KR101255096B1 - Method for Enrichment Culture of Ammonia-Oxidizing Archaea Through Co-culturing with Sulfur-Oxidizing Bacteria and Novel Ammonia-Oxidizing Archaea Isolated from Marine By Using the Same Method - Google Patents

Method for Enrichment Culture of Ammonia-Oxidizing Archaea Through Co-culturing with Sulfur-Oxidizing Bacteria and Novel Ammonia-Oxidizing Archaea Isolated from Marine By Using the Same Method Download PDF

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Abstract

본 발명은 황-산화 세균(sulfur-oxidizing bacteria)와 공동 배양하는 단계를 포함하는 암모니아-산화 고세균(ammonia-oxidizing archaea)를 농화 배양(enrichment culture)하는 방법 및 이 방법을 사용하여 해양으로부터 분리한 신규 암모니아 산화 고세균 SJ 균주(KCTC 11878BP)에 관한 것이다. 본 발명의 배양 방법을 이용하면 생태계에서 암모니아의 순환에 크게 기여하는 다양한 암모니아 산화 고세균을 분리 및 동정할 수 있고, 이들 고세균 자원을 용이하게 확보할 수 있으며, 암모니아 산화 고세균의 특성 및 기능을 분석하기 위한 연구에도 유용하게 활용될 수 있다. 또한, 본 발명의 신규 암모니아-산화 고세균은 암모니아로 오염된 해양환경의 정화 용도로 효과적으로 이용될 수 있다. The present invention relates to a method for enrichment culture of ammonia-oxidizing archaea comprising co-culturing with sulfur-oxidizing bacteria, and to isolate it from the ocean using the method. Novel ammonia oxidizing archaea SJ strain (KCTC 11878BP). By using the culture method of the present invention, it is possible to isolate and identify various ammonia-oxidizing archaea, which greatly contributes to the circulation of ammonia in the ecosystem, to easily obtain these archaea resources, and to analyze the characteristics and functions of ammonia-oxidizing archaea. It can also be useful for research. In addition, the novel ammonia-oxidizing archaea of the present invention can be effectively used for the purification of the marine environment contaminated with ammonia.

Description

황산화 세균과의 공동배양을 이용한 암모니아산화 고세균의 농화 배양방법 및 이 방법에 의해 분리된 신규의 해양 유래 암모니아-산화 고세균{Method for Enrichment Culture of Ammonia-Oxidizing Archaea Through Co-culturing with Sulfur-Oxidizing Bacteria and Novel Ammonia-Oxidizing Archaea Isolated from Marine By Using the Same Method} Method for Enrichment Culture of Ammonia Oxidized Archaea by Coculture with Sulfated Bacteria and Novel Marine Derivative Ammonia-Oxidized Archaea Isolated by the Method of Sulfur-Oxidizing Bacteria and Novel Ammonia-Oxidizing Archaea Isolated from Marine By Using the Same Method}

본 발명은 황산화 세균과의 공동배양을 이용한 암모니아산화 고세균의 농화 배양방법 및 이 방법에 의해 분리된 신규의 해양 유래 암모니아-산화 고세균에 관한 것이다.
The present invention relates to a method for enriching culture of ammonia-oxidized archaea using co-culture with sulfated bacteria and a novel marine-derived ammonia-oxidized archaea isolated by the method.

고세균(Archaea)은 극한 미생물로 알려져 왔는데, 이는 배양된 고세균 중 대부분이 산성 환경, 고열 환경, 및 고염분 환경과 같은 극한 환경으로부터 배양되었기 때문이다. 또한, 혐기성 메탄 생성은 고세균에 한정되어 있으며, 이러한 대사능은 아직까지 다른 도메인(domain)에서는 보고된 바 없다. 극한 미생물로서의 고세균에 대한 편견은 중합효소연쇄반응(PCR)을 이용한 분자생태기술들이 환경 미생물분야에 적용됨에 따라 급격하게 변화되었다. 즉, 도메인-특이적 PCR 프라이머를 사용한 연구에서 해수로부터 신규 고세균 16S rRNA 유전자 서열이 발견되었다(DeLong 1992, PNAS. 89:5685-5689; Fuhrman et al 1992, Nature 356:148-149). 이러한 기념비적인 발견에 이어서, 다양한 비극한 환경에서도 의외의 매우 다양한 고세균 16S rRNA 유전자 서열들이 발견되었다(Schleper et al 2005, Nat. Rev. Microbiol. 3:479-488). 이는 고세균이 세균(bacteria)와 마찬가지로 특정 극한의 영역에서 서식한다기 보다는 어느 환경에서나 넓게 분포하고 있다는 것을 의미한다. 분자생태학적 연구에 의해 고세균의 다양성과 풍부성에 대한 보고가 증가하고 있으나, 이들 비극한 고세균의 생리학적 및 생태학적 역할에 대해서는 아직도 불가사의한 면이 많이 남아 있다. 오랫동안 세균 영역에 한정된 특성이라고 간주되어 온 암모니아 산화(ammonia oxidation)는 최근 메타지놈 분석에 기초하여 crenarchaeal groups I.1a 및 I.1b 고세균의 특성인 것으로 추정되어 왔으며, 이러한 추정은 사르가소 해수(Sargasso seawater)의 환경 샷건(environmental shotgun) 서열분석 연구에서의 고세균 amoA-유사 유전자의 발견 및 해면류의 공생자인 Ca. Cenarchaeum symbiosum의 유전자 분석에 의해 지지되고 있다(Bock and Wagner 2001; Treusch et al 63 2005; Venter et al 2004; Hallam et al 66 2006). 분자 생태학적 연구에 의하면, 이러한 암모니아-산화 고세균(ammonia-oxidizing archaea)은 북해 및 해수, 토양, 해양침적물 등에서 암모니아-산화 세균(ammonia-oxidizing bacteria) 보다 우점하고 있다(Wuchter et al 2006; Chen et al 2008; Leininger et al 2006;Park et al 2008b). 독립영양성 고세균의 암모니아 산화에 관한 중대한 증거들은 수족관으로 부터 최초로 배양된 중온성 Crenarchaeon(group I.1a)인"Ca. Nitrosopumilus maritimus SCM1"의 특성을 분석한 결과들과, 북해 해수로부터 관련 고세균을 농화배양한 결과, 이어서 호열성 암모니아 산화 고세균(AOA)을 농화배양한 결과들에 의해 얻어졌다(Konneke et al 2005; Wuchter et al 2006; de la Torre et al 2008; Hatzenpichler et al 2008). 해양 침전물에 존재하는 미생물들은 매우 많은 양으로 존재하기 때문에 생물지구화학적 순환에서 매우 중요하게 기여하고 있다(Whitman et al 1998). 질산화작용은 해양 침전물에서 질소순환에 매우 필수적인 작용이며, 탈질화작용 및 혐기성 암모니아산화 작용과 대사적으로 결합됨으로써 질소를 분자 질소의 형태로 제거하고 온실가스로 알려져 있는 아산화질소(nitrous oxide)도 생성한다(Dalsgaard et 80 al 2005, Tal et al 2005). 해수에서의 고세균의 질화작용의 연구와 비교하면, 해양 침전물에서의 고세균 질화작용에 대해 지금까지 알려져 있는 정보는 매우 제한적이다. 암모니아-산화 고세균의 배양은 토양 및 해양침전물과 같은 환경에서의 고세균의 대사활성을 연구하기 위해서는 필수적이만 매우 어렵다.
Archae has been known as an extreme microorganism because most of the cultured archaea has been cultivated from extreme environments such as acidic environments, high heat environments, and high salinity environments. In addition, anaerobic methane production is limited to archaea, and this metabolic capacity has not been reported in other domains so far. The prejudice against archaea as an extreme microorganism has radically changed as molecular ecological techniques using polymerase chain reaction (PCR) have been applied to the field of environmental microorganisms. That is, novel archaea 16S rRNA gene sequences were found from seawater in studies using domain-specific PCR primers (DeLong 1992, PNAS. 89: 5685-5689; Fuhrman et al 1992, Nature 356: 148-149). Following this monumental discovery, a surprisingly wide variety of archaea 16S rRNA gene sequences were found even in a variety of tragic environments (Schleper et al 2005, Nat. Rev. Microbiol. 3: 479-488). This means that archaea, like bacteria, are widely distributed in any environment, rather than in certain extreme areas. Molecular ecological studies are reporting on the diversity and abundance of archaea, but there are still many mysteries about the physiological and ecological roles of these catastrophic archaea. Ammonia oxidation, which has long been regarded as a property confined to the bacterial domain, has been estimated to be characteristic of crenarchaeal groups I.1a and I.1b archaea, based on recent meta-gnome analysis, and this estimate is based on Sargasus seawater. Discovery of Archaea amoA-like Gene in Environmental Shotgun Sequencing Studies of Seawater and Ca. Supported by genetic analysis of Cenarchaeum symbiosum (Bock and Wagner 2001; Treusch et al 63 2005; Venter et al 2004; Hallam et al 66 2006). Molecular ecological studies show that ammonia-oxidizing archaea dominates ammonia-oxidizing bacteria in the North Sea and in seawater, soil and marine sediments (Wuchter et al 2006; Chen et. al 2008; Leininger et al 2006; Park et al 2008b). Significant evidence on the ammonia oxidation of autotrophic archaea is characterized by the characterization of " Ca. Nitrosopumilus maritimus SCM1," a mesophilic Crenarchaeon (group I.1a), first cultured from an aquarium, and the concentration of related archaea from the North Sea waters. The culture result was then obtained by enrichment of thermophilic ammonia oxidizing archaea (AOA) (Konneke et al 2005; Wuchter et al 2006; de la Torre et al 2008; Hatzenpichler et al 2008). Microorganisms in marine sediments are very important in the biogeochemical cycle because they are present in very large quantities (Whitman et al 1998). Nitrification is essential for the nitrogen cycle in marine sediment, and it is metabolically combined with denitrification and anaerobic ammonia oxidation to remove nitrogen in the form of molecular nitrogen and to produce nitrous oxide, also known as greenhouse gas. (Dalsgaard et 80 al 2005, Tal et al 2005). Compared to studies of nitrification of archaea in seawater, the information so far known about archaea nitrification in marine sediments is very limited. Cultivation of ammonia-oxidizing archaea is essential but very difficult to study the metabolic activity of archaea in environments such as soil and marine sediment.

본 명세서 전체에 걸쳐 다수의 논문 및 특허문헌이 참조되고 그 인용이 표시되어 있다. 인용된 논문 및 특허문헌의 개시 내용은 그 전체로서 본 명세서에 참조로 삽입되어 본 발명이 속하는 기술 분야의 수준 및 본 발명의 내용이 보다 명확하게 설명된다.
Numerous papers and patent documents are referenced and cited throughout this specification. The disclosures of the cited papers and patent documents are incorporated herein by reference in their entirety to better understand the state of the art to which the present invention pertains and the content of the present invention.

