Анаэробное окисление метана

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Анаэробное окисление метана — процесс окисления метана до углекислого газа, производимый некультивируемыми (англ. VBNC) археями групп ANME-1, ANME-2 и ANME-3, близкими к Methanosarcinales при отсутствии в среде молекулярного кислорода. Биохимия и распространённость процесса в природе изучены пока недостаточно.

Механизм процесса[править | править код]

Консорция микроорганизмов[править | править код]

Уже в первых работах, посвящённых процессу, было показано, что абиотически окисляется лишь 0,7-1,1 % всего окисляемого объёма метана. Также установлено, что ингибиторы метаногенеза 2-бромэтансульфоновая кислота и флуорацетат, а также ингибитор сульфатредукции молибдат угнетают и анаэробное окисление метана. При этом последний более чувствителен к 2-бромэтансульфоновой кислоте, чем сам метаногенез, из-за чего при небольших концентрациях кислоты она даже оказывает кажущийся стимулирующий эффект на образование метана (на самом деле прекращая его окисление).

Из этого было сделано заключение о протекании анаэробного окисления метана в два этапа, осуществляемых разными организмами. Первый — окисление метана водой, осуществляемое ферментами метаногенеза, катализирующими обратные реакции. Второй — дальнейшее окисление продуктов первого этапа, с использованием сульфидов в качестве акцептора электрона.[1]

Ингибитором анаэробного окисления метана также является кислород: в образцах донных осадков, где отсутствуют аэробные метанотрофы, при проветривании прекращается всякое окисление метана. Лишь с исчерпанием кислорода в среде оно начинает восстанавливаться.

Благодаря тому что в холодных сипах метан обеднён 13C, вещества, синтезированные из него, также обеднены этим изотопом. Были изучены бедные 13C липиды и нуклеиновые кислоты, выделенные из донных отложений, и проведены исследования в области геносистематики потребляющих метан в анаэробных условиях организмов. Было показано, что среди них действительно есть родственные метаногенам порядка Methanosarcinales археи, отнесённые к группам ANME-1 и ANME-2, и эубактерии-сульфатредукторы[2]. Впоследствии с использованием метода FISH удалось увидеть клетки этих организмов[3][4]. Они образовывали компактные конгломераты, состоящие в среднем из 100 архей и 200 эубактерий и имеющие диаметр около 3 мкм.

Помимо тесного родства архей ANME метаногенам, доводом в пользу проведения ими обратного метаногенеза стало обнаружение у них генов метил-CoM-редуктазы (mcrA) и ещё ряда ферментов образования метана[5].

Проблема межвидового интермедиата[править | править код]

На каких продуктах реакции обратного метаногенеза завершаются неизвестно. Видимо часть их превращается в ацетил-КоА и ассимилируется организмом, о чём свидетельствует включение изотопа 13C в состав микробных биомаркеров. Другая часть поступает во внешнюю среду и усваивается сульфатредукторами, используясь ими затем также в процессах и анаболизма, и катаболизма. Какое соединение выступает в роли межвидового интермедиата неизвестно. На его роль предлагались молекулярный водород[6][7], уксусная кислота[7], метанол, муравьиная кислота, НАД и ФАД[8]. Ни для одного из этих веществ пока не было получено экспериментальных доказательств участия в процессе. Кроме того, термодинамические расчёты свидетельствуют, что водород, ацетат и метанол межвидовыми интермедиатами являться не могут[9].

Окисление метана с использованием иных акцепторов электронов[править | править код]

Показана возможность анаэробного окисления метана с одновременным восстановлением нитрата до аммония археями из группы ANME-2d. На данный момент изучение таких микроорганизмов возможно при культивировании в ферментерах. Как правило, их не удается выделить в чистые культуры. Наибольшая концентрация клеток архей в таких накопительных культурах достигает около 80%. Одним из наиболее изученных представителей является Ca. Methanoperedens nitroreducens. Именно для этого микроорганизма было показано анаэробное окисление метана, связанное с денитрификацией. Кроме того, в последние годы приводится все больше доказательств анаэробного окисления метана, связанного с восстановлением соединений металлов: Fe3+, Mn4+, Cr6+[10].

Показана возможность протекания анаэробного окисления метана с участием соединений азота[11]. Процесс в этом случае осуществляла консорция клеток ANME-2 и денитрификаторов, причём последние предпочитали нитрит нитратам. При удалении нитрита через 10-20 часов окисление метана возобновлялся уже с участием нитратов. Прямые наблюдения с помощью техники FISH показали, что соотношение в консорции бактерий и архей составило 8:1. Авторы считают, что это свидетельствует о более высоком энергетическом выходе по сравнению с сульфатами.

Для Fe3+ в нескольких работах утверждается неучастие в анаэробном окислении метана[12], хотя в других показан его стимулирующий эффект на поглощение метана в анаэробных условиях[13].

Возможность анаэробного окисления метана одним организмом[править | править код]

Существует гипотеза наличия одного организма, проводящего процесс от начала до конца по совершенно особому механизму. В её пользу говорят данные, что в некоторых субстратах ни один из ингибиторов метаногенов и сульфатредукторов не подавляет анаэробного окисления метана[14].

Были обнаружены клетки ANME-2, а затем ANME-1 и ANME-3, физически не связанные с сульфатредукторами, свободноживущие, образующие микроколонии, либо конгломераты клеток с эубактериями, не являющимися сульфатредукторами[4][15][16]. Эти организмы теоретически могли бы проводить окисление метана самостоятельно, без участия эубактериального партнёра[17].

