Анаеробне окиснення метану

Анаеробне окиснення метану — процес окиснення метану до вуглекислого газу, здійснюваний некультивованими археями груп ANME-1, ANME-2 і ANME-3, близькими до Methanosarcinales, в асоціації з сульфатредукуючими і денітрифікуючими бактеріями за відсутності в середовищі молекулярного кисню. Біохімія і поширеність процесу в природі вивчені доки недостатньо.

Механізм процесу

Консорція мікроорганізмів

Вже в перших роботах, присвячених процесу, було показано, що абіотично окислюється лише 0,7-1,1 % усього окиснюваного об'єму метану. Також встановлено, що інгібітори метаногенезу 2-брометансульфонова кислота і флуорацетат, а також інгібітор сульфатредукції молібдат пригноблюють і анаеробне окиснення метану. При цьому останній чутливіший до 2-брометансульфонової кислоти, ніж сам метаногенез, через що при невеликих концентраціях кислоти вона навіть ніби уявно стимулююче впливає на утворення метану (насправді припиняючи його окиснення).

З цього було зроблено висновок про протікання анаеробного окиснення метану в два етапи, здійснюваних різними організмами. Перший — окиснення метану водою, здійснюване ферментами метаногенезу, що каталізують зворотні реакції. Другий — подальше окиснення продуктів першого етапу, з використанням сульфідів як акцептора електрона.[1]

Інгібітором анаеробного окиснення метану також є кисень: в зразках донних опадів, де відсутні аеробні метанотрофи, при провітрюванні припиняється всяке окиснення метану. Лише з вичерпанням кисню в середовищі воно починає відновлюватися.

Завдяки тому що у холодних сипах метан збіднений 13C, речовини, синтезовані з нього, також збіднені цим ізотопом. Були вивчені бідні на13C ліпіди і нуклеїнові кислоти, виділені з донних відкладень, і проведені дослідження в галузі геносистематики організмів, що споживають метан в анаеробних умовах. Було показано, що серед них дійсно є споріднені метаногенам порядку Methanosarcinales археї, віднесені до груп ANME-1 і ANME-2, і еубактерії-сульфатредуктори[2]. Згодом з використанням методу FISH вдалося побачити клітини цих організмів[3][4]. Вони утворювали компактні конгломерати, що складаються в середньому з 100 архей і 200 еубактерій і що мають діаметр близько 3 мкм.

Окрім тісної спорідненості архей ANME метаногенам, аргументом на користь проведення ними зворотного метаногенезу стало виявлення у них генів метил-CoM- редуктази (mcrA) і ще ряду ферментів утворення метану[5].

Проблема міжвидового інтермедіату

На яких продуктах реакції зворотного метаногенезу завершуються невідомо. Мабуть частина їх перетворюється на ацетил-КоА і асимілюється організмом, про що свідчить включення ізотопу 13C до складу мікробних біомаркерів. Інша частина надходить до зовнішнього середовища і засвоюється сульфатредукторами, використовуючись ними потім також в процесах і анаболізму, і катаболізму. Яка сполука виступає в ролі міжвидового інтермедіату невідомо. На його роль пропонувалися молекулярний водень[6][7], оцтова кислота[7], метанол, мурашина кислота, НАД і ФАД[8]. Ні для однієї з цих речовин доки не було отримано експериментальних доказів участі в процесі. Крім того, термодинамічні розрахунки свідчать, що водень, ацетат і метанол міжвидовими інтермедіатами бути не можуть[9].

Окиснення метану з використанням інших акцепторів електрона

Показано можливість протікання анаеробного окиснення метану за участю сполук азоту[10]. Процес в цьому випадку здійснювала консорція клітин ANME-2 і денітрифікаторів, причому останні віддавали перевагу нітриту перед нітратами. При видаленні нітриту через 10-20 годин окиснення метану поновлювалося вже за участю нітратів. Прямі спостереження за допомогою техніки FISH показали, що співвідношення в консорції бактерій і археїв склало 8:1. Автори вважають, що це свідчить про більш високий енергетичний вихід у порівнянні з сульфатами.

Для Fe3 у декількох роботах стверджується неучасть в анаеробному окисненні метану[11], хоча у інших показаний його стимулювальний ефект на поглинання метану в анаеробних умовах[12].

Можливість анаеробного окиснення метану одним організмом

Існує гіпотеза наявності одного організму, що проводить процес від початку до кінця по абсолютно особливому механізму. На її користь свідчать дані, що у деяких субстратах жоден з інгібіторів метаногенів і сульфатредукторів не пригнічує анаеробне окиснення метану[13].

