Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Метаногенез или biomethanation является образованием метана от микробов , известных как метаногены . Организмы, способные производить метан, были идентифицированы только из домена архей , группы филогенетически отличных 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, остальное является термогенным. [1] [2] [3]

Биохимия [ править ]

Цикл метаногенеза, показывающий промежуточные продукты.

Метаногенез у микробов - это форма анаэробного дыхания . [4] Метаногены не используют кислород для дыхания; фактически кислород подавляет рост метаногенов. Конечный акцептор электронов в метаногенезе - это не кислород, а углерод. Углерод может присутствовать в небольшом количестве органических соединений, все с низким молекулярным весом. Два наиболее описанных пути включают использование уксусной кислоты или неорганического диоксида углерода в качестве концевых акцепторов электронов:

СО 2 + 4 Н 2 → СН 4 + 2 Н 2 О
CH 3 COOH → CH 4 + CO 2

Во время анаэробного дыхания углеводов H 2 и ацетат образуются в соотношении 2: 1 или ниже, поэтому вклад H 2 составляет только ок. 33% в метаногенез, причем ацетат вносит большую долю. В некоторых случаях, например в рубце , где ацетат в значительной степени всасывается в кровоток хозяина, вклад H 2 в метаногенез больше. [5]

Однако в зависимости от pH и температуры в метаногенезе используется углерод из других небольших органических соединений, таких как муравьиная кислота (формиат), метанол , метиламины , тетраметиламмоний , диметилсульфид и метантиол . Катаболизм метильных соединений опосредуется метилтрансферазами с образованием метилкофермента М. [4]

Предлагаемый механизм [ править ]

Биохимия метаногенеза включает следующие коферменты и кофакторы: F420 , кофермент B , кофермент M , метанофуран и метаноптерин .

Механизм превращения CH
3Связь –S с метаном включает тройной комплекс метилкофермента M и кофермента B, который находится в канале, оканчивающемся аксиальным участком на никеле кофактора F430. Один из предложенных механизмов предполагает перенос электрона от Ni (I) (с образованием Ni (II)), который инициирует образование CH
4. Присоединение тиильного радикала кофермента M (RS . ) К HS-коферменту B высвобождает протон и повторно восстанавливает Ni (II) с помощью одного электрона, регенерируя Ni (I). [6]

Обратный метаногенез [ править ]

Некоторые организмы могут окислять метан, функционально обращая процесс метаногенеза, также называемый анаэробным окислением метана (АОМ). Организмы, выполняющие АОМ, были обнаружены во многих морских и пресноводных средах, включая выходы метана, гидротермальные источники, прибрежные отложения и переходные зоны сульфат-метан. [7] Эти организмы могут осуществлять обратный метаногенез с использованием никельсодержащего белка, подобного метил-кофермент М-редуктазе, используемой метаногенными археями. [8] Обратный метаногенез происходит по реакции:

SO 4 2− + CH 4 → HCO 3 - + HS - + H 2 O [9]

Важность углеродного цикла [ править ]

Метаногенез - заключительный этап распада органического вещества. В процессе распада акцепторы электронов (например, кислород , трехвалентное железо , сульфат и нитрат ) истощаются, а водород (H 2 ) и диоксид углерода накапливаются. Также накапливаются легкие органические вещества, образующиеся при ферментации . На поздних стадиях органического распада все акцепторы электронов истощаются, за исключением двуокиси углерода. Углекислый газ является продуктом большинства катаболических процессов, поэтому он не истощается, как другие потенциальные акцепторы электронов.

Только метаногенез и ферментация могут происходить в отсутствие других акцепторов электронов, кроме углерода. Ферментация позволяет разрушать только более крупные органические соединения и производит небольшие органические соединения. Метаногенез эффективно удаляет полуфабрикаты продуктов распада: водород, мелкую органику и углекислый газ. Без метаногенеза большое количество углерода (в виде продуктов ферментации) накапливалось бы в анаэробной среде.

