Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Не путать с метаногеном .

Метанотрофы (иногда называемые метанофилами ) - это прокариоты, которые метаболизируют метан в качестве источника углерода и энергии . Это могут быть бактерии или археи, они могут расти в аэробных или анаэробных условиях , и для выживания им требуются одноуглеродные соединения .

Метанотрофы особенно распространены в окружающей среде или рядом с ней, где производится метан, хотя некоторые метанотрофы могут окислять атмосферный метан . Их среда обитания включает 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 играют значительную роль в глобальном бюджете метана, уменьшая количество метана, выбрасываемого в атмосферу. [1] [2]

Метанотрофия - это особый случай метилотрофии , в которой используются одноуглеродные соединения, которые более восстановлены, чем диоксид углерода. Некоторые метилотрофы, однако, могут также использовать многоуглеродные соединения, что отличает их от метанотрофов, которые обычно являются требовательными окислителями метана и метанола. Единственными факультативными метанотрофами, выделенными на сегодняшний день, являются представители рода Methylocella silvestris , [3] [4] Methylocapsa aurea [5] и несколько штаммов Methylocystis . [6]

С функциональной точки зрения метанотрофы называются бактериями, окисляющими метан, однако бактерии, окисляющие метан, включают другие организмы, которые не считаются единственными метанотрофами. По этой причине метанокисляющие бактерии были разделены на подгруппы: группы метанассимилирующих бактерий (МАБ), метанотрофы и автотрофные аммиакокисляющие бактерии (ААОВ), которые совместно окисляют метан. [2]

Классификация [ править ]

Метантрофами могут быть как бактерии, так и археи . Какие виды метанотрофов присутствуют, в основном определяется доступностью акцепторов электронов . Известно много типов метанокисляющих бактерий (МОБ). Различия в способе фиксации формальдегида и структуре мембран делят этих бактериальных метанотрофов на несколько групп. Среди метанотрофных архей выделяют несколько подгрупп.

Аэробика [ править ]

В аэробных условиях метанотрофы объединяют кислород и метан с образованием формальдегида , который затем включается в органические соединения через сериновый путь или путь монофосфата рибулозы (RuMP) и [углекислый газ], который высвобождается. Метанотрофы типа I и типа X являются частью Gammaproteobacteria и используют путь RuMP для ассимиляции углерода. Метанотрофы типа II являются частью Alphaproteobacteria и используют сериновый путь ассимиляции углерода. Для них также характерна система внутренних мембран, внутри которых происходит окисление метана . Метанотрофы у Gammaproteobacteria известны из семействаMethylococcaceae . [7] Метанотрофы из Alphaproteobacteria встречаются в семействах Methylocystaceae и Beijerinckiaceae .

Аэробные метанотрофы также известны из Methylacidiphilaceae (тип Verrucomicrobia ). [8] В отличие от Gammaproteobacteria и Alphaproteobacteria , метанотрофы в типе Verrucomicrobia являются миксотрофами . [9] [10] В 2021 году была обнаружена бактериальная корзина из типа Gemmatimonadetes под названием Candidatus Methylotropicum kingii, показывающая аэробную метанотрофию, что позволяет предположить, что метанотрофия присутствует в четырех типах бактерий. [11]

Никакие аэробные метанотрофные археи не известны.

Анаэробный [ править ]

В бескислородных условиях метанотрофы используют разные акцепторы электронов для окисления метана. Это может произойти в бескислородных средах обитания, таких как морские или озерные отложения , зоны минимума кислорода , столбики бескислородной воды, рисовые поля и почвы. Некоторые специфические метанотрофы могут восстанавливать нитрат, [12] нитрит, [13] железо, [14] сульфат, [15] или ион марганца и связывать это с окислением метана без синтрофного партнера. Исследования в морской среде показали, что метан может анаэробно окисляться консорциумом метанокисляющих архей и сульфатредуцирующих бактерий . [16][17] Этот тип анаэробного окисления метана (АОМ) в основном происходит в бескислородных морских отложениях. Точный механизм этого до сих пор является предметом дискуссий, но наиболее широко распространенная теория состоит в том, что археи используют обратныйпуть метаногенеза для производства углекислого газа и другого неизвестного вещества. Этот неизвестный промежуточный продукт затем используется сульфатредуцирующими бактериями для получения энергии от восстановления сульфата до сероводорода .

