Метаногены – это микроорганизмы, которые производят метан как побочный продукт метаболизма в условиях гипоксии . Они принадлежат к домену Archaea и являются членами типа Euryarchaeota . Метаногены распространены на водно-болотных угодьях , где они ответственны за болотный газ , и могут встречаться в пищеварительном тракте животных, включая жвачных животных и человека , где они ответственны за содержание метана в отрыжке и метеоризме . [1] В морских отложениях биологическое производство метана, называемое метаногенезом , обычно ограничивается местом, где сульфаты истощаются ниже верхних слоев [2] , а метаногены играют незаменимую роль в анаэробной очистке сточных вод. [3] Другие метаногены — это экстремофилы , обнаруженные в таких средах, как горячие источники и подводные гидротермальные жерла , а также в «твердых» породах земной коры, в километрах под поверхностью.
Метаногены представляют собой кокки (сферической формы) или бациллы (палочковидные). Описано более 50 видов метаногенов, не образующих монофилетическую группу в типе Euryarchaeota . В основном это анаэробные организмы , которые не могут функционировать в аэробных условиях, но недавно был идентифицирован вид ( Candidatus Methanothrix paradoxum ), который может функционировать в бескислородных микросайтах в аэробной среде. Они чувствительны к присутствию кислорода даже в следовых количествах и обычно не могут выдерживать кислородный стресс в течение длительного времени. Однако Methanosarcina barkeri отличается исключительным наличием фермента супероксиддисмутазы (СОД) и может выживать дольше, чем другие, в присутствии O 2 . [4] [5] Некоторые метаногены, называемые гидрогенотрофными , используют углекислый газ (CO 2 ) в качестве источника углерода и водород в качестве восстановителя .
Восстановление углекислого газа в метан в присутствии водорода можно выразить следующим образом:
Некоторая часть CO 2 реагирует с водородом с образованием метана, который создает электрохимический градиент через клеточную мембрану, используемый для генерации АТФ посредством хемиосмоса . Напротив, растения и водоросли используют воду в качестве восстановителя .
Метаногенам не хватает пептидогликана — полимера , который содержится в клеточных стенках бактерий , как и у других архей. Вместо этого некоторые метаногены имеют клеточную стенку, называемую псевдопептидогликан . Другие метаногены имеют паракристаллический белковый массив (S-слой), который собирается вместе, как мозаика . [6]
Метаногены играют жизненно важную экологическую роль в анаэробных средах , удаляя избыток водорода и продуктов ферментации, которые образуются в результате других форм анаэробного дыхания . Метаногены обычно процветают в средах, в которых все акцепторы электронов , кроме CO 2 (такие как кислород , нитрат , трехвалентное железо (Fe(III)) и сульфат ) истощены. В глубоких базальтовых породах вблизи срединно-океанических хребтов они могут получать водород в результате реакции серпентинизации оливина , как это наблюдается в гидротермальном поле Затерянного города .
Другими возможными источниками водорода являются термический распад воды и радиолиз воды.
Метаногены являются ключевыми агентами реминерализации органического углерода в отложениях континентальной окраины и других водных отложениях с высокими скоростями седиментации и высоким содержанием органического вещества. При правильных условиях давления и температуры биогенный метан может накапливаться в массивных отложениях клатратов метана [7] , которые составляют значительную долю органического углерода в отложениях окраины континента и представляют собой ключевой резервуар мощного парникового газа. [8]
Метаногены были обнаружены в нескольких экстремальных средах на Земле: они погребены под километрами льда в Гренландии и обитают в горячей сухой пустынной почве. Известно, что они являются наиболее распространенными архей в глубоких подземных средах обитания. Живые микробы, производящие метан, были обнаружены в образце керна ледникового льда, извлеченном примерно в трех километрах под Гренландией исследователями из Калифорнийского университета в Беркли . Они также обнаружили постоянный метаболизм, способный восстанавливать макромолекулярные повреждения при температуре от 145 до –40 °C. [9]
Другое исследование [10] также обнаружило метаногены в суровых условиях Земли. Исследователи изучили десятки образцов почвы и пара из пяти различных пустынь в Юте , Айдахо и Калифорнии в США , а также в Канаде и Чили . Из них пять образцов почвы и три образца пара из окрестностей исследовательской станции Марсианской пустыни в штате Юта содержали признаки жизнеспособных метаногенов. [11]
Некоторые ученые предположили, что присутствие метана в марсианской атмосфере может указывать на наличие на этой планете природных метаногенов. [12] В июне 2019 года марсоход НАСА Curiosity обнаружил метан, обычно вырабатываемый подземными микробами, такими как метаногены, что указывает на возможность существования жизни на Марсе . [13]
С метаногенами тесно связаны анаэробные окислители метана, которые используют метан в качестве субстрата в сочетании с восстановлением сульфатов и нитратов. [14] Большинство метаногенов являются автотрофными продуцентами, но те, которые окисляют CH 3 COO −, вместо этого классифицируются как хемотрофы .
