Метаногенез
Метаногенез или биометанация - это образование метана , связанного с энергосбережением микробами , известными как метаногены . Организмы, способные производить метатан для сохранения энергии, были идентифицированы только из домена археи , групповой филогенетически отличаются от эукариот и бактерий , хотя многие живут в тесной связи с анаэробными бактериями. Производство метана является важной и широко распространенной формой микробного метаболизма . В аноксических средах это последний шаг в разложении биомассы . Метаногенез является ответственным за значительные количества накопления природного газа , а остальная часть является термогенной. [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]
Биохимия
[ редактировать ]
Метаногенез в микробах является формой анаэробного дыхания . [ 4 ] Метаногены не используют кислород для дыхания; Фактически, кислород ингибирует рост метаногенов. Терминальный акцептор электронов в метаногенезе - это не кислород, а углерод. Два наиболее описанных пути включают использование уксусной кислоты (ацетокластической) или неорганического углекислого газа (гидрогенотрофический) в качестве терминальных акцепторов электронов:
- CO 2 + 4 H 2 → CH 4 + 2 H 2 O
- CH 3 COOH → CH 4 + CO 2
Во время анаэробного дыхания углеводов H 2 и ацетат образуются в соотношении 2: 1 или ниже, поэтому H 2 вносит только c. 33% к метаногенезу, причем ацетат способствует большей пропорции. В некоторых случаях, например, в рубце , где ацетат в значительной степени поглощается в кровоток хозяина, вклад H 2 в метаногенез больше. [ 5 ]
Однако, в зависимости от рН и температуры, было показано, что метаногенез использует углерод из других мелких органических соединений, таких как муравьиная кислота (формата), метанол , метиламины , тетраметиламмоний , диметилсульфид и метанатиол . Катаболизм метильных соединений опосредуется метилтрансферазами с получением метил -кофермента М. [ 4 ]
Предложенный механизм
[ редактировать ]Биохимия метаногенеза включает в себя следующие коэнзименты и кофакторы: F420 , коэнзим B , коэнзим M , метанофуран и метаноптерин .
Механизм преобразования CH
3 –s связь в метан включает в себя тройной комплекс метилового коэнзимента M и коэнзимент B, вписываемый в канал, завершенный осевым сайтом на никелете кофактора F430 . Один предложенный механизм вызывает перенос электрона из Ni (i) (для получения Ni (ii)), который инициирует образование CH
4 Соединение коэнзима m thiyl радикала (rs . ) с HS Coenzyme B выпускает протон и повторно восстанавливает Ni (ii) на одноэлектронный, регенерирующий Ni (i). [ 6 ]
Обратный метаногенез
[ редактировать ]Некоторые организмы могут окислять метатан, функционально обращая вспять процесс метаногенеза, также называемый анаэробным окислением метана (AOM). Организмы, выполняющие AOM, были обнаружены в нескольких морских и пресноводных средах, включая просачивание метана, гидротермальные вентиляционные отверстия, прибрежные отложения и сульфат-метан переходных зон. [ 7 ] Эти организмы могут выполнить обратный метаногенез с использованием никельсодержащего белка, аналогичного метил-коферментам мредуктазы, используемой метаногенной археей. [ 8 ] Обратный метаногенез происходит в соответствии с реакцией:
- ТАК 2−
4 + CH 4 → HCO −
3 + hs − + H 2 o [ 9 ]
Важность в углеродном цикле
[ редактировать ]Метаногенез является последним шагом в распаде органического вещества. Во время процесса распада акцепторы электронов (такие как кислород , железо железа , сульфат и нитрат ) истощаются, в то время как водород (H 2 ) и диоксид углерода накапливаются. Легкая органика, производимая ферментацией, также накапливается. На продвинутых стадиях органического распада все акцепторы электронов становятся истощенными, кроме углекислого газа. Углекислый газ является продуктом большинства катаболических процессов, поэтому он не истощен, как другие потенциальные акцепторы электронов.
Только метаногенез и ферментация могут возникать в отсутствие акцепторов электронов, кроме углерода. Ферментация только позволяет разбить более крупные органические соединения и производит небольшие органические соединения. Метаногенез эффективно удаляет полуфинальные продукты распада: водород, небольшие органические вещества и углекислый газ. Без метаногенеза большая часть углерода (в форме продуктов ферментации) накапливается в анаэробной среде.
