초록 ▼

연구개요
○ 토양의 DNRA 균주를 high-throughput 스크리닝 기법을 이용/분리하여 생리학/유전적 특성 분석을 통해 DNRA 반응에 대한 이해를 획기적으로 증진했음
○ 1 ppm 이하의 N₂O를 지속적으로 소비하며 성장을 유지할 수 있는 미생물군을 성공적으로 농화배양했으며 이를 분석하여 Dechloromonas에 의한 high-affinity N₂O 환원 가능성을 증명
○ 실제 농지 토양을 모사한 컬럼 반응기를 제작, 토양의 질소 전환 반응을 모니터링하고, N

연구개요
○ 토양의 DNRA 균주를 high-throughput 스크리닝 기법을 이용/분리하여 생리학/유전적 특성 분석을 통해 DNRA 반응에 대한 이해를 획기적으로 증진했음
○ 1 ppm 이하의 N₂O를 지속적으로 소비하며 성장을 유지할 수 있는 미생물군을 성공적으로 농화배양했으며 이를 분석하여 Dechloromonas에 의한 high-affinity N₂O 환원 가능성을 증명
○ 실제 농지 토양을 모사한 컬럼 반응기를 제작, 토양의 질소 전환 반응을 모니터링하고, N₂O 배출량을 측정. 질소 동위원소를 이용하여 질소 변환 경로 추적
○ DNRA 균주를 토양에 첨가해서 DNRA 반응을 촉진하는 시도를 여러 가지 방법으로 시도하였음. 질소 전환 반응 추이에 일부 변화를 유도할 수 있었으나, 탄소원의 부족에 영향을 받는 것으로 보임

연구 목표대비 연구결과
○ 목표: DNRA 균주의 high-throughput 스크리닝 및 DNRA 활성화 효과 확인 및 정량 분석이 가능한 분자생물학 툴 제작
- high-throughput 스크리닝 방법을 정립
- 450개 균주 분리 및 DNRA 활성 효과를 스크리닝
- 분리된 DNRA 균주 중 6종의 NO₃^-의 DNRA 저해현상 확인
- 해당 6종의 DNRA 관련 및 N₂O 환원 유전자 확인
○ 목표: N₂O 환원 유전자 보유 DNRA 미생물 균주 스크리닝
- nosZ(clade I/clade II)를 목표로 하는 primer/probe set제작
- DNRA 양성 균주의 nosZ (N₂O 환원 효소) 유전자 보유 여부 확인
○ 목표: 토양 mesocosm 실험을 위한 반응기 설계 및 제작
- 토양 습윤화/건조 사이클을 모사할 수 있는 mesocosm 컬럼 12기 설계 제작
- 깊이별 토성 및 N₂O flux 측정법 정립
○ 목표: 전처리 습도와 환경인자가 토양의 질산염 환원에 대한 영향 분석
- 전처리 상대습도/질소 성상/탄소원의 차이에 따른 토양의 질산염 환원 분석
○ 목표: ¹⁵N 레이블 된 NH₄/NO₃를 이용한 mesocosm의 DNRA 반응 측정법 정립
- ¹⁴NH₄⁺/¹⁵NH₄⁺을 BrO^-로 산화하여 ⁴⁴N₂O, ⁴⁵N₂O ⁴⁶N₂O를 측정하는 방법 도입, 질량보존 확인
- ¹⁵NO₃^-의 탈질화로 인한 질소 유실량을 측정하는 방법을 정립
○ 목표: ¹⁵N 레이블 된 NO₃를 적용하여 DNRA 균주 성장 경쟁력 확인
- DNRA 균/탈질균/공배양균주를 통해 무기질소 및 ⁴⁴N₂O, ⁴⁵N₂O ⁴⁶N₂O를 측정
- 토양 고유의 유기탄소로는 DNRA 균주가 토양의 탈질균과 경쟁하기 힘드나 NO₃^- 의 환원을 통해 생존함을 확인
○ 목표: 토양 mesocosm 반응기를 이용한 농지의 습윤화/건조시 백그라운드 N 전환 반응 및 N₂O 발생량 측정
- 상대습도 차이로 인한 N₂O 발생량 증가 및 토양의 습윤화 시 99% 이상의 N₂O가 배출됨을 확인
- 토양의 전처리 방법에 따라 질소 전환 반응과 N₂O flux의 추이가 달라짐을 확인
○ 목표: DNRA/high-affinity N₂O 환원 균주의 bioaugmentation을 이용한 mesocosm 토양의 DNRA 반응 촉진 테스트
- 대조군 대비 DNRA 처리 조건에서는 DNRA 반응 증가와 N₂O 생성 반응이 1/2배로 일어남, NO₂^-가 검출되는 현상이 있었으나 NH₄⁺의 거동에는 차이를 발견할 수 없음을 확인
- 토양 고유의 유기질소로부터 유래된 N₂O 발생이 검출되지 않음 (대조군은 검출)
- Chemostat으로 배양한 N₂O 농화배양체를 반응기에 첨가 후 N₂O의 배출량이 대조군에 비해 저감됨을 확인
○ 목표: 미생물 연속배양기를 통한 high-affinity N₂O 환원 균주 농화배양
- >50 nM 용존 N₂O를 지속적으로 완전 환원할 수 있는 high-affinity N₂O 환원균을 chemostat에서 농화배양
- High-affinity N₂O reduction에 있어서 clade II nosZ 보유 미생물 (Dechloromonas / Azospira)의 역할증명

연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성)
○ 토양미생물의 DNRA 반응과 N₂O 환원 반응에 대한 학문적 이해의 획기적으로 증진했음
○ ISME J, ES&T, AEM, Water Research 등 분야 최고 저널에 DNRA, N₂O 환원 관련된 논문을 게재함으로써 학문적 파급효과 확산 및 국제적 위상 제고
○ 패러다임을 깨는 농지 토양에서의 N₂O 발생 mechanism 규명 가능성 제시
○ DNRA 미생물, High-affinity N₂O 환원 미생물을 활용한 실용적 바이오 기술개발의 가능성, 방향성 제시

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 4
• 가. 토양 샘플로부터 DNRA 균주 분리 방법 정립 및 생리학적 특성 파악 ... 4
• 나. N2O 환원 유전자 보유 DNRA 미생물 균주 스크리닝 ... 5
• 다. 토양 mesocosm 실험을 위한 반응기 설계 및 제작 ... 6
• 라. 전처리 습도와 환경인자가 토양의 질삼염 환원에 대한 영향 분석 ... 7
• 마. 15N 레이블 된 합성 비료를 적용하여 mesocosm의 DNRA 반응과 N2O 발생을 측정하는 방법 정립 ... 9
• 바. 15N이 레이블 된 질소화합물을 적용하여 DNRA 균주 성장 경쟁력 확인 ... 10
• 사. 토양 mesocosm 반응기를 통해 농지의 백그라운드 N 전환 반응 관찰 ... 11
• 아. 미생물 연속배양기를 통한 high-affinity N2O 환원 균주 농화배양 ... 14
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 수준 ... 17
• 1) 정성적 연구개발성과(연구개발결과) ... 17
• 2) 세부 정량적 연구개발성과 ... 17
• 3) 목표 달성 수준 ... 17
• 4) 목표 미달 시 원인 분석 ... 17
• 4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도(연구개발결과의 중요성) ... 18
• 5. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 19
• 6. 자체점검표 ... 19
• 7. 참고문헌 ... 20
• [붙임1] 세부 정량적 연구개발성과 ... 21
• [붙임2] 연구책임자 대표적 연구실적 및 증빙(요약문 및 사본) ... 23
• 끝페이지 ... 36