농경지 질소 순환 관련 미생물 활성과 토양의 물리화학적 특성과의 상관성

Abstract

아산화질소는 이산화탄소에 비해 GWP (global warming potential)이 300배에 달하는 강력한 온실가스이다. 아산화질소의 주요 발생 원인인 농업 활동에 의한 온실효과 영향은 전세계적으로 지속 증가할 것으로 예측된다. 선행연구에 따르면 질소 순환과 연관된 미생물 활성은 농업활동에 의한 아산화질소 배출에 영향을 미치는 주요인자이다. 따라서 온실가스 저감을 위한 아산화질소 배출량 조절을 위해서는 질소 순환과 연관된 미생물 활성과 미생물 활성에 영향을 미치는 요인들에 대한 연구가 필요하다. 본 연구에서는 대한민국 소재 농경지 토양을 대상으로 토양의 물리화학적 특성과 질소 순환 관련 기능성 유전자의 상관관계를 통계학적으로 분석하였다. 연구 대상으로는 화학 질소 비료를 시비하는 농경지 13개소와 자연 퇴비만을 시비하는 농경지 3개소를 선정하였다. 토양의 물리화학적 특성 분석 대상으로 토양 고유의 물리화학적 특성인 토성, 수소이온농도(pH), 공극률, 수분함량을 설정하였으며, 질소 비료와 질소 순환에 관여하는 물질인 유기물함량, 전질소(T-P), 질산성질소(NO3-N), 암모니아성질소(NH4+-N), CN비(C:N ratio)를 설정하였다. 질소 순환 관련 기능성 유전자로 질산화균 연관 효소를 encoding하는 AOA, AOB, hao gene과 탈질화균 연관 효소를 encoding하는 narG, nirK, cnorB, qnorB, nosZ gene을 선정하여 정량적 PCR 방법으로 분석을 수행하였다. 토양의 물리화학적 특성, 질소 순환 관련 기능성 유전자 정량 분석 결과 자연 퇴비만 시비한 토양 그룹에서 화학 질소 비료를 시비한 토양 그룹과 비교하여 전질소 함량이 유의하게 낮게 나타나거나 유기물 함량이 높게 나타나지 않았으나, CANOCO 4.5 소프트웨어를 통한 정준상관분석(CCA) 결과 자연 퇴비만 시비한 토양 그룹의 토양은 공통적으로 토양의 물리화학적 특성 중 전질소 함량이나 유기물 함량의 영향을 가장 많이 받는 것을 확인하였다. 질소 순환 관련 기능성 유전자와 토양의 물리화학적 특성을 IBM SPSS Statistics 프로그램을 통해 편최소제곱 회귀분석(PLSR)을 수행한 결과 모든 질소 순환 관련 기능성 유전자가 토양의 물리화학적 특성과 고유의 상관관계를 가지고 있는 것을 확인하였다. 토양의 물리화학적 특성과 질소 순환 관련 기능성 유전자 상호 간의 복합적인 상관관계를 eLSA (Latent Symantic Analysis, LSA)를 통해 통계학적으로 분석한 결과 암모니아산화 기능성 유전자와 수소이온농도가 음의 상관관계를 보였으며, 암모니아산화 기능성 유전자 중 고세균과 관련된 유전자가 세균 관련 유전자 보다 수소이온농도와 더 뚜렷한 음의 상관관계를 나타냈다. 이는 암모니아산화고세균이 암모니아산화세균 보다 산성화 토양에서의 활성이 더 크다는 것을 의미한다. 질산화균 관련 기능성 유전자 AOA, AOB, hao이 전질소 함량과 양의 상관관계를, 유기물함량 및 CN비와는 음의 상관관계를 나타냈다. 이는 토양의 전질소 함량이 증가할수록 질산화균의 활성이 높아져 질소 순환 과정이 촉진된다는 것을 의미한다. 또한 탈질화균 관련 기능성 유전자 nirK, cnorB 역시 전질소 함량과 양의 상관관계를 보여 전질소 함량이 일부 탈질화균의 활성을 높여 탈질화 과정을 촉진시킨다는 것을 보여주었다. 본 연구 결과는 전질소 함량을 증가시키는 질소 비료 첨가가 질소 순환을 활성화시킨다는 선행연구 결과가 대한민국 농경지 토양에서도 적용됨을 검증하였다. 특히, 인공적으로 합성한 화학 질소 비료뿐만 아니라 토양의 질소 함량을 증가시키는 질소 성분을 포함한 자연 퇴비도 질소 순환 활성화에 기여하여 아산화질소 배출에 영향을 미친다는 사실을 확인하였다. 또한 본 연구 결과는 질산화, 탈질화에 관여하는 다수의 기능성 유전자들이 CN비와 음의 상관관계를 보이는 반면, 아산화질소를 질소 가스 형태로 변환시키는 과정에 관여하는 기능성 유전자 nosZ와 CN비는 양의 상관관계를 보여 토양 유기물 함량이 증가할수록 질소 순환 활성이 증가한다는 상관성을 보여주었다. 본 연구는 대한민국 농경지에서도 질소 비료 사용을 제한 혹은 억제함으로써 질소 순환 부산물인 아산화질소 배출량을 감소시킬 수 있다는 것을 시사하며, 이는 대한민국의 지속가능한 농업 환경 구축을 위한 기초 자료로의 활용이 기대된다. ;Nitrogen (N) in soil keeps transforming through microbial metabolic processes, called nitrogen cycling. The nitrous oxide (N2O), a by-product from nitrogen cycling, is the main anthropogenic greenhouse gas depleting the ozone layer. The purpose of this study is to analyze correlation between soil physiochemical properties and microbial activities related to nitrogen cycling for sustainable