본 발명자들은 난배양성 미생물로 알려진 암모니아-산화 고세균(ammonia oxidizing archaea, AOA)의 배양 방법을 개발하기 위해 연구 노력하였다. 그 결과, 황-산화 세균(sulfur-oxidizing bacteria, SOB)과 공동 배양하는 방법을 이용하면 암모니아-산화 고세균(AOA)을 성공적으로 농화 배양(enrichment culture)할 수 있으며, 이의 미생물학적 특성을 분석할 수 있다는 것을 실험적으로 증명함으로써 본 발명을 완성하였다. The present inventors have tried to develop a method for culturing ammonia oxidizing archaea (AOA), which is known as an egg culture microorganism. As a result, co-culturing with sulfur-oxidizing bacteria (SOB) can successfully enrich the ammonia-oxidizing bacteria (AOA) and analyze its microbiological properties. The present invention has been accomplished by experimentally proving that it can be done.

따라서, 본 발명의 목적은 암모니아-산화 고세균의 농화 배양 방법을 제공하는 것에 있다. It is therefore an object of the present invention to provide a method for enriching culture of ammonia-oxidizing archaea.

또한, 본 발명의 다른 목적은 상기 농화 배양 방법에 의해 분리된 신규의 해양 유래 암모니아-산화 고세균을 제공하는 것에 있다. In addition, another object of the present invention is to provide a novel marine-derived ammonia-oxidizing archaea isolated by the above-mentioned thickening culture method.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 상기 암모니아-산화 고세균을 유효성분으로 포함하는 암모니아로 오염된 해양환경을 정화하는데 사용되는 용도의 조성물을 제공하는 것에 있다. Another object of the present invention is to provide a composition for use in purifying a marine environment contaminated with ammonia, which comprises the ammonia-oxidizing archaea as an active ingredient.

본 발명의 목적 및 장점은 하기의 발명의 상세한 설명, 청구의 범위 및 도면에 의해 보다 명확하게 된다.
The objects and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description of the invention, claims and drawings.

본 발명의 일 양태에 따르면, 본 발명은 황-산화 세균(sulfur-oxidizing bacteria)과 공동 배양하는 단계를 포함하는 암모니아-산화 고세균(ammonia-oxidizing archaea)를 농화 배양(enrichment culture)하는 방법을 제공한다. According to an aspect of the present invention, the present invention provides a method for enriching culture of ammonia-oxidizing archaea comprising co-culturing with sulfur-oxidizing bacteria. do.

본 발명은 난배양성 미생물로 알려진 암모니아-산화 고세균을 황-산화 세균과 공동배양(co-culture)하면 성공적으로 암모니아-산화 고세균을 농화배양할 수 있다는 것을 실험적으로 증명한 것에 기초한다. The present invention is based on the experimental demonstration that co-culture of ammonia-oxidizing archaea, known as non-cultured microorganisms, with sulfur-oxidizing bacteria can successfully enrich the ammonia-oxidizing archaea.

본 명세서에서 용어 "고세균(archaea)"은 원핵생물내에서 세균류(bacteria)와 구분되는 또 다른 생물 분류군이다. 즉, 원핵생물의 한 부류로서, 일부분은 세균과 유사하며 일부분은 진핵생물과 유사한 미생물군으로서, 크게 호염성 고세균, 메탄 생성 고세균, 초고온성 고세균으로 분류된다. As used herein, the term “archaea” is another group of organisms that is distinguished from bacteria in prokaryotes. That is, as a class of prokaryotes, some of which are similar to bacteria and some of which are similar to eukaryotes, are largely classified into basophils, methane-producing bacteria, and hyperthermic bacteria.

본 명세서에서 용어 "암모니아-산화 고세균"은 암모니아를 이의 산화된 형태인 아질산염(nitrite)으로 산화시키는 질산화 작용(nitrification)을 할 수 있는 능력을 갖는 고세균을 의미한다. As used herein, the term "ammonia-oxidizing archaea" means archaea that has the ability to perform nitrification to oxidize ammonia to its oxidized form nitrite.

본 명세서에서 용어 "질산화작용"은 토양, 해수 또는 해양 침전물중의 암모니아태질소(NH4-N)가 미생물의 작용에 의해 아질산태질소(NO2-N)를 거쳐 질산태질소(NO3-N)로 전환되는 것을 의미한다. 미생물에 의한 상기 질산화 작용은 미생물이 암모니아 모노옥시게나아제(ammonia monooxigenase)라는 효소를 가지고 있어야 가능한 것으로 알려져 있다. The term "nitride action" herein is ammonium nitrogen in the soil, seawater or ocean sediments (NH 4 -N) a nitrite nitrogen by the action of microorganisms (NO 2 -N) through the nitrate nitrogen (NO 3 - N) means to be converted. The nitrification effect by the microorganism is known to be possible only if the microorganism has an enzyme called ammonia monooxigenase.

본 발명에서 용어 "농화 배양(enrichment culture)"은 분리하고자 하는 미생물이 소수로 존재하는 경우에, 선별 배지 또는 선별 조건 등을 조절하여 분리하고자 하는 미생물의 성장을 선택적으로 유리하게 조성함으로써 우점시키는 배양 방법을 의미한다. In the present invention, the term "enrichment culture" is a culture that predominates by selectively advantageously forming the growth of the microorganism to be separated by adjusting the selection medium or selection conditions, when a small number of microorganisms to be separated are present Means the way.

본 발명의 방법에 의하면 황-산화 세균과 공동배양함으로써 암모니아-산화 고세균이 배양액 중에 우점되도록 배양하는 것이 가능하다. According to the method of the present invention, by co-culturing with sulfur-oxidizing bacteria, it is possible to culture so that ammonia-oxidizing archaea predominates in the culture solution.

본 명세서에서 용어 "황-산화 세균"은 환원된 황(reduced sulfur) 화합물을 전자도너(electron donor)로서 이용하여 성장하는 세균을 의미한다. 본 발명의 바람직한 구현예에 의하면 상기 황-산화 세균은 환원된 형태의 황 화합물을 기질로서 사용하는 세균이다. 상기 환원된 형태의 황 화합물은 황화물(sulfide), 티오설페이트(thiosulfate), 폴리티오네이트(polythionate), 황원소(elemental sulfur) 또는 아황산염(sulfite)을 포함하며, 보다 바람직하게는 티오설페이트(thiosulfate), 아황산염(sulfite) 또는 테트라티오네이트(tetrathionate)이다. 본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 공동배양 배지에서 상기 환원된 형태의 황 화합물의 농도는 0.1 - 5.0 mM의 농도이며, 가장 바람직하게는 0.1 - 2.0 mM의 범위의 농도이다. As used herein, the term "sulfur-oxidizing bacteria" refers to bacteria that grow by using a reduced sulfur compound as an electron donor. According to a preferred embodiment of the present invention, the sulfur-oxidizing bacterium is a bacterium using the reduced form of the sulfur compound as a substrate. The reduced form of the sulfur compound includes sulfide, thiosulfate, polythionate, elemental sulfur or sulfite, more preferably thiosulfate , Sulfite or tetrathionate. According to a preferred embodiment of the present invention, the concentration of the sulfur compound in the reduced form in the co-culture medium is in the range of 0.1-5.0 mM, most preferably in the range of 0.1-2.0 mM.

본 명세서에서 상기 용어 "공동 배양"은 동일한 배지내에서 동일한 조건하에 배양하는 것을 의미한다. As used herein, the term "co-culture" means culturing under the same conditions in the same medium.

본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 공동 배양의 배지는 천연의 해수를 포함한다. 본 발명의 다른 바람직한 구현예에 의하면, 상기 공동 배양의 배지는 암모니아를 포함한다. 본 발명의 또 다른 바람직한 구현예에 의하면, 상기 공동 배양 배지의 암모니아의 농도는 0.1 - 8.0 mM의 농도이며, 보다 바람직하게는 0.1 - 4.0 mM의 농도이다. 본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 본 발명에서 상기 공동 배양은 암모니아 산화 고세균에 의한 암모니아 산화 완료 후 새로운 배지에 계대 배양하는 단계를 포함한다. 배지내에서 암모니아 산화 고세균에 의해 배지내에 암모니아 산화가 완료된 후, 새로운 배지로 계대 배양을 행함으로써 암모니아 산화 고세균의 우점이 보다 촉진된다. 보다 바람직하게는 상기 계대 배양은 암모니아 산화 고세균이 원하는 비율에 도달할 때 까지 연속적으로 행한다. According to a preferred embodiment of the present invention, the co-culture medium comprises natural sea water. According to another preferred embodiment of the invention, the co-culture medium comprises ammonia. According to another preferred embodiment of the present invention, the concentration of ammonia in the co-culture medium is 0.1-8.0 mM, more preferably 0.1-4.0 mM. According to a preferred embodiment of the present invention, the co-cultivation in the present invention comprises the step of passage in fresh medium after completion of ammonia oxidation by ammonia oxidizing archaea. After the ammonia oxidation is completed in the medium by the ammonia oxidizing archaea in the medium, the subculture of the ammonia oxidizing archaea is further promoted by passage in a fresh medium. More preferably, the passaging is performed continuously until the ammonia oxidizing archaea reaches a desired ratio.

본 발명의 다른 일양태에 따르면, 본 발명은 해양으로부터 분리된 암모니아-산화 고세균(ammonia-oxidizing archaea) SJ 균주 (기탁번호:KCTC 11878BP)를 제공한다. According to another aspect of the invention, the invention provides an ammonia-oxidizing archaea SJ strain (Accession No .: KCTC 11878BP) isolated from the ocean.

본 발명의 또 다른 일 양태에 따르면, 본 발명은 상기 암모니아-산화 고세균 SJ 균주(기탁번호: KCTC 11878BP)를 유효성분으로 포함하는 암모니아로 오염된 해양환경의 정화에 사용하는 용도의 조성물을 제공한다. According to yet another aspect of the present invention, the present invention provides a composition for use in the purification of an ammonia-contaminated marine environment comprising the ammonia-oxidized archaea SJ strain (Accession Number: KCTC 11878BP) as an active ingredient. .

본 발명의 신규 암모니아-산화 고세균 SJ 균주(기탁번호:KCTC 11878BP)는 상술한 본 발명의 황-산화 세균과의 공동배양법에 의해 해양으로부터 배양 및 분리 동정된 균주이다. 본 발명의 암모니아-산화 고세균 SJ 균주는 기탁번호 KCTC 11878BP으로 2011년 2월 25일자로 한국생명공학연구원 생물자원센터(Korean Collection for Type Cultures)에 기탁되었다. The novel ammonia-oxidized archaea SJ strain (Accession No .: KCTC 11878BP) of the present invention is a strain cultured and isolated from the ocean by co-culture with the sulfur-oxidizing bacteria of the present invention described above. Ammonia-oxidized archaea SJ strain of the present invention was deposited on February 25, 2011 by the Korean Collection for Type Cultures of the Korea Research Institute of Bioscience and Biotechnology with accession number KCTC 11878BP.

