Denitrification causes loss of nitrogen from agricultural soils and is one of the most prominent sources of greenhouse gas ($N_2O$). pH control is key to these problems, as it is known as one of the most influential environmental parameters that determine both the fate of $NO_3^{-}$ in anoxic environments and the extent of $N_2O$ emission. In this study, Shewanella loihica strain PV-4, a proteobacterial strain capable of both denitrification and respiratory ammonification, was examined to demonstrate that simultaneous reduction of N-loss and $N_2O$ emission may be possible through pH control.
Strain PV-4 was incubated at varying pH with lactate as the electron donor and $NO_3^{-}$ and $N_2O$ as the $e^-$ acceptors. At pH 6.0, transient accumulation of $N_2O$ was observed while no $NH_4^{+}$ was produced. At pH 7.0 and 8.0, strain PV-4 served as a $N_2O$ sink, as $N_2O$ concentration decreased consistently without accumulation. Respiratory ammonification activity was up-regulated and 9.73 and 83.51 $\mu$moles $NH_4^{+}$ were recovered from reduction of $NO_3^{-}$ at pH 7.0 and pH 8.0, respectively. The results from transcription analyses using reverse transcription polymerase chain reaction targeting nrfA and nirK supported that pH regulated denitrification and respiratory ammonification at transcription level. As nosZ transcript level was higher at pH 6.0 than at pH 7.0 and 8.0, $N_2O$ accumulation at the low pH condition was not attributed to transcriptional regulation. These results with strain PV-4 suggest that $N_2O$ emission reduction and N-retention may be able to be simultaneously achieved by controlling pH of the environment.
토양 속 미생물이 수행하는 생물학적 질소순환 중 하나인 탈질 반응은 농토로부터 질소의 손실을 야기하며, 지구온난화 가스인 아산화질소($N_2O$) 를 방출시킨다. 이러한 토양의 질소 메커니즘에 영향을 주는 환경적 요인 중 가장 영향력 있는 요소는 pH이며, pH 조절로써 토양 속 질소 손실 및 $N_2O$의 생성의 문제를 해결할 수 있다. pH는 $N_2O$ 방출의 정도와 무산소환경에서의 $NO_3^{-}$ 의 환원 진행 경로를 결정한다. 이 연구에서, 탈질반응과 암모니아화반응 경로를 모두 수행할 수 있는 Shewanella loihica strain PV4는 pH 조절을 통해 질소 손실과 $N_2O$의 방출을 동시에 감소시킬 수 있는지를 설명하는데 이용되었다.
strain PV-4 는 전자수용체인 lactate와 전자 공여체인 $NO_3^{-}$ 와 $N_2O$ 를 넣은 배지의 pH를 다양하게 하여 배양되었다. pH 6.0에서는 $N_2O$ 의 일시적인 축적이 있으나, $NH_4^{+}$ 는 생성되지 않았다. 반면 pH 7과 8에서는 $N_2O$ 가 축적되는 것 없이 지속적으로 감소하였으나, pH 7에서는 $NO_3^{-}$ 가 없어진 이후로부터 암모니아가 최종적으로 9.73 $\mu$ moles, pH 8에서는 83.51 $\mu$moles 정도 더 생성되었다. 역전사 중합효소 연쇄반응을 이용하여 암모니아화 반응에 관여하는 nrfA와 탈질 반응에 관여하는 nirK 전사체를 분석한 결과, pH는 전사체 수준에서 탈질반응과 암모니아화 반응에 영향을 미친다는 것을 확인하였다. $N_2O$ 가 $N_2$ 로 환원되게 하는 유전자 nosZ의 전사체 수준은 pH 7과 8에서보다 pH 6에서 높았으므로, pH 6에서 $N_2O$ 의 일시적 축적은 전사과정의 억제 때문이 아님을 확인하였다. 이러한 결과는 strain PV-4를 이용하여 환경의 pH를 조절함으로써 $N_2O$ 방출과 토양 속 질소 손실의 감소 모두를 기대할 수 있음을 암시한다.
