Dissimilatory nitrate/nitrite reduction to ammonium (DNRA) has recently gained attention as a nitrogen dissimilation pathway that may potentially be harnessed to alleviate nitrogen loss resulting from denitrification. Physiological characteristics of DNRA-catalyzing bacteria inhabiting agricultural soils remains largely unexplored, as DNRA is outcompeted by denitrification in the enrichment process with $NO_3^-$ amendments and thus, targeted enrichment or isolation of DNRA-catalyzing microorganisms was simply not possible. Using a simple high-throughput DNRA screening method, we have successfully screened more than 200 microbial isolates capable of dissimilatory ammonification from denitrification-dominant agricultural soils. Ammonification reactions of six isolates, each affiliated to a different genus, were examined. All isolates carried either nrfA or nirB, and the isolate affiliated to the Bacillus genus possessed clade II nosZ genes and was capable of $NO_2$ reduction. The common prominent physiological feature of isolated DNRA bacteria was $NO_2^-$ accumulation observed before $NH_4^+$ production, which was further examined with Citrobacter sp. (nrfA) and Enterobacter sp. (nirB). In both organisms,$NO_2^-$-to-$NH_4^+$ reduction activity was inhibited by the presence of $NO_3^-$, and nrfA or nirB transcription was down-regulated when $NO_3^-$ was being reduced to $NO_2^-$. Incubations of these two isolates with excess of organic electron donors produced $NH_4^+$ from reduction of $NO_3^-$; however, incubation with excess $NO_3^-$ resulted in buildup of $NO_2^-$ but not $NH_4^+$. These observations, at least in part, explain why DNRA pathway is favored in environments with high C/N ratios and anoxic batch $NO_3^-$ enrichment always results in denitrification-dominant cultures.
최근 DNRA (Dissimilatory nitrate/nitrite reduction to ammonium)가 토양에서 발생하는 탈질화로 인한 질소의 손실을 경감시키기 위해 잠재적으로 이용 될 수 있는 미생물에 의한 질산염($NO_3 ^-$) 환원 반응으로 주목을 받고있다. 대부분의 경우 질산염이 공급된 배양액에서 탈질 미생물들에 의한 탈질화가 DNRA 미생물들의 활성을 압도하였고, 이로 인해 DNRA 반응 경로를 보유한 미생물을 대상으로 하는 미생물학적 분리에 대한 시도는 난항(難航)을 겪고 있었다. 따라서 농업 토양에 존재하는 다양한 토착 DNRA 미생물들의 생리학적 특성에 대한 활발한 연구가 지금까지 진행되지 못한 실정이었다. 이 연구에서 DNRA 미생물들을 대상으로 하는 간단한 대용량 고속 분리법을 개발하였고, 이를 활용하여 탈질화가 우세한 농업 토양에서 질산염으로부터 암모니아를 생산할 수 있는 미생물 균주들을 성공적으로 분리하였고, 각각 다른 속(屬)으로 분류되는 6종의 분리 균주에 대한 질산염 암모니아화 반응을 상세하게 연구하였다. 그 결과 모든 분리 균주들은 아질산염($NO_2^-$)-암모니아 환원효소를 암호화하는 nrfA 또는 nirB 유전자를 보유하고 있었다. 또한 Bacillus 속에 해당되는 분리 균주들은 clade II nosZ 유전자의 보유가 확인되었으며, 아산화질소($N_2O$)의 환원이 가능 하였다. 분리된 DNRA 미생물들로부터 확인된 주목할만한 일반적인 생리학적 특징으로 암모니아($NH_4^+$)의 생성 전에 관찰된 아질산염($NO_2^-$)의 축적이었고, Citrobacter sp. (nrfA) 및 Enterobacter sp. (nirB)에 대한 자세한 연구를 통해 그 원인을 밝히고자 하였다. 두 균주 모두에게서, 질산염의 존재에 의해 아질산염의 암모니아 로의 환원에 대한 활성이 억제되었고, 질산염이 아질산염으로 환원될 때 nrfA 또는 nirB의 전사(轉寫)가 하향 조절됨을 확인하였다. 이들 균주를 과량의 유기 전자 공여체와 함께 배양하였을 때 질산염의 환원으로부터 암모니아의 생성을 관찰하였다. 그러나 과량의 아질산염이 첨가된 균주 배양에서는 아질산염이 축적되는 반면에 암모니아는 생성되지 않았다. 이러한 실험결과들은 적어도 부분적으로 질소에 대한 탄소의 비율이 높은 실제 환경조건에서 DNRA가 탈질반응에 비해 선호되는 현상과 질산염이 공급되는 무산소 조건의 회분식 반응조에서 항상 탈질화가 우세한 결과를 얻는 것에 대한 최근 연구 결과들에 대한 이유를 제공한다.