Було виявлено клітини ANME-2, а потім ANME-1 і ANME-3, фізично не пов'язані з сульфатредукторами, вільноживучі, утворюючі мікроколонії, або конгломерати клітин з еубактеріями, що не є сульфатредукторами[4][14][15]. Ці організми теоретично могли б здійснювати окиснення метану самостійно, без участі еубактеріального партнера[16].

Було виявлено окиснення метану чистими культурами при анаеробному рості. Метаногени, строгі анаероби, особливо такі як Methanobacterium thermoautotrophicum, Methanosarcina barkeri, Methanosarcina acetivorans і Methanospirillum hungatii, здатні при зростанні на звичайних середовищах для культивування метаногенів, окислювати введений в газову фазу мічений CH4 до CO2, іноді до метанолу і ацетату (M. barkeri) у невеликих кількостях (до 0,3 % від об'єму утвореного ними за той же час метану)[17][18].

Багато сульфатредукторів можуть соокислювати невеликі кількості метану при анаеробному зростанні на інших субстратах. З них у цьому відношенні найцікавіші Archeoglobus, що мають частину ферментів метаногенезу і споріднені ANME-1. Проведені на них дослідження, проте, показали відсутність окиснення навіть слідових кількостей метану[18]. Слід враховувати, що в деяких роботах щодо сульфатредукторів окиснення метану може бути артефактом, викликаний недостатньою чистотою використаного метану, що містить чадний газ, який і окислювався бактеріями[19].

У будь-якому разі, метаноокиснювальна активність метаногенів і сульфатредукторів занадто низька, щоб пояснити за її допомогою ті об'єми окиснюваного метану, про які свідчили геохімічні дані.

Поширення і екологічне значення

Абсолютна більшість досліджень з цієї тематики виконано для донних морських і океанічних опадах, проте показано, що процес протікає і в ґрунті[12], рубці шлунку жуйних[20], прісноводих водоймах[14].

Метан є сильним парниковим газом з потенціалом теплопоглинання в 30 разів більше ніж у CO2. За різними оцінками від 30 до 90 % метану утворюється біогенним чином, в основному в донних осадах і у ґрунтах перезволожених ландшафтів. Анаеробне окиснення метану перешкоджає його емісії в атмосферу. Його масштаби оцінюються в 6-20 % від загальної кількості метану, що щорічно виділяється з океану в атмосферу, і припускається, що ці цифри будуть переглянуті у бік збільшення. Оцінок об'ємів анаеробного окиснення метану в наземних екосистемах доки не існує.

Історія вивчення

Перші геохімічні свідчення протікання окиснення метану в анаеробних умовах було отримано ще в 1970-і роки при вивченні профільного розподілу метану, сульфатів і сірководню у донних відкладеннях. Першими з біологів досліджували процес Зендер і Брок в 1979—1980 роках[1][17]. Вони висунули гіпотезу, що окиснення протікає в два етапи, причому перший з них є зворотним метаногенезом. Пізніше гіпотеза знайшла ряд підтверджень і зараз розглядається як загальновизнана.

На рубежі 1990-х і 2000-х почався новий етап у вивченні анаеробного окиснення метану з активним залученням молекулярних методів. Була встановлена таксономічна приналежність анаеробних метанотрофів, розпочато вивчення їхніх геномів і кодованих ними ферментів. У 2006 році отримані свідчення, що окиснення метану може бути зв'язане з відновленням не лише сульфатів, але і нітратів. Проте, організми, здатні рости у середовищі з метаном в ролі єдиного джерела вуглецю, досі не виділені, неясною залишається біохімія процесу.