Сравнительный протеомный анализ привел к идентификации 31 сигнатурного белка, специфичного для метаногенов (также известных как метаноархеоты ). Большинство этих белков связаны с метаногенезом и могут служить потенциальными молекулярными маркерами метаногенов. Кроме того, 10 белков, обнаруженных во всех метаногенах, общих для Archaeoglobus , позволяют предположить, что эти две группы родственны. На филогенетических деревьях метаногены не монофилетичны и обычно делятся на три клады. Следовательно, уникальное совместное присутствие большого количества белков всеми метаногенами может быть связано с латеральным переносом генов. [15] Кроме того, более поздние новые белки, связанные с транспортировкой сульфидов, были связаны с метаногенными архей. [16] Для дальнейшей дифференциации конкретных родов внутри класса метаногенов и выявления новых путей метаногенного метаболизма необходим дополнительный протеомный анализ.
Современные подходы к секвенированию ДНК или РНК позволили выявить несколько геномных маркеров, специфичных для нескольких групп метаногенов. В ходе одного из таких открытий были выделены девять метаногенов из рода Methanoculleus и обнаружено, что по крайней мере два гена трегалозосинтазы были обнаружены во всех девяти геномах. [17] Пока этот ген наблюдался только у этого рода, поэтому его можно использовать в качестве маркера для идентификации архей Methanoculleus. По мере развития методов секвенирования и наполнения баз данных большим количеством геномных данных можно идентифицировать большее количество штаммов и признаков, но многие роды остаются недостаточно изученными. Например, галофильные метаногены являются потенциально важными микробами для круговорота углерода в прибрежных водно-болотных экосистемах, но, по-видимому, они сильно недостаточно изучены. В одной из недавних публикаций был выделен новый штамм из рода Methanohalophilus, который обитает в богатой сульфидами морской воде. Интересно, что они выделили несколько участков генома этого штамма, которые отличаются от других изолированных штаммов этого рода (Methanohalophilus mahii, Methanohalophilus halophilus, Methanohalophilus portucalensis, Methanohalophilus euhalbius). Некоторые различия включают высококонсервативный геном, метаболизм серы и гликогена и устойчивость к вирусам. [18] Геномные маркеры, соответствующие микробной среде, наблюдались во многих других случаях. Одно из таких исследований показало, что археи, производящие метан, обнаруженные в зонах гидроразрыва, имеют геномы, которые варьируются в зависимости от вертикальной глубины. Подповерхностные и поверхностные геномы различались вместе с ограничениями, обнаруженными в отдельных глубинных зонах, хотя в этом исследовании также было обнаружено мелкомасштабное разнообразие. [19] Важно признать, что геномные маркеры, указывающие на экологически важные факторы, часто не являются исключительными. Исследование Methanogenic Thermoplasmata выявило эти организмы в кишечном тракте человека и животных. Этот новый вид был также обнаружен в других метаногенных средах, таких как почвы водно-болотных угодий, хотя группа, изолированная на водно-болотных угодьях, имела тенденцию иметь большее количество генов, кодирующих антиоксидантные ферменты, которые не присутствовали в той же группе, изолированной у человека и кишечный тракт животных. [20] Общая проблема с идентификацией и открытием новых видов метаногенов заключается в том, что иногда геномные различия могут быть весьма небольшими, однако исследовательская группа решает, что они достаточно различны, чтобы их можно было разделить на отдельные виды. В одном исследовании на группе Methanocellales было проведено сравнительное геномное исследование. Первоначально эти три штамма считались идентичными, но детальный подход к геномной изоляции выявил различия между их ранее считавшимися идентичными геномами. Различия наблюдались в количестве копий генов, а также в метаболическом разнообразии, связанном с геномной информацией. [21]
Геномные сигнатуры не только позволяют отмечать уникальные метаногены и гены, соответствующие условиям окружающей среды; это также привело к лучшему пониманию эволюции этих архей. Некоторые метаногены должны активно смягчать воздействие кислородной среды. Функциональные гены, участвующие в выработке антиоксидантов, были обнаружены у метаногенов, и некоторые конкретные группы имеют тенденцию иметь обогащение этой геномной особенностью. Метаногены, содержащие геном с повышенными антиоксидантными свойствами, могут служить доказательством того, что это геномное дополнение могло произойти во время Великого события оксигенации. [22] В другом исследовании три штамма линии Thermoplasmatales, выделенные из желудочно-кишечного тракта животных, выявили эволюционные различия. Эукариоподобный ген гистона, который присутствует в большинстве геномов метаногена, отсутствовал, что ускользало от доказательств того, что предковая ветвь была потеряна в пределах Thermoplasmatales и родственных линий. [23] Кроме того, группа Methanomassiliicoccus имеет геном, который, по-видимому, потерял многие общие гены, кодирующие первые несколько этапов метаногенеза. Эти гены, по-видимому, были заменены генами, кодирующими новый метилированный метогенный путь. Об этом пути сообщалось в нескольких типах сред, что указывает на эволюцию, не связанную с окружающей средой, и может указывать на наследственное отклонение. [24]