본 발명의 신규 암모니아-산화 고세균 SJ 균주(KCTC 11878BP)는 기존의 해양으로부터 분리된 암모니아 산화 고세균에 비해, 암모니아 산화 활성이 훨씬 우수하다. 본 발명의 신균주는 3mM의 비교적 고농도의 암모니아에 대해서도 암모니아를 완전히 산화시킬 수 있으며, 8mM의 고농도의 암모니아에 대해서도 약하지만 암모니아 산화 활성을 나타낸다. 본 발명의 바람직한 일 구현예에 의하면, 본 발명의 암모니아-산화 고세균 SJ 균주(KCTC 11878BP)는 서열목록 제 1 서열로 표시되는 rRNA 유전자의 핵산 염기서열을 갖는다. The novel ammonia-oxidized archaea SJ strain (KCTC 11878BP) of the present invention has much better ammonia oxidation activity compared to the ammonia oxidative archaea isolated from the existing ocean. The new strain of the present invention is capable of completely oxidizing ammonia even at a relatively high concentration of ammonia of 3 mM, and exhibits ammonia oxidation activity, even at a high concentration of ammonia of 8 mM. According to one preferred embodiment of the present invention, the ammonia-oxidized archaea SJ strain (KCTC 11878BP) of the present invention has a nucleic acid base sequence of the rRNA gene represented by SEQ ID NO: 1 sequence.

본 발명의 SJ 균주(KCTC 11878BP)는 황-산화 세균의 공동배양에 의해 암모니아-산화 활성 및 성장이 촉진된다. SJ strain of the present invention (KCTC 11878BP) is promoted ammonia-oxidation activity and growth by co-culture of sulfur-oxidized bacteria.

본 발명의 신규 암모니아-산화 고세균은 암모니아로 오염된 해양환경의 정화에 효과적으로 이용될 수 있다. 상기 해양환경은 해수를 포함하는 어떠한 환경도 모두 포함하는 의미하며, 예를 들어, 해수 수족관, 육상 및 해상의 가두리 양식장, 고염폐수처리장을 포함할 수 있다. The novel ammonia-oxidizing archaea of the present invention can be effectively used for the purification of the marine environment contaminated with ammonia. The marine environment is meant to include any environment, including sea water, and may include, for example, a seawater aquarium, a cage farm on land and sea, and a high salt wastewater treatment plant.

상술한 본 발명의 특징 및 유리한 점을 정리하면 다음과 같다. In summary, the features and advantages of the present invention described above are as follows.

(ⅰ) 본 발명의 방법에 의하면, 그 동안 난배양성 미생물로 알려진 암모니아-산화 고세균을 미생물-미생물 상호작용을 이용하여 농화 배양할 수 있을 뿐만 아니라, 이 세균의 성장을 유지시킬 수 있다. (Iii) According to the method of the present invention, not only can ammonia-oxidizing archaea known as a non-culturing microorganism be enriched and cultured using microbial-microbial interaction, but also it can maintain the growth of this bacterium.

(ⅱ) 본 발명의 방법은 실제 분리환경에서 우점하고 있는 고세균을 안정적으로 농화 배양할 수 있으며, 생태계에서 암모니아의 순환에 기여하는 암모니아-산화 고세균의 배양 및 유지 방법을 확립함으로써 다양한 암모니아 산화 고세균 자원의 확보 및 기능 연구에 활용될 수 있다. (Ii) The method of the present invention is capable of stably enriching and culturing archaea predominant in an actual separation environment, and establishes a method for culturing and maintaining ammonia-oxidizing archaea that contributes to the circulation of ammonia in the ecosystem. Can be used for securing and function research.

(ⅲ) 본 발명의 암모니아-산화 고세균 SJ 균주 (KCTC 11878BP)는 암모니아로 오염된 해양 환경의 정화 용도로 효과적으로 이용될 수 있다.
(Iii) The ammonia-oxidized archaea SJ strain (KCTC 11878BP) of the present invention can be effectively used for the purification of marine environment contaminated with ammonia.

본 발명은 황-산화 세균(sulfur-oxidizing bacteria)와 공동 배양하는 단계를 포함하는 암모니아-산화 고세균(ammonia-oxidizing archaea)를 농화 배양(enrichment culture) 하는 방법 및 이 방법을 사용하여 해양으로부터 분리한 신규 암모니아-산화 고세균 SJ 균주(KCTC 11878BP)에 관한 것이다. 본 발명의 배양 방법을 이용하면 생태계에서 암모니아의 순환에 크게 기여하는 다양한 암모니아 산화 고세균을 분리 및 동정할 수 있고, 이들 고세균 자원을 용이하게 확보할 수 있으며, 암모니아 산화 고세균의 특성 및 기능을 분석하기 위한 연구에도 유용하게 활용될 수 있다. 또한, 본 발명의 신규 암모니아-산화 고세균은 암모니아로 오염된 해양환경의 정화 용도로 효과적으로 이용될 수 있다.
The present invention relates to a method for enrichment culture of ammonia-oxidizing archaea comprising co-culturing with sulfur-oxidizing bacteria, and to isolate it from the ocean using the method. Novel ammonia-oxidized archaea SJ strain (KCTC 11878BP). By using the culture method of the present invention, it is possible to isolate and identify various ammonia-oxidizing archaea, which greatly contributes to the circulation of ammonia in the ecosystem, to easily obtain these archaea resources, and to analyze the characteristics and functions of ammonia-oxidizing archaea. It can also be useful for research. In addition, the novel ammonia-oxidizing archaea of the present invention can be effectively used for the purification of the marine environment contaminated with ammonia.

도 1은 SJ 농화 배양에서 황산화 세균(SOB)에 의한 티오설페이트(thiosulfate)의 산화 후에 암모니아-산화 고세균(AOA)에 의한 암모니아의 산화 과정을 보여준다. 패널 (A)는 암모니아, 아질산염(nitrite), 질산염(nitrate), 티오설페이트 및 용존 산소 각각의 농도 변화를 보여준다. 패널 (B)는 박테리아 및 고세균의 16S rRNA 유전자의 카피 수를 보여준다. 오차 막대는 3회 실험의 편균의 표준 편차를 나타낸다.
도 2는 SJ 배양의 고세균 세포의 광현미경 사진을 보여준다. 패널 (A)는 고세균 세포를 Cy5-표지된 프로브(붉은색, Arch915)로 염색하고 박테리아 세포는 플루오레신-표지된 프로브(녹색, EUB 338)로 염색하여 FISH 분석한 결과를 보여준다. 패널 (B)는 DAPI (파란색)으로 염색한 총 세포를 보여준다. FISH 이미지에서 패널 (A) 및 패널 (B)에 대해 동일한 위치를 선택하였다. 눈금 막대는 5 μm에 대응한다. 패널 (C)는 세포를 음성적으로 염색한 투과 전자현미경 사진이다. 삽입된 사진은 확대된 형태이다. 눈금막대는 0.5 μm에 대응한다. 패널 (D)는 얇게 단편화시킨 세포를 투과 전자 현미경으로 관찰한 사진이다. 눈금 막대는 0.2 μm에 해당한다.
도 3은 SJ 및 AR 배양에서 얻은 고세균 16S rRNA 유전자 서열(약 900 bp)의 계통수 분석결과이다. 근연접합(neighbor-joining)에 의한 60% 붓스트랩(bootstrap) 값(1,000 반복) 이상에 의해 뒷받침되는 가지 패턴은 이들 각각의 붓스트랩(bootstrap) 값에 의해 표시되었다. 괄호내에서의 숫자는 중복되는 클론의 빈도를 나타낸다. 눈금막대는 5% 추정된 서열 분기도를 나타낸다.
도 4는 SJ 및 AR 농화배양에서 고세균-특이 16S rRNA 유전자 카피 수가 암모니아 농도에 대해 의존하는 경향을 보여준다. 암모니아 농도 4 mM에서도 암모니아가 산화되나, 약간 불완전하게 산화되는 것이 관찰되었다. 오차 막대는 3회 실험 평균의 표준 편차를 나타낸다.
도 5은 SJ 농화 배양 및 AR 농화 배양에서 얻은 고세균 amoA 유전자 서열(약 600bp)의 계통수를 나타낸다. 근연접합 수단에 의한 60% 붓스트랩(bootstrap) 값(1,000 반복) 이상에 의해 뒷받침되는 가지 패턴은 이들 각각의 붓스트랩(bootstrap) 값과 함께 표시하였다. 괄호안의 숫자는 중복되는 클론의 빈도를 나타낸다. 참조 서열의 기원에 기초하여, 클러스터 그룹은 그림의 오른쪽에 표시하였다. 눈금 막대는 2% 추정 서열 분기도를 나타낸다.
Figure 1 shows the oxidation of ammonia by ammonia-oxidized archaea (AOA) after oxidation of thiosulfate by sulfated bacteria (SOB) in SJ enriched culture. Panel (A) shows the change in concentration of ammonia, nitrite, nitrate, thiosulfate and dissolved oxygen, respectively. Panel (B) shows the copy number of bacterial and archaea 16S rRNA genes. Error bars represent standard deviation of the mean of three experiments.
Figure 2 shows a photomicrograph of archaea cells in SJ culture. Panel (A) shows FISH analysis by staining archaea cells with Cy5-labeled probe (red, Arch915) and bacterial cells with fluorescein-labeled probe (green, EUB 338). Panel (B) shows total cells stained with DAPI (blue). The same position was selected for panel (A) and panel (B) in the FISH image. Scale bars correspond to 5 μm. Panel (C) is a transmission electron micrograph of the cells stained negatively. The inserted photo is an enlarged form. The scale bar corresponds to 0.5 μm. Panel (D) is the photograph which observed the thinly fragmented cell with the transmission electron microscope. Scale bars correspond to 0.2 μm.
Figure 3 is a phylogenetic analysis of the archaea 16S rRNA gene sequence (about 900 bp) obtained in SJ and AR culture. Branch patterns supported by more than 60% bootstrap values (1,000 repetitions) by neighbor-joining were indicated by their respective bootstrap values. Numbers in parentheses indicate the frequency of duplicate clones. The scale bars represent 5% estimated sequence divergence.
FIG. 4 shows that the archaea-specific 16S rRNA gene copy number in SJ and AR enrichment cultures is dependent on ammonia concentration. Ammonia was also oxidized at ammonia concentration of 4 mM, but slightly incomplete oxidation was observed. Error bars represent standard deviation of the three experimental means.
Figure 5 shows the phylogenetic tree of the archaea amoA gene sequence (about 600bp) obtained in SJ enriched culture and AR enriched culture. Branch patterns supported by more than 60% bootstrap values (1,000 repetitions) by near-junction means are indicated with their respective bootstrap values. The numbers in parentheses indicate the frequency of duplicate clones. Based on the origin of the reference sequence, cluster groups are indicated on the right side of the figure. Scale bars represent 2% putative sequence divergence.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명할 것이다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. It is to be understood by those skilled in the art that these embodiments are only for describing the present invention in more detail and that the scope of the present invention is not limited by these embodiments in accordance with the gist of the present invention .