Анаэробные метанотрофы не относятся к известным аэробным метанотрофам; самые близкие родственники культивированные в анаэробные метанотроф являются метаногенами в порядке Methanosarcinales . [18]

В некоторых случаях аэробное окисление метана может происходить в бескислородной среде. Candidatus Methylomirabilis oxyfera принадлежит к типу бактерий NC10 и может катализировать восстановление нитрита посредством «интрааэробного» пути, при котором внутренний кислород используется для окисления метана. [19] [20] В озерах с чистой водой метанотрофы могут жить в бескислородной толще воды, но получать кислород от фотосинтезирующих организмов, которые они затем напрямую потребляют для аэробного окисления метана. [21]

Особые виды [ править ]

Methylococcus capsulatus используется для производства кормов для животных из природного газа. [22]

В 2010 году новая бактерия Candidatus Methylomirabilis oxyfera из филы NC10 было установлено , что может , соедини анаэробного окисления метана к уменьшению нитритов без необходимости syntrophic партнера. [19] Основываясь на исследованиях Ettwig и др., [19] полагают , что M. oxyfera окисляется метана анаэробно за счет использования кислорода производится внутренне от дисмутация из оксида азота в азот и газообразный кислород.

Таксономия [ править ]

Многие метанотрофные культуры были изолированы и формально охарактеризованы за последние 4 десятилетия, начиная с классического исследования Уиттенбери (Whittenbury et al., 1970). В настоящее время известно 18 родов культивируемых аэробных метанотрофных Gammaproteobacteria и 5 родов Alphaproteobacteria , представленных ок. 60 разных видов. [23]

Окисление метана [ править ]

Сериновый путь у метанотрофов II типа

Метанотрофы окисляют метан, сначала инициируя восстановление атома кислорода до H 2 O 2 и превращение метана в CH 3 OH с использованием метанмонооксигеназ (MMO) . [24] Кроме того, из метанотрофов были выделены два типа MMO: растворимая метанмонооксигеназа (sMMO) и метанмонооксигеназа в виде частиц (pMMO) .

Клетки, содержащие pMMO, продемонстрировали более высокую способность к росту и более высокое сродство к метану, чем клетки, содержащие sMMO. [24] Предполагается, что ионы меди могут играть ключевую роль как в регуляции pMMO, так и в ферментативном катализе, ограничивая таким образом клетки pMMO более богатой медью средой, чем клетки, продуцирующие sMMO. [25]

Ссылки [ править ]