Известно, что метаногены производят метан из таких субстратов, как H 2 /CO 2 , ацетат, формиат , метанол и метиламины в процессе, называемом метаногенезом . [25] Различные метаногенные реакции катализируются уникальными наборами ферментов и коферментов . Хотя механизм реакции и энергетика варьируются от одной реакции к другой, все эти реакции способствуют производству чистой положительной энергии за счет создания градиентов концентрации ионов , которые используются для стимулирования синтеза АТФ. [26] Общая реакция метаногенеза H 2 /CO 2 такова:
Хорошо изученные организмы, которые производят метан посредством метаногенеза H 2 /CO 2 , включают Methanosarcina barkeri , Methanobacterium thermoautotropicum и Methanobacterium wolfei . [27] [28] [29] Эти организмы обычно встречаются в анаэробной среде. [25]
На самой ранней стадии метаногенеза H 2 /CO 2 CO 2 связывается с метанофураном (МФ) и восстанавливается до формил-МФ. Этот эндергонический восстановительный процесс (∆G˚'= +16 кДж/моль) зависит от наличия H 2 и катализируется ферментом формил-МФ дегидрогеназой. [25]
Формильный компонент формил-MF затем переносится на кофермент тетрагидрометаноптерин (H4MPT) и катализируется растворимым ферментом, известным как формилтрансфераза . Это приводит к образованию формил-H4MPT. [25]
Формил-H4MPT впоследствии восстанавливается до метенил-H4MPT. Затем метенил-H4MPT подвергается одностадийному гидролизу с последующим двухэтапным восстановлением до метил-H4MPT. Двухстадийному обратимому восстановлению способствует кофермент F 420 , акцептор гидрида которого самопроизвольно окисляется. [25] После окисления запас электронов F 420 пополняется за счет приема электронов от H 2 . Этот этап катализируется метилен-H4MPT-дегидрогеназой. [30]
Затем метильная группа метил-M4MPT переносится на кофермент M посредством реакции, катализируемой метилтрансферазой. [31] [32]
Заключительный этап метаногенного процесса H 2 /CO 2 включает метилкофермент М-редуктазу и два кофермента: N-7-меркаптогептаноилтреонинфосфат (HS-HTP) и кофермент F 430 . HS-HTP отдает электроны метил-коферменту M, позволяя образовывать метан и смешанный дисульфид HS-CoM. [33] F 430 , с другой стороны, служит простетической группой редуктазы. H 2 отдает электроны смешанному дисульфиду HS-CoM и регенерирует кофермент М. [34]
Метаногены широко используются в анаэробных варочных котлах для очистки сточных вод, а также водных органических загрязнителей. Промышленность выбрала метаногены из-за их способности осуществлять биометанирование во время разложения сточных вод, что делает этот процесс устойчивым и экономически эффективным. [35]
Биоразложение в анаэробном варочном котле включает четырехэтапное совместное действие различных микроорганизмов. [36] Первой стадией является гидролиз нерастворимых полимеризованных органических веществ анаэробами, такими как стрептококки и энтеробактерии. [37] На втором этапе ацидогены расщепляют растворенные органические загрязнители в сточных водах до жирных кислот . На третьем этапе ацетогены превращают жирные кислоты в ацетаты . На заключительной стадии метаногены метаболизируют ацетаты до газообразного метана . Побочный продукт метан покидает водный слой и служит источником энергии для обработки сточных вод в варочном котле, создавая таким образом самоподдерживающийся механизм. [38]
Метаногены также эффективно снижают концентрацию органических веществ в сточных водах. [39] Например, сельскохозяйственные сточные воды , богатые органическими веществами, стали основной причиной деградации водных экосистем. Химический дисбаланс может привести к таким серьезным последствиям, как эвтрофикация . Благодаря анаэробному сбраживанию очистка сточных вод может предотвратить неожиданное цветение воды в водных системах, а также задержать метаногенез в варочных котлах. Это позволяет использовать биометан для производства энергии и предотвращает выброс в атмосферу мощного парникового газа метана.
Органические компоненты сточных вод сильно различаются. Химическая структура органического вещества выбирает определенные метаногены для выполнения анаэробного сбраживания. Например, представители рода Methanosaeta доминируют в переваривании сточных вод заводов по производству пальмового масла (POME) и отходов пивоваренных заводов. [39] Модернизация систем очистки сточных вод с целью включения большего разнообразия микроорганизмов для снижения содержания органических веществ в очистке находится в стадии активных исследований в области микробиологической и химической инженерии. [40] Нынешние новые поколения ступенчатых многофазных анаэробных реакторов и реакторных систем с восходящим потоком ила разработаны с учетом инновационных функций для противодействия поступлению сточных вод с высокой нагрузкой, экстремальным температурным условиям и возможным ингибирующим соединениям. [41]
{{cite web}}
: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка )