도쿄대학 대학원 농학생명과학연구과 연구팀은 이미 밝혀진 유전자 염기배열정보를 수집 이용하여 아질산 환원효소 유전자를 널리 검출하기 위한 방법을 개발하였다. 그리고 이 방법을 이용하여 밭토양, 논토양, 산리모양, 호수 퇴적물에 포함된 아질산 환원효소 유전자를 해석한 결과, 모든 환경에서 지금까지 검출된 것보다 다양하고 2~6배 풍부한 아질산 환원효소 유전자(탈질미생물)가 존재하고 있다는 것을 밝혀내었다.

자연생태계 및 농경지로부터의 질소 손실 및 배수처리계에서 질소제거는 주로 미생물에 의한 탈질작용에 의한 것이다. 때문에 탈질 미생물의 분포 및 생리, 생태는 자연과학뿐만 아니라 농업 및 산업분야에서도 많은 주목을 받고 있다. 또한 탈질과정에서 생성되는 아산화질소는 강력한 온실가스이며, 오존층 파괴작용도 크기 때문에 최근에는 환경분야에서 널리 주목 받고 있다.

환경 중에서의 탈질 미생물의 분포 및 거동은 환경 중에서 탈질에 필수적인 유전자인 아질산 환원효소 유전자를 검출하고 유전자 정량 및 염기배열 정보를 얻어 파악되었기 때문에 많은 연구자가 동일한 방법으로 연구하고 있다. 그러나 탈질 미생물의 게놈 해석 결과, 종래의 방법에서는 일부 아질산 환원 효소 유전자만 검출되었다는 것을 알았다. 이것은 많는 탈질 미생물이 해석 대상이 되지 않았다는 것을 의미한다. 그리고 탈질 미생물의 거동에서 실제 탈질 및 아산화질소 생성현상을 충분히 설명할 수 없는 상황이 발생한다. 또한 최근 아산화질소 생성을 탈질 미생물의 거동을 제어함으로써 억제하는 시도가 수행되었지만, 이러한 시도가 불완전하게 되는 상황도 예상되었다.

그래서 연구팀은 이미 밝혀진 유전자 염기배열 정보를 수집, 이용하여 아질산 환원효소 유전자를 PCR법에 의해 널리 검출하기 위한 방법을 개발하였다. 그리고 이 방법을 이용하여 환경 중 탈질미생물의 분포, 계통, 존재량을 조사하기 위해 밭토양, 논토양, 산림토양, 호수 퇴적물로부터 미생물 DNA를 취득하고 그곳에 포함된 아질산 환원효소 유전자를 염기배열 해독 및 정량 PCR법에 의해 해석하였다.

그 결과, 모든 환경에서 지금까지 검출된 것보다 다양하고 2~6배 풍부한 아질산 환원효소 유전자가 존재한다는 것을 규명하였다. 그리고 본 연구에서 새롭게 검출된 아질산 환원효소 유전자가 아산화질소를 활발하게 방출하고 있는 농경지 토양에서 전사발현하고 있다는 것을 확인하였다. 그리고 농경지 토양에서 분리한 다수의 탈질 미생물의 생리시험과 유전자 해석 결과를 함께 이번에 새롭게 검출한 아질산 환원효소 유전자를 가진 미생물의 대부분은 농경지 토양에서 탈질의 최종생성물로서 아산화질소를 생성하고 있을 가능성이 높다는 나타내었다.

본 연구에서 개발한 방법은 앞으로 많은 연구에서 이용되고, 환경 중 탈질에 관한 연구에 크게 공헌할 가능성이 있다. 또한 환경 중에서 아산화질소의 생성 및 탈질의 의한 정확한 추정 및 아산화질소 생성억제기술의 개발에 크게 공헌할 것으로 기대된다.

그림 1. 밭토양에서의 탈질 모식도
그림 2. 본 연구의 방법에 의해 새롭게 검출한 아질산 환원효소 유전자(좌)와 종래 방법에 서 검출된 아질산 환원효소 유전자의 계통과 그것을 보유한 미생물 분류군
그림 3. 육역 환경 중의 본 연구방법에 의해 검출된 아질산 환원효소 유전자와 종래 방법으로 검출된 아질산 환원효소 유전자 수

 

[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2015년 3월 17일]