Естественное явление [ править ]

У жвачных [ править ]

Тестирование австралийских овец на производство выдыхаемого метана (2001 г.), CSIRO

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 животные, такие как крупный рогатый скот, не смогли бы есть травы. Полезные продукты метаногенеза всасываются в кишечнике, но метан выделяется из организма животного в основном при отрыжке (отрыжке). Средняя корова выделяет около 250 литров метана в день. [10] Таким образом, на долю жвачных животных приходится около 25% антропогенных выбросов метана . Один из методов контроля образования метана у жвачных - скармливание им 3-нитрооксипропанола . [11]

У людей [ править ]

У некоторых людей выделяются газы , содержащие метан. В одном исследовании фекалий девяти взрослых особей пять образцов содержали архей, способных производить метан. [12] Подобные результаты были обнаружены в образцах газа, взятых из прямой кишки .

Даже среди людей, чьи газы содержат метан, его количество находится в диапазоне 10% или меньше от общего количества газа. [13]

В растениях [ править ]

Многие эксперименты показали, что ткани листьев живых растений выделяют метан. [14] Другое исследование показало, что станции на самом деле не производят метан; они просто поглощают метан из почвы, а затем выделяют его через ткани своих листьев. [15]

В почвах [ править ]

Метаногены наблюдаются в бескислородной почвенной среде, способствуя разложению органических веществ. Это органическое вещество может быть помещено людьми через свалки, захоронено в виде осадка на дне озер или океанов в виде отложений или в виде остаточного органического вещества из отложений, которые сформировались в осадочные породы. [16]

В земной коре [ править ]

Метаногены составляют заметную часть микробных сообществ континентальной и морской глубинной биосферы . [17] [18] [19]

Роль в глобальном потеплении [ править ]

Атмосферный метан является важным парниковым газом с потенциалом глобального потепления, в 25 раз превышающим углекислый газ (в среднем за 100 лет) [20], и метаногенез в животноводстве, а разложение органических материалов, таким образом, вносит значительный вклад в глобальное потепление. Он может не вносить чистый вклад в том смысле, что он работает с органическим материалом, который потреблял атмосферный углекислый газ при его создании, но его общий эффект заключается в преобразовании углекислого газа в метан, который является гораздо более сильным парниковым газом.

Метаногенез также можно выгодно использовать для обработки органических отходов , для производства полезных соединений, а метан можно собирать и использовать в качестве биогаза , топлива. [21] Это основной путь разложения большинства органических веществ, выбрасываемых на свалки . [22]

Внеземная жизнь [ править ]

Смотрите также: Метан § Внеземной метан

Присутствие атмосферного метана играет важную роль в научных поисках внеземной жизни . Оправданием является то, что метан в атмосфере в конечном итоге рассеется, если что-то не восполняет его. Если метан обнаружен (например, с помощью спектрометра ), это может указывать на то, что жизнь присутствует или недавно была. Это обсуждалось [23], когда метан был обнаружен в марсианской атмосфере М. Дж. Муммой из Центра полетов Годдарда НАСА и подтвержден орбитальным аппаратом Mars Express (2004) [24], а в атмосфере Титана - зондом Гюйгенс (2005). [25]Эта дискуссия была продолжена после открытия марсоходом Curiosity «кратковременных» «всплесков метана» на Марсе . [26]

Также утверждается, что атмосферный метан может поступать из вулканов или других трещин в земной коре и что без изотопной сигнатуры его происхождение или источник может быть трудно идентифицировать. [27] [28]

13 апреля 2017 года НАСА подтвердило, что во время погружения космического корабля « Кассини» 28 октября 2015 года был обнаружен шлейф Энцелада, в котором есть все ингредиенты, которыми могут питаться формы жизни, основанные на метаногенезе. Предыдущие результаты, опубликованные в марте 2015 года, предполагали, что горячая вода взаимодействует с камнями под водой; новые данные подтверждают этот вывод и добавляют, что порода, похоже, вступает в химическую реакцию. Из этих наблюдений ученые определили, что почти 98 процентов газа в шлейфе - это вода, около 1 процента - водород, а остальное - смесь других молекул, включая диоксид углерода, метан и аммиак. [29]