실시예 Example

실험재료 및 방법 Materials and Methods

1. 샘플의 수집 1. Collection of Samples

해양 침전물 샘플(약 100g의 침전물과 해수 1L)을 동해(E 128°35′, N 38°20′; 깊이 650 m) 및 Svalbard(북극 지역, E 016°28′, N 78°21′; 깊이 78 m)에서 멸균된 유리병을 이용하여 채취하였다. 각각의 샘플은 SJ 및 AR 샘플로 명명하였다. 채취한 침전물 샘플을 잘 혼합하여 슬러리로 만든 후, 슬러리 약 10 ㎖을 멸균한 코니컬 튜브로 옮기고 실험실에서 4℃로 유지하면서 보관하였다.
Samples of marine sediment (approximately 100 g of sediment and 1 L of seawater) were taken from the East Sea (E 128 ° 35 ', N 38 ° 20'; 650 m deep) and Svalbard (North Pole, E 016 ° 28 ', N 78 ° 21'; Depth Harvested using a sterile glass bottle at 78 m). Each sample was named SJ and AR sample. The collected precipitate sample was mixed well into a slurry, and then about 10 ml of the slurry was transferred to a sterile conical tube and stored at 4 ° C. in the laboratory.

2. 암모니아 산화 고세균(AOA)의 배양 및 화학적 분석 2. Culture and Chemical Analysis of Ammonia Oxide Archaea (AOA)

암모니아 산화 고세균(AOA)을 포함하는 세균의 배양은 염화암모늄(ammonium sulfate, 1 mM), 소디엄티오설페이트(sodium thiosulfate, 0.1 mM ~ 1 mM), 소디엄바이카보네이트(sodium bicarbonate, 2.5 mM), 포타슘포스페이트(potassium phosphate, 0.1 mM), 미량원소 혼합물(trace element mixture, 1X)와 비타민 용액(1X)가 첨가되었으며, 멸균한 동해 해변의 해수를 포함하는, 천연의 해수 배지에서, 호기적 조건하에서 행하였다(Widdel and Bak. 1992; Widdel and Bak. 1992). 배지의 pH는 NaOH 또는 HCl을 사용하여 8.2로 조정하였다. 10 ㎖의 배지에 접종할 해양 침전물 슬러리(0.5 g)는 한국의 동해와 Svalbard의 북극해로부터 채취하여 부틸-고무 마개로 밀봉한 Hungate 튜브에 넣었다. 배양은 연속적으로 진탕하지 않고 매일 간헐적으로 뒤집어줌(inverting)을 행하는 정적 조건(static condition)하에서 행하였다. 암모니아가 산화된 이후에(전형적으로 약 2주 후에), 총 배양 부피의 5%를 25℃, 암조건의 새로운 해양배지로 옮겼다. 회분식 배양(batch culture)후에, 배지의 pH는 크게 변화하지 않았다(pH 8.0 에서 pH 8.2으로 변화함). 암모니아 및 티오설페이트(thiosulfate)는 색깔 변화를 통해 측정하였다(Solorzano 1969, Voroteliak et al 1993). 아질산염(nitrite) 및 질산염(nitrate)은 OnGuard II Ag Cartridge (Dionex)가 장착된 이온크로마토그래피(ICS-1500, Dionex, Sunnyvale, CA)를 사용하여 측정하였다(Manning and Bewsher 1997). 용존산소(DO) 및 pH는 각각 3-Star DO (Thermo, Beverly, MA) 및 S20 383 SevenEasy pH Meter (Mettler Toledo, Switzerland)을 사용하여 측정하였다.
Cultivation of bacteria containing ammonia oxidizing archaea (AOA) was carried out using ammonium sulfate (1 mM), sodium thiosulfate (0.1 mM to 1 mM), sodium bicarbonate (2.5 mM), Potassium phosphate (0.1 mM), trace element mixture (1X) and vitamin solution (1X) were added and in natural seawater medium, including sterile East Sea beach water, under aerobic conditions (Widdel and Bak. 1992; Widdel and Bak. 1992). The pH of the medium was adjusted to 8.2 using NaOH or HCl. Marine sediment slurry (0.5 g) to be inoculated in 10 ml of medium was taken from the East Sea of Korea and the Arctic Sea of Svalbard and placed in a Hungate tube sealed with butyl-rubber stoppers. The cultivation was conducted under a static condition where the inverting was performed every day without continuous shaking. After ammonia was oxidized (typically after about two weeks), 5% of the total culture volume was transferred to a new marine medium at 25 ° C., dark. After batch culture, the pH of the medium did not change significantly (changed from pH 8.0 to pH 8.2). Ammonia and thiosulfate were measured via color change (Solorzano 1969, Voroteliak et al 1993). Nitrite and nitrate were measured using ion chromatography (ICS-1500, Dionex, Sunnyvale, CA) equipped with OnGuard II Ag Cartridge (Dionex) (Manning and Bewsher 1997). Dissolved oxygen (DO) and pH were measured using 3-Star DO (Thermo, Beverly, MA) and S20 383 SevenEasy pH Meter (Mettler Toledo, Switzerland), respectively.

3. 암모니아 산화 및 산소흡수의 동역학의 측정 3. Measurement of kinetics of ammonia oxidation and oxygen absorption

산소흡수 및 암모니아 산화에 대한 동역학적 측정은 이미 공지된 방법에 적합한 변형을 가하여 AR 배양에 대해 실시하였다(Bodelier et al 1996, Martens-Habbena et al 2009, Park et al 2010). 산소흡수는 S1 Clark 타입 폴라로그래픽 산소 전극 디스크, 2 ㎖ DW1 붕규산 유리 반응/샘플 용기, 마그네틱 스터러 바가 장착되고, Oxygraph Plus software가 구비된 Oxygraph system (Hansatech Instruments Ltd., England)내에서 측정하였다. 산소 마이크로센서는 사용 전에 3 시간 이상 연속적으로 극성화시켰다. 모든 측정은 28℃에서 재순환되는 수조에서 행하였다. 활성 측정은 AR 배양내에서 암모니아 산화 및 아질산염 생성을 모니터링하면서 대수기(exponential phase)의 후반기의 세포를 사용하여 행하였다. 배양으로부터 10 ㎖의 배양물을 채취한 후, 이를 28℃ 수조 내에서 미리-가열한 유리 튜브에 즉시 옮겼다. 이어서, 서브-샘플을 산소 전극 디스크가 장착된 2 ㎖ DW1 전극 유리 용기에 채우고, 플런저 어셈블리(plunger assembly)로 조심스럽게 밀봉하였다. 산소흡수는 적어도 40 분에서 초기평형화시킨 후에 연속적으로 모니터링하였다. 필요한 암모늄은 헤밀턴 시린지를 사용하여 농축 용액으로부터 취하여 첨가하였다. 산소 및 암모니아에 대한 겉보기 반-포화 상수(apparent half-saturation constant, Km)와, 최대 속도(maximum velocity, Vmax)는 산소 흡수 속도의 플로트(plot)으로부터 측정하였다.
Kinetic measurements of oxygen uptake and ammonia oxidation were performed on AR cultures with modifications suitable to known methods (Bodelier et al 1996, Martens-Habbena et al 2009, Park et al 2010). Oxygen uptake was measured in an Oxygraph system (Hansatech Instruments Ltd., England) equipped with an S1 Clark type polarographic oxygen electrode disk, a 2 ml DW1 borosilicate glass reaction / sample vessel, a magnetic stirrer bar, and equipped with Oxygraph Plus software. . Oxygen microsensors were polarized continuously for at least 3 hours before use. All measurements were made in a water bath recycled at 28 ° C. Activity measurements were made using cells in the late phase of the exponential phase, monitoring ammonia oxidation and nitrite production in AR culture. After taking 10 ml of the culture from the culture, it was immediately transferred to a pre-heated glass tube in a 28 ° C. water bath. Sub-samples were then filled into a 2 ml DW1 electrode glass vessel equipped with an oxygen electrode disk and carefully sealed with a plunger assembly. Oxygen uptake was continuously monitored after initial equilibration at least 40 minutes. The required ammonium was added from the concentrated solution using a Hamilton syringe. Apparent half-saturation constants (Km) and maximum velocity (Vmax) for oxygen and ammonia were measured from a plot of oxygen absorption rate.

4. FISH(Fluorescence in situ hybridization) 및 TEM(transmission electron microscope) 분석 4. Fluorescence in situ hybridization (FISH) and transmission electron microscope (TEM) analysis

FISH 분석은 선행문헌에 의해 기술된 방법에 따라 파라포름알데히드-고정된 샘플에 대해 행하였다(Amann et al. 1995). 10㎖ 배양물로부터 세포들을 회수하고, PBS(130mM NaCl, 10mM 소디엄포스페이트, pH 7.5)에 재현탁한 후, 차가운 파라포름알데히드 용액(4% in PBS)을 3배 부피로 첨가하여 고정하였고, 4℃에서 16시간 동안 보관하였다. 세포들을 회수하고 PBS 용액으로 3회 세척하여 잔여 고정용액을 제거한 후에 PBS 용액내에서 10배 농축시켰다. 고정된 세포의 재현탁액을 동일한 부피의 차가운 에탄올과 혼합하고, 혼합액을 -20℃에서 보관하였다. FISH analysis was performed on paraformaldehyde-fixed samples according to the method described by the prior art (Amann et al. 1995). Cells were recovered from 10 ml culture and resuspended in PBS (130 mM NaCl, 10 mM sodium phosphate, pH 7.5), followed by fixation by adding cold paraformaldehyde solution (4% in PBS) in 3 volumes. Store at 16 ° C. for 16 hours. Cells were harvested and washed three times with PBS solution to remove residual fixative solution and then concentrated 10-fold in PBS solution. Resuspension of immobilized cells was mixed with an equal volume of cold ethanol and the mixture was stored at -20 ° C.

세균 및 고세균을 FISH 분석하기 위해, 파라포름알데히드 고정된 샘플을 Cy3-표지된 고세균 특이 프로브(Arc915)(Alm et al., 1996) 및 FAM-표지된 세균 특이 프로브(EUB338)(Amann et al., 396 1990)을 사용하여 3회 혼성화시켰다. DAPI를 사용하여 모든 세포를 시각화하였다. 샘플을 유침대물렌즈가 장착된 Nikon 80i (Nikon, Tokyo)으로 관찰하였다. For FISH analysis of bacteria and archaea, paraformaldehyde immobilized samples were subjected to Cy3-labeled archaea specific probes (Arc915) (Alm et al., 1996) and FAM-labeled bacterial specific probes (EUB338) (Amann et al. , 396 1990). All cells were visualized using DAPI. Samples were observed with a Nikon 80i (Nikon, Tokyo) equipped with a bedside lens.

