Natural and engineered systems are substantial N$_2$O source, potent greenhouse gas. AOB-induced NH$_3$ oxidation is a major biological N$_2$O-genearing pathway and multiple biotic and abiotic mechanisms have been suggested to be responsible for AOB-mediated N$_2$O production. This thesis revealed the novel mechanism of enzymatic and non-enzymatic N$_2$O production from AOB-driven NH$_3$ oxidation at three different eco-systems. The first study revealed the enhancement effect of PO$_4^{3-}^-P abundance on N$_2$O yields from abiotic NH$_2$OH decomposition using biotic and abiotic lab-scale incubation and soil microcosm, which may have substantial implications to N$_2$O emissions from extracellular NH$_2$OH release by AOB-mediated NH$_3$ oxidation in PO$_4^{3-}$-rich soils (e.g. soil exposed by animal excreta). Moreover, three novel effectors were identified to have significant contribution on N$_2$O emission from oxic and anoxic tanks of activated sludge at full-scale WWTPs using random forest, which also indicated the predominant N$_2$O production from oxic unit via aerobic AOB-mediated NH$_2$OH oxidation pathway. Furthermore, considering that AOB and heterotrophic denitrifying bacteria co-thrive in PN-AMX system, we showed that the substantial impacts of interspecies interaction between AOB and heterotrophic denitrifying bacteria on the elevated N$_2$O production, where NH$_2$OH extracellularly secreted from AOB-induced NH$_3$ oxidation stimulated N$_2$O production from aerobic NO$_2^-$-mediated reduction of heterotrophic denitrifying bacteria. Overall, these findings may contribute to resolve the uncertainty unfeasible to track N$_2$O generation pathway using conventional N$_2$O-producing mechanism.
자연계와 인위계는 강력한 온실가스인 아산화질소 발생원이다. 암모니아 산화균의 암모니아 산화는 주요 생물학적 아산화질소 생성 경로로, 생물학적/비생물학적 메커니즘을 통해 아산화질소 생성에 기여한다. 본 학위는 다양한 생태계에서 암모니아 산화균의 암모니아 산화로 부터 기인되는 생물학적/비생물학적 아산화질소 발생 메커니즘 규명에 대한 연구이다. 첫번째 연구는 인산 농도가 비생물학적 히드록실아민 분해 반응을 통한 아산화질소 발생에 영향을 미칠 수 있음을 실험실 규모 및 토양 마이크로코즘 실험을 활용하여 규명하였다. 이는 인이 다량 함유된 토양에서 암모니아 산화균의 암모니아 산화를 통한 생물학적/비생물학적 아산화질소 발생 메커니즘 가능성을 제시하였다. 두번째 연구는 머신러닝 기법인 랜덤 포레스트를 이용하여 실규모 하수처리장 생물학적 반응조의 아산화질소 배출량에 영향을 미치는 주요 인자를 규명하였고, 폭기조에서 기인되는 아산화질소 배출은 암모니아 산화균의 히드록실아민 경로를 통해 생성되는 것으로 확인되었다. 세번째 연구를 통해 암모니아 산화균과 탈질균 간의 상호작용이 아산화질소 발생량을 증가시키는 현상을 발견하였고, 이는 암모니아산화균이 세포외로 배출한 히드록실아민이 탈질균의 호기적 아질산염 환원 반응을 증진시키는 메커니즘으로 해당 반응이 발생함을 규명하였다. 본 연구를 통해 규명된 생물학적/비생물학적 아산화질소 생성 메커니즘은 기존의 아산화질소 생성 경로로 추적하지 못했던 불확실성을 해결할 수 있는 중요한 역할을 할 것으로 사료된다.
