综述：揭示微生物脲酶在尿素分解诱导碳酸钙沉淀中的作用、机制见解及新兴应用

（编辑推荐）本综述系统阐述了脲酶（Urease, EC 3.5.1.5）的多源性与催化机制，重点探讨微生物脲酶在农业、重金属修复（MICP）、临床诊断及岩土工程中的应用，对比分析尿素分解诱导碳酸钙沉淀（UICP）中微生物（MICP）与酶（EICP）途径的优劣，并前瞻性提出机器学习优化策略，为生物矿化技术提供可持续发展新思路。

　　

Abstract

作为镍依赖型金属酶，脲酶（Urease, EC 3.5.1.5）通过催化尿素水解生成氨和氨基甲酸酯，驱动自然界氮循环。从刀豆（Canavalia ensiformis）到巴氏芽孢杆菌（Sporosarcina pasteurii），其来源跨越植物、细菌（如枯草芽孢杆菌Bacillus subtilis）、真菌（黑曲霉Aspergillus niger）及蓝藻。微生物脲酶凭借高效催化特性，在农业土壤改良、重金属离子固定化（如Cd²⁺/Pb²⁺）、临床幽门螺杆菌检测等领域展现独特优势。

催化机制与基因调控

脲酶活性中心含双镍离子簇，通过亲核攻击实现尿素C=O键断裂。辅助基因ureDEFG调控酶组装，其中ureD编码的分子伴侣可稳定镍离子转运。值得注意的是，巴氏芽孢杆菌ureC基因表达量直接决定碳酸钙（CaCO₃）沉淀速率，pH>9时沉淀效率提升40%。

UICP技术双路径对比

微生物诱导沉淀（MICP）依赖活菌代谢，环境适应性更强但繁殖可控性差；酶诱导沉淀（EICP）采用游离脲酶，反应速率提高3倍但成本较高。实验显示，0.5M尿素+50mM CaCl₂条件下，MICP生成方解石晶型占比达92%，而EICP产物中球霰石含量升高至35%。

机器学习赋能优化

基于随机森林算法建立的UICP预测模型，通过输入温度（25-40°C）、尿素浓度（0.1-1.0M）、菌株OD₆₀₀等参数，可准确预测沉淀产量（R²=0.91）。该技术已成功应用于砂岩裂缝修复，抗压强度提升至8.3MPa。

Graphical Abstract

图示生动呈现UICP全过程：尿素水解→局部pH升高→CO₃^2-与Ca²⁺结合→碳酸钙晶核形成→生物矿物沉积。未来研究将聚焦于脲酶固定化载体开发及多尺度建模，以推动该技术在碳中和领域的规模化应用。