The nitrification inhibitor DMPP preferentially suppresses ammonia-oxidising bacteria and reduces nitric oxide emissions in an archaeal-dominated grassland soil

우리 발밑의 토양은 눈에 보이지 않는 화학 작용이 끊임없이 일어나는 활기찬 공장이며, 우리가 논밭에 더해주는 영양분을 식물이 이용할 수 있는 형태로 끊임없이 변형시킵니다. 이 지하 세계에서 일어나는 가장 중요한 과정 중 하나는 질화 작용으로, 특정 미생물들이 흔한 비료 형태인 암모늄을 질산염으로 바꾸는 과정입니다. 이러한 변형은 작물을 키우는 데 도움이 되기도 하지만, 부수적인 효과도 있습니다. 바로 대기 중으로 가스를 방출하는 것입니다. 두 가지 가스가 특히 중요합니다. 아산화질소는 대기 중에 열을 가두는 강력한 온실가스이며, 일산화질소는 스모그와 산성비 형성에 주요한 역할을 하여 공기의 질과 인간의 건강에 영향을 미칩니다. 수십 년 동안 과학자들은 두 종류의 서로 다른 미생물, 즉 박테리아와 고세균이 이 과정을 주도한다는 것을 알고 있었습니다. 많은 현대 농경지 토양에서는 고세균이 훨씬 더 많이 존재하기 때문에, 연구자들은 고세균이 가스 배출의 주요 동력이라고 가정해 왔습니다. 그러나 상대적으로 적은 수를 차지하는 박테리아가 이러한 특정 가스들을 배출하는 데 있어 정확히 어떤 역할을 하는지는 여전히 미스터리로 남아 있으며, 이로 인해 농부와 과학자들은 작물의 성장을 해치지 않으면서 어떻게 이 배출을 막을 수 있을지 확신하지 못하고 있습니다.

이 수수께끼를 풀기 위해 한 연구팀은 고세균이 박테리아보다 분명히 더 많은 수로 존재하는 영국 의 한 초지 토양에 주목했습니다. 그들은 표준 질소 비료인 요소(urea)를 토양에 첨가했을 때 어떤 일이 일어나는지 관찰하기 위해 통제된 실험을 설정했습니다. 그들은 지배적인 고세균이 일산화질소와 아산화질소 배출을 담당하는지, 아니면 희귀한 박테리아가 담당하는지를 확인하고자 했습니다. 이를 테스트하기 위해, 그들은 질화 작용을 늦추도록 설계된 물질인 두 가지 다른 화학적 억제제를 도입했습니다. 이 중 DMPP라는 화합물은 박테리아를 표적으로 삼는 데 특히 효과적인 것으로 알려져 있습니다. 연구진은 비료만 처리한 토양과 비료에 억제제를 함께 처리한 토양을 비교함으로써, 가스 생성에 있어 어떤 미생물이 핵심적인 역할을 하고 있는지 관찰할 수 있었습니다. 그들은 28일 동안 토양을 지속적으로 모니터링하며, 지표면에서 탈출하는 가스의 흐름을 측정하고 시간이 지남에 따라 이 미생물 군집의 개체수가 어떻게 변화하는지 추적했습니다.

결과는 토양 화학의 이야기에서 놀라운 반전을 보여주었습니다. 고세균이 토양 내 암모니아 산화 군집의 약 3분의 2를 차지하고 있었음에도 불구하고, 일산화질소를 배출하는 데는 박테리아가 불균형적으로 큰 책임을 지고 있었습니다. 연구진이 DMPP 억제제를 적용했을 때, 이는 고세균은 거의 건드리지 않은 채 박테리아의 개체수를 성공적으로 억제했습니다. 이러한 선택적 작용은 일산화질소 배출량을 급격히 감소시켰으며, 실험 중 특정 시점에는 배출량이 무려 75%까지 떨어졌습니다. 박테리아의 수가 적음에도 불구하고 박테리아를 차단했을 때 가스 출력이 급격히 감소했다는 사실은, 이 희귀한 미생물들이 일산화질소를 생성하는 데 매우 효율적이라는 점을 시사합니다. 박테리아는 이 가스의 강력하고 높은 출력원을 담당하는 반면, 더 많은 수를 가진 고세균은 이 특정 배출에 훨씬 적게 기여하는 것으로 보입니다.

아산화질소의 경우는 이야기가 달랐습니다. DMPP 억제제가 이 가스의 방출을 줄이기는 했지만, 그 효과는 거의 없거나 약 27% 정도에 불과할 정도로 훨씬 완만했습니다. 이러한 차이는 두 가스가 토양 내에서 서로 다른 원천과 경로로부터 나온다는 점을 강조합니다. 일산화질소는 박테리아의 활동과 밀접하게 연결되어 있어서, 박테리아의 활동이 둔화되면 가스 배출이 멈춥니다. 그러나 아산화질소는 고세균 및 억제제가 막지 못한 다른 토양 생물들의 활동을 포함하여 더 다양한 과정에 의해 생성됩니다. 억제제가 특정 집단만을 표적으로 삼았기 때문에, 다른 경로들이 계속해서 아산화질소를 배출하여 전체적인 차단을 방지한 것입니다. 이 발견은 한 종류의 가스를 관리한다고 해서 다른 가스의 문제까지 자동으로 해결되는 것은 아니라는 점을 시사하는데, 이는 두 가스가 서로 다른 생물학적 메커니즘에 의해 구동되기 때문입니다.

또한 이 연구는 DMPP 억제제가 또 다른 흔한 억제제인 디시안디아미드(dicyandiamide)보다 더 효과적이고 오래 지속된다는 것을 확인했습니다. DMPP로 처리된 토양은 비료의 질소를 암모늄 형태로 더 오랫동안 유지했는데, 이는 식물이 영양분을 공기 중으로 날려 보내거나 씻겨 내려가기 전에 흡수할 수 있는 시간을 더 많이 확보할 수 있다는 점에서 작물에 유익합니다. 이러한 질소 보유 능력의 향상은 일산화질소의 상당한 감소와 결합하여, 농업에서 이 특정 억제제를 사용하는 데 명확한 이점을 보여줍니다. 이 연구는 토양에 각 미생물이 얼마나 많이 존재하는지를 단순히 세는 것만으로는 어떤 가스가 배출될지 예측하기에 충분하지 않다는 것을 입증합니다. 대신, 덜 흔한 박테리아의 기능적 활동이 일산화질소 배출의 핵심 동력입니다. 이러한 통찰은 농부와 과학자들에게 새로운 목표를 제시합니다. 즉, 이러한 특정 박테리아 경로를 억제하는 데 집중함으로써, 반드시 다른 가스에 영향을 주지 않으면서도 일산화질소 오염을 획기적으로 줄여 더 깨끗한 공기와 더 효율적인 비료 사용을 이끌어낼 수 있다는 것입니다.