유류오염토양의 rhizoremediation과정에서 N2O 배출에 미치는 Pseudomonas sp.의 접종 효과

Abstract

기후변화 대응 및 완화를 위해 토양정화기술 개발에 있어 오염물 제거 효율뿐 아니라 아산화질소(N2O) 배출을 최소화할 수 있는 rhizoremediation 기술에 대한 요구가 증대되고 있다. 이에 따라 본 연구는 옥수수 및 톨페스큐 근권토양에서 높은 N2O 환원능을 가지는 순수 균주인 Pseudomonas sp. M23과 Pseudomonas sp. TF716을 각각 분리 및 동정하고 이 두 균주를 각각 유류오염토양에 접종시켰을 때 rhizoremdiation 과정에서 발생하는 N2O 배출에 미치는 효과를 조사하였다. Lab scale에서 N2O 환원 균주의 순수분리 및 특성 조사 실험을 수행하였다. 옥수수 근권토양으로부터 N2O 환원세균인 M23을, 톨페스큐 근권 토양으로부터 N2O 환원세균인 TF716을 분리하였다. 분리된 균주의 N2O 환원특성과 함께 균주의 N2O 환원능에 미치는 디젤 농도와 뿌리삼출물의 영향에 대해 평가하였다. 단일 균주 M23과 TF716의 최대 N2O 환원속도는 각각 15.60 mmol∙g-dry cell-1∙h-1 ,9.43 mmol∙g-dry cell-1∙h-1 으로 이전 연구에서 발표된 다른 N2O 환원 균주들보다 높은 N2O 환원속도를 보였다. 두 균주의 N2O 환원능 모두 높은 디젤 농도에서 저해를 받지 않았다. M23은 디젤 농도가 20,000 mg∙kg-1 까지 ,TF716은 디젤 농도가 3,000 mg∙kg-1 까지 저해를 받지 않았다. 각 균주들의 잠재 N2O 환원능에 미치는 뿌리 삼출물 영향을 분석한 결과. M23과 TF716 모두 옥수수와 톨페스큐의 뿌리 삼출물에 의해 N2O 환원 활성이 촉진되었다. 59일간 옥상에서 진행된 화분 토양 실험에서는 옥수수 식재, 톨페스큐 식재의 두 가지 식물 조건과 균 접종 안함, M23 접종, TF716 접종의 세 가지 균주 접종 조건의 2x3 요인설계 실험을 수행하였다. 식물 식재 조건과 균주 접종 조건이 미생물 군집구조, N2O 환원에 관여하는 기능성 유전자인 nosZ 유전자의 거동, 잠재 N2O 환원능에 미치는 영향을 평가하였다. 미생물 군집구조 분석결과, Pseudomonas 속의 상대적 종 풍부도는 식물 식재에 따른 차이에서는 톨페스큐를 식재한 토양에서, 균 접종에 따른 차이에서는 TF716을 접종한 토양에서 다른 조건들보다 뚜렷하게 높은 우점도를 보였다. nosZ 유전자의 거동은 모든 조건의 토양에서 전체적으로 시간이 갈수록 증가하였지만, 40일 이후부터 Tall fescue를 식재하고 TF716을 접종한 토양의 경우 nosZ의 상대적 gene copy number가 같은 토양 채취 날짜의 다른 조건들보다 낮게 나타났다. 토양의 잠재 N2O 환원능은 식물 식재에 따른 차이에서는 톨페스큐를 식재한 토양, 옥수수를 식재한 토양 순으로 높았고, 균주 접종에 따른 차이에서는 TF716 접종, M23 접종, 균 접종 안함 조건의 순으로 높았다. 더하여, 토양의 잠재 N2O 환원능은 시간이 갈수록 모든 조건에서 감소하였다. Pseudomonas 속의 우점도와 nosZ 유전자의 거동, 토양의 잠재 N2O 환원능을 종합적으로 보았을 때, 토양의 잠재 N2O 환원능은 nosZ 유전자보다 Pseudononas 속의 우점도에 영향을 크게 받았다. 59일간 진행된 화분 토양 실험에서는 옥수수 식재, 톨페스큐 식재의 두 가지 식물 조건과 균 접종 안함, M23 접종, TF716 접종의 세 가지 균주 접종 조건이 rhizoremediation 효율, 식물생장에 미치는 영향을 평가하였다. 조건별 디젤 제거효율의 차이는 크지 않았으며, TF716을 접종한 토양이 다른 조건들보다 제거율이 낮게 나타났으나 그 차이는 크지 않았다. 뿌리 생장은 균을 접종한 조건에서 더 높은 활성을 보였지만, 그 차이는 크지 않았다. 옥수수 뿌리 생장의 경우, TF716을 접종한 조건, M23을 접종한 조건, 균 접종 안 한 조건 순으로 건조 뿌리 무게가 무겁게 나타났으며 TF716의 접종한 조건이 다른 두 조건과 통계적으로 유의한 차이를 보였다. 톨페스큐 뿌리 생장의 경우, M23을 접종한 조건, TF716을 접종한 조건, 균 접종 안 한 조건 순으로 건조 뿌리 무게가 무겁게 나타났으나 각 조건별 통계적으로 유의한 차이가 없었다. 본 연구에서 M23과 TF716은 고농도의 디젤로 오염된 환경에 높은 저항성을 보였으며, 토양의 잠재 N2O 환원능과 식물의 뿌리 생장을 향상시켰다. 특히, TF716을 접종하고 톨페스큐를 식재한 토양의 Pseudomonas 속의 우점도와 토양의 잠재 N2O 환원능은 다른 조건들과 비교하여 뚜렷히 높은 결과를 보였다. 이러한 결과는 본 연구에서 분리한 Pseudomonas sp. M23과 Pseudomonas sp. TF716을 유류 오염정화과정에서 온실기체인 N2O 배출량을 저감하는데 활용 가능함을 시사한다.;In order to cope with and mitigate climate change, the demand for the rhizoremediation technology that can increase the pollutant removal efficiency and reduce N2O emission is increasing. This study was conducted to investigate the effects of inoculation Pseudomonas sp. M23 isolated from maize root enrichment and Pseudomonas sp. TF716 isolated from tall fescue root enrichment on the emission of N2O during rhizoremdiation of diesel-contaminated soil. The characteristics of N2O reducing bacteria was estimated by Lab-scale experiment. Pseudomonas sp. M23 was isolated as N2O-reducing bacteria from rhizosphere soil of maize and Pseudomonas sp. TF716 was isolated as N2O-reducing bacteria from rhizosphere soil of tall fescue. These bacteria’s N2O-reducing characteristics were observed. The maximum N2O reduction rate of M23 and TF716 was 15.60 mmol∙g-dry cell-1 ∙h-1,9.43 mmol∙g-dry cell-1 ∙h-1 respectively, which was higher than other N2O reducing