The biological activity-induced emissions of nitrous oxide (N$_2$O) have a significant impact on the acceleration of global warming, making research on this topic essential. Wastewater treatment plants (WWTPs), which are directly impacted by external temperature variations, are recognized as major sources of anthropogenic N$_2$O due to the continuous influx of nitrogen compounds. However, the microbial perspective regarding the temperature-dependent mechanisms of N$_2$O generation in these treatment plants remains largely unknown. Moreover, the significance of studying N$_2$O production through nitrification, which accounts for a higher proportion of N$_2$O emissions than denitrification, is underscored by the incomplete understanding of the N$_2$O generation mechanism during nitrification. Therefore, this study aimed to analyze the N$_2$O emissions resulting from nitrification at different temperature within the biological nitrogen removal (BNR) system in a WWTP. (1) The activated sludge samples from an oxic tank were inoculated and subsequently cultured at 15℃ and 25℃, which are the range of nitrification optimal temperature and the WWTP temperature. The results revealed significantly higher N$_2$O emissions at 25℃ when an equal amount of ammonium was oxidized (p < 0.05). (2) To gain deeper insights into the temperature-dependent differences in N$_2$O emissions at 15℃ and 25℃ from a kinetic perspective, the chloramphenicol-treated sludge samples were injected with 50 µmol of NH4$^+$ and reacted at the temperature of wastewater. Consequently, the subtle positive correlations were observed between the NH4$^+$ oxidation rate with respect to temperature (N$_2$O: R = 0.47, p = 0.078; NH4$^+$: R = 0.53, p = 0.042). (3) Microbial community analysis was performed over reaction time to investigate the causes of temperature-dependent differences in N$_2$O emissions using the nitrifier target cultured samples. Identified nitrifiers belonged to the genera Nitrospira and Nitrosomonas. While no significant differences were observed in the overall microbial community composition between two temperature conditions (diversity: p = 0.79; evenness: p = 0.96), analysis of the relative abundance of nitrifiers based on ASVs using NMDS plots revealed significant clustering changes of nitrifying bacteria at 25℃ compared to 15℃ (stress < 0.2). Based on these findings, this study suggests that temperature control corresponding to seasonal and climatic variations should be implemented in WWTPs to mitigate excessive N$_2$O emissions resulting from biological activity.
생물학적 반응으로 인한 아산화질소(N$_2$O) 발생은 지구온난화의 가속화에 영향을 미치고 있으므로 이에 대한 연구는 필수적이다. 외부 온도 변화에 직접적으로 영향을 받는 하수처리장은 항시적으로 고농도의 질소가 유입되어 N$_2$O의 주요 발생지로 알려져 있다. 그러나 하수처리장에서 발생하는 N$_2$O의 온도에 따른 생성 메커니즘에 대한 미생물학적인 관점의 분석은 아직 많이 알려져 있지 않다. 또한, 생성되는 N$_2$O은 탈질 반응 보다는 질산화 반응에서 더 많이 유래되며, 질산화에 대한 N$_2$O 발생 메커니즘이 완전히 밝혀지지 않았기 때문에 연구가치가 충분하다. 따라서 본 연구에서는 하수처리장 내의 생물학적 질소 제거 공정에서 절기 및 온도에 따른 질산화에 의한 N$_2$O 발생량을 분석하였다. (1) 하수 샘플을 인공 배지에 접종한 후 질산화의 최적 온도 범위이자 하수처리수의 최저, 최고온도인 15도, 25도에서 질산화균을 선택적으로 배양하였다. 그 결과, 동일한 양의 암모늄이 산화될 때 25도에서 유의미하게 더 많은 N$_2$O가 발생됨을 확인하였다(p < 0.05). (2) 15도, 25도에서의 N$_2$O 발생량 차이를 보다 심층적으로 반응속도론 관점으로 분석하기 위해 chloramphenicol으로 처리된 하수 샘플에 50 µmol의 NH4$^+$을 주입하여 하수처리수의 온도에서 반응하였다. 결과적으로 NH4$^+$ 소비속도가 온도에 대해 미세한 정적 상관을 가짐을 확인하였다(N$_2$O : R = 0.47, p = 0.078; NH4$^+$: R = 0.53, p = 0.042). (3) 인공배지에 선택적으로 배양된 샘플에서 시간에 따른 미생물 군집을 분석하여 온도에 따른 N$_2$O 발생량의 차이 원인을 분석하였다. 확인된 질산화균은 Nitrospira와 Nitrosomonas 속이었다. 두 온도에서 전체적인 미생물 군집은 차이가 없었으나(diversity: p = 0.79; evenness: p = 0.96), 질산화균의 ASVs의 상대적 풍부도 정보만을 고려하여 NMDS plots을 얻은 결과 25도에서 질산화균의 군집 변화가 더 많이 일어났으며 두 온도 간에 유의미한 차이가 있음을 확인하였다(stress < 0.2). 이러한 결과들을 통해 본 연구는 하수처리장에서 생물학적 반응에 의한 과도한 N$_2$O 발생을 방지하기 위해 계절 및 기후 변화에 따라 변화하는 온도를 조절해야 함을 제안한다.
