Method of Nitrate Nitrogen Determination for Plant, Soil and Water Analysis by E. coil Cells

E. coli 세포(細胞)를 이용한 식물(植物), 토양(土壤) 및 수질(水質)의 질산태(窒酸態) 질소(窒素) 분석방법(分析方法)

A microbiological nitrate determination method by E. coli is modified in Korea, using K12 wildtype, KCTC 1116, for the quantitative reduction of $NO_3{^-}$ to $NO_2{^-}$. The nitrate in plant, soil or water sample is determined spectrophotometrically after being diazotized with sulfaniamide and N-(1-naphthl)-ethlenediamine. The modified E. coli cell method and principle for nitrate determination using Korean wildtype E. coli strain is described, and cell culture and preparation of stock suspension for E. coli as well. This modified E. coli cell method can be managed simply and fast, it is suitable for the investigation of the large serials, it can be also automated and has a high degree of sensitivity up to 0.01ppm $NO_3{^-}-N$ in the sample solution. The applicability of the modified E. coli cell method has been tested for plant, soil and water analysis on a wide range of different samples. Recovery rates of added nitrate have been determined and comparisons with other standard nitrate analytical procedures have been carried out. The results with the modified E. coli cell method show high correlation ($r^2=0.98$) with those gained by the standard analytical procedures. The advantages and disadvantages of the method are also discussed to other nitrate determination methods.

본 연구는 질산태 질소 정량을 위한 기존의 E. coli 효소법을 개량하여 한국과학기술연구원(KIST) 생명공학연구소 유전자은행의 KCTC 1116 야생종 대장균(K12 wildtype)을 사용하는 E. coli 세포법으로 개량하였는바, (1) formate적정농도는 0.1mol/l formate를 넣은 0.4ml 보관모액조건에서 도달하였으며, (2) 질산환원에 소요되는 항온배양시간은 보관모액의 주입량에 따라 좌우되었고 (3) 20분 항온배양시간조건하에서 최고 $25{\mu}g$의 $NO_3{^-}-N$을 정량적으로 환원시키는데 충분하였다. (4) 항온배양용액내 NR활성도는 $N_2$가스 공급 및 얼음 냉수 조건하에서 저하정도가 120분간까지 거의 저하되지 않았고 (5) 보관모액은 $N_2$가스로 포화된 무산소조건의 냉장상태($+4^{\circ}C$)에서 최대 6개월까지 NR활성도의 저하가 없어 안정적 보관이 가능하였다. (6) 주입된 질산염은 본 분석조건에서 E. coli에 의해 99%가 아질산으로 환원되었고, 이후 아질산은 60분간의 배양조건하에서도 암모니아로 전혀 전환되지 않아 안정적이었다는 점 등을 토대로 본 $NO_3{^-}$ 분석방법을 확립하였다. 새로이 개발된 본 미생물적 질산태질소 분석방법의 장단점 몇가지를 적시하면, (1) 식물체, 토양, 수질시료를 동시에 그리고 동일한 분석방법으로 정확도 높게 분석할 수 있고, (2) Cd환원법, Salicylate법, Rhenium법 등의 타 분석방법 결과와 높은 상관관계가 있으며, (3) Cd환원법에 비해 질산환원이 더욱 효과적이고 완전하며, 실험과정이 분석종사자에게 전혀 유해하지 않고, 중금속 또는 유기화합물에 의한 실험폐수 분리수거가 필요 없으며, (4) 자동분석에서 뿐만아니라 수동분석에서도 활용될 수 있고, 분석과정이 간단하므로 일시에 다량의 시료분석이 가능하다는 등의 장점이 있으나 (5) 다만 년 1~2회의 세포배양에 장시간이 요구된다는 단점이 있다.