Метаногенез
Метаногенез или биометанирование — это образование метана в сочетании с сохранением энергии микробами , известными как метаногены . Организмы, способные производить метан для сохранения энергии, были идентифицированы только из домена Archaea , группы, филогенетически отличной как от эукариот , так и от бактерий , хотя многие из них живут в тесной ассоциации с анаэробными бактериями. Производство метана — важная и широко распространенная форма микробного метаболизма . В бескислородной среде это последний этап разложения биомассы . Метаногенез ответственен за значительные скопления природного газа , остальная часть которого является термогенной. [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]
Биохимия
[ редактировать ]
Метаногенез у микробов — форма анаэробного дыхания . [ 4 ] Метаногены не используют кислород для дыхания; фактически кислород подавляет рост метаногенов. Терминальным акцептором электронов в метаногенезе является не кислород, а углерод. Два наиболее описанных пути включают использование уксусной кислоты (ацетокластик) или неорганического диоксида углерода (гидрогенотрофный) в качестве терминальных акцепторов электронов:
- CO 2 + 4 H 2 → CH 4 + 2 H 2 O
- СН 3 СООН → СН 4 + СО 2
При анаэробном дыхании углеводов Н 2 и ацетат образуются в соотношении 2:1 или ниже, поэтому Н 2 вносит вклад только в. 33% - на метаногенез, причем большую долю составляет ацетат. В некоторых обстоятельствах, например, в рубце , где ацетат в значительной степени всасывается в кровоток хозяина, вклад H 2 в метаногенез больше. [ 5 ]
Однако было показано, что в зависимости от pH и температуры метаногенез использует углерод из других небольших органических соединений, таких как муравьиная кислота (формиат), метанол , метиламины , тетраметиламмоний , диметилсульфид и метантиол . Катаболизм метиловых соединений опосредуется метилтрансферазами с образованием метилкофермента М. [ 4 ]
Предлагаемый механизм
[ редактировать ]В биохимии метаногенеза участвуют следующие коферменты и кофакторы: F420 , кофермент B , кофермент M , метанофуран и метаноптерин .
Механизм превращения CH
Связь 3 -S в метане включает тройной комплекс метилкофермента M и кофермента B, входящий в канал, заканчивающийся аксиальным участком на никеле кофактора F430 . Один из предлагаемых механизмов предполагает перенос электрона от Ni(I) (с образованием Ni(II)), что инициирует образование CH.
4 . кофермента М Присоединение тиильного радикала (RS . ) с HS-коэнзимом B высвобождает протон и повторно восстанавливает Ni(II) на один электрон, регенерируя Ni(I). [ 6 ]
Обратный метаногенез
[ редактировать ]Некоторые организмы могут окислять метан, функционально обращая вспять процесс метаногенеза, также называемый анаэробным окислением метана (АОМ). Организмы, осуществляющие АОМ, были обнаружены во многих морских и пресноводных средах, включая выходы метана, гидротермальные источники, прибрежные отложения и зоны перехода сульфат-метан. [ 7 ] Эти организмы могут осуществлять обратный метаногенез, используя никельсодержащий белок, аналогичный метилкоферменту М-редуктазе, используемому метаногенными архей. [ 8 ] Обратный метаногенез происходит по реакции:
- ТАК 2−
4 + СН 4 → HCO −
3 + ГС − + Н 2 О [ 9 ]
Значение в углеродном цикле
[ редактировать ]Метаногенез – заключительный этап распада органического вещества. В процессе распада акцепторы электронов (такие как кислород , трехвалентное железо , сульфат и нитрат ) истощаются, а водород (H 2 ) и углекислый газ накапливаются. Также накапливается легкая органика, образующаяся в результате брожения . На поздних стадиях органического распада все акцепторы электронов истощаются, за исключением углекислого газа. Углекислый газ является продуктом большинства катаболических процессов, поэтому он не истощается, как другие потенциальные акцепторы электронов.
Только метаногенез и ферментация могут происходить в отсутствие акцепторов электронов, кроме углерода. Ферментация позволяет расщеплять только более крупные органические соединения и производить небольшие органические соединения. Метаногенез эффективно удаляет полуконечные продукты распада: водород, мелкую органику и углекислый газ. Без метаногенеза большое количество углерода (в виде продуктов ферментации) накапливалось бы в анаэробной среде.