См. Также [ править ]

  • Производство аэробного метана
  • Анаэробное пищеварение
  • Анаэробное окисление метана
  • Электрометаногенез
  • Водородный цикл
  • Метанотроф
  • Моральный

Ссылки [ править ]

  1. ^ Кац Б. (2011). « Микробные процессы и скопления природного газа » . Открытый геологический журнал . 5 (1): 75–83. Bibcode : 2011OGJ ..... 5 ... 75J . DOI : 10.2174 / 1874262901105010075 .
  2. ^ Kietäväinen и Purkamo (2015). «Происхождение, источник и круговорот метана в глубокой кристаллической биосфере горных пород» . Фронт. Microbiol . 6 : 725. DOI : 10,3389 / fmicb.2015.00725 . PMC 4505394 . PMID 26236303 .  
  3. Перейти ↑ Cramer and Franke (2005). «Указания для активной нефтегазовой системы в море Лаптевых, Северо-Восточная Сибирь / публикация / 227744258_Indications_for_an_active_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 .
  4. ^ a b Thauer, RK (1998). «Биохимия метаногенеза: дань уважения Марджори Стивенсон» . Микробиология . 144 : 2377–2406. DOI : 10.1099 / 00221287-144-9-2377 . PMID 9782487 . 
  5. ^ Конрад, Рольф (1999). «Вклад водорода в производство метана и контроль концентрации водорода в метаногенных почвах и отложениях» . FEMS Microbiology Ecology . 28 (3): 193–202. DOI : 10.1016 / s0168-6496 (98) 00086-5 .
  6. ^ Finazzo C, Harmer J, Bauer C и др. (Апрель 2003 г.). «Коэнзим B индуцировал координацию кофермента M через его тиольную группу с Ni (I) F 430 в активной метил-кофермент M редуктазе». Варенье. Chem. Soc . 125 (17): 4988–9. DOI : 10.1021 / ja0344314 . PMID 12708843 . 
  7. ^ Ерш, С. Эмиль; Биддл, Дженнифер Ф .; Теске, Андреас П .; Knittel, Katrin; Боэтиус, Антье; Раметт, Албан (31 марта 2015 г.). «Глобальное распространение и локальная диверсификация микробиома просачиваемого метана» . 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 .   
  8. ^ Шеллер, Сильван; Генрих, Майке; Бохер, Рейнхард; Thauer, Rudolf K .; Яун, Бернхард (3 июня, 2010 г.). «Ключевой никелевый фермент метаногенеза катализирует анаэробное окисление метана». Природа . 465 (7298): 606–608. Bibcode : 2010Natur.465..606S . DOI : 10,1038 / природа09015 . ISSN 1476-4687 . PMID 20520712 .  
  9. ^ Krüger M, Meyerdierks A, Glöckner FO и др. (Декабрь 2003 г.). «Заметный никелевый белок в микробных матах, который анаэробно окисляет метан». Природа . 426 (6968): 878–81. Bibcode : 2003Natur.426..878K . DOI : 10,1038 / природа02207 . PMID 14685246 . 
  10. ^ Радио Австралии : «Инновации - метан в сельском хозяйстве». 15 августа 2004 г. Проверено 28 августа 2007 г.
  11. ^ Христов, АН; и другие. (2015). «Ингибитор постоянно снижал выделение кишечного метана у дойных коров без отрицательного воздействия на молочную продуктивность» . Proc. Natl. Акад. Sci. США . 112 : 10663–10668. Bibcode : 2015PNAS..11210663H . DOI : 10.1073 / pnas.1504124112 . PMC 4553761 . PMID 26229078 .  
  12. ^ Миллер Т.Л .; Волин MJ; de Macario EC; Макарио AJ (1982). «Выделение Methanobrevibacter smithii из фекалий человека» . Appl Environ Microbiol . 43 (1): 227–32. PMC 241804 . PMID 6798932 .  