agroecosystem. Nitrogen is an essential agricultural nutrient for crops and is a main energy source for the microbial community. Microbial metabolism in soil is affected by physiochemical properties and fertilization regimes of soil. Previous studies have investigated factors which effect on each of nitrogen cycling. However, few studies have analyzed factors from the whole sequential nitrogen cycling viewpoint. Moreover, most of previous studies have been performed with samples from out of Korea and domestic studies have focused on correlation between soil biochemical properties and nitrous oxide emission rather than microorganism related to nitrogen cycling. Therefore, this study was designed to analyze correlation among factors throughout the whole nitrogen cycling with soil from South Korea agricultural field. This study analyzed soil physiochemical properties such as soil texture, pH, porosity, water contents, organic matter content, T-N, NO3-N, NH4+-N. DNA of nitrogen cycling functional genes was extracted from each sample and quantitative detections of the amoA (bacterial and archaea), hao, narG, nirK, cnorB, qnorB, nosZ genes were carried out by qPCR. The result of CCA by CANOCO 4.5 shows that not only commercial fertilizer but also compost containing nitrogen nutrition activates nitrogen cycling. The result of PLSR by IBM SPSS Statistics indicates that each of 8-nitrogen cycling functional gene has their own correlation with soil biochemical properties. The result of association network analysis conducted by eLSA shows the most significant correlation in nitrogen cycling. The gene of archaea amoA was positively correlated with bacterial amoA, and both of genes were negatively correlated with pH value. The genes of nitrifiers such as archaea amoA, bacterial amoA, hao and denitrifiers such as nirK, cnorB were all positively correlated with T-P content, and all negatively correlated with C:N ratio. These results that not only nitrification but also denitrification can be activated by adding nitrogen fertilizer which decreasing C:N ratio. As organic matter increases C:N ratio, organic matter may restrain both nitrification and denitrification in soil. Therefore, further study to analyze correlation between nitrogen cycling and carbon cycling related to nitrogen fertilization and organic matter is recommended for controlling and optimizing organic matter content in soil. To be conclude, decreasing nitrogen fertilizer usage including both commercial nitrogen fertilizer and nitrogen compost is sure to be the suggestion for sustainable agroecosystem in Korea.