농화배양으로부터 암모니아 산화 고세균(AOA)를 투과전자현미경(TEM)으로 분석하기 위해, 10㎖ 배양 세포들을 0.1M 포스페이트(pH 7.2)로 완충시킨 2.5% 파라포름알데히드와 1.5% 글루타르알데히드의 혼합액으로 4℃에서 2시간 동안 고정하고, 동일한 완충액내의 1% 오스뮴 테트록사이드(osmium tetroxide)내에서 1 시간 동안 후고정(post-fix)한 후, 70%에서 100%까지의 연속적인 에탄올내에서 탈수시켜, 프로필렌옥사이드로 옮기고, Epon-812 (TAAB, England)(Luft 1961)내에서 봉매하였다. ULTRACUTE (Leica, Austria) 울트라 마이크로톰으로 만든 초박 절편을 이중염색(uranyl acetate 및 lead citrate)하고, CM 20 전자현미경(Philips, Netherlands)(Reynolds 1963)을 사용하여 검사하였다.
To analyze ammonia oxidative archaea (AOA) from the enriched culture by transmission electron microscopy (TEM), 10 ml cultured cells were mixed with a mixture of 2.5% paraformaldehyde and 1.5% glutaraldehyde buffered with 0.1 M phosphate (pH 7.2). Fix for 2 hours at 4 ° C., post-fix for 1 hour in 1% osmium tetroxide in the same buffer, and then dehydrate in 70% to 100% continuous ethanol Transfer to propylene oxide and embed in Epon-812 (TAAB, England) (Luft 1961). Ultrathin sections made of ULTRACUTE (Leica, Austria) ultra microtome were double stained (uranyl acetate and lead citrate) and examined using a CM 20 electron microscope (Philips, Netherlands) (Reynolds 1963).

5. 지놈 DNA 및 총 RNA 추출 5. Genome DNA and Total RNA Extraction

지놈 DNA에서 특정 유전자의 카피수와 이들의 발현을 측정하기 위해 지놈 DNA 및 총 RNA를 추출하였다. 암모니아가 산화되는 중간시기(약 0.5 mM 암모니아가 잔존하는 시기)와 암모니아가 고갈된 지 2일 후에 배양물 50 ㎖로부터 원심분리에 의해 세포들을 수집하고, 추가 분석시 까지 -70℃에서 보관하였다. DNA는 동결된 세포로부터 제조자의 지시에 따라 Genomic DNA Prep Kit(Solgent, Korea)를 사용하여 분리하였다. RNA는 RNeasy mini kit (Qiagen, Germany)를 사용하여 동결된 세포로부터 분리하였으며, cDNA는 제조자의 지시에 따라 SuperScript First Strand Synthesis System (Invitrogen, San Diego, CA)를 사용하여 합성하였다. DNA, RNA 및 cDNA의 농도는 NanoDrop ND-1000 spectrophotometer (Nanodrop Technologies, Wilmington, 418 DE)를 사용하여 측정하였다.
Genome DNA and total RNA were extracted to measure the copy number of specific genes and their expression in genome DNA. Cells were collected by centrifugation from 50 ml of culture at 2 mid days of ammonia oxidization (approximately 0.5 mM ammonia remaining) and 2 days after ammonia depletion and stored at −70 ° C. until further analysis. DNA was isolated from frozen cells using the Genomic DNA Prep Kit (Solgent, Korea) according to the manufacturer's instructions. RNA was isolated from frozen cells using the RNeasy mini kit (Qiagen, Germany) and cDNA was synthesized using the SuperScript First Strand Synthesis System (Invitrogen, San Diego, CA) according to the manufacturer's instructions. The concentrations of DNA, RNA and cDNA were measured using a NanoDrop ND-1000 spectrophotometer (Nanodrop Technologies, Wilmington, 418 DE).

6. 클론 라이브러리의 제조 및 16S rRNA, 고세균 amoA 및 탄소고정 유전자들에 대한 계통학적 분석 6. Preparation of clone libraries and phylogenetic analysis of 16S rRNA, archaea amoA and carbon fixation genes

세균(bacteria) 및 고세균(archaea) 16S rRNA, 추정의 고세균 amoA, 및 3-히드록시프로피오네이트/4-히드록시부티레이트 경로의 핵심 탄소 고정화 유전자들(acc, mce 및 4-budh)를 하기 표 1에 기재한 프라이머들을 사용하여 증폭하였다. PCR 증폭용 프라이머를 디자인하기 위해, 3-히드록시프로피오네이트/4-히드록시부티레이트 경로의 추정되는 핵심 탄소 고정화 유전자 서열을 Berg et al.(2007)으로부터 선별하였다. 모든 유전자에 대한 PCR 조건은 94℃에서 5분; 94℃에서 30초, 55℃에서 30초, 및 72℃에서 45초의 30 사이클; 72℃에서 7분이었다. 클론 라이브러리는 제조자들의 지시에 따라 PCR Purification System Kit (Solgent, Korea)를 사용하여 정제한 PCR 산물을 T&A Cloning Vector Kit (Real Biotech Corporation, Taiwan)을 사용하여 라이게이션하고, E. coli DH5α세포에 형질전환시켜 제조하였다. 포지티브 추정 클론은 암피실린(100 μg/㎖)이 첨가된 LB (Luria broth)가 담긴 96-웰 플레이트에 옮겼다. 클론은 37℃에서 밤샘 배양하고, PCR 스크리닝 및 서열분석 전에 -70℃에서 LB/글리세롤에서 보관하였다. 라이브러리 클론은 2개의 M13 유니버설 프라이머 M13F (5'-GTTTCCCAGTCACGAC-3': 서열목록 제34서열) 및 M13R (5'-TCACACAGGAAACAGCTATGAC-3': 서열목록 제35서열)를 사용하여 인서트의 존재를 PCR에 의해 직접 스크리닝 하였다. PCR 조건은 94℃에서 5분; 94℃에서 30초, 55℃에서 30초, 72℃에서 30초의 30 사이클; 72℃에서 5분이었다. 각 라이브러리에서 포지티브 클론은 무작위로 선별하고 PCR 산물은 PCR Purification Kit (Solgent, Korea)를 사용하여 정제하였다. PCR 산물은 ABI 441 PRISMㄾ BigDye™ Terminator Cycle Sequencing Ready Reaction kits (Applied 442 Biosystems, Foster City, CA) 및 ABI PRISM 3730xl DNA Analyzer (Applied 443 Biosystems, Foster City, CA)를 사용하여 직접 서열 분석하였다. The key carbon immobilization genes (acc, mce and 4-budh) of the bacterial and archaea 16S rRNA, putative archaea amoA, and the 3-hydroxypropionate / 4-hydroxybutyrate pathway are shown in the table below. Amplification using the primers described in 1. To design primers for PCR amplification, the putative key carbon immobilized gene sequences of the 3-hydroxypropionate / 4-hydroxybutyrate pathway were selected from Berg et al. (2007). PCR conditions for all genes were 5 minutes at 94 ° C; 30 cycles of 30 seconds at 94 ° C, 30 seconds at 55 ° C, and 45 seconds at 72 ° C; 7 minutes at 72 ° C. Clone libraries of PCR product and purified using the PCR Purification System Kit (Solgent, Korea) according to the instructions of the manufacturer using the T & A Cloning Vector Kit (Real Biotech Corporation, Taiwan) Lai transfected in ligation and, E. coli DH5α cells Prepared by conversion. Positive putative clones were transferred to 96-well plates containing LB (Luria broth) with ampicillin (100 μg / ml). Clones were incubated overnight at 37 ° C. and stored in LB / glycerol at −70 ° C. prior to PCR screening and sequencing. The library clone uses two M13 universal primers M13F (5'-GTTTCCCAGTCACGAC-3 ': SEQ ID NO: 34) and M13R (5'-TCACACAGGAAACAGCTATGAC-3': SEQ ID NO: 35) to PCR for the presence of an insert Direct screening by PCR conditions were 5 minutes at 94 ° C; 30 cycles of 30 seconds at 94 ° C, 30 seconds at 55 ° C, and 30 seconds at 72 ° C; 5 minutes at 72 ° C. Positive clones were randomly selected from each library and PCR products were purified using a PCR Purification Kit (Solgent, Korea). PCR products were directly sequenced using ABI 441 PRISM® BigDye ™ Terminator Cycle Sequencing Ready Reaction kits (Applied 442 Biosystems, Foster City, Calif.) And ABI PRISM 3730xl DNA Analyzer (Applied 443 Biosystems, Foster City, Calif.).

계통학적 분석을 위해, 관련 분류군(taxon)들의 유전자 서열을 GenBank 데이터베이스로부터 얻고, Clustal X program (Thompson et al 1997)을 사용하여 다중정렬(multiple alignments)를 행하였다. 계통수(phylogenetic trees)는 MEGA 3 software program (Kumar et al 2004)을 사용하여 작성하였다. For phylogenetic analysis, gene sequences of relevant taxons were obtained from the GenBank database and multiple alignments were performed using the Clustal X program (Thompson et al 1997). Phylogenetic trees were created using the MEGA 3 software program (Kumar et al 2004).

Figure 112011021262414-pat00001
Figure 112011021262414-pat00001

7. 실시간(real-time) PCR을 이용한 유전자 카피수의 정량 7. Quantification of Gene Copy Numbers Using Real-time PCR

모든 정량적 실시간-PCR 실험은 MiniOpticon real-time PCR detection system (Bio-Rad Laboratories, Hercules, CA) 및 built-in Opticon Monitor Software version 3.1 451 (Bio-Rad Laboratories, Hercules, CA)를 사용하여 행하였다. 모든 유전자들을 증폭하기 위해서, 95℃에서 15분; 95℃에서 20초, 55℃에서 20초, 및 72℃에서 20초의 40 사이클을 사용하였고, 각 사이클 사이 마다 측정값을 검출하였다. 표준곡선(standard curve)은 각 반응 당 0 내지 109 유전자 카피 범위의 참조유전자의 표준을 사용하여 각각의 반응에 대해 작성하였다. 표준곡선은 공지된 바와 같이 유전자의 공지 카피수와 사이클 역치(cycle threshold, Ct)값과의 상관관계를 나타내준다. 실시간 PCR 반응의 특이도는 융해곡선(melting curves)의 분석, 젤 전기영동을 사용한 반응산물의 크기 측정, 및 반응산물의 서열분석을 통해 확인하였다. 각각의 타겟 유전자에 대한 PCR 증폭 프라이머 정보는 상기 표 1에 나타내었다.
All quantitative real-time PCR experiments were performed using a MiniOpticon real-time PCR detection system (Bio-Rad Laboratories, Hercules, Calif.) And built-in Opticon Monitor Software version 3.1 451 (Bio-Rad Laboratories, Hercules, Calif.). 15 minutes at 95 ° C. to amplify all genes; 40 cycles of 20 seconds at 95 ° C., 20 seconds at 55 ° C., and 20 seconds at 72 ° C. were used, and the measurement was detected between each cycle. A standard curve was prepared for each response using a standard of reference genes ranging from 0 to 10 9 gene copies for each response. The standard curve shows the correlation between the known copy number of the gene and the cycle threshold (Ct) value as known. Specificity of the real-time PCR reaction was confirmed by analysis of melting curves, measurement of the size of the reaction product using gel electrophoresis, and sequencing of the reaction product. PCR amplification primer information for each target gene is shown in Table 1 above.