  13. ^ "Пищеварительная система человека" . Британская энциклопедия . Проверено 22 августа 2007 года .
  14. ^ Кеплер Ф и др. (2006). « Выбросы метана наземными растениями в аэробных условиях ». Природа . 439 (7073): 187–191. Bibcode : 2006Natur.439..187K . DOI : 10,1038 / природа04420 . PMID 16407949 . 
  15. ^ "Новости" . 30 октября 2014 г.
  16. ^ Le Mer, J .; Роджер, П. (2001). «Производство, окисление, выбросы и потребление метана почвами: обзор». Европейский журнал почвенной биологии . 37 : 25–50. DOI : 10.1016 / S1164-5563 (01) 01067-6 .
  17. ↑ Котельникова, Светлана (октябрь 2002 г.). «Микробиологическое производство и окисление метана в глубоких недрах». Обзоры наук о Земле . 58 (3–4): 367–395. Bibcode : 2002ESRv ... 58..367K . DOI : 10.1016 / S0012-8252 (01) 00082-4 .
  18. ^ Пуркамо, Лотта; Бомберг, Малин; Киетавяйнен, Риикка; Салавирта, Хейкки; Нюиссонен, Мари; Нуппунен-Пупутти, Майя; Ахонен, Лассе; Кукконен, Ильмо; Итаваара, Мерджа (30 мая 2016 г.). "Микробиологические закономерности залегания в жидкости трещиноватости глубинных докембрийских пород" . Биогеонауки . 13 (10): 3091–3108. Bibcode : 2016BGeo ... 13.3091P . DOI : 10.5194 / BG-13-3091-2016 . ISSN 1726-4189 . 
  19. ^ Ньюберри, Кэрол Дж .; Вебстер, Гордон; Крэгг, Барри А .; Паркс, Р. Джон; Weightman, Эндрю Дж .; Фрай, Джон С. (2004). «Разнообразие прокариот и метаногенез в глубоких подземных отложениях Нанкайского прогиба, этап 190 программы океанского бурения» (PDF) . Экологическая микробиология . 6 (3): 274–287. DOI : 10.1111 / j.1462-2920.2004.00568.x . ISSN 1462-2920 .  
  20. ^ «Потенциал глобального потепления». Вклад Рабочей группы I в Четвертый доклад об оценке Межправительственной группы экспертов по изменению климата 2007 года . 2007. Архивировано из оригинального 15 июня 2013 года . Проверено 24 мая 2012 года .
  21. ^ Наир, Атхир (14 июля 2015). «После Парка свободы отходы, чтобы осветить Гандинагар в Бангалоре» . The Economic Times .
  22. ^ МЭ Отчет CWM039A + B / 92 Young, A. (1992)
  23. ^ Статья BBC о метане как признаке жизни http://news.bbc.co.uk/2/hi/science/nature/4295475.stm
  24. ^ Европейское космическое агентство, Метан в марсианской атмосфере http://www.esa.int/esaMI/Mars_Express/SEMZ0B57ESD_0.html
  25. ^ Статья Space.Com о метане на Гюйгенсе http://www.space.com/scienceastronomy/ap_huygens_update_050127.html
  26. ^ Knapton, Сара (15 марта 2016). «Жизнь на Марсе: НАСА находит первый намек на инопланетную жизнь» . Телеграф .
  27. ^ Новая статья ученых об атмосферном метане https://www.newscientist.com/article.ns?id=dn7059
  28. ^ Статья National Geographic о метане как признаке жизни http://news.nationalgeographic.com/news/2004/10/1007_041007_mars_methane.html
  29. ^ Нортон, Карен (13 апреля 2017). «Миссии НАСА позволяют по-новому взглянуть на« океанические миры » » . НАСА . Проверено 13 апреля 2017 года .