Естественное явление
[ редактировать ]У жвачных животных
[ редактировать ]
Кишечная ферментация происходит в кишечнике некоторых животных, особенно жвачных. В рубце анаэробные организмы, в том числе метаногены, переваривают целлюлозу в формы, питательные для животного. Без этих микроорганизмов такие животные, как крупный рогатый скот, не смогли бы потреблять траву. Полезные продукты метаногенеза всасываются в кишечнике, но выделяется метан у животного преимущественно посредством отрыжки (отрыжки). Средняя корова выбрасывает около 250 литров метана в день. [ 10 ] Таким образом, на долю жвачных животных приходится около 25% антропогенных выбросов метана . Одним из методов контроля выработки метана у жвачных животных является скармливание им 3-нитрооксипропанола . [ 11 ]
У людей
[ редактировать ]Некоторые люди производят газы , содержащие метан. В одном исследовании фекалий девяти взрослых пять образцов содержали архей, способных производить метан. [ 12 ] Аналогичные результаты были обнаружены в образцах газа, полученных из прямой кишки .
Даже у людей, чьи газы действительно содержат метан, его количество находится в пределах 10% или менее от общего количества газа. [ 13 ]
В растениях
[ редактировать ]Многие эксперименты показали, что ткани листьев живых растений выделяют метан. [ 14 ] Другие исследования показали, что растения на самом деле не производят метан; они просто поглощают метан из почвы, а затем выделяют его через ткани листьев. [ 15 ]
В почвах
[ редактировать ]Метаногены наблюдаются в бескислородной почвенной среде, способствуя разложению органических веществ. Это органическое вещество может быть вынесено людьми на свалку, захоронено в виде отложений на дне озер или океанов в виде отложений, а также в виде остаточных органических веществ из отложений, которые сформировались в осадочные породы. [ 16 ]
В земной коре
[ редактировать ]Метаногены составляют заметную часть микробных сообществ континентальной и морской глубинной биосферы . [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]
Промышленность
[ редактировать ]Метаногенез также можно с пользой использовать для переработки органических отходов , производства полезных соединений, а метан можно собирать и использовать в качестве биогаза , топлива. [ 20 ] Это основной путь, по которому большая часть органических веществ, выбрасываемых на свалку . разлагается [ 21 ] Некоторые биогазовые установки 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 которого , потенциал глобального потепления в 25 раз превышает потенциал углекислого газа (в среднем за 100 лет). [ 23 ] Таким образом, метаногенез в животноводстве и разложение органического материала вносят значительный вклад в глобальное потепление. Возможно, он не является чистым вкладчиком в том смысле, что он работает с органическим материалом, который израсходовал углекислый газ из атмосферы при его создании, но его общий эффект заключается в преобразовании углекислого газа в метан, который является гораздо более мощным парниковым газом.
Внеземная жизнь
[ редактировать ]Присутствие атмосферного метана играет важную роль в научных поисках внеземной жизни . Оправданием является то, что в астрономическом масштабе времени метан в атмосфере небесного тела, подобного Земле, быстро рассеется, и поэтому его присутствие на такой планете или луне указывает на то, что его что-то пополняет. Если метан обнаружен (например, с помощью спектрометра ), это может указывать на то, что жизнь существует или недавно существовала. Это обсуждалось [ 24 ] когда метан был обнаружен в марсианской атмосфере Майклом Дж. Муммой из Летного центра имени Годдарда НАСА и подтвержден орбитальным аппаратом Mars Express (2004 г.) [ 25 ] и в Титана атмосфере зондом «Гюйгенс» (2005 г.). [ 26 ] Эти дебаты получили дальнейшее развитие после открытия марсоходом « Кьюриосити » на Марсе «переходных» «выбросов метана» . [ 27 ]
Утверждается, что атмосферный метан может поступать из вулканов или других трещин в коре планеты и что без изотопной сигнатуры происхождение или источник может быть трудно определить. [ 28 ] [ 29 ]
13 апреля 2017 года НАСА подтвердило, что при погружении орбитального космического корабля «Кассини» 28 октября 2015 года был обнаружен шлейф Энцелада , в котором есть все ингредиенты для форм жизни, основанных на метаногенезе, которыми можно питаться. Предыдущие результаты, опубликованные в марте 2015 года, показали, что горячая вода взаимодействует с горными породами под морем Энцелада; новое открытие подтвердило этот вывод и добавило, что порода, по-видимому, вступает в химическую реакцию. На основе этих наблюдений ученые определили, что почти 98 процентов газа в шлейфе — это вода, около 1 процента — водород, а остальное — смесь других молекул, включая углекислый газ, метан и аммиак. [ 30 ]
См. также
[ редактировать ]- Аэробное производство метана
- Анаэробное пищеварение
- Анаэробное окисление метана
- Электрометаногенез
- Водородный цикл
- метанотроф
- Моотрал
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Кац Б. (2011). «Микробные процессы и скопления природного газа» . Открытый геологический журнал . 5 (1): 75–83. Бибкод : 2011OGJ.....5...75J . дои : 10.2174/1874262901105010075 .
