Rates of methane oxidation and community structure of methanotrophic bacteria in a temperate forest soil in Korea

Abstract

Methane is an important greenhouse gas which is 25 times radiatively stronger than CO₂ on a molar basis. Methane oxidation in forest soils plays a key role in global methane cycle. To determine methane oxidation rates, I measured in situ oxidation rates using a static chamber method and the potential rates under high initial methane concentration in a laboratory. The measurements were started from May, 2004 to September, 2005 on a monthly basis in a temperate forest with different elevations. The in situ oxidation rates varied between 0.103 and 10.67 mg CH₄m^(-2) day^(-1) and the average rate was 1.87 mg CH₄m^(-2) day^(-1). Potential oxidation rates ranged between 0.0085 and 0.0816 μg CH₄g^(-1) soil day-1 with average rate of 0.0352 μg CH₄g^(-1) soil day-1. Inorganic nitrogen is known to inhibit methane oxidation. However, the oxidation rates and nitrate content were positively correlated in my study. I conducted a laboratory-based manipulation experiment to confirm data collected from the fields. I added NaNO₃, NH₄NO₃, (NH₄)₂SO₄, NH₄NO₃ or distilled water to soil to elucidate effects of ions on methane oxidation rates. The results showed that NO3- addition inhibit oxidation rates significantly but addition of NH₄+ did not affect methane oxidation. These different results between in situ measurements and manipulation experiment appear to be regarded as effects of plant roots. Because most methanotrophs exist in rhizosphere, nitrate can stimulate methane oxidation by developing the plant roots. However, my manipulation experiment did not include plant roots, and hence nitrate inhibition may be dominant. The Community structures of type I and type II methanotrophs were analyzed using a T-RFLP method. Type II methanotrophs were more abundance than type I. The community structure of type II methanotrophs showed a seasonal pattern with changes in dominant species over seasons The oxidation rates were changed through these change of methanotrophs. Additionally, shannon diversity index of type II methanotrophs were in correlation with in situ oxidation rates and index of type I oxidation rates were correlated with potential oxidation rates. This result suggests that the oxidation rates (activity) would be closely related to community structure of methanotrophic bacteria.;메탄은 대기 중에 현존하는 주요 탄화수소로서, 이산화탄소에 이어 지구 온난화의 기여도가 2번째로 보고 된 기체이다. 산림 토양에서의 메탄 산화에 의한 메탄 기체 제거는 전 지구적 메탄 순환에 있어서 중요한 역할을 담당하고 있다. 하지만, 국내 산림 토양에서의 메탄 산화에 관한 연구는 거의 행해진 것이 없다. 본 연구에서는 국내 산림에서의 메탄 산화율을 측정하기 위해 2가지의 다른 방법으로 실험을 진행하였다. 첫 번째 방법은 낮은 메탄 농도에서 일어나는 산화를 측정하는 방법으로 현장에서 직접 진행되었으며, 두 번째는 실험실에서 인위적으로 고농도의 메탄을 주입하여 산림토양의 메탄 산화능을 측정하는 방법으로 실험실에서 진행되었다. 실험은 2004년 5월부터 2005년 9월까지 강원도 인제군 강선리에 위치한 점봉산에서 월 1회 실행되었다. 그 결과 이 지역에서의 메탄 산화율은 1.87 mg CH₄m^(-2) day^(-1) 정도를 나타내었다. 또한, 같은 시기에 이루어진 메탄 산화능의 측정 결과는 1g의 토양이 하루에 35.2 ng 정도의 메탄을 산화시킬 수 있는 것으로 나왔다. 산림 토양에서의 메탄 산화는 무기 질소에 의하여 저해되는 것으로 알려져 있다. 하지만, 본 실험에서는 (NO₃)^- 이온과 메탄 산화율이 양의 상관관계를 가지고 있었다 (P<0.001). 질소에 의한 메탄 산화의 영향 정도를 정확히 알아보기 위하여 산림 토양에 인위적으로 질소를 첨가하여 메탄 산화를 측정하였다. 그 결과 첨가된 (NO₃)^-는 메탄 산화를 저해하는 것으로 나타났다. 이러한 상반된 결과는 식물 뿌리에 의해 나타난 것으로 보인다. 과거 행해졌던 연구 중 메탄을 산화 시키는 메탄 산화 박테리아가 식물 근권 토양에 존재한다는 결론을 내린 연구들이 있었다. 따라서 현장에서의 (NO₃)^- 이온의 존재는 근권 토양을 더 발달 시켜, 메탄 산화 박테리아가 더 잘 생존할 수 있는 환경을 조성함으로써 메탄 산화를 촉진시킬 수 있었을 것이다. 반면, 본 연구에서 행해진 질소 첨가 실험은 식물 뿌리가 존재하지 않고 토양만 있는 조건이었기 때문에 첨가된 (NO₃)^-가 메탄 산화를 저해하는 결과를 보였을 것이라고 생각된다. 또한, 본 연구에서는 T-RFLP 방법을 이용하여 메탄 산화 세균의 군집 구조를 살펴보았다. 그 결과 type II 메탄 산화 세균의 우점종이 계절에 따라 현격한 차이를 보였으며, 우점종이 변함에 따라 메탄 산화율도 영향을 받는 것으로 보였다. 또한 메탄 산화 세균의 종 다양 지수와 메탄 산화율은 양의 상관관계를 가지고 있었다. 이는 메탄 산화세균의 군집 구조가 실제적인 메탄 산화에 많은 영향을 준다고 볼 수 있다.