8. 바이카보네이트 혼입 분석(Bicarbonate incorporation analysis) 8. Bicarbonate incorporation analysis

암모니아가 산화되는 동안에 암모니아 산화 고세균(AOA)의 바이카보네이트 혼입을 측정하기 위해서, 13C-표지된 바이카보네이트(99% 13C; Cambridge Isotope 466 Laboratories, Andover, MA; 5 mM)을, 황산화 세균(SOB)에 의한 13C-표지 바이카보네이트의 흡수를 배제하기 위해 티오설페이트(0.1 mM or 1.0 mM thiosulfate)가 완전히 고갈된 후에, 그러나 고세균 성장이 시작되기 전에, 부틸-고무 마개로 밀봉된 hungate 튜브내 10 ㎖ 배지에 첨가하였다. 비표지된 바이카보네이트 농도 대비 13C-표지된 바이카보네이트 농도의 비율은 13C-표지된 바이카보네이트를 스파이킹(spiking)하기 전 및 후의 바이카보네이트 농도를 측정함으로써 결정하였다. 대조군 배양은 13C-표지된 바이카보네이트를 첨가하지 않은 동일한 조건하에서 배양한 것을 사용하였다. 총 세포는 암모니아 산화가 완전히 이루어지기 전에 원심분리하여 회수한 후, 고세균 막 지질 분석을 위해 동결건조시켰다. 동결 건조된 세포들을 메탄올과 3회의 디클로로메탄을 사용하여 초음파-추출하였다. 추출물들을 합치고, small pipette Na2SO4 컬럼을 사용하여 물을 제거하였다. 고세균 막으로 13C가 혼입된 양을 측정하기 위해, HI/LiA1H4으로 처리하여 지질 추출물내에 존재하는 GDGTs로부터 바이피탄(biphytane)을 유리시키고, 가스크로마토그래피(GC) 및 동위원소비율-모니터링 GC/질량 분광기를 이용하여 측정하였다.
To measure the bicarbonate incorporation of ammonia oxidative archaea (AOA) during ammonia oxidation, 13 C-labeled bicarbonate (99% 13 C; Cambridge Isotope 466 Laboratories, Andover, MA; 5 mM) Hungate tube sealed with butyl-rubber stopper after thiosulfate (0.1 mM or 1.0 mM thiosulfate) is completely depleted, but before archaea growth begins, to rule out absorption of 13 C-labeled bicarbonate by (SOB) To 10 ml medium. The ratio of 13 C-labeled bicarbonate concentration to unlabeled bicarbonate concentration was determined by measuring the bicarbonate concentration before and after spiking 13 C-labeled bicarbonate. Control cultures were those cultured under the same conditions without addition of 13 C-labeled bicarbonate. Total cells were recovered by centrifugation before complete ammonia oxidation and lyophilized for archaea membrane lipid analysis. Lyophilized cells were sonicated with methanol and three dichloromethanes. The extracts were combined and water was removed using a small pipette Na 2 SO 4 column. To determine the amount of 13 C incorporation into archaeological membranes, biphytane was released from GDGTs present in lipid extracts by treatment with HI / LiA1H4, gas chromatography (GC) and isotope ratio-monitoring GC / Measurement was made using a mass spectrometer.

실험결과Experiment result

1. 황-산화 세균의 조합을 이용한 암모니아-산화 고세균의 농화 배양법의 확립 1. Establishment of enrichment culture method of ammonia-oxidizing archaea using a combination of sulfur-oxidizing bacteria

이전의 연구에서 본 발명자들은 암모니아-산화 고세균이 한국의 해양 침전물에 존재한다는 것을 보고하였다. 항생제 유무에 관계없이 유일 에너지원으로서 암모니아만을 함유하는 배지를 사용하여 이들 암모니아-산화 고세균을 농화배양하려는 시도는 성공적이지 못하였다. 이러한 시도에 이어서, 본 발명자들은 대부분의 경우 독립 영양성 세균인 예를 들어, 황-산화 세균(sulfur-oxidizing bacteria, SOB), 수소-산화 세균(hydrogen-oxidizer), 호메탄 세균(methanotroph), 광영양 세균(phototroph) 및 리그닌-분해 세균(lignin-decomposer)과 함께 공배양하는 방법을 통하여 암모니아-산화 고세균의 성장을 촉진하려는 시도를 행하였다. 그 결과, 암모니아-산화 고세균에 의한 암모니아의 산화 촉진은, 암모니아 이외에 보조 에너지원으로서 티오설페이트(thiosulfate)를 포함하는 황-산화 세균과의 공배양(co-culture)배지에서만 발견되었다. 약 20 개월간, 암모니아 산화가 완료된 후에 2주 마다 연속적으로 계대 배양한 결과 암모니아-산화 고세균(AOA)이 농화배양 배지내에서 우점균으로 발전되었다. 어떠한 배양물로부터도 진핵세포 rRNA 유전자는 증폭되지 않았다. 즉, 본 발명자들은 상술한 황-산화 세균과의 공동배양법을 이용함으로써, 한국 동해의 연안 침전물 및 Svalbard (북극해 지역)의 침전물로부터, crenarchaeal group I.1a 암모니아 산화 고세균(AOA)에 속하는 고세균을 각각 농화배양하는 데 성공하였다. 본 명세서에서는 한국 동해의 침전물로부터의 배양은 SJ 배양으로, Svalbard (북극해 지역) 침전물로부터의 배양은 AR 배양으로 각각 명명한다. In previous studies we reported that ammonia-oxidizing archaea was present in marine sediments in Korea. Attempts to enrich the ammonia-oxidizing archaea using a medium containing only ammonia as the only energy source with or without antibiotics have not been successful. Following this attempt, we find that in most cases, the independent trophic bacteria are sulfur-oxidizing bacteria (SOB), hydrogen-oxidizers, methanotrophs, light Attempts have been made to promote the growth of ammonia-oxidizing archaea through coculture with phototrophs and lignin-decomposers. As a result, promotion of oxidation of ammonia by ammonia-oxidizing archaea was found only in co-culture medium with sulfur-oxidizing bacteria containing thiosulfate as an auxiliary energy source in addition to ammonia. For about 20 months, after ammonia oxidation was completed, successive passages every two weeks resulted in the development of ammonia-oxidized archaea (AOA) into dominant bacteria in the culture medium. Eukaryotic rRNA genes were not amplified from any culture. That is, the present inventors, by using the co-cultivation method with the sulfur-oxidizing bacteria described above, from the sediments of the coastal sediment and Svalbard (North Pole) in the East Sea of Korea, each of the archaea belonging to the crenarchaeal group I.1a ammonia oxidative archaea (AOA) Successfully enriched. In the present specification, the culture from the sediment in the East Sea of Korea is referred to as SJ culture, and the culture from the Svalbard (North Pole Region) sediment is referred to as AR culture.

황-산화세균과의 공동배양을 이용한 본 발명의 농화배양법에서, 암모니아의 산화 및 이와 동시에 발생하는 고세균 16S rRNA 유전자 카피수의 증가는, 산소농도의 급격한 감소(전형적으로 10% 까지의 감소)와 함께, 황-산화세균에 의해 0.1 mM 티오설페이트가 완전히 소비된 직후에 시작되었다(도 1의 패널 A 참조). 배양내에서 1 mM 암모니아가 소비된 이후에 암모니아-산화 고세균은 우점균이 되었다. 이러한 사실은, 정량 PCR 실험 결과에 의해, 암모니아-산화 고세균의 16S rRNA가 총 원핵세균 16S rRNA 유전자 카피의 81%를 차지한 점과(도 1의 패널 B 및 표 2 참조), FISH 분석 결과에 의해, 암모니아-산화 고세균이 DAPI-염색된 세포의 80% 이상을 차지한 결과(도 2a 및 도 2b 참조)로부터 명확히 뒷받침된다. In the thickening method of the present invention using co-culture with sulfur-oxidizing bacteria, the oxidation of ammonia and the increase in the number of co-occurring archaea 16S rRNA genes, which occur simultaneously, are accompanied by a sharp decrease in oxygen concentration (typically by 10%). Together, it started immediately after 0.1 mM thiosulfate was consumed completely by sulfur-oxidizing bacteria (see panel A in FIG. 1). After 1 mM ammonia was consumed in the culture, the ammonia-oxidizing archaea became a dominant bacterium. These findings indicate that 16S rRNA of ammonia-oxidative archaea accounted for 81% of the total prokaryotic 16S rRNA gene copy (see panel B and Table 2 of the Figure 1), according to the results of FISH analysis. This is clearly supported by the results of ammonia-oxidizing archaea accounting for at least 80% of DAPI-stained cells (see FIGS. 2A and 2B).

전자 광현미경 관찰 결과에 의하면, 본 발명의 암모니아-산화 고세균의 대부분은, 가늘고 긴 막대 모양의 세포 형태를 나타내었다(폭이 0.15 - 0.2μm이고, 길이는 0.5 - 1.0 μm임; 도 2의 패널 C 및 패널 D 참조). According to the electron microscopic observation, most of the ammonia-oxidizing archaea of the present invention showed a long, rod-shaped cell morphology (0.15-0.2 μm in width and 0.5-1.0 μm in length; panel of FIG. 2). C and panel D).