Естественное явление
[ редактировать ]В жвачных веществах
[ редактировать ]
Энтерическая ферментация происходит в кишечнике некоторых животных, особенно жвачных. В рубце анаэробные организмы, включая метаногены, переваривают целлюлозу в формы, питательны для животного. Без этих микроорганизмов животные, такие как крупный рогатый скот, не могли бы употреблять травы. Полезные продукты метаногенеза поглощаются кишечником, но метан высвобождается от животного в основном из -за отрыги (эрекция). Средняя корова излучает около 250 литров метана в день. [ 10 ] Таким образом, жвачные животные вносят около 25% антропогенных выбросов метана . Одним из методов контроля производства метана у жвачных животных является кормление их 3-кинография . [ 11 ]
У людей
[ редактировать ]Некоторые люди производят флюс , содержащий метатан. В одном исследовании фекалий девяти взрослых пять из образцов содержали археи, способную производить метатан. [ 12 ] Аналогичные результаты обнаруживаются в образцах газа, полученных изнутри прямой кишки .
Даже среди людей, чей флюс содержит метан, количество находится в диапазоне 10% или менее от общего количества газа. [ 13 ]
В растениях
[ редактировать ]Многие эксперименты предполагают, что ткани листьев живых растений испускают метатан. [ 14 ] Другие исследования показали, что растения на самом деле не генерируют метатан; Они просто поглощают метатан из почвы, а затем излучают его через ткани листьев. [ 15 ]
В почвах
[ редактировать ]Метаногены наблюдаются в аноксических почвенных средах, что способствует деградации органического вещества. Это органическое вещество может быть помещено людьми через свалку, похороненную как осадок на дне озер или океанов в качестве отложений, и в качестве остаточного органического вещества из отложений, которые образовались в осадочные породы. [ 16 ]
В земной коре
[ редактировать ]Метаногены являются заметной частью микробных сообществ в континентальной и морской глубокой биосфере . [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]
Промышленность
[ редактировать ]Метаногенез также может быть полезен, для обработки органических отходов , для получения полезных соединений, а метана можно собирать и использовать в качестве биогаза , топлива. [ 20 ] Это основной путь, согласно которому большинство органических веществ, расположенных на свалке , сломается. [ 21 ] Некоторые биогазовые растения используют метаногенез для объединения CO 2 с водородом для создания большего количества метана. [ 22 ]
Роль в глобальном потеплении
[ редактировать ]Атмосферный метан является важным парниковым газом с потенциалом глобального потепления в 25 раз больше, чем углекислый газ (в среднем более 100 лет), [ 23 ] и метаногенез в домашнем скоте и распад органического материала, таким образом, значительно способствуют глобальному потеплению. Это может не быть чистым участником в том смысле, что он работает на органическом материале, который использовал атмосферный углекислый газ, когда он был создан, но его общий эффект состоит в том, чтобы преобразовать углекислый газ в метан, который является гораздо более сильным парниковым газом.
Вне территория жизнь
[ редактировать ]Присутствие атмосферного метана играет роль в научном поиске внеземной жизни . Оправдание состоит в том, что в астрономическом масштабе временного масштаба метатан в атмосфере небесного небесного тела быстро рассеивается, и что его присутствие на такой планете или луне, следовательно, указывает на то, что что-то пополняет его. Если обнаружен метатан ( с использованием спектрометра например, ), это может указывать на то, что жизнь или недавно была присутствует. Это обсуждалось [ 24 ] Когда в марсианской атмосфере был обнаружен метатан MJ Mumma из полевого центра Годдарда НАСА и проверил Orbiter Mars Express (2004) [ 25 ] и в Huygens атмосфере Титана датчиком ( 2005). [ 26 ] Эта дискуссия была продолжена с открытием «переходного», «шипов метана» на Марсе Ровером . [ 27 ]
Утверждается, что атмосферный метан может исходить от вулканов или других трещин в коре планеты, и что без изотопной подписи источник или источник может быть трудно идентифицировать. [ 28 ] [ 29 ]
погружение в кассини-орбитальный 13 апреля 2017 года НАСА подтвердило, что 28 октября 2015 года шлейф обнаружил шлейф Enceladus , который имеет все ингредиенты для форм жизни на основе метаногенеза. Предыдущие результаты, опубликованные в марте 2015 года, предположили, что горячая вода взаимодействует с скалой под морем Энчеладуса; Новый вывод подтвердил этот вывод и добавил, что камень, по -видимому, реагирует химически. Из этих наблюдений ученые определили, что почти 98 процентов газа в шлейпе составляют воду, около 1 процента - водород, а остальное представляет собой смесь других молекул, включая углекислый газ, метатан и аммиак. [ 30 ]
Смотрите также
[ редактировать ]- Аэробное производство метана
- Анаэробное пищеварение
- Анаэробное окисление метана
- Электрометаногенез
- Водородный цикл
- Метанотроф
- Мутерал
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Кац Б. (2011). «Микробные процессы и накопления природного газа» . Открытый журнал геологии . 5 (1): 75–83. Bibcode : 2011ogj ..... 5 ... 75J . doi : 10.2174/1874262901105010075 .
