Whether eco- or engineered systems act as sources or sinks of $N_2O$ is determined by the net of $N_2O$ production and reduction rate of the systems. The biological $N_2O$ reduction is mediated by the enzyme nitrous oxide reductase (NosZ) expressed by $N_2O$ reducing organisms, and $N_2O$ sink capacity of the systems is governed by the $N_2O$ reducing population and the behaviors of $N_2O$ reducing organisms under specific niches. Thus, attempts have been made to investigate the distribution of $nosZ$ to predict $N_2O$ sink potential of the systems. Moreover, physiological studies of $N_2O$ reducing organisms have been performed to identify $N_2O$ reducing organisms having high affinity for $N_2O$. The previous results suggested the activity of $N_2O$ reduction would be not just distinguished by clade types of $nosZ$, raising a necessity for subdivided quantification of $nosZ$. In the first research topic of the thesis, the primer and probe sets for qPCR assays were designed to target $nosZ$ group-specifically, and the performance was validated with the metagenome analysis performed in parallel. $nosZ$ genes and transcripts in activated sludge microbiome were investigated using the qPCR assays, and $nosZ$ belonged to NosZG3 (Flavobacterium-like) and NosZG5 (Dechloromonas-like) showed high abundance and expression.
In the second research topic, activated sludge was incubated in chemostat reactor with extremely low $N_2O$ flux, and the genomic and transcriptomic analysis were performed on the final enrichment to identify high affinity $N_2O$ reducers capable of reducing $N_2O$ at extremely low concentration. Unexpected oxygen contamination into the reactor was observed providing a serendipitous opportunity to simulate more a realistic anoxic environment, where trace oxygen continuously seeps in. The results suggested $N_2O$ reducing organisms with $nosZ$ of NosZG5 showed the most active $N_2O$ reduction activities under such circumstances while $N_2O$ reducing organisms with $nosZ$ of NosZG2 preferably utilized trace $O_2$ as an electron acceptor.
환경 또는 공학적 시스템이 $N_2O$의 발생 또는 저감원으로서 역할을 하는지 여부는 시스템의 $N_2O$생산 및 감소율에 따라 결정된다. 생물학적 $N_2O$ 환원은 $N_2O$ 환원 균주에 의해 발현되는 아산화질소 환원 효소 (NosZ)에 의해 매개되며, 시스템의 $N_2O$ 저감 용량은 $N_2O$ 환원 균주의 풍부도 및 특정 조건에서의 $N_2O$ 환원 균주의 거동에 의해 결정된다. 따라서 시스템의 $N_2O$ 저감 가능성을 예측하기 위해 $nosZ$ 분포 조사가 시도된 바 있다. 또한, $N_2O$ 에 대한 친화도가 높은 $N_2O$ 환원 균주를 식별하기 위해 $N_2O$ 환원 균주에 대한 생리학적 연구가 수행되어 왔다. 이전 결과는 $N_2O$ 환원의 활성도는 단순한 $nosZ$의 유형으로는 구분되지 않을 것임을 제안하였으며, 보다 세분화된 $nosZ$ 정량화의 필요성을 제기하였다. 본 논문의 첫 번째 연구 주제에서는qPCR을 통해 $nosZ$를 그룹 특이적으로 타겟하는 프라이머와 프로브 세트를 설계했으며, 병렬로 수행된 메타지놈 분석으로 이의 성능을 검증하였다. 활성 슬러지 내 미생물군집의 $nosZ$ 유전자 및 전사체를 qPCR assay을 통해 조사한 결과 NosZG3 ($Flavobacterium$-like)와 NosZG5 ($Dechloromonas$-like)에 속하는 $nosZ$가 높은 풍부도와 발현을 보인 것을 확인할 수 있었다.
두 번째 연구 주제에서는 활성 슬러지를 극도로 낮은 $N_2O$를 공급하며 연속 배양 반응기에서 배양하였으며 최종 배양물에 대한 유전체 및 전사체 분석을 수행하여 극도로 낮은 농도에서 $N_2O$를 환원할 수 있는 높은 친화성의 $N_2O$ 환원 균주를 밝혀내었다. 혐기 조건을 모사하였음에도 불구, 예상치 못한 산소 침투가 발견되었고 이를 통해 미량의 산소가 지속적으로 공급이 된다는 점에서 보다 현실과 가까운 조건을 모사할 수 있었다. 분석 결과, NosZG5의 $nosZ$를 갖는 $N_2O$ 환원 균주가 이러한 조건에서 가장 활발한 $N_2O$ 환원 반응을 보였고 NosZG2의 $nosZ$를 갖는 $N_2O$ 환원 균주의 경우 미량의 산소를 전자수용체로 활용하며 호흡을 함을 확인하였다.
