Метанотроф
Метанотрофы (иногда называемые метанофилами ) представляют собой прокариоты , которые метаболизируют метатан в качестве источника углеродной и химической энергии . Это бактерии или археи , могут расти аэробно или анаэробно одноуглеродных соединений и требовать выживания .
Метанотрофы особенно распространены в или вблизи среды, где продуцируется метатан, хотя некоторые метанотрофы могут окислить атмосферный метатан . Их среда обитания включают водно -болотные угодья, почвы, болота, рисовые поля, свалки, водные системы (озера, океаны, ручьи) и многое другое. Они представляют особый интерес для исследователей, изучающих глобальное потепление , поскольку они играют значительную роль в глобальном бюджете метана, путем уменьшения количества метана, излученного в атмосферу. [ 1 ] [ 2 ]
Метанотрофия является особым случаем метилотрофии , используя одноуглеродные соединения, которые более снижены, чем диоксид углерода. Некоторые метилотрофы, однако, также могут использовать многоуглеродные соединения; Это отличает их от метанотрофов, которые обычно являются привередливыми окислителями метана и метанола. Единственные факультативные метанотрофы, выделенные на сегодняшний день, являются членами рода метилокеллы Silvestris , [ 3 ] [ 4 ] Methylocapsa Aurea [ 5 ] и несколько Methylocystis . штаммов [ 6 ]
В функциональных терминах метанотрофы называются метаноокисляющими бактериями. Тем не менее, метан-окисляющие бактерии охватывают другие организмы, которые не рассматриваются как единственные метанотрофы. По этой причине метаноокисляющие бактерии были разделены на подгруппы: метанозирующие бактерий (MAB), метанотрофы и автотрофные аммиак, окисляющие бактерии (AAOB), которые кокидизируют метатан. [ 2 ]
Классификация
[ редактировать ]Метанотрофы могут быть бактериями или археей . Какие виды метанотрофа присутствуют в основном, определяется доступностью акцепторов электронов . Многие типы окислительных бактерий (MOB) известны. Различия в методе фиксации формальдегида и мембранной структуры делят эти бактериальные метанотрофы на несколько групп. Есть несколько подгрупп среди метанотрофной археи.
Аэробный
[ редактировать ]В аэробных условиях метанотрофы объединяют кислород и метатан с образованием формальдегида , который затем включается в органические соединения через сериновый путь или путем рибралозного монофосфата (Rump), и углекислый газ, который высвобождается. Метанотрофы типа I и типа X являются частью Gammaproteobacteria , и они используют путь Rump для ассимиляции углерода. Метанотрофы типа II являются частью альфапротеобактерий и используют сериновый путь ассимиляции углерода. Они также характерно имеют систему внутренних мембран, в рамках которой происходит окисление метана . Метанотрофы в гаммапротеобактериях известны из семейства Methylococcaceae . [ 7 ] Метанотрофы из Alphaproteobacteria обнаружены в семействах Methylocystaceae и Beijerinckiaceae .
Аэробные метанотрофы также известны из метилацидифилацеи (Phylum verrucomicrobiota ). [ 8 ] В отличие от гаммапротеобактерий и альфапротеобактерий , метанотрофы в филоме verrucomicrobiota представляют собой миксотрофы . [ 9 ] [ 10 ] В 2021 году была обнаружена бактериальная корзина из филома гемматимонадоты, называемой « Candidatus methylotropicum kingii», показывающей аэробную метанотрофию, что позволяет присутствовать в четырех бактериальной филах. [ 11 ]
В некоторых случаях аэробное окисление метана может происходить в аноксических средах. « Candidatus methylomirabilis oxyfera » принадлежит к бактериям Phylum NC10 и может катализировать восстановление нитритов через «внутриаэробный» путь, в котором внутренне продуцируемый кислород используется для окисления метана. [ 12 ] [ 13 ] В озерах прозрачной воды метанотрофы могут жить в аноксической водной толще, но получать кислород от фотосинтетических организмов, которые затем они непосредственно потребляют для окисления метана. [ 14 ]
Никакой аэробной метанотрофной археи не известно.
