合体，之后在镍离子结合蛋白UreE的作用下，将镍离子装入脲酶活性中心，形成有活性的脲酶[8]，然而这一机理的很多部分还缺少详实的实验证实，其详细的分子间反应机理还需要进一步地研究验证。
脲酶基因的调控机制主要分为三类:第一类是铵根抑制型，这类微生物能够利用脲酶降解尿素产生铵根离子，再通过谷氨酰胺合成酶-谷氨酸合成酶通路以及谷氨酸脱氢酶的作用，直接利用铵根为自身的氮源。当环境的铵根浓度较高时，为了保证自身能量效率，就会抑制脲酶表达，如绿脓杆菌(Pseudomonas aeruginosa)、克雷伯氏菌(Klebsiella aerogenes)等[9]。第二类是诱导表达型，当环境出现诱导条件时(如尿素、pH等)[10, 11]，细菌的脲酶表达量能提高5～25倍。这类微生物包括变性杆菌属(Proteus)、沙门氏菌(Salmonella cubana)等。第三类是恒表达型，这类微生物的脲酶表达不受环境条件的抑制或诱导等作用调控，处于一个恒定的表达条件下，如摩氏摩根菌(Morganella morganii)等[9]。巴氏芽孢八叠球菌的脲酶最初认为是恒表达型，即该菌的脲酶表达一直处于较高的表达水平，不受环境因素的影响[12]。但之后有学者发现，在菌体的培养过程中，逐步提高培养基的pH值，其脲酶活性会随之下降; 然而反过来，在培养过程中逐步降低培养基的pH值，其脲酶活性却没有太大变化[10]。这与之前将菌体接种至低pH的新培养基后，脲酶活性迅速回升的现象不太一致。这说明巴氏芽孢八叠球菌的脲酶基因表达调控不是由单一因素决定的，并非是恒表达型[13]，很可能是一个多因素的复杂调控机制，但其具体的机理还需要进一步详细研究。
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- 高脲酶活性的生物学意义
巴氏芽孢八叠球菌具有独特的ATP生成机制，该机制与脲酶水解尿素的过程紧密相关[14]。巴氏芽孢八叠球菌为中度嗜碱菌，处在碱性环境中，质子在膜内浓度高，膜外浓度低，不能形成正确的质子动力势[15]。为解决这一问题，该菌形成了与铵根生产过程相偶联的ATP合成机制。作为嗜碱菌，巴氏芽孢八叠球菌的最适环境pH为9.25，胞内pH为8.4。当铵根扩散到胞外后，会部分地转变为氨分子和质子，使得胞外的质子浓度高于胞内，形成质子动力势，驱动膜上的ATP合成酶合成ATP[15]。
正因为巴氏芽孢八叠球菌的ATP合成机制与铵根、pH等紧密相关，所以菌体在无尿素或铵根的培养基中培养时，会因缺乏足量的ATP而无法生长。而巴氏芽孢八叠球菌非常高的脲酶活性，也可能是为了满足菌体大量的ATP需求。在菌的培养过程中，脲酶活性呈现出先迅速上升，后缓慢下降的趋势。这也可以理解为生长初期需要快速降解尿素使环境pH值升至最适的9.25，并形成必要的质子动力势。随后下调脲酶活性，一是维持环境pH与质子动力势不需要太高的脲酶活性; 二是为了避免环境过于碱性化，影响菌体生长[16]。