계통수 분석 결과에 의하면, 본 발명에서 농화 배양된 암모니아-산화 고세균은 해양 침전물내에서 동정된 고세균(Park et al 2008b)과, "Ca. Nitrosopumilus maritimus"와 밀접한 근연관계에 있는 것으로 확인되었다(도 3 참조). SJ 및 AR 배양의 클론중에서 고세균 16S rRNA 유전자 서열(약 900 bp의 크기)의 평균적인 동일성(identity)은 99.3 ± 0.4 % 이었다. 본 발명의 SJ 및 AR 배양의 암모니아-산화 고세균과 가장 근접된 종은 99.1 ± 0.4%의 16S rRNA 유전자 서열 동일성을 갖는 "Ca. Nitrosopumilus maritimus"이었다(도 3 참조). According to the phylogenetic tree analysis, the ammonia-oxidizing archaea cultured in the present invention was found to be closely related to the archaea (Park et al 2008b) identified in the marine sediment and " Ca. Nitrosopumilus maritimus" (Fig. 3). Reference). The average identity of the archaea 16S rRNA gene sequence (size of about 900 bp) in clones of SJ and AR cultures was 99.3 ± 0.4%. The closest species to the ammonia-oxidative archaea of the SJ and AR cultures of the present invention was " Ca. Nitrosopumilus maritimus" with 16S rRNA gene sequence identity of 99.1 ± 0.4% (see Figure 3).

본 명세서 실시예의 실험 데이터들에 의하면, crenarchaeal group I.1a에 속하는 상기 동정된 고세균이 본 발명의 농화 배양물에서 유일한 암모니아-산화 고세균이라는 것이 입증된다. The experimental data of the Examples herein demonstrate that the identified archaea belonging to crenarchaeal group I.1a is the only ammonia-oxidizing archaea in the enrichment culture of the present invention.

첫째로, 고세균 16S rRNA 유전자 카피 수는 산화되어 소비되는 암모니아의 양과 동시적으로 증가하였다(도 4 참조). Crenarchaea는 암모니아 산화 동안에 성장하는 유일한 미생물이다. DGGE (denaturing gradient gel electrophoresis) 분석과 16S rRNA 유전자들로부터의 클론 라이브러리의 분석 결과, crenarchaeal group I.1b 또는 pSL12 clade, 가능한 다른 해양성 암모니아 산화 고세균에 연관된 16S rRNA 유전자 서열은 검출되지 않았다(도 3 참조). First, the archaea 16S rRNA gene copy number increased synchronously with the amount of ammonia consumed (see FIG. 4). Crenarchaea is the only microorganism that grows during ammonia oxidation. As a result of denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE) analysis and analysis of clone libraries from 16S rRNA genes, 16S rRNA gene sequences associated with crenarchaeal group I.1b or pSL12 clade, possibly other marine ammonia oxidative archaea, were not detected (see FIG. 3). ).

둘째로, 고세균 amoA 유전자의 발현은 암모니아의 산화 과정 동안 관찰되었고, 암모니아가 고갈된 후 2-3배 감소하였다(표 2). AR 농화 배양의 경우, 고세균 amoA 유전자 발현은 암모니아가 감소함에 따라 ng RNA 당 4.1 X 103 에서 4.5 X 101 카피로 감소하였다. Second, the expression of the archaea amoA gene was observed during the oxidation process of ammonia and decreased 2-3 times after ammonia was depleted (Table 2). For AR enriched cultures, the archaea amoA gene expression decreased from 4.1 X 10 3 to 4.5 X 10 1 copies per ng RNA as ammonia decreased.

셋째로, 베타- 및 감마-프로테오박테리아(proteaobacterial) amoA 유전자는 농화 배양으로부터 추출한 지놈 DNA 및 cDNA에서 PCR에 의해 증폭되지 않았다. Third, beta- and gamma-proteaobacterial amoA genes were not amplified by PCR in genome DNA and cDNA extracted from enriched cultures.

넷째로, 세균 항생제(스트렙토마이신 또는 카나마이신)를 암모니아의 산화 과정 동안에 첨가하면, 암모니아 산화 고세균의 성장과 함께 아질산염(nitrite)의 축적이 초래되는데, 이는 암모니아 산화 고세균의 성장에 의해 암모니아가 아질산염으로 전환된다는 것을 증명하는 것이다. 또한, 호열성 암모니아 산화 고세균인 "Ca. Nitrososphaera gargensis"가 50μM의 알릴티오우레아의 존재하에서 보여주었던 결과와 유사하게, 아질산화 억제제[100μM의 아염소산염(chlorite) 및 50μM의 니트라피린(nitrapyrin)]를 첨가한 경우, 고세균의 암모니아 산화 및 고세균 성장을 완전히 억제하였다. Fourth, the addition of bacterial antibiotics (streptomycin or kanamycin) during the oxidation process of ammonia results in the growth of ammonia oxidizing bacteria and the accumulation of nitrite, which leads to the conversion of ammonia to nitrite by the growth of ammonia oxidizing bacteria. It is to prove that. In addition, similar to the results of thermophilic ammonia oxidative archaea " Ca. Nitrososphaera gargensis" in the presence of 50 μM allylthiourea, nitrite inhibitors (100 μM chlorite and 50 μM nitrapyrin) When added, the ammonia oxidation and archaea growth of archaea were completely inhibited.

배양 시에 응집물이 형성되어 FISH에 기초하여 암모니아 산화 고세균의 성장률을 측정하는 것은 성공적이지 못하였기 때문에, 간접적으로 성장률을 추정하기 위해 16S rRNA 유전자의 카피수를 이용하였다. 본 실험의 배양 조건(25℃, pH 8.2, 1 mM 암모니아)하에서 얻은 최대 성장률(SJ 배양의 경우 0.57/day, AR 배양의 경우 0.65/day)은 "Ca. N. maritimus"(0.78/day)의 것에 비하여 약간 낮았다(Konneke et al. 2005). 그러나, 이러한 성장률은 천연 박테리오플랑크톤 군집(bacterioplanktonic community)의 성장률(0.05 - 0.3/day) 보다는 높은 것이다. 4 mM의 암모니아 농도에서 암모니아가 불완전하지만 소비(산화)되는 것이 관찰되었다(도 4 참조). Since aggregates were formed at the time of culturing and measuring the growth rate of ammonia oxidizing archaea based on FISH was unsuccessful, the copy number of the 16S rRNA gene was used to indirectly estimate the growth rate. The maximum growth rate (0.57 / day for SJ culture and 0.65 / day for AR culture) obtained under the culture conditions of this experiment (25 ° C., pH 8.2, 1 mM ammonia) was “ Ca N. maritimus” (0.78 / day). Slightly lower than that of (Konneke et al. 2005). However, this growth rate is higher than that of the native bacterioplanktonic community (0.05-0.3 / day). Ammonia was observed to be incomplete but consumed (oxidized) at an ammonia concentration of 4 mM (see FIG. 4).

본 실험의 배양에서 티오설페이트를 산화하는 황산화 세균의 성장은 암모니아 산화 고세균의 활성에 필수적이었다. 티오설페이트가 포함되지 않은 배지로 배양물을 옮겼을 경우에 2주 동안에 약 20%의 암모니아만이 산화되었고, 암모니아 산화 활성은 재개되지 않았다. 티오설페이트 이외의 환원 황 화합물인 아황산염(sulfite), 테트라티오네이트(tetrathionate) 및 황원소(elemental sulfur)를 황 산화 세균의 기질로써 테스트하였는데, 아황산염 및 테트라티오네이트를 사용한 경우도 암모니아 산화 고세균의 성장을 촉진한 반면, 황원소는 성장 촉진 효과가 없었다. 0.1 - 2.0 mM의 농도의 티오설페이트를 사용한 경우 암모니아 산화 고세균의 활성이 최적으로 유지되었다. 그러나, 5 mM의 티오설페이트 농도에서는 암모니아 산화 고세균의 암모니아 산화 활성이 더 이상 관찰되지 않았다. The growth of sulfated bacteria oxidizing thiosulfate in the culture of this experiment was essential for the activity of ammonia oxidative archaea. When the culture was transferred to a medium without thiosulfate, only about 20% of ammonia was oxidized in two weeks, and the ammonia oxidation activity was not resumed. Sulfite, tetrathionate and elemental sulfur, reducing sulfur compounds other than thiosulfate, were tested as substrates of sulfur oxidizing bacteria. In contrast, sulfur did not have a growth promoting effect. Thiosulfate concentrations of 0.1-2.0 mM were used to maintain optimal activity of the ammonia oxidizing archaea. However, at a concentration of 5 mM thiosulfate, the ammonia oxidation activity of the ammonia oxidizing archaea was no longer observed.

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2. 암모니아 산화 및 산소흡수의 동역학 2. Dynamics of Ammonia Oxidation and Oxygen Absorption

질산화율(nitrification rate)은 암모니아 산화 고세균의 회분식 성장 실험동안 측정하였다(도 1 참조). 암모니아의 비산화율(specific oxidation rate)은 SJ 배양의 경우 2.8 fmol/세포/day 이었으며, AR 배양의 경우 3.0 fmol/세포/day 이었다. 암모니아의 산화는 인큐베이션 동안에 진탕(shaking)에 의해 심각하게 저해되었으나, 티오설페이트 산화 정도는 영향을 받지 않았다. 이러한 결과는 황산화 세균의 활성이 용존산소의 수준을 특정 수준 이하로 유도한다는 것을 암시한다. 실제로 측정되는 용존 산소의 수준은 암모니아 산화 개시 이전에 낮은 수준(리터당 3 mg 이하)으로 감소하였다(도 1의 패널 A 참조). 이러한 사실은 본 발명의 농후배양에서 암모니아 산화 고세균이 해양의 표면 침전물의 전형적인 조건인 저 수준의 산소 환경에서 잘 적응할 수 있음을 암시하는 것이다. Nitrification rate was measured during the batch growth experiment of ammonia oxidative archaea (see FIG. 1). Specific oxidation rate of ammonia is 2.8 fmol / cell / day for SJ culture 3.0 fmol / cell / day for AR culture. It was. Oxidation of ammonia was severely inhibited by shaking during incubation, but the degree of thiosulfate oxidation was not affected. These results suggest that the activity of sulfated bacteria induces levels of dissolved oxygen below a certain level. The level of dissolved oxygen actually measured decreased to low levels (below 3 mg / liter) before initiation of ammonia oxidation (see panel A in FIG. 1). This suggests that the ammonia oxidizing archaea in the rich culture of the present invention can be well adapted in a low level oxygen environment, which is typical of surface deposits in the ocean.

AR 배양에서 산소 및 암모니아에 대한 친화도(Km 값)을 측정하기 위해 암모니아 산화와 커플링된 산소흡수를 호흡율적으로 측정하였다. AR 배양에 의한 암모니아 산화 및 산소 소비의 동역학은 Michaelis-Menten-타입의 동역학적 특성을 보여주었다. 본 실험의 결과에 의하면, AR 배양에서의 산소 및 암모니아에 대한 암모니아 산화 고세균의 친화도는 암모니아 산화 세균(AOB) 보다 훨씬 컸고, AR 배양에서의 암모니아 산화 고세균(AOA)의 산소 흡수 및 암모니아 산화의 최대속도는 암모니아 산화 세균(AOB)의 것보다 훨씬 낮았다. 암모니아 산화 세균의 암모니아 친화도는 약 30 - 2,000 μM의 범위로서 넓은 편이다.
To measure affinity (Km value) for oxygen and ammonia in AR culture, oxygen uptake coupled with ammonia oxidation was measured respiratoryly. The kinetics of ammonia oxidation and oxygen consumption by AR culture showed the kinetics of Michaelis-Menten-type. The results of this experiment show that the affinity of ammonia oxidative archaea to oxygen and ammonia in AR culture was much greater than that of ammonia oxidizing bacteria (AOB), and that the The maximum rate was much lower than that of ammonia oxidizing bacteria (AOB). The ammonia affinity of ammonia oxidizing bacteria is wide, ranging from about 30 to 2,000 μM.

