암모니아 산화 박테리아와 고세균이 질산화에 기여

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 19928(2022) 이 기사 인용

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질산화는 농생태학 시스템에서 N2O 배출의 주요 과정 중 하나로 여겨지며, 이는 토양 미생물에 의해 제어되고 주로 토양 pH, 산소 함량 및 NH4+ 가용성에 의해 조절됩니다. 이전 연구에서는 N2O 생산에 대한 암모니아 산화 박테리아(AOB)와 고세균(AOA)의 상대적인 기여가 토양 pH에 따라 다양하다는 것이 입증되었지만, 토양 pH에 의한 질화 유래 N2O 생산 조절 메커니즘에 대해서는 아직 합의가 이루어지지 않았습니다. 본 연구에서는 중성 환경(pH = 6.75)에서 N2O 배출에 대한 AOA와 AOB의 상대적 기여도를 구별하기 위해 소우주 배양 실험에 1-옥틴(AOB의 선택적 억제제)과 아세틸렌(AOB 및 AOA의 억제제)을 사용했습니다. ) 및 알칼리성(pH = 8.35) 토양. 우리는 암모늄(NH4+)의 수정이 두 테스트 토양에서 AOA와 AOB 관련 N2O의 생성을 눈에 띄게 자극하고 AOA와 AOB의 암모니아 모노옥시게나제(AMO) 유전자 풍부도를 증가시키는 것을 발견했습니다. 그 중 AOB는 알칼리성 토양에서 암모니아 산화 과정을 지배하여 질산화로 인한 N2O 생산의 70.8%를 차지했습니다. 대조적으로, AOA와 AOB의 기여는 각각 산성 토양에서 질산화 관련 N2O의 약 1/3을 차지했습니다. 결과는 pH가 AOA와 AOB의 풍부함과 활성을 변화시키는 핵심 요소이며, 이는 보라색 토양에서 N2O 생산 유도의 차별화를 가져왔다는 것을 나타냅니다. 우리는 암모니아 산화 미생물의 NH4+ 함량과 토양 pH 매개 특수화가 함께 작용한다고 추측합니다. 그리고 특화 결과와 N2O 생산량 모두 보라색 토양에서 N2O 배출 특성이 달라졌습니다. 이러한 결과는 향후 N2O 감소 전략 개발에 도움이 될 수 있습니다.

N2O는 대기 중 CO2의 온난화 잠재력(100년 규모)의 265배에 달하는 미량 온실가스이며 성층권 오존을 고갈시키는 역할을 합니다1. 대기 중 N2O의 전 세계 농도는 2015년 328.8ppb로 산업 혁명 이후 21% 증가했습니다2. 현재 속도로 지속되는 배출량은 현재 예측에 표시된 것보다 2030년까지 18% 더 증가하게 됩니다3. 비료화된 농업용 토양은 상당한 양의 N2O를 대기로 배출하는 핫스팟으로, 전 세계 대기 N2O 배출의 약 60%를 차지합니다4. 그러나 식량, 축산업, 바이오매스 에너지에 대한 수요 증가는 필연적으로 지속적인 화학비료 사용을 동반할 것입니다. 따라서 지속 가능한 농업을 위해 N2O 배출을 규제하기 위한 최적의 조치를 찾기 위해 비료 토양에서 N2O 생산을 담당하는 메커니즘을 이해하는 것이 특히 중요합니다.

농업 생태계에서 N2O는 토양 미생물에 의한 질산화 및 탈질화에 의해 생산되며, 일부 비생물적 과정도 그 일부를 차지합니다7. 질산화는 적절한 토양 산소 함량 하에서 주요 N2O 생산 공정입니다. 암모니아 산화(즉, NH3가 중간 생성물인 NH2OH를 통해 NO2-로 산화되는 것)는 질산화의 일차적이고 속도 제한 단계로 간주됩니다. 암모니아 산화 고세균(AOA)과 암모니아 산화 박테리아(AOB)는 모두 N2O 생성을 유발하는 암모니아 산화에 대한 유전적 잠재력을 가지고 있습니다8,9. AOB는 NH2OH가 NO10으로 불완전하게 산화되거나 NO2-가 NO와 N2O11로 환원되는 질산화 탈질화를 조절하여 중간체 역할을 하는 N2O를 생산할 수 있습니다. 대조적으로, AOA에 의해 생성된 N2O는 순수 배양 및 농축 배양에서 전통적으로 검출된 여러 공정에 기인하지만, 토양에서 AOA 효소 촉매 반응에 의한 N2O 생성을 뒷받침하는 명확한 증거는 현재까지 없습니다12. 또한 새로 발견되어 널리 퍼진 암모니아 산화 기능성 길드 중 하나로 작용하는 완전 암모니아 산화제(comammox)는 N2O 배출에 대한 영향에 대한 불확실성으로 남아 있지만 일부 연구에서는 AOB보다 작은 역할을 한다고 제안했습니다13,14.