해안 퇴적물의 황산염 및 질산염 동시 감소

ISME 커뮤니케이션 3권, 기사 번호: 17(2023) 이 기사 인용

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해안 모래 퇴적물의 특징인 진동 산화환원 조건은 산소와 질산염을 동시에 호흡할 수 있는 미생물 군집을 육성하여 유기물의 재광화, 질소(N) 손실 및 온실가스 아산화질소 배출 가능성을 증가시킵니다. 이러한 조건이 질산염 호흡과 황산염 호흡 사이의 중첩을 어느 정도까지 초래하는지는 알려져 있지 않습니다. 여기서 우리는 조간대 모래 평지의 표면 퇴적물에서 황산염과 질산염 호흡이 동시에 발생한다는 것을 보여줍니다. 또한, 우리는 DNRA(이화성 아질산염의 암모늄으로의 환원)와 황산염 감소율 사이에 강한 상관관계가 있음을 발견했습니다. 지금까지 질소와 황의 순환은 주로 질산염을 환원하는 황화물 산화제의 활동에 의해 해양 퇴적물에서 연결되어 있다고 가정되었습니다. 그러나 전사체 분석에 따르면 DNRA의 기능적 표지 유전자(nrfA)는 황화물을 산화시키기보다는 황산염을 감소시키는 것으로 알려진 미생물과 더 관련이 있는 것으로 나타났습니다. 우리의 결과는 조석 범람 시 퇴적물 군집에 질산염이 공급되면 황산염 환원 군집의 일부가 호흡 전략을 DNRA로 전환할 수 있음을 시사합니다. 따라서 현장에서 황산염 감소 속도가 증가하면 DNRA가 향상되고 탈질 속도가 감소할 수 있습니다. 흥미롭게도 탈질화에서 DNRA로의 전환은 탈질화 공동체에서 생산되는 N2O의 양에 영향을 미치지 않았습니다. 우리의 결과는 고전적으로 황산염 환원제로 간주되는 미생물이 산화 환원 조건이 진동할 때 해안 퇴적물 내의 DNRA에 대한 잠재력을 제어하여 탈질에 의해 제거되어 부영양화를 악화시키는 암모늄을 유지한다는 것을 의미합니다.

해안선 주변의 투과성 모래 퇴적물은 유기 탄소를 재석회화하고 탈질소화를 통해 고정 질소를 제거하는 매우 효과적인 생체촉매 필터 역할을 합니다[1,2,3,4,5]. 투과성 퇴적물에서 생지화학적 변형을 촉매하는 미생물 군집은 전자 수용체 공급에서 빈번한 진동을 겪으며, 산소와 질산염이 퇴적물에 침투하는 깊이는 몇 분 안에 바뀔 수 있습니다 [6,7,8,9,10]. 이러한 진동은 조류, 파도, 모래층 표면의 모양, 생물 교란 및 생물 관개의 변화로 인한 간극수 이류의 변화로 인해 발생합니다[4, 11, 12]. 더 긴 시간 규모에서 높은 해류와 폭풍우 현상은 모래 퇴적물을 동원하여 모래 알갱이와 모래 알갱이에 부착된 미생물을 퇴적층 사이에 재분배합니다[13,14,15,16,17].

투과성 퇴적물 내의 많은 미생물은 진동하는 호기 및 무산소 조건에 적응한 것으로 보입니다[18]. 이러한 적응에는 질산염 제거뿐만 아니라 상당한 아산화질소 배출을 초래하는 탈질 과정과 관련된 유기체의 대사 전문화가 포함됩니다[19, 20]. 더욱이, 산화환원 조건과 전자 수용체 가용성의 급격한 변화로 인해 미생물은 말단 산화효소와 N-환원효소를 동시에 사용하게 됩니다. 이로 인해 확산이 제한된 퇴적물에서 일반적으로 공간적 또는 시간적으로 분리되는 탈질화 및 호기성 호흡 과정이 동시에 발생합니다 [10, 18, 19]. 잠재적으로, 황산염 환원과 질산염 환원은 질산염이 간헐적으로 공급되는 표층 퇴적물에서 동시에 일어날 수도 있고[21] 심지어 황산염 환원과 산소 호흡도 일어날 수 있습니다. 그러나 투과성 퇴적물에서 동시 황산염 환원과 질산염 환원 경로 사이의 잠재적 상호 작용은 아직 탐구되지 않은 상태로 남아 있습니다.

일반적으로 해양 퇴적물에 있는 미생물은 주로 감소하는 에너지 수율에 따라 깊이에 따라 서로 다른 전자 수용체를 사용하며, 이는 종종 질산염 환원과 황산염 환원의 명백한 공간 분리로 이어집니다[22,23,24]. 이러한 분리는 경쟁적 배제에 의해 유지될 가능성이 높으며, N-환원자는 기증된 전자당 더 많은 에너지를 보존하기 때문에 황산염 환원제보다 경쟁적입니다 [24,25,26,27]. 또한, 모래의 대사 특화로 인해 발생하는 것으로 관찰된 아질산염 축적은 황산염 환원에 중요한 효소인 황산염 환원효소를 경쟁적으로 억제할 수도 있습니다[28, 29]. 그럼에도 불구하고 황산염 감소와 탈질화는 미생물 활동을 통해 연결될 수 있습니다[22]. 예를 들어, 미생물은 이동[30] 또는 전기발생적 필리(pili)를 통해 황화물과 질산염이 풍부한 퇴적물 사이의 거리를 연결하고 질산염 환원과 결합된 황화물 산화를 수행할 수 있습니다[31, 32]. 따라서 질산염 환원이 완전한 황화물 산화와 결합되면 황산염 환원이 과소평가될 수 있습니다[33,34,35,36].