- ^ Kietäväinen and Purkamo (2015). «Происхождение, источник и велосипед метана в глубоководной кристаллической биосфере породы» . Передний. Микробиол . 6 : 725. DOI : 10.3389/fmicb.2015.00725 . PMC 4505394 . PMID 26236303 .
- ^ Cramer and Franke (2005). «Показания для активной нефтяной системы в море Laptev, NE Siberia/Publication/227744258_INDICATIONS_FOR_AN_ACTION_PETROLEUM_SYSTEM_IN_THE_LAPTEV_SEA_NE_SIBERIA». Журнал нефтяной геологии . 28 (4): 369–384. Bibcode : 2005jpetg..28..369c . doi : 10.1111/j.1747-5457.2005.tb00088.x . S2CID 129445357 .
- ^ Jump up to: а беременный Thauer, RK (1998). «Биохимия метаногенеза: дань уважения Марджори Стивенсону» . Микробиология . 144 : 2377–2406. doi : 10.1099/00221287-144-9-2377 . PMID 9782487 .
- ^ Конрад, Рольф (1999). «Вклад водорода в производство метана и контроль концентраций водорода в метаногенных почвах и отложениях» . Микробиология FEMS Экология . 28 (3): 193–202. Bibcode : 1999femme..28..193c . doi : 10.1016/s0168-6496 (98) 00086-5 .
- ^ Finazzo C, Harmer J, Bauer C, et al. (Апрель 2003 г.). «Коэнзим B индуцировал координацию кофермента M через его тиол-группу в Ni (I) F 430 в активном метило-коферменте M редуктаза». J. Am. Химический Соц 125 (17): 4988–9. doi : 10.1021/ja0344314 . PMID 12708843 .
- ^ Руфф, С. Эмиль; Биддл, Дженнифер Ф.; Теске, Андреас П.; Knittel, Katrin; Boetius, Antje; Раметт, Албан (31 марта 2015 г.). «Глобальная дисперсия и локальная диверсификация метана просачиваемого микробиома» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 112 (13): 4015–4020. Bibcode : 2015pnas..112.4015r . doi : 10.1073/pnas.1421865112 . ISSN 1091-6490 . PMC 4386351 . PMID 25775520 .
- ^ Тиммерс, сверстник ха; Welte, Cornelia U.; Koehorst, Jasper J.; Plugge, Caroline M.; Джеттен, Майк С.М.; Stams, Alfons JM (2017). «Обратный метаногенез и дыхание в метанотрофной археи» . Археи . 2017 : 1–22. doi : 10.1155/2017/1654237 . HDL : 1822/47121 . PMC 5244752 . PMID 28154498 .
- ^ Krüger M, Meyerdierks A, Glöckner FO, et al. (Декабрь 2003 г.). «Я заметный никелевый белок в микробных матах, который окисляет метатан анаэробно». Природа . 426 (6968): 878–81. Bibcode : 2003natur.426..878k . doi : 10.1038/nature02207 . PMID 14685246 . S2CID 4383740 .
- ^ Radio Australia : «Инновации - метатан в сельском хозяйстве». 15 августа 2004 года. Получено 28 августа 2007 года.
- ^ Христов, Ан; и др. (2015). «Ингибитор постоянно снижал эмиссию метана от молочных коров, негативных негативных влияния на выработку молока» . Прокурор Нат. Академический Наука США . 112 (34): 10663–10668. Bibcode : 2015pnas..11210663H . doi : 10.1073/pnas.1504124112 . PMC 4553761 . PMID 26229078 .