bacteria. Both strains were not inhibited by high diesel concentrations. The M23 was not inhibited by diesel concentration up to 20,000 mg∙kg-1and the TF716 was not inhibited by diesel concentration up to 3,000mg∙kg-1. The effect of root exudates on the potential N2O reduction ability of each strain was analyzed. Both M23 and TF716’s potential N2O reduction ability were promoted by the root exudate of maize and tall fescue. In the 59 day soil experiment, two effects of plant conditions (maize planting, tall fescue planting)and three strain inoculation conditions (no bacteria inoculation, M23 inoculation on soil, TF716 inoculation on soil) on the soil microbial community structure, the performance of nosZ gene, and the potential soil N2O reduction ability were evaluated. As a result of the microbial community analysis, the relative species abundance of Pseudomonas was significantly higher in soils planted with tall fescue and in soils inoculated with TF716 than other conditions in the difference according to bacterial inoculation. The performnace of nosZ gene was increased over time in all soil conditions, but in soils planted with Tall fescue after 40 days and inoculated with TF716, the relative gene copy number of nosZ was lower than other conditions. The potential N2O reduction ability of soil was higher in order of soil planted with tall fescue and soil planted with maize in the plant planting conditions, and the difference according to the strain inoculation was higher in order of TF716 inoculation, M23 inoculation, and no inoculation condition. In addition, the potential N2O reducing activity of soil decreased in all conditions over time. Thus, the potential N2O reduction of soil was significantly influenced by the dominance of Pseudomonas than the performance of nosZ gene. In the 59 day soil experiment, two effects of plant conditions (maize planting, tall fescue planting) and three strain inoculation conditions (no bacteria inoculation, M23 inoculation on soil, TF716 inoculation on soil) on the rhizoremediation efficiency and plant growth were evaluated. The difference in diesel removal efficiency by conditions was not significant, and the soil inoculated with TF716 showed lower removal rate than other conditions, but the difference was not significant. Root growth was more active in the inoculated conditions, but the difference was not significant. In the case of maize root growth, the weight of dry roots was heavier in the order of TF716 inoculation, M23 inoculation, and no inoculation of bacteria, and the TF716 inoculation’s root weght was statistically significant difference from the other two conditions. In the case of tall fescue root growth, the weight of dry roots was heavier in the order of M23 inoculation, TF716 inoculation, and no inoculation. However, there was no statistically significant difference in each condition In this study, M23 and TF716 showed high resistance to contaminated environment with high concentration of diesel, and improved the potential N2O reducing ability of soil and root growth of plants. In particular, the dominance of Pseudomonas and the potential N2O reducing ability in soils inoculated with TF716 and planted with tall fescue were significantly higher than other conditions. These results suggest that M23 and TF716 can be used effectively to reduce N2O emissions during rhizoremediation of oil-contaminated soil.