- ^ Киетявяйнен и Пуркамо (2015). «Происхождение, источник и круговорот метана в биосфере глубинных кристаллических пород» . Передний. Микробиол . 6 : 725. дои : 10.3389/fmicb.2015.00725 . ПМЦ 4505394 . ПМИД 26236303 .
- ^ Крамер и Франке (2005). «Признаки активной нефтяной системы в море Лаптевых, северо-восток Сибири/публикация/227744258_Indications_for_an_active_petroleum_system_in_the_Laptev_Sea_NE_Siberia». Журнал нефтяной геологии . 28 (4): 369–384. Бибкод : 2005JPetG..28..369C . дои : 10.1111/j.1747-5457.2005.tb00088.x . S2CID 129445357 .
- ^ Перейти обратно: а б Тауэр, РК (1998). «Биохимия метаногенеза: дань уважения Марджори Стивенсон» . Микробиология . 144 : 2377–2406. дои : 10.1099/00221287-144-9-2377 . ПМИД 9782487 .
- ^ Конрад, Рольф (1999). «Вклад водорода в производство метана и контроль концентрации водорода в метаногенных почвах и отложениях» . ФЭМС Микробиология Экология . 28 (3): 193–202. Бибкод : 1999FEMME..28..193C . дои : 10.1016/s0168-6496(98)00086-5 .
- ^ Финаццо С., Хармер Дж., Бауэр С. и др. (апрель 2003 г.). «Коэнзим B индуцировал координацию кофермента M через его тиоловую группу с Ni (I) F 430 в активной метилкоферментной редуктазе M». Дж. Ам. хим. Соц . 125 (17): 4988–9. дои : 10.1021/ja0344314 . ПМИД 12708843 .
- ^ Рафф, С. Эмиль; Биддл, Дженнифер Ф.; Теске, Андреас П.; Книттел, Катрин; Боэций, Антье; Раметт, Альбан (31 марта 2015 г.). «Глобальное распространение и локальная диверсификация микробиома метанового просачивания» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 112 (13): 4015–4020. Бибкод : 2015PNAS..112.4015R . дои : 10.1073/pnas.1421865112 . ISSN 1091-6490 . ПМЦ 4386351 . ПМИД 25775520 .
- ^ Тиммерс, Пер ХА; Вельте, Корнелия У.; Кохорст, Джаспер Дж.; Плагг, Кэролайн М.; Джеттен, Майк С.М.; Стамс, Альфонс Дж. М. (2017). «Обратный метаногенез и дыхание метанотрофных архей» . Архея . 2017 : 1–22. дои : 10.1155/2017/1654237 . hdl : 1822/47121 . ПМК 5244752 . ПМИД 28154498 .
- ^ Крюгер М., Мейердиркс А., Глёкнер Ф.О. и др. (декабрь 2003 г.). «Заметный белок никеля в микробных матах, которые анаэробно окисляют метан». Природа . 426 (6968): 878–81. Бибкод : 2003Natur.426..878K . дои : 10.1038/nature02207 . ПМИД 14685246 . S2CID 4383740 .
- ^ Радио Австралии : «Инновации - метан в сельском хозяйстве». 15 августа 2004 г. Проверено 28 августа 2007 г.
- ^ Христов А.Н.; и др. (2015). «Ингибитор устойчиво снижал выбросы кишечного метана у дойных коров, не оказывая негативного влияния на надои молока» . Учеб. Натл. акад. наук. США . 112 (34): 10663–10668. Бибкод : 2015PNAS..11210663H . дои : 10.1073/pnas.1504124112 . ПМЦ 4553761 . ПМИД 26229078 .