  1. ^ Oremland RS, Culbertson CW (1992). «Важность метанокисляющих бактерий в балансе метана, выявленная с помощью специального ингибитора». Природа . 356 (6368): 421–423. Bibcode : 1992Natur.356..421O . DOI : 10.1038 / 356421a0 . S2CID  4234351 .
  2. ^ а б Холмс А.Дж., Рослев П., Макдональд И.Р., Иверсен Н., Хенриксен К., Мюррелл Дж.С. (август 1999 г.). «Характеристика популяций метанотрофных бактерий в почвах, показывающих атмосферное поглощение метана» . Прикладная и экологическая микробиология . 65 (8): 3312–8. DOI : 10,1128 / AEM.65.8.3312-3318.1999 . PMC 91497 . PMID 10427012 .  
  3. ^ Dedysh С.Н., Knief C, Dunfield PF (июль 2005). «Виды Methylocella факультативно метанотрофны» . Журнал бактериологии . 187 (13): 4665–70. DOI : 10.1128 / JB.187.13.4665-4670.2005 . PMC 1151763 . PMID 15968078 .  
  4. ^ Чен Ю., Кромби А., Рахман М. Т., Дедыш С. Н., Лизак В., Стотт МБ и др. (Июль 2010 г.). «Полная последовательность генома аэробного факультативного метанотрофа Methylocella silvestris BL2» . Журнал бактериологии . 192 (14): 3840–1. DOI : 10.1128 / JB.00506-10 . PMC 2897342 . PMID 20472789 .  
  5. ^ Dunfield PF, Белова С. Е., Воробьев А. В., корниш SL, Dedysh SN (ноябрь 2010). "Methylocapsa aurea sp. Nov., Факультативный метанотроф, обладающий твердой метанмонооксигеназой, и исправленное описание рода Methylocapsa" . Международный журнал систематической и эволюционной микробиологии . 60 (Pt 11): 2659–2664. DOI : 10.1099 / ijs.0.020149-0 . PMID 20061505 . 
  6. ^ Белова SE, Baani M, Suzina NE, Bodelier PL, Liesack W, Dedysh SN (февраль 2011). «Использование ацетата как стратегия выживания обитающих в торфе Methylocystis spp» . Отчеты по микробиологии окружающей среды . 3 (1): 36–46. DOI : 10.1111 / j.1758-2229.2010.00180.x . PMID 23761229 . 
  7. ^ Stein LY, Рой R, Dunfield PF (2012-04-16). «Аэробная метанотрофия и нитрификация: процессы и связи». eLS . Чичестер, Великобритания: John Wiley & Sons, Ltd., стр. A0022213. DOI : 10.1002 / 9780470015902.a0022213 . ISBN 978-0-470-01617-6. Проверено 17 января 2021 .
  8. ^ Оп ден Кэмп Х. Дж., Ислам Т., Стотт МБ, Харханги Х. Р., Хайнс А., Схаутен С. и др. (Октябрь 2009 г.). «Экологические, геномные и таксономические перспективы метанотрофной веррукомикробии» . Отчеты по микробиологии окружающей среды . 1 (5): 293–306. DOI : 10.1111 / j.1758-2229.2009.00022.x . PMID 23765882 . 
  9. ^ Carere CR, Hards K, Houghton KM, Power JF, McDonald B, Collet C и др. (Ноябрь 2017 г.). «Миксотрофия способствует расширению ниши веррукомикробных метанотрофов» . Журнал ISME . 11 (11): 2599–2610. DOI : 10.1038 / ismej.2017.112 . PMC 5649168 . PMID 28777381 .  
  10. Перейти ↑ Sharp CE, Stott MB, Dunfield PF (2012). «Обнаружение автотрофных веррукомикробных метанотрофов в геотермальной среде с помощью зондирования стабильных изотопов» . Границы микробиологии . 3 : 303. DOI : 10,3389 / fmicb.2012.00303 . PMC 3421453 . PMID 22912630 .  
  11. ↑ Bay SK, Dong X, Bradley JA, Leung PM, Grinter R, Jirapanjawat T и др. (Январь 2021 г.). «Остаточные газовые окислители широко распространены и являются активными членами микробных сообществ почвы» . Природная микробиология : 1–11. DOI : 10.1038 / s41564-020-00811-ш . PMID 33398096 . 
  12. ^ Харун МФ, Х S, Ши Y, Imelfort М, Келлер Дж, Hugenholtz Р, и др. (Август 2013). «Анаэробное окисление метана в сочетании с восстановлением нитратов в новом архейном происхождении». Природа . 500 (7464): 567–70. DOI : 10,1038 / природа12375 . PMID 23892779 . 
