Sphingopyxis sp. MD2의 분리 및 메탄 산화 특성

Abstract

Methane (CH4) is an important greenhouse gas, contributing to global warming with the second largest portion after carbon dioxide (CO2). Its global warming potential (GWP) is 25 fold greater than that of CO2. Atmospheric methane has been increasing since the industrial revolution. There are many sources of emission of methane. Significant amounts of methane are emitted from landfills and wetlands with odor-causing volatile sulfur compounds (VSCs) which can cause various diseases. It is important to isolate and characterize novel microorganisms to degrade such methane and VSCs. In this study, Sphingopyxis sp. MD2 was isolated from soil mixture from a landfill and wetland, and oxidation ability of methane and VSCs was assessed. Then, characteristics of Sphingopyxis sp. MD2 as a methanotroph were evaluated. MD2 belongs to the order Sphingomonadales which is phylogenetically distinct from orders of known methanotrophs. Methane oxidation rate of Sphingopyxis sp. MD2 was 2,634 ± 146 µmole g-dry cell weight-1 h-1 with methane only, and 2,320 ± 96 µmole g- dry cell weight-1 h-1 with methane and dimethyl sulfide (DMS). In another experiment, it was 3,217 ± 60 or 2,043 ± 56 µmole g-dry cell weight-1 h-1 with methane with either methanethiol (MT) or hydrogensulfide (H2S) respectively. VSCs did not affect the methane oxidation rates of MD2. Additionally, MD2 degraded the VSCs by co-metabolism with methane. When CH4 was supplied as a sole carbon source, MD2 biomass increased and CO2 was produced as a final products. In addition, Sphingopyxis sp. MD2 did not lose the methane oxidation ability, even after it grew on multicarbon substrates. It was observed that growth of Sphingopyxis sp. MD2 was inhibited by allylthiourea, an inhibitor of the particulate methane monooxygenase (pMMO). At the genetic level, it was also confirmed by a PCR/sequencing method using the A189f-mb661r primer set that Sphingopyxis sp. MD2 has pMMO whose partial amino acid sequence is 98% identical to that of Methylocystis sp. 39. The result implied that the pMMO gene would be horizontally transferred from Methylocystis to MD2. These results suggest that Sphingopyxis sp. MD2 can be useful for removal of methane and VSCs as a new biological resource. It can be contributable to development of bioremediation technology.;메탄은 이산화탄소에 이어 두 번째로 지구온난화에 기여도가 높은 강력한 온실가스로, 메탄 한 분자가 일으키는 온실효과(global warming potential, GWP)는 이산화탄소(CO2) 한 분자의 25배이다. 대기 중 메탄의 농도는 산업혁명 이후 인간활동으로 인해 급격하게 증가하였고, 최근까지 계속해서 증가하고 있는 추세이다. 특히 매립지와 습지에서는 상당량의 메탄과 함께 여러 가지 질환을 일으키는 악취-휘발성 황화합물(VSCs, volatile sulfur compounds)이 배출되고 있어, 이를 생물학적으로 제거하기 위한 미생물 자원의 확보와 그 특성 연구가 중요해지고 있는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 매립지와 습지의 혼합 토양으로부터 Sphingopyxis sp. MD2를 분리하여 이 미생물 자원의 메탄 및 악취물질에 대한 동시 분해 특성을 평가하였고, 이 미생물 자원의 메탄 산화 세균으로서의 특성을 조사하였다. 매립지와 습지의 혼합 토양으로부터 분리한 Sphingopyxis sp. MD2는 지금까지 메탄 산화능이 밝혀지지 않은 Sphingomonadales 목(order)에 속하는 새로운 메탄 산화 세균이다. 이 균주의 메탄 산화속도는 2,634 ± 146 µmole g-dry cell weight-1 h-1이고, 메탄 및 황화메틸(dimethyl sulfide, DMS)을 동시에 첨가한 조건에서의 메탄 산화속도는 2,320 ± 96 µmole g-dry cell weight-1 h-1 이었다. 메탄 및 메탄티올(methanthiol, MT)과 황화수소(hydrogen sulfide, H2S)를 동시에 첨가한 조건에서의 메탄 산화속도는 각각 3,217 ± 60 µmole g-dry cell weight-1 h-1 와 2,043 ± 56 µmole g-dry cell weight-1 h-1이었다. DMS, MT 및 H2S 와 같은 황화계 악취물질이 존재하는 조건에서도 MD2 균주의 메탄 산화능은 큰 영향을 받지 않았다. 또한 MD2 균주는 메탄 공존 하에 공대사(co-metabolism)를 이용하여 황화계 악취물질을 분해할 수 있었다. Sphingopyxis sp. MD2는 메탄을 유일 탄소원으로 생장 가능하였으며, 메탄 이외의 타 유기탄소 기질에서 성장 후에도 메탄 산화능을 잃지 않았다. 메탄 산화 효소 저해제 실험과 분자생물학적 실험을 통해 일반 종속영양세균인 Sphingopyxis sp. MD2가 일반적인 메탄 산화 세균인 Methylocystis spp.로부터 horizontal gene transfer를 통하여 pmoA gene을 확보함으로써 메탄 산화능을 획득한 것으로 예측되었다. 본 연구에서 분리한 Sphingopyxis sp. MD2는 지금까지 밝혀지지 않은 새로운 메탄산화 세균으로 메탄뿐만 아니라 악취물질도 동시에 제거할 수 있는 유용한 생물학적 자원이다. 또한 MD2 균주는 복합 탄소 기질과 메탄의 이용이 모두 가능한 메탄 산화 세균으로 그 신규성과 응용성이 인정되어 앞으로 특성 연구를 통한 공학적 이용에 도움을 줄 것으로 생각된다.