Анаэробный
[ редактировать ]В аноксических условиях метанотрофы используют разные акцепторы электронов для окисления метана. Это может произойти в аноксических местах обитания, таких как морские или озеро , минимальные зоны кислорода , аноксические воды для воды, рисовые поля и почвы. Некоторые специфические метанотрофы могут уменьшить нитрат, [ 15 ] нитрит, [ 16 ] железо, [ 17 ] сульфат, [ 18 ] или ионы марганца и соедините это с окислением метана без синтрофического партнера. Исследования в морских средах показали, что метан может быть окислен анаэробно консорциумами, окисляющими метана, и бактерий , снижающих сульфат . [ 19 ] [ 20 ] Этот тип анаэробного окисления метана (AOM) в основном происходит в аноксических морских отложениях. Точный механизм по-прежнему является темой дебатов, но наиболее широко принятой теория заключается в том, что архея использует обратный путь метаногенеза для получения диоксида углерода и другого, неизвестного промежуточного звена, который затем используется бактериями, уменьшающими сульфат, для получения энергии от уменьшения сульфата до сероводорода и воды.
Анаэробные метанотрофы не связаны с известными аэробными метанотрофами; Самыми близкими культурными родственниками к анаэробным метанотрофам являются метаногены в порядке метаносарканалов . [ 21 ]
Специальный вид
[ редактировать ]Метилококк Capsulatus используется для получения корма для животных из природного газа. [ 22 ]
В 2010 году была идентифицирована новая бактерия Candidatus methylomirabilis oxyfera из Phylum NC10 , которая может соединить анаэробное окисление метана до восстановления нитрита без необходимости синтрофического партнера. [ 12 ] На основе исследований Ettwig et al., [ 12 ] Считается, что M. oxyfera окисляет метана анаэробно, используя кислород, продуцируемый внутри, от смягчения в оксида азота азот и газ кислорода.
Таксономия
[ редактировать ]Многие метанотрофные культуры были выделены и формально охарактеризованы за последние 5 десятилетий, начиная с классического исследования Уиттенбери (Whittenbury et al., 1970). 18 родов культивируемых аэробных метанотрофных гаммапротеобактерий и 5 родов альфапротеобактерий В настоящее время известны , представленных ок. 60 различных видов. [ 23 ]
Окисление метана
[ редактировать ]Метанотрофы окисляют метатан путем первого инициируя восстановление диоксигена в H 2 O 2 и трансформацию метана в CH 3 OH с использованием метана монооксигеназ (MMO) . [ 24 ] Кроме того, два типа MMO были выделены из метанотрофов: растворимая метано -монооксигеназа (SMMO) и метанооооксигеназа частиц (PMMO) .
Клетки, содержащие PMMO, продемонстрировали более высокие возможности роста и более высокое сродство к метанам, чем клетки, содержащие SMMO. [ 24 ] Предполагается, что ионы меди могут играть ключевую роль как в регуляции PMMO, так и в ферментативном катализе, что ограничивает клетки PMMO более богатыми медь средами, чем клетки, продуцирующие SMMO. [ 25 ]
Смотрите также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Oremland RS , Culbertson CW (1992). «Важность окисляющих метана бактерий в бюджете метана, как выявило при использовании специфического ингибитора». Природа . 356 (6368): 421–423. Bibcode : 1992natur.356..421o . doi : 10.1038/356421A0 . S2CID 4234351 .
- ^ Jump up to: а беременный Холмс А.Дж., Рослев П., Макдональд И.Р., Айверсен Н., Анриксен К., Мюррелл Дж.С. (август 1999 г.). «Характеристика метанотрофных бактериальных популяций в почвах, показывающих атмосферное поглощение метана» . Прикладная и экологическая микробиология . 65 (8): 3312–8. Bibcode : 1999apenm..65.3312H . doi : 10.1128/aem.65.8.3312-3318.1999 . PMC 91497 . PMID 10427012 .
- ^ Dedysh SN, Knief C, Dunfield PF (июль 2005 г.). «Виды метилоцеллы являются факультативно метанотрофными» . Журнал бактериологии . 187 (13): 4665–70. doi : 10.1128/jb.187.13.4665-4670.2005 . PMC 1151763 . PMID 15968078 .
- ^ Chen Y, Crombie A, Rahman MT, Dedysh SN, Liesack W, Stott MB, et al. (Июль 2010). «Полная последовательность генома аэробного факультативного метанотрофного метилоселлы Silvestris BL2» . Журнал бактериологии . 192 (14): 3840–1. doi : 10.1128/jb.00506-10 . PMC 2897342 . PMID 20472789 .