  13. ^ Ettwig KF, Butler MK, Le Paslier D, Pelletier E, Mangenot S, Kuypers MM, et al. (Март 2010 г.). «Анаэробное окисление метана под действием нитритов кислородными бактериями» . Природа . 464 (7288): 543–8. DOI : 10,1038 / природа08883 . PMID 20336137 . 
  14. ^ Ettwig К.Ф., Чжу В, D Спета, Keltjens JT, Джеттен М.С., Картал Б (ноябрь 2016). «Археи катализируют железозависимое анаэробное окисление метана» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 113 (45): 12792–12796. DOI : 10.1073 / pnas.1609534113 . PMC 5111651 . PMID 27791118 .  
  15. ^ Milucka J, Ferdelman TG, Polerecky L, Franzke D, Wegener G, Schmid M и др. (Ноябрь 2012 г.). «Сера с нулевой валентностью является ключевым промежуточным продуктом в окислении метана в морской среде» . Природа . 491 (7425): 541–6. DOI : 10.1038 / nature11656 . PMID 23135396 . 
  16. ^ Offre Р, Спанг А, Schleper С (2013-09-08). «Археи в биогеохимических циклах». Ежегодный обзор микробиологии . 67 (1): 437–57. DOI : 10.1146 / annurev-micro-092412-155614 . PMID 23808334 . 
  17. ^ Thauer РК (июнь 2011). «Анаэробное окисление метана сульфатом: об обратимости реакций, катализируемых ферментами, также участвующими в метаногенезе из CO2». Текущее мнение в микробиологии . 14 (3): 292–9. DOI : 10.1016 / j.mib.2011.03.003 . PMID 21489863 . 
  18. ^ Boetius A , Ravenschlag K, Schubert CJ, Rickert D, Widdel F, Gieseke A и др. (Октябрь 2000 г.). «Консорциум морских микробов, очевидно, опосредующий анаэробное окисление метана» . Природа . 407 (6804): 623–6. Bibcode : 2000Natur.407..623B . DOI : 10.1038 / 35036572 . PMID 11034209 . S2CID 205009562 .  
  19. ^ a b c Эттвиг К.Ф., Батлер М.К., Ле Пелье Д., Пеллетье Э., Мангено С., Кайперс М.М. и др. (Март 2010 г.). «Анаэробное окисление метана под действием нитритов кислородными бактериями» (PDF) . Природа . 464 (7288): 543–8. Bibcode : 2010Natur.464..543E . DOI : 10,1038 / природа08883 . PMID 20336137 . S2CID 205220000 .   
  20. ↑ Zhu B, van Dijk G, Fritz C, Smolders AJ, Pol A, Jetten MS, Ettwig KF (декабрь 2012 г.). «Анаэробное окисление метана на минеротрофном торфянике: обогащение нитрит-зависимых метанокисляющих бактерий» . Прикладная и экологическая микробиология . 78 (24): 8657–65. DOI : 10,1128 / AEM.02102-12 . PMC 3502929 . PMID 23042166 .  
  21. ^ Milucka Дж, Kirf М, Л л, Krupke А, Lam Р, Литтманн С, и др. (Сентябрь 2015 г.). «Окисление метана в сочетании с кислородным фотосинтезом в бескислородных водах» . Журнал ISME . 9 (9): 1991–2002. DOI : 10.1038 / ismej.2015.12 . PMC 4542029 . PMID 25679533 .  
  22. ^ Le Page M (2016-11-19). «Еда из природного газа скоро будет кормить сельскохозяйственных животных - и нас» . Новый ученый . Проверено 11 декабря 2016 .
  23. ^ Orata ФО, Майер-Колтхофф ДП, Соважо D, Штейн Л.Я. (2018). «Филогеномный анализ метанотрофов гаммапротеобактерий (отряда Methylococcales ) требует переклассификации членов на уровне родов и видов» . Границы микробиологии . 9 : 3162. DOI : 10,3389 / fmicb.2018.03162 . PMC 6315193 . PMID 30631317 .  
  24. ^ a b Hanson RS, Hanson TE (июнь 1996 г.). «Метанотрофные бактерии» . Микробиологические обзоры . 60 (2): 439–71. DOI : 10.1128 / MMBR.60.2.439-471.1996 . PMC 239451 . PMID 8801441 .  
  25. ^ Либермана RL, Розенцвейг AC (2004). «Биологическое окисление метана: регуляция, биохимия и структура активного центра макрочастицы монооксигеназы». Критические обзоры в биохимии и молекулярной биологии . 39 (3): 147–64. DOI : 10.1080 / 10409230490475507 . PMID 15596549 . S2CID 21628195 .  

Внешние ссылки [ править ]

  • Анаэробное окисление метана
  • Метановый жук обещает сократить выбросы парниковых газов . Пресс-релиз, GNS Science, Новая Зеландия