Див. також

Примітки
  1. Zehnder A. J. B., Brock T. D. Anaerobic methane oxidation: occurence and ecology // Applied and Environmental Microbiology. 1980. — Vol. 39. — № 1. — P. 194—204. Викачати у форматі pdf
  2. Hinrichs K.U., Hayes J.M., Sylva S.P., Brewer P.G. DeLong E.F. Methane-consuming archaebacteria in marine sediments // Nature. — 29 квітня 1999. — № 398. — Р. 802—805.
  3. Boetius, A., K. Ravenschlag, C. J. Schubert, D. Rickert, F. Widdel, A. Gieseke, R. Amann, B. B. Jørgensen, U. Witte, and O. Pfannkuche. Microscopic identification of a microbial consortium apparently mediating anaerobic methane oxidation above marine gas hydrate // Nature. — 2000. — № 407. — Р. 623—626.
  4. Orphan V. J., House C. H., Hinrichs K.-U., McKeegan K. D., DeLong E. F. Methane-Consuming Archaea Revealed by Directly Coupled Isotopic and Phylogenetic Analysis // Science. — 2001. — Vol. 293. — P. 484—487.
  5. Hallam S. J., Putnam N., Preston C. M., Detter J. C., Rokhsar D., Richardson P. M., DeLong E. F. Reverse Methanogenesis: Testing the Hypothesis with Environmental Genomics // Science. — 2004. — Vol. 305. — P. 1457—1462.
  6. Hoehler T. M., Alperin M. J. Anaerobic methane oxidation by a methangen-sulfate reducer consortium: geochemical evidence and biochemical considerations // M. E. Lidstrom, and F. R. Tabita (ed.). Microbial growth on C1 compounds. — Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, The Netherlands. — 1996.
  7. Valentine D. L., Reeburgh W. S. New perspectives on anaerobic methane oxidation // Environ. Microbiol. — 2000. — № 2. — Р. 477—484.
  8. Nauhaus K., Boetius A., Kruger M., Widdel F. Іn vitro demonstration of anaerobic oxidation of methane coupled to sulphate reduction in sediment from a marine gas hydrate area // Environ. Microbiol. — 2002. — № 4. — Р. 296—305.
  9. Sorensen K.B., Finster K., Ramsing N.B. Thermodynamic and Kinetic Requirements in Anaerobic Methane Oxidizing Consortia Exclude Hydrogen, Acetate, and Methanol as Possible Electron Shuttles // Microb. Ecol. — 2001. — Vol. 42. — P. 1-10.
  10. Raghoebarsing A.A., Pol A., van de Pas — Schoonen K.T., Smolders A.J., Ettwig K.F., Rijpstra W.I., Schouten S., Damsté J.S., Op den Camp H.J., Jetten M.S., Strous M. A microbial consortium couples anaerobic methane oxidation to denitrification // Nature, 13 квітня 2006. — № 440. — Р. 918—921.
  11. Гальченко В. Ф. contents.php Метанотрофные бактерії[недоступне посилання з червня 2019]. — М.: ГЕОС, 2001.
  12. Kumaraswamy S., Ramakrishnan B., Sethunathan N. Methane Production and Oxidation in an Anoxic Rice Soil as Influenced by Inorganic Redox Species Архівовано 3 грудня 2008 у Wayback Machine. // J. Environmental Quality. — 2001. — Vol. 30. — P. 2195—2201.
  13. Alperin M. J., Reeburgh W. S. Inhibition experiments on anaerobic methane oxidation // Applied and Environmental Microbiology. — 1985. — Vol. 50. — № 4. — 1985. — P. 940—945.
  14. Eller G., Kanel L., Kruger M. Cooccurrence of Aerobic and Anaerobic Methane Oxidation in the Water Column of Lake Plubsee // Applied and Environmental Microbiology. — 2005. — Vol. 71. — № 12. — P. 8925-8928.
  15. Losekann T., Knittel K., Nadalig T., Fuchs B., Niemann H., Boetius A., Amann R. Diversity and Abundance of Aerobic and Anaerobic Methane Oxidizers at the Haakon Mosby Mud Volcano, Barents Sea // Applied and Environmental Microbiology. — 2007. — Vol. 73. — № 10. — P. 3348-3362.
  16. Orphan V.J., House C.H., Hinrichs K.-U., McKeegan K.D., DeLong E.F. Multiple archaeal groups mediate methane oxidation in anoxic cold seep sediments // PNAS. — 2002. — Vol. 99, No 11. — P. 7663-7668
  17. Zehnder A. J. B., Brock T. D. Methane formation and methane oxidation by methanogenic bacteria // J. Bacteriol. — 1979. — № 137. — С. 420—432. Викачати у форматі pdf
  18. Moran J. J., House C. H., Freeman K. H., Ferry J. G. Trace methane oxidation studied in several Euryarchaeota under diverse conditions // Archaea. — 2005. — Vol. 1. — P. 303—309.
  19. Harder J. Anaerobic methane oxidation by bacteria employing 14С-methane uncontaminated with 14С-carbon monooxide // Mar. Geol. — 1997. — № 137. — P. 13-23.
  20. Kajikawa H., Valdes C., Hillman K., Wallace R. J., Newbold C. J. Methane oxidation and its coupled electron-sink reactions in ruminal fluid // Letters in Applied Microbiology. — 2003. — Vol. 36. P. 354—357. Викачати у форматі pdf[недоступне посилання з лютого 2019]

Посилання
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.