보고서 정보
주관연구기관 |
충북대학교 Chungbuk National University |
연구책임자 |
이성근
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보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
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발행년월 | 2016-05 |
과제시작연도 |
2015 |
주관부처 |
미래창조과학부 Ministry of Science, ICT and Future Planning |
과제관리전문기관 |
한국연구재단 National Research Foundation of Korea |
등록번호 |
TRKO201700011657 |
과제고유번호 |
1711024808 |
사업명 |
중견연구자지원 |
DB 구축일자 |
2017-11-04
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키워드 |
철환원미생물.지하환경오염.생물정화.메타지놈.혐기성호흡미생물.프로테옴.황산염환원 미생물.탈질 미생물.Iron-reducing bacteria.Subsurface contamination.Biological remediation.Metagenome.Anaerobic respiration.Proteome.Sulfate-reducing bacteria.Denitrifying bacteria.
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DOI |
https://doi.org/10.23000/TRKO201700011657 |
초록
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연구의 목적 및 내용
오염물질의 순환에 있어 혐기성 조건의 이해는 매우 중요하지만, 혐기적 환경은 호기적 환경에 비해 다루기가 까다롭고, 복합적인 반응들이 얽혀있어, 연구가 매우 어렵고 많은 경험을 요구한다. 본 연구의 최종 목표는 혐기적 오염정화에 관련한 새로운 생화학 프로세스를 탐색하고, 그에 해당하는 미생물의 (메타)오믹스 분석을 통해, 메커니즘을 규명하고, 기존에 알려지지 않은 중요 미생물의 환경에서의 역할을 규명하는 것이다.
연구결과
I. 안정동위원소탐침법을 활용하여 다양한 전자 수용체를 이용
연구의 목적 및 내용
오염물질의 순환에 있어 혐기성 조건의 이해는 매우 중요하지만, 혐기적 환경은 호기적 환경에 비해 다루기가 까다롭고, 복합적인 반응들이 얽혀있어, 연구가 매우 어렵고 많은 경험을 요구한다. 본 연구의 최종 목표는 혐기적 오염정화에 관련한 새로운 생화학 프로세스를 탐색하고, 그에 해당하는 미생물의 (메타)오믹스 분석을 통해, 메커니즘을 규명하고, 기존에 알려지지 않은 중요 미생물의 환경에서의 역할을 규명하는 것이다.
연구결과
I. 안정동위원소탐침법을 활용하여 다양한 전자 수용체를 이용한 새로운 오염정화 생화학 프로세스 탐색
- 혐기성에서의 오염정화의 모델로 관련 전자공여체로 방향족 유기오염물(toluene)을, 전자공여체에 대한 전자수용체로는 질산염과 황산염을 연구대상으로 하였다. 해양과 토양지역의 유류 오염된 지역의 시료를 접종원으로 하여 13C-toluene을 이용한 안정동위원소탐침법을 이용한 microcosm 배양을 실시하였다.
- 배양 후 추출한 DNA를 CsCl농도구배 원심분리를 통해 heacy fraction DNA를 회수하였고, T-RFLP결과 질산염 환원 조건에서 Herminiimoas속(CN 지놈)이 황산염 환원 조건에서 Desulfobacula속(TS 지놈)의 미생물들이 톨루엔분해에 핵심 역할을 하는 것으로 나타났다.
- Metagenome분석을 통해 이들의 생리학적 특성을 살펴보았다. 두 지놈 모두 toluene, p-cresol, 4-hydroxybenzoate, benzoate가 공통으로 기질로 이용 가능한 오염물질이었으며, CN 지놈은 cyclohexane carboxylate를, TS 지놈은 phenylacetate를 추가로 이용할 수 있다.
- CN 지놈의 경우 방향족 물질 분해 중간체인 benzoyl-CoA를 혐기적 분해와 호기적 분해 모두 분해가능한 특징을 가지고 있었다. 또한 기존의 탈질 톨루엔 분해 미생물은 Rhodocyclales목에 속하는 것만 보고되었는데, 이번 연구를 통해 얻은 CN의 경우 Burkholderiales목에 속하므로 이목에서 최초로 방향족물질을 분해하는 특징을 지닌 미생물의 존재를 밝혔다.
- 1단계 연구에서 획득한 철환원 톨루엔 분해 안정동위원소탐침-메타지놈 분석에서 신규 강(phylum)에 속하는 지놈을 획득하였다.
II. 신규 혐기성 미생물 확보 및 지놈 분석
- 다양한 지역의 유류, 석탄 오염 시료로부터 오염정화기능을 가진 미생물 확보를 위해 농화배양을 실시하였다. Pour plating과 roll tube방법을 통해 농화배양체로부터 신규 오염정화 미생물들을 분리하였다. 분리한 미생물들은 Firmicutes에 속하는 미생물들로 2종의 신속, 1종의 신종이었다. 생리생화학적 분석을 통해 분리한 미생물의 특성을 분석하였다.
- 신종으로 제안된 Geosporobacter의 경우 철환원 조건에서 toluene과 benzoate의 분해활성을 나타내어 정확한 기질 분해 기작을 살펴보기 위해 전체 지놈분석을 실시하였다. 지놈상에서 기존에 알려진 톨루엔 분해 경로를 가지지 않고, 헥산(hexane)을 분해하는 유전자가 그 역할을 대신하는 것으로 추정되었다.
