이성근 (충북대학교) | 한빛사논문 > 한빛사

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ISME J., Feb 27 2026, wrag040 | https://doi.org/10.1093/ismejo/wrag040 Kinetic Plasticity of Nitrite-Oxidizing Bacteria Containing Cytoplasmic Nitrite Oxidoreductase

Ui-Ju Lee ¹, Joo-Han Gwak^{2 3}, Christiana Abiola ¹, Seongjun Lee¹, Jin-Sun Yoo ¹, Ok-Ja Si ¹, Hyo Je Cho ¹, Zhe-Xue Quan ⁴, Katharina Kitzinger ⁵, Holger Daims ^{5 6}, Michael Wagner^{5 6 7}, Man-Young Jung ^{8 9 10 *}, Sung-Keun Rhee ^{1 *}

¹Department of Biological Sciences and Biotechnology, Chungbuk National University, Cheongju, Republic of Korea.
²Department of Life Science, Hallym University, Chuncheon 24252, Republic of Korea.
³Multidisciplinary Genome Institute, Hallym University, Chuncheon 24252, Republic of Korea.
⁴School of Life Sciences, Fudan University, Shanghai, China.
⁵Centre for Microbiology and Environmental Systems Science, University of Vienna, Vienna, Austria.
⁶The Comammox Research Platform, University of Vienna, Vienna, Austria.
⁷Center for Microbial Communities, Department of Chemistry and Bioscience, Aalborg University, Aalborg, Denmark.
⁸Department of Science Education, Jeju National University, Jeju, Republic of Korea.
⁹Interdisciplinary Graduate Program in Advanced Convergence Technology and Science, Jeju National University, Jeju, Republic of Korea.
¹⁰Bio-Health Materials Core-Facility Center, Jeju National University, Jeju, Republic of Korea.

^*Corresponding authors: correspondence to Man-Young Jung or Sung-Keun Rhee

Abstract

Nitrite-oxidizing bacteria (NOB) use either periplasmic (pNXR) or cytoplasmic (cNXR) nitrite oxidoreductase to oxidize nitrite, and this distinction influences nitrite affinity and energy yield. cNXR-containing NOB have historically been considered low-affinity, copiotrophic nitrifiers adapted to high nitrite and neutral pH. Here, we report a previously uncharacterized pH- and substrate-dependent modulation of nitrite affinity in cNXR NOB that is not observed in pNXR NOB and is not a universal microbial trait. Nitrobacter winogradskyi Nb-255, grown at low nitrite (1 mM), had a high apparent affinity (K_m(_app) = 25.9 μM; specific affinity a^o = 440.5 l g cells^-1 h^-1) comparable to oligotrophic pNXR NOB. However, when grown at high nitrite (10 mM), these cells showed a low affinity at pH 7.5 (Km(app) = 388.0 μM) but exhibited a rapid increase in affinity upon immediate exposure to pH 5.5 (K_m(_app) = 19.2 μM) without prior acid adaptation. In contrast, pNXR NOB exhibited consistent kinetic behavior across different pH conditions, underscoring that this kinetic plasticity is unique to cNXR NOB. Kinetic inhibition assays revealed that this plasticity is mechanistically underpinned by a shift from a low-affinity nitrite/nitrate antiporter (NarK) to a high-affinity nitrite channel (NirC), coupled with enhanced HNO₂ diffusion at low pH, together increasing intracellular nitrite availability. These findings establish that cNXR NOB can dynamically tune nitrite affinity via transporter-level regulation in response to nitrite concentration and pH. This novel mechanism provides a mechanistic explanation for the unexpected prevalence of Nitrobacter in acidic, low-nitrite environments, highlighting its ecological relevance.

논문소개전체 설명

"기후변화 시대, 질소 순환의 새로운 변수 발견 - 산성화 환경에서도 적응하는 Nitrobacter의 동력학적 전략 규명"

기후변화와 산업 활동으로 인해 토양과 수계의 산성화가 가속화되면서, 질소 순환 과정의 안정성에 대한 우려가 커지고 있다. 이러한 가운데, 아질산을 질산으로 전환하는 핵심 미생물인 Nitrobacter가 산성 환경에서도 기능을 유지할 수 있는 새로운 적응 전략을 갖고 있다는 연구 결과임.

이번 연구는 세포 내 cytoplasmic nitrite oxidoreductase(cNXR)를 보유한 Nitrobacter가 pH와 기질(아질산) 농도의 변화에 따라 아질산 친화도를 능동적으로 조절하는 ‘동력학적 가소성(kinetic plasticity)’을 보인다는 사실을 규명했음. 특히 산성 및 저농도 아질산 조건에서 친화도가 증가하는 현상이 관찰되었으며, 이는 기존에 알려진 질화 미생물의 고정된 기질 친화도 개념을 재고하게 하는 결과임.

전사체 분석과 수송체 저해 실험을 통해, 이러한 조절이 NirC와 NarK 수송체의 전환적 조절과 연관되어 있음을 확인 함. 이는 환경 산성화가 진행되는 상황에서도 특정 질화 미생물이 질소 순환을 지속적으로 수행할 수 있는 기작적 근거를 제시 함.

이번 연구는 토양 산성화, 비료 사용 증가, 기후변화로 인한 질소 동태 변화 속에서 질소 순환 미생물의 적응 능력을 이해하는 데 중요한 단서를 제공 함.  나아가, 질소 관리 정책 및 지속가능한 농업 전략 수립에 있어 미생물 수준의 반응을 고려해야 함을 시사 함.

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