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Syntrophic Biodegradation of Propoxur by Pseudaminobacter sp. SP1a and Nocardioides sp. SP1b Isolated from Agricultural Soil : 농업토양에서 분리된 Pseudaminobacter sp. SP1a와 Nocardioides sp. SP1b의 영양공생을 통한 Propoxur의 생분해

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Authors

김현

Advisor
가종억
Major
농업생명과학대학 농생명공학부
Issue Date
2016-08
Publisher
서울대학교 대학원
Keywords
PropoxurSyntrophyBiodegradation2-IsopropoxyphenolBiomineralizationBacteriaHydrolysis
Description
학위논문 (석사)-- 서울대학교 대학원 : 농생명공학부 식물미생물학전공, 2016. 8. 가종억.
Abstract
Propoxur는 N-메틸카바메이트계 농약으로 주로 살충제로써 농업해충 및 상업시설과 주거지 등의 위생해충을 방제하기 위해 전세계적으로 쓰이고 있다. 이 농약은 살충효과가 뛰어나지만 인간 및 생태계의 구성원에게 부정적인 영향을 끼친다. 인간이 propoxur에 노출될 경우 뇌를 비롯한 중추신경계에 존재하는 cholinesterase가 억제됨에 따라 급성중독증세가 나타나며 미국의 EPA는 propoxur를 잠정적인 발암원으로 규정하고 있다. 인체에 대한 유해성과 더불어 생태계에 유출된 propoxur는 생태계 내 비표적 생물에게 강한 독성을 나타내며 토양미생물군집에도 영향을 주어 생태계의 구성과 기능에 부정적인 영향을 미친다. 이러한 propoxur의 유해성을 줄이는 방법 중 하나는 미생물을 이용한 잔여물질의 생분해이다. propoxur의 생분해에 대한 이전 연구에서는 propoxur가 미생물의 활동에 의해 2-isopropoxyphenol로 가수분해된다는 것이 밝혀졌으나 이 중간물질이 미생물의 탄소 및 에너지원으로써 완전히 분해되는 것은 보고되지 않았다. 본 연구에서는 propoxur를 완전히 분해할 수 있는 두 종의 세균으로 구성된 세 쌍의 syntrophic pair가 농업토양에서 분리되었다. 16S rRNA 유전자 염기서열 분석 및 repetitive extragenic palindromic PCR (REP-PCR)을 통해 syntrophic pair를 구성하는 세균들이 Pseudaminobacter 및 Mesorhizobium, Nocardioides와 연관이 있는 것을 확인하였다. 세 쌍의 syntrophic pair 중 가장 빠르게 propoxur를 분해하는 SP1 pair에 대해 연구한 결과, SP1 pair의 분해활동은 중온 조건에서 가장 활발하였으며, 추가적인 영양분으로 glucose와 peptone을 propoxur와 동일한 농도로 같이 첨가하여 배양할 경우 더욱 빠르게 농약을 분해하였다. Propoxur 이외의 다른 농약에 대한 기질 다양성 실험을 통해 SP1 pair가 propoxur만을 영양공생을 통해 완전히 분해할 수 있다는 것을 확인하였다. Gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) 분석을 통해 SP1 pair를 구성하는 균주 SP1a에 의해 propoxur가 2-isopropoxyphenol로 가수분해되며 이것이 균주 SP1b에 의해 추후 완전히 분해됨을 보았다. 기존 보고된 메틸카바메이트 분해 유전자의 primer를 이용해 PCR증폭실험을 실시한 결과 propoxur의 가수분해가 균주 SP1a가 가지는 carbaryl hydrolase를 인코딩하는 cehA 유전자에 의한 것임을 확인하였다. 이 연구는 propoxur가 완전히 분해될 수 있다는 것을 확인한 첫 연구이며 이 연구를 통해 밝혀진 propoxur를 완전히 분해할 수 있는 syntrophic pair를 propoxur에 오염된 토양의 정화를 위한 미생물 자원으로 이용할 수 있을 것으로 기대된다.
The N-methylcarbamate insecticide propoxur, 2-isopropoxyphenyl N-methylcarbamate, is one of commonly applied insecticides all around the world. Propoxur was applied to agricultural fields and in-and –around industrial, commercial, and residential facilities for public health. Propoxur has an adverse effect on the brain and central nervous system in human by inhibiting cholinesterase. Moreover, the U.S. EPA classified propoxur as a probable human carcinogen. In addition to direct impacts on human, propoxur has toxicity to non-target organisms including not only fish and other aquatic organisms, birds, bees, and mammals but also soil microbial community. Therefore, cleanup of propoxur residues from the environment is important. In this study, three syntrophic pairs of propoxur degraders were isolated from agricultural soils. Based on 16S rRNA gene sequence analysis and repetitive extragenic palindromic PCR (REP-PCR), the isolates consisting of syntrophic pairs were related to members of genera Pseudaminobacter, Mesorhizobium, and Nocardioides. All pairs were capable of degrading and utilizing propoxur as a sole carbon and energy source. Among these pairs, SP1 syntrophic pair degrading propoxur most rapidly was chosen for further characterization studies. Propoxur degradation rate of SP1 pair increased when the pair was incubated at moderate temperature. Moreover, SP1 pair degrade propoxur more quickly with shorter lag period in the presence of glucose or peptone. The syntrophic pair appeared to transform propoxur to 2-isopropoxyphenol (2-IPP) and further mineralize the intermediate when analyzed by gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS). When analyzed with PCR amplification using previously-reported carbamate hydrolase genes, strain SP1 showed homology with cehA gene. This is first time that bacteria involved in propoxur mineralization have been isolated. Considering complete degradation ability of these syntrophic pair, they might be useful for bioremediation purposes in fields contaminated with propoxur.
Language
English
URI
https://hdl.handle.net/10371/125953
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