- ^ Миллер Т.Л.; Волин М.Ю.; де Макарио ЕС; Макарио Эй Джей (1982). «Выделение Methanobrevibacter smithii из человеческих фекалий» . Appl Environ Microbiol . 43 (1): 227–32. Бибкод : 1982ApEnM..43..227M . doi : 10.1128/aem.43.1.227-232.1982 . ПМК 241804 . ПМИД 6798932 .
- ^ «Пищеварительная система человека» . Британская энциклопедия . Проверено 22 августа 2007 г.
- ^ Кеплер Ф и др. (2006). « Выбросы метана наземными растениями в аэробных условиях ». Природа . 439 (7073): 187–191. Бибкод : 2006Natur.439..187K . дои : 10.1038/nature04420 . ПМИД 16407949 . S2CID 2870347 .
- ^ «Новости» . 30 октября 2014 г.
- ^ Ле Мер, Дж.; Роджер, П. (2001). «Производство, окисление, выбросы и потребление метана почвами: обзор». Европейский журнал почвенной биологии . 37 (1): 25–50. Бибкод : 2001EJSB...37...25L . дои : 10.1016/S1164-5563(01)01067-6 . S2CID 62815957 .
- ^ Котельникова, Светлана (октябрь 2002 г.). «Микробное производство и окисление метана в глубоких недрах». Обзоры наук о Земле . 58 (3–4): 367–395. Бибкод : 2002ESRv...58..367K . дои : 10.1016/S0012-8252(01)00082-4 .
- ^ Пуркамо, Лотта; Бомберг, Мали; Киетявяйнен, Риикка; Салавирта, Хейкки; Нюссонен, Мари; Нуппунен-Пупутти, Майя; Ахонен, Лассе; Кукконен, Ильмо; Итаваара, Мерья (30 мая 2016 г.). «Модель совместного присутствия микробов в трещиновых жидкостях глубоких докембрийских коренных пород» . Биогеонауки . 13 (10): 3091–3108. Бибкод : 2016BGeo...13.3091P . дои : 10.5194/bg-13-3091-2016 . hdl : 10023/10226 . ISSN 1726-4189 .
- ^ Ньюберри, Кэрол Дж.; Вебстер, Гордон; Крэгг, Барри А.; Паркс, Р. Джон; Уэйтман, Эндрю Дж.; Фрай, Джон К. (2004). «Разнообразие прокариот и метаногенез в глубоких подземных отложениях Нанкайского желоба, этап 190 программы океанского бурения» (PDF) . Экологическая микробиология . 6 (3): 274–287. Бибкод : 2004EnvMi...6..274N . дои : 10.1111/j.1462-2920.2004.00568.x . ISSN 1462-2920 . ПМИД 14871211 . S2CID 15644142 .
- ^ Наир, Атира (14 июля 2015 г.). «После Парка Свободы, тратьте деньги на освещение Гандинагара в Бангалоре» . Экономические времена .
- ^ Отчет Министерства энергетики CWM039A+B/92 Янг, А. (1992)
- ^ «Nature Energy и Andel открывают завод по производству электроэнергии из газа в Дании» . Журнал Bioenergy Insight . 6 ноября 2023 г.
- ^ «Потенциал глобального потепления». Вклад Рабочей группы I в Четвертый оценочный отчет Межправительственной группы экспертов по изменению климата, 2007 г. 2007. Архивировано из оригинала 15 июня 2013 года . Проверено 24 мая 2012 г.
- ^ Статья BBC о метане как 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
- ^ Статья Space.Com о метане на Гюйгенсе http://www.space.com/scienceastronomy/ap_huygens_update_050127.html
- ^ Кнаптон, Сара (15 марта 2016 г.). «Жизнь на Марсе: НАСА обнаружило первый намек на инопланетную жизнь» . Телеграф .
- ^ Статья New Scientist об атмосферном метане https://www.newscientist.com/article.ns?id=dn7059
- ^ Статья National Geographic о метане как признаке жизни [1]
- ^ Нортон, Карен (13 апреля 2017 г.). «Миссии НАСА дают новое представление об «океанических мирах» » . НАСА . Получено 13 апреля.