- ^ Данфилд П.Ф., Белова С.Е., Вороб'ев А.В., Корниш С.Л., Дедиш С.Н. (ноябрь 2010 г.). «Methylocapsa aurea sp. Nov., Факультативный метанотроф, обладающий монуоксигеназой с частицами, и приведено в описание рода метилокапса» . Международный журнал систематической и эволюционной микробиологии . 60 (Pt 11): 2659–2664. doi : 10.1099/ijs.0.020149-0 . PMID 20061505 .
- ^ Белова С.Е., Баани М., Сузина Н.Е., Бодолер П.Л., Лизак В., Дедиш С.Н. (февраль 2011 г.). «Использование ацетата в качестве стратегии выживания, полученного в торфу, метилоцистис, SPP» . Отчеты о микробиологии окружающей среды . 3 (1): 36–46. Bibcode : 2011envmr ... 3 ... 36b . doi : 10.1111/j.1758-2229.2010.00180.x . PMID 23761229 .
- ^ Stein Ly, Roy R, Dunfield PF (2012-04-16). «Аэробная метанотрофия и нитрификация: процессы и соединения». эл . Чичестер, Великобритания: John Wiley & Sons, Ltd. с. A0022213. doi : 10.1002/9780470015902.a0022213 . ISBN 978-0-470-01617-6 Полем Получено 2021-01-17 .
- ^ OP DEN CAMP HJ, ISLAM T, Stott MB, Harhangi HR, Hynes A, Schouten S, et al. (Октябрь 2009 г.). «Экологическая, геномная и таксономическая перспектива на метанотрофную веррукомикробию» . Отчеты о микробиологии окружающей среды . 1 (5): 293–306. Bibcode : 2009envmr ... 1..293o . doi : 10.1111/j.1758-2229.2009.00022.x . HDL : 2066/75111 . PMID 23765882 .
- ^ Carere CR, Hards K, Houghton KM, Power JF, McDonald B, Collet C, et al. (Ноябрь 2017). «Миксотрофия стимулирует расширение ниши веррукомикробных метанотрофов» . Журнал ISME . 11 (11): 2599–2610. Bibcode : 2017ismej..11.2599c . doi : 10.1038/ismej.2017.112 . PMC 5649168 . PMID 28777381 .
- ^ Sharp CE, Stott MB, Dunfield PF (2012). «Обнаружение автотрофных веррукомикробных метанотрофов в геотермальной среде с использованием стабильного изотопного зондирования» . Границы в микробиологии . 3 : 303. DOI : 10.3389/fmicb.2012.00303 . PMC 3421453 . PMID 22912630 .
- ^ Бэй С.К., Донг Х, Брэдли Дж.А., Леунг П.М., Гринтер Р., Джирапанджават Т. и др. (Январь 2021 г.). «Окислители трассировки являются широко распространенными и активными членами микробных сообществ почвы» . Природная микробиология . 6 (2): 246–256. doi : 10.1038/s41564-020-00811-w . PMID 33398096 . S2CID 230663681 .
- ^ Jump up to: а беременный в Ettwig KF, Butler MK, Le Paslier D, Pelletier E, Mangenot S, Kuypers MM, et al. (Март 2010 г.). «Анаэробное окисление метана, управляемое нитритами, окисление кислородом» (PDF) . Природа . 464 (7288): 543–8. Bibcode : 2010natur.464..543e . doi : 10.1038/nature08883 . PMID 20336137 . S2CID 205220000 .
- ^ Zhu B, Van Dijk G, Fritz C, Sloolders AJ, Pol A, Jetten MS, Ettwig KF (декабрь 2012 г.). «Анаэробная окисление метана в минеротрофной торфяни: обогащение нитритозависимых метаноокисляющих бактерий» . Прикладная и экологическая микробиология . 78 (24): 8657–65. Bibcode : 2012Apenm..78.8657Z . doi : 10.1128/aem.02102-12 . PMC 3502929 . PMID 23042166 .