III. 지놈을 기반으로 한 유전자 발현 연구 수행 (Meta-Omics분석 실행)
- 1단계 연구에서 톨루엔 분해 철환원 미생물인 TF의 지놈분석결과 기존에는 보고된 바가 없는 2종류의 benzoyl-CoA reductase를 동시에 가지는 것을 알 수 있었다. 지놈분석 결과를 바탕으로 서로 다른 전자수용체 조건에서의 유전자 발현 연구(Proteomics)를 통해 오염분해 메커니즘을 규명하였다.
연구결과의 활용계획
● 본 실험 접근방법으로 효과적으로 혐기성 오염정화 미생물을 밝힐 수 있었으므로 다양한 기질과 배양조건으로 신규 오염정화 미생물의 발견과 제어에 적용가능하다.
● 접근과 이해가 어려운 혐기적 오염정화 미생물의 생리-생화학적 특성을 고려하여 오염정화 방법에 접근함으로써 효과적인 정화를 할 수 있도록 도울 수 있다.
● 본 연구에서 혐기성 오염정화 기작에서 매우 흥미로운 점을 밝혔으며, 이 연구를 토대로 metaproteome, transcriptome등 첨단분석을 접목하여 세계적으로 우수한 연구결과를 발표할 것이다.
(출처 : 한글요약문 5p)
Abstract
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Purpose& contents
Fates of pollutants in anoxic condition are largely unknown due to the difficulty in handling anaerobic microbes and involvement of abiotic geochemical reactions despite of their prime importance. The goal of this research is 1) discovering novel anaerobic biochemical processes,
Purpose& contents
Fates of pollutants in anoxic condition are largely unknown due to the difficulty in handling anaerobic microbes and involvement of abiotic geochemical reactions despite of their prime importance. The goal of this research is 1) discovering novel anaerobic biochemical processes, 2) is unraveling the reaction pathways, and 3) is identifying the key roles of the microbial processes.
Result
I. Screening of new anoxic biochemical processes using stable isotope probing technology
- Anaerobic bioremediation processes were studied using toluene as a model compounds. Electron acceptors used include nitrate and sulfate and the target environments were marine and terrestrial sediments impacted by oil spills. 13C-toluene was used for microcosm experiments.
- Labeled (heavy) DNA was fractionated using CsCl gradient centrifugation. T-RFLP analysis indicates that CN genome of Herminiimoas genus and TS genome in Desulfobacula genus were observed to be a key player of toluene degradation.
- Metagenomic analysis indicates that both of genome may degrade toluene, p-cresol, 4-hydroxybenzoate, and benzoate as common substrates. CN and TS genome harbor genes for degradation of cyclohexane and carboxylate, and phenylacetate, respectively.
- CN genome shows that benzoyl-CoA can be degraded under anoxic and oxic conditions. Intristingly, CN genome is affiliated into Burkholderiales, which is novel in the degrdadation of toluene.
- In the metagenomic analysis, a genome belonging to a novel phylum was obtained.
II. New anoxic microorganism discovery and its genome analysis
- From diverse anoxic environment contaminated by oils, microbes with potential of bioremediation was obtained using roll tube technique, Three novel strains of anaerobes (2 novel genera and one novel species) of Firmicutes phylum were characterized.
- A new strain of Geosporobacter can oxidize toluene and benzoate under anoxic iron-reducing condition. Genomic analysis indicates that the genes for hexane degradation might be involved in toluene degradation. No toluene degradation gene was detected.
III. Genome-based gene expression analysis (Meta-Omics analysis)
- In the first phase of the research, we found strain TF harbors two different kinds of benzoyl-CoA reductase, which was not reported in any microorganisms previously. In a different electron-accepting conditions, expression pattern of proteomes of these two different pathways were compared.
Expected Contribution
● Most of domestic subsurface remediation project have been conducted by environmental engineers. As anaerobic iron-reduction is the most dominant in subsurface, the development of advanced technologies has not been possible due to the limitation of microbiological information. Our project will lead to the development of advanced biostimulation strategy and prediction of attenuation potential in contaminated subsurface environments.
● Application of metagenomics is still a concept-shaping stage even in advanced countries. This project will guide us to an advanced country in environmental industry.
(출처 : SUMMARY 6p)
목차 Contents
- 표지 ... 1목차 ... 3연구계획 요약문 ... 4연구결과요약문 ... 5 한글요약문 ... 5 SUMMARY ... 6연구내용 및 결과 ... 7 1. 연구개발과제의 개요 ... 7 2. 국내외 기술개발 현황 ... 8 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 9 4. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 54 5. 연구결과의 활용계획 ... 61 6. 연구과정에서 수집한 해외 과학기술정보 ... 62 7. 주관연구책임자 대표적 연구실적 ... 64 8. 참고문헌 ... 65 9. 연구성과 ... 68 10. 국가과학기술지식정보서비스에 등록한 연구시설.장비 현황 ... 80 11. 연구개발과제 수행에 따른 연구실 등의 안전조치 이행실적 ... 80 12. 기타사항 ... 83별첨1 대표연구성과 ... 84별첨2 세부 목표 관련 증빙 ... 99끝페이지 ... 108
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