3. 암모니아 산화 고세균(AOA) 농화 배양에서의 탄소 고정화 3. Carbon Immobilization in Ammonia Oxide Archaea (AOA) Concentration Cultures

16s rRNA 유전자 카피를 정량한 결과, 본 실험의 배양에서 바이카보네이트(bicarbonate)의 농도를 증가시킬 경우 세균 또는 고세균 성장에 어떠한 심각한 영향도 발생하지 않았다. 농화 배양된 암모니아 산화 고세균의 탄소 고정 경로를 조사하기 위해, SJ 및 AR 농화 배양에서 [13C]-바이카보네이트로 표지하였다. 이로 인해, 13C-표지의 상당량이 특징적인 crenarchaeal 막 지질로 혼입되어, 암모니아 산화 고세균의 독립영양성 성장에 대한 신빙성 있는 증거를 제공하였다(표 4 참조). 고세균 지질의 13C 표지의 정도는 첨가된 티오설페이트의 양에는 의존하지 않았다(표 4 참조). 3-히드록시프로피오네이트/4-히드록시부티레이트 사이클은 "Ca. C. symbiosum"와 같은 중온성 암모니아 산화 고세균을 포함하여 다양한 Crenarchaea에서의 독립 영양성 탄소 고정화 경로인 것으로 추정되어 왔다. 본 발명자들은 농화 배양에서 3-히드록시프로피오네이트/4-히드록시부티레이트 사이클의 2개의 중요한 핵심 유전자로서, 4-히드록시부틸릴-CoA 디하이드라타아제(4-hydroxybutyryl-CoA dehydratase; 4-BUDH) 및 아세틸-CoA 카르복실라아제(acetyl-CoA carboxylase, ACC)를 각각 코딩하는 유전자를 증폭할 수 있었으며, 이 유전자들은"Ca. N. maritimus"의 유전자들과 각각 81 - 92% 및 86 - 92%의 뉴클레오타이드 서열 동일성을 갖고 있었다. 상기 2개 유전자들의 발현 수준은 amoA의 발현 수준 보다 상당히 낮았다(표 2 참조). 예상외로, 3-히드록시프로피오네이트/4-히드록시부티레이트 사이클의 다른 핵심 유전자인, 메틸말로닐-CoA 에피머라아제(methylmalonyl-CoA epimerase, MCE)를 코딩하는 유전자는 증폭할 수 없었다(표 1 참조). As a result of quantifying 16s rRNA gene copies, increasing the concentration of bicarbonate in the culture of this experiment did not cause any serious effects on bacterial or archaea growth. To investigate the carbon fixation pathway of ammonia oxidative archaea, which was enriched in culture, it was labeled with [ 13 C] -bicarbonate in SJ and AR enrichment cultures. This resulted in significant amounts of 13 C-labels incorporated into the characteristic crenarchaeal membrane lipids, providing reliable evidence for autotrophic growth of ammonia oxidizing archaea (see Table 4). The degree of 13 C labeling of archaea lipids was not dependent on the amount of thiosulfate added (see Table 4). The 3-hydroxypropionate / 4-hydroxybutyrate cycle has been estimated to be an independent nutrient carbon immobilization pathway in various Crenarchaea, including mesophilic ammonia oxidative archaea, such as "Ca. C. symbiosum". We describe two important key genes of the 3-hydroxypropionate / 4-hydroxybutyrate cycle in enriched cultures: 4-hydroxybutyryl-CoA dehydratase; 4 -BUDH) and genes encoding acetyl-CoA carboxylase (ACC), respectively, could be amplified, which were 81-92% of the genes of " Ca. N. maritimus" and Had 86-92% nucleotide sequence identity. The expression levels of these two genes were significantly lower than the expression levels of amoA (see Table 2). Unexpectedly, the gene encoding methylmalonyl-CoA epimerase (MCE), another key gene in the 3-hydroxypropionate / 4-hydroxybutyrate cycle, could not be amplified (Table 1 Reference).

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4. 아질산(nitrite)염의 산화 4. Oxidation of Nitrite Salts

암모니아의 산화 동안에, 회분식 배양을 행하는 과정에서는 어느 시점에서건 아질산염이 축적되는 것을 관찰할 수 없었으나, 배지내에서는 질산염이 거의 화학량론적으로 축적된다는 것을 관찰하였다(도 1의 패널 A). 그러나, 암모니아 산화 동안에 농화 배양에 세균의 항생제(스트렙토마이신 또는 카나마이신)를 첨가한 경우 아질산염이 축적되는 것을 확인하였다. 이는 아질산염-산화 세균(nitrite-oxidizing bacteria, NOB)이 암모니아-산화 고세균에 의해 생성된 아질산염을 즉시 산화한다는 것을 암시하고 있으나, SJ 배양에서 일반 세균 특이 프라이머를 사용하여 SJ 배양의 세균 16S rRNA 유전자 라이브러리로부터 검출한 결과, Nitrospina에 관련된 오직 하나의 클론만이 확인되었다. 해양 아질산염-산화세균(즉, Nitrospina, NitrospiraNitrococcus)군집의 16S rRNA 유전자의 PCR 증폭 실험 결과 Nitrospina에 관련된 서열을 검출하였는데, 이는 세균 16S rRNA 유전자의 총 카피의 0.5%(SJ 농화배양) 및 2.8%(AR 농화 배양)를 구성한다(표 2 참조).
During the oxidation of ammonia, nitrite accumulation could not be observed at any point during the batch culture, but it was observed that nitrate was accumulated almost stoichiometrically in the medium (Panel A of FIG. 1). However, it was confirmed that nitrite was accumulated when bacterial antibiotics (streptomycin or kanamycin) were added to the concentrated culture during ammonia oxidation. This suggests that nitrite-oxidizing bacteria (NOB) immediately oxidizes the nitrites produced by ammonia-oxidizing archaea, but bacterial 16S rRNA gene libraries in SJ cultures using normal bacterial specific primers in SJ cultures. As a result, only one clone related to Nitrospina was identified. PCR amplification experiments of 16S rRNA genes from a population of marine nitrite-oxidizing bacteria (ie, Nitrospina , Nitrospira and Nitrococcus ) detected sequences related to Nitrospina , which accounted for 0.5% of the total copy of the bacterial 16S rRNA gene (SJ enrichment) and 2.8 % (AR thickening culture) is comprised (refer Table 2).

이상으로 본 발명의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 구현 예일 뿐이며, 이에 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백하다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항과 그의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the same is by way of illustration and example only and is not to be construed as limiting the scope of the present invention. Thus, the substantial scope of the present invention will be defined by the appended claims and equivalents thereof.

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<110> Chungbuk National University Industry Academic Cooperation Foundation <120> Method for Enrichment Culture of Ammonia-Oxidizing Archaea Through Co-culturing with Sulfur-Oxidizing Bacteria and Novel Ammonia-Oxidizing Archaea Isolated from Marine By Using the Same Method <160> 35 <170> KopatentIn 1.71 <210> 1 <211> 835 <212> DNA <213> Ammonia Oxidizing Archaea <400> 1 acctgactgc tatcggattg atactaagcc atgcgagtca ttgtagtaat acaaggcaga 60 cggctcagta acgcgtagtc aacctaacct atggacggga ataacctcgg gaaactgaga 120 ataatgcccg atagaacact atatctggaa tggtttgtgt tccaaatgat ttatcgccgt 180 aggatgggac tgcggcctat cagtttgttg gtgaggtaat ggcccaccaa gactattaca 240 ggtacgggct ctgagaggag tagcccggag atgggtactg agacacggac ccaggcccta 300 tggggcgcag caggcgagaa aactttgcaa tgtgcgaaag cacgacaagg ttaatccgag 360 tggtttctgc taaaggaacc ttttgtcagt cctagaaaca ctgacgaata aggggtgggc 420 aagttctggt gtcagccgcc gcggtaaaac cagcacctca agtggtcagg atgattattg 480 ggcctaaagc acccgtagcc ggctctgtaa gttttcggtt aaatctgtac gctcaacgta 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Claims (5)

황-산화 세균(sulfur-oxidizing bacteria)과 공동 배양하는 단계를 포함하는 암모니아-산화 고세균(ammonia-oxidizing archaea)를 농화 배양(enrichment culture)하는 방법으로서, 상기 공동 배양의 배지는 0.1 - 8.0 mM의 암모니아를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
A method for enriching ammonia-oxidizing archaea comprising co-culturing with sulfur-oxidizing bacteria, wherein the medium of the co-culture is 0.1-8.0 mM. And ammonia.
제 1 항에 있어서, 상기 황-산화 세균은 환원된 황 화합물을 기질로 사용하며, 상기 황 화합물은 0.1 - 5.0 mM 농도의 황화물(sulfide), 티오설페이트(thiosulfate), 폴리티오네이트(polythionate), 황원소(elemental sulfur) 또는 아황산염(sulfite)인 것을 특징으로 하는 방법.
The method of claim 1, wherein the sulfur-oxidizing bacteria using a reduced sulfur compound as a substrate, the sulfur compound is a sulfide (sulfide), thiosulfate (polythionate), polythionate, Elemental sulfur or sulfite.
제 1 항에 있어서, 상기 공동 배양의 배지는 해수를 포함하며, 암모니아-산화 고세균에 의한 암모니아 산화 완료 후 새로운 배지에 계대 배양하는 단계를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
The method of claim 1, wherein the medium of co-culture comprises seawater, and further comprising the step of subcultured in fresh medium after completion of ammonia oxidation by ammonia-oxidizing archaea.
해양으로부터 분리된 암모니아 산화 활성을 갖는 암모니아-산화 고세균 SJ 균주(기탁번호: KCTC 11878BP).
Ammonia-oxidized archaea SJ strain having ammonia oxidation activity isolated from the ocean (Accession No .: KCTC 11878BP).
상기 제 4 항의 암모니아-산화 고세균 SJ 균주 (기탁번호: KCTC 11878BP)를 유효성분으로 포함하는 암모니아로 오염된 해양환경의 정화에 사용하는 용도의 조성물.
Composition for use in the purification of the marine environment contaminated with ammonia comprising the ammonia-oxidized archaea SJ strain (Accession No .: KCTC 11878BP) of claim 4 as an active ingredient.
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