- ^ Милука Дж., Кирф М., Лу Л., Крупке А., Лам П., Литтманн С. и др. (Сентябрь 2015). «Окисление метана в сочетании с кислородным фотосинтезом в аноксических водах» . Журнал ISME . 9 (9): 1991–2002. Bibcode : 2015ismej ... 9.1991m . doi : 10.1038/ismej.2015.12 . PMC 4542029 . PMID 25679533 .
- ^ Haroon MF, Hu S, Shi Y, Imelfort M, Keller J, Hugenholtz P, et al. (Август 2013). «Анаэробное окисление метана в сочетании с восстановлением нитратов в новой архейной линии». Природа . 500 (7464): 567–70. Bibcode : 2013natur.500..567h . doi : 10.1038/nature12375 . PMID 23892779 . S2CID 4368118 .
- ^ Ettwig KF, Butler MK, Le Paslier D, Pelletier E, Mangenot S, Kuypers MM, et al. (Март 2010 г.). «Анаэробное окисление метана, управляемое нитритами, окисление кислородом» . Природа . 464 (7288): 543–8. Bibcode : 2010natur.464..543e . doi : 10.1038/nature08883 . HDL : 2066/84284 . PMID 20336137 . S2CID 205220000 .
- ^ Ettwig KF, Zhu B, Speth D, Keltjens JT, Jetten MS, Kartal B (ноябрь 2016 г.). «Археа катализирует железозависимое анаэробное окисление метана» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 113 (45): 12792–12796. BIBCODE : 2016PNAS..11312792E . doi : 10.1073/pnas.1609534113 . PMC 5111651 . PMID 27791118 .
- ^ Милука Дж., Фердельман Т.Г., Полереки Л., Францке Д., Вегенер Г., Шмид М. и др. (Ноябрь 2012). «Нулевая сера является ключевым промежуточным звеном при окислении морского метана» . Природа . 491 (7425): 541–6. Bibcode : 2012natur.491..541m . doi : 10.1038/nature11656 . PMID 23135396 . S2CID 32356495 .
- ^ Offre P, Spang A, Schleper C (2013-09-08). «Археа в биогеохимических циклах». Ежегодный обзор микробиологии . 67 (1): 437–57. doi : 10.1146/annurev-micro-092412-155614 . PMID 23808334 .
- ^ Thauer RK (июнь 2011 г.). «Анаэробное окисление метана сульфатом: О обратимости реакций, которые катализируются ферментами, также участвующими в метаногенезе из CO2». Текущее мнение о микробиологии . 14 (3): 292–9. doi : 10.1016/j.mib.2011.03.003 . PMID 21489863 .
- ^ Boetius A , Ravenschlag K, Schubert CJ, Rickert D, Widdel F, Gieseke A, et al. (Октябрь 2000). «Морский микробный консорциум, по -видимому, опосредовал анаэробное окисление метана» . Природа . 407 (6804): 623–6. Bibcode : 2000natur.407..623b . doi : 10.1038/35036572 . PMID 11034209 . S2CID 205009562 .
- ^ Le Page M (2016-11-19). «Пища, сделанная из природного газа, скоро будет питать сельскохозяйственных животных - и нас» . Новый ученый . Получено 2016-12-11 .
- ^ Orata FD, Meier-Kolthoff JP, Sauvageau D, Stein Ly (2018). «Филогеномный анализ гаммапротеобактериальных метанотрофов (порядок метилококклэлей ) требует реклассификации членов на уровне рода и видов» . Границы в микробиологии . 9 : 3162. DOI : 10.3389/fmicb.2018.03162 . PMC 6315193 . PMID 30631317 .
- ^ Jump up to: а беременный Хансон Р.С., Хансон Те (июнь 1996 г.). «Метанотрофные бактерии» . Микробиологические обзоры . 60 (2): 439–71. doi : 10.1128/mmbr.60.2.439-471.1996 . PMC 239451 . PMID 8801441 .
- ^ Либерман Р.Л., Розенцвейг А.С. (2004). «Биологическое окисление метана: регуляция, биохимия и активная структура сайта метана монуоксигеназы». Критические обзоры биохимии и молекулярной биологии . 39 (3): 147–64. doi : 10.1080/10409230490475507 . PMID 15596549 . S2CID 21628195 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Анаэробное окисление метана
- Ошибка, питающей метана, обещает обрезать парниковые газы . СМИ релиз, GNS Science, Новая Зеландия