- ^ Миллер Тл; Wolin MJ; de macario ec; Macario AJ (1982). «Изоляция метанобрибактер Smithii от человеческих фекалий» . Appl Environ Microbiol . 43 (1): 227–32. Bibcode : 1982apenm..43..227M . doi : 10.1128/aem.43.1.227-232.1982 . PMC 241804 . PMID 6798932 .
- ^ «Человеческая пищеварительная система» . Encyclopædia Britannica . Получено 22 августа 2007 года .
- ^ Kepler F, et al. (2006). « Выбросы метана от наземных растений в аэробных условиях ». Природа . 439 (7073): 187–191. Bibcode : 2006natur.439..187K . doi : 10.1038/nature04420 . PMID 16407949 . S2CID 2870347 .
- ^ "Новости" . 30 октября 2014 года.
- ^ Le Mer, J.; Роджер П. (2001). «Производство, окисление, выбросы и потребление метана по почвам: обзор». Европейский журнал биологии почвы . 37 (1): 25–50. Bibcode : 2001ejsb ... 37 ... 25L . doi : 10.1016/s1164-5563 (01) 01067-6 . S2CID 62815957 .
- ^ Котельникова, Светлана (октябрь 2002 г.). «Микробное производство и окисление метана в глубокой подземной поверхности». Земля-наука обзоров . 58 (3–4): 367–395. Bibcode : 2002esrv ... 58..367k . doi : 10.1016/s0012-8252 (01) 00082-4 .
- ^ Пуркамо, Лотта; Бомберг, Малин; Ведьмак, Рикка; Салавирта, Хейкки; Nyissönen, Mari; Nuppunen-Puputti, Maija; Ахонен, Лассе; Кукконен, Ильмо; Itävaara, Merja (30 мая 2016 г.). «Микробные паттерны совместного появления в глубоких докембрийских переломах коренных породов» . Биогонауки . 13 (10): 3091-3108. Bibcode : 2016bgeo ... 13.3091p . Doi : 10.5194/bg-13-3091-2016 . HDL : 10023/10226 . ISSN 1726-4189 .
- ^ Ньюберри, Кэрол Дж.; Вебстер, Гордон; Крэгг, Барри А.; Паркс, Р. Джон; Weightman, Andrew J.; Фрай, Джон С. (2004). «Разнообразие прокариот и метаногенез в глубоких подповерхностных отложениях из корыта Нанкай, программа бурения океана 190» (PDF) . Экологическая микробиология . 6 (3): 274–287. Bibcode : 2004envmi ... 6..274n . doi : 10.1111/j.1462-2920.2004.00568.x . ISSN 1462-2920 . PMID 14871211 . S2CID 15644142 .
- ^ Наир, Атира (14 июля 2015 г.). «После Свободы Парк, отходы, чтобы осветить Гандхинагар в Бангалоре» . Экономические времена .
- ^ DOE сообщает CWM039A+B/92 Young, A. (1992)
- ^ «Nature Energy и Andel открывают объект Power-To-Gas в Дании» . BioEnergy Insight Magazine . 6 ноября 2023 года.
- ^ «Потенциалы глобального потепления». Вклад рабочей группы I в четвертый отчет об оценке межправительственной группы по изменению климата, 2007 . 2007. Архивировано из оригинала 15 июня 2013 года . Получено 24 мая 2012 года .
- ^ BBC Статья о метане как о признаке жизни http://news.bbc.co.uk/2/hi/science/nature/4295475.stm
- ^ Европейское космическое агентство, метан в марсианской атмосфере http://www.esa.int/esami/mars_express/semz0b57esd_0.html
- ^ Space.com Статья о метане на Huygens http://www.space.com/scienceaRestonomy/ap_huygens_update_050127.html
- ^ Кнаптон, Сара (15 марта 2016 г.). «Жизнь на Марсе: НАСА находит первый намек на чужую жизнь» . Телеграф .
- ^ Новая статья об атмосферном метане https://www.newscientist.com/article.ns?id=dn7059
- ^ National Geographic статья о метане как о признаке жизни [1]
- ^ Нортон, Карен (13 апреля 2017 г.). "Миссии SIS дают представление о« Ocean » Worlds НАСА Получено 13 апреля