건조 및 재습윤 과정에서 미생물 구조 및 메탄 생산에 대한 산소 효과가 없습니다.

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 16570(2022) 이 기사 인용

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배수가 빈번한 자연 환경에서는 수분 가용성과 산소 노출에 변동을 초래하는 건조 및 재습윤 현상이 발생합니다. 이러한 상대적으로 극적인 주기는 환경에서의 미생물 활동과 그에 따른 메탄 및 이산화탄소 배출에 심각한 영향을 미칩니다. 이 연구에서 우리는 호기성(공기) 및 혐기성(질소) 조건 하에서 연속 건조 이벤트에 대해 서로 다른 계통 발생 구조를 가진 엄격한 혐기성 환경(혐기성 소화조)의 메탄 생성 공동체를 제출한 후 재습윤을 수행하여 건조 및 재습윤 이벤트를 모방했습니다. 우리는 각 재습윤 후에 메탄 생산이 빠르게 회복되었음을 보여 주었고 놀랍게도 호기성 건조 또는 혐기성 건조 현상의 효과 간에는 유의미한 차이가 관찰되지 않았습니다. 연속적인 건조 및 재습윤 후에 미생물 군집 구조에 약간의 변화가 있었고 메탄 생산 속도가 감소했는데, 이는 이용 가능한 유기물 풀이 고갈되거나 메탄생성 군집이 억제되었기 때문일 수 있습니다. 이러한 관찰은 건조 및 재습윤 현상 또는 산소 노출과 비교할 때 초기 계통 발생 구조와 유기물의 양 및 품질이 메탄 생성 공동체 및 전체 미생물 공동체 반응에 더 큰 영향을 미친다는 것을 나타냅니다. 이러한 결과는 산소 노출에 대한 엄격한 혐기성 미생물의 민감도에 대한 현재의 패러다임을 바꿉니다.

배수가 빈번한 자연 환경은 지하수면의 급격한 변화로 인해 산소(O2) 노출이 변동되는 건조 및 재습윤 현상을 겪게 됩니다. 엄격한 혐기성 미생물은 일반적으로 O2에 대한 내성이 낮은 것으로 알려져 있지만, 휴식 단계를 형성하거나 활성 산소종(ROS)1을 비활성화하는 효소를 생성하는 등 O2 노출에 대처하기 위해 다양한 전략을 적용할 수 있습니다. 또한, 메탄생성균은 비록 O2에 민감한 미생물로 간주되기는 하지만 건조에 의해 촉진된 O2 노출에 대한 회복 능력을 가지고 있는 것으로 나타났습니다. 메탄생성물질은 공기가 자주 배수되는 논 무산소 토양과 같은 산화 환경에서 흔히 발견되며, 카탈라제(KAT) 유전자와 같은 항산화 유전자도 이들의 게놈, 특히 클래스 II 메탄생성균의 게놈에서 발견되었습니다. , Methanosarcina barkeri, Methanobrevibacter arboriphilus 및 Methanocellales도 공기저항성을 입증합니다2,3. 또한, 클래스 I 메탄생성균(예: Methanopyrales, Methanobacteriales 및 Methanococcales)에 비해 Methanocellales, Methanobacteriales 및 Methanosarcinales의 산화 스트레스에 대한 저항성이 더 높다고 보고되었습니다.2 이러한 저항성은 O2 및 반응성으로 인한 손상에 대응하는 능력에 기인할 수 있습니다. 보다 다양하고 높은 항산화 효소의 발현 수준 및 새로운 O2/ROS 제거 경로의 개발과 같은 강화된 방어/복구 메커니즘을 통해 산소종(ROS)을 제거합니다. 따라서 최근 O2 불내증에 관한 이론이 제안되었습니다. 즉, 엄격한 혐기성 메탄 생성균의 일부 분류군은 호기성 조건에서도 생존할 수 있다는 것입니다4. 또한, 담수 퇴적물을 건조시킨 후 재습윤시킨 후 유기물 분해 및 메탄 생성이 강화됨에 따라 그 기능이 빠르게 회복되는 것으로 나타났습니다5. 어떤 환경 요인이 이러한 회복에 기여할 수 있는지는 확실하지 않지만, 건조 및 재습윤 후에 퇴적 미생물 군집의 변화가 보고되었으며, 이는 기원이 다른 퇴적물에 따라 다릅니다. 이러한 관찰은 공기 건조 및 재습윤이 유기물의 특성에 영향을 미칠 수 있기 때문에 건조에 대한 미생물 반응에 대한 다양한 유기 공급원의 잠재적 영향에 대한 가정으로 이어졌습니다7. 유사하게, 유기물의 용해도 증가와 토양 집합체의 붕괴로 인해 토양을 건조하고 다시 적시면 유기물의 광물화가 강화되는 것으로 관찰되었습니다8. 대조적으로, Hernandez et al. (2019)은 건조 및 재습윤 효과와 비교하여 미생물 군집에 대한 토양 유기물 효과가 미미하다는 것을 관찰했습니다9. Conrad(2020)는 건조 및 O2 노출에 대한 메탄생성 둔감성이 이러한 대조되는 결과에 대한 그럴듯한 설명이 될 수 있다고 제안했으며, 혐기성 미생물 군집의 산화 저항성은 계절적/주기적 건조 및 재습윤 자연 환경 환경에 의해 획득되거나 강화될 수 있다는 가설을 세웠습니다4 .