Было обнаружено окисление метана чистыми культурами при анаэробном росте. Метаногены, строгие анаэробы, в особенности такие как Methanobacterium thermoautotrophicum, Methanosarcina barkeri, Methanosarcina acetivorans и Methanospirillum hungatii, способны при росте на обычных средах для культивирования метаногенов, окислять введённый в газовую фазу меченый CH4 до CO2, иногда до метанола и ацетата (M. barkeri) в небольших количествах (до 0,3 % от объёма образованного ими за то же время метана)[18][19].

Многие сульфатредукторы могут соокислять небольшое количества метана при анаэробном росте на других субстратах. Из них в данном отношении наиболее интересны Archeoglobus, имеющие часть ферментов метаногенеза и родственные ANME-1. Проведённые на них исследования, однако, показали отсутствие окисления даже следовых количеств метана[19]. Следует учитывать, что в некоторых работах по сульфатредукторам окисление метана может представлять собой артефакт, вызванный недостаточной чистотой использованного метана, содержащего угарный газ, который и окислялся бактериями[20].

В любом случае, метанокисляющая активность метаногенов и сульфатредукторов слишком низка, чтобы объяснить с её помощью те объёмы окисляемого метана, о которых свидетельствовали геохимические данные.

Распространение и экологическое значение[править | править код]

Абсолютное большинство исследований по данной тематике выполнено для донных морских и океанических осадков, однако показано, что процесс протекает и в почве[13], рубце желудка жвачных[21], пресноводных водоёмах[15].

Метан является сильным парниковым газом с потенциалом теплопоглощения в 30 раз больше чем у CO2. По разным оценкам от 30 до 90 % метана образуется биогенно, в основном в донных осадках и почвах переувлажнённых ландшафтов. Анаэробное окисление метана препятствует его эмиссии в атмосферу. Его масштабы оцениваются в 6-20 % от общего количества ежегодно выделяющегося из океана в атмосферу метана, и предполагается, что эти цифры будут пересмотрены в сторону увеличения. Оценок объёмов анаэробного окисления метана в наземных экосистемах пока не существует.

История изучения[править | править код]

Первые геохимические свидетельства протекания окисления метана в анаэробных условиях были получены ещё в 1970-е годы при изучении профильного распределения метана, сульфатов и сероводорода в донных отложениях. Первыми из биологов исследовали процесс Зендер и Брок в 19791980 годах[1][18]. Ими была выдвинута гипотеза, что окисление протекает в два этапа, причём первый из них представляет собой обратный метаногенез. Позже гипотеза нашла ряд подтверждений и сейчас рассматривается как общепризнанная.

На рубеже 1990-х и 2000-х годов начался новый этап в изучении анаэробного окисления метана с активным привлечением молекулярных методов. Была установлена таксономическая принадлежность анаэробных метанотрофов, начато изучение их генома и кодируемых им ферментов. В 2006 году получены свидетельства, что окисление метана может быть сопряжено с восстановлением не только сульфатов, но и нитратов. Тем не менее, организмы, способные расти в среде с метаном в роли единственного источника углерода, до сих пор не выделены, неясной остаётся биохимия процесса.

См. также[править | править код]

Примечания[править | править код]

  1. 1 2 Zehnder A. J. B., Brock T. D. Anaerobic methane oxidation: occurence and ecology // Applied and Environmental Microbiology, vol. 39, № 1, 1980. Стр. 194—204. Скачать в формате 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 апреля 1999, № 398. Стр. 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. Стр 623—626.
  4. 1 2 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. In M. E. Lidstrom, and F. R. Tabita (ed.), Microbial growth on C1 compounds. Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, The Netherlands. 1996.
  7. 1 2 Valentine D. L., Reeburgh W. S New perspectives on anaerobic methane oxidation // Environ. Microbiol. 2000, № 2. Стр. 477—484.
  8. Nauhaus K., Boetius A., Kruger M., Widdel F. in vitro demonstration of anaerobic oxidation of methane coupled to sulphate reduction in sediment from a marine gas hydrate area // Environ. Microbiol. 2002, № 4. Стр. 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. Oluwatobi E. Oni, Michael W. Friedrich. Metal Oxide Reduction Linked to Anaerobic Methane Oxidation // Trends in Microbiology. — 2017-02. — Т. 25, вып. 2. — С. 88–90. — ISSN 0966-842X. — doi:10.1016/j.tim.2016.12.001.
  11. 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 апреля 2006, № 440. Стр. 918—921.
  12. Гальченко В. Ф. Метанотрофные бактерии Архивная копия от 22 июня 2008 на Wayback Machine. М.: ГЕОС, 2001.
  13. 1 2 Kumaraswamy S., Ramakrishnan B., Sethunathan N. Methane Production and Oxidation in an Anoxic Rice Soil as Influenced by Inorganic Redox Species Архивировано 3 декабря 2008 года. // Journal of Environmental Quality, 2001. Vol. 30. P. 2195—2201.
  14. Alperin M. J., Reeburgh W. S. Inhibition experiments on anaerobic methane oxidation // Applied and Environmental Microbiology, vol. 50, № 4, 1985. Стр. 940—945.
  15. 1 2 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.
  16. 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.
  17. 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
  18. 1 2 Zehnder A. J. B., Brock T. D. Methane formation and methane oxidation by methanogenic bacteria // J. Bacteriol, 1979, № 137. Стр. 420—432. Скачать в формате pdf
  19. 1 2 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.
  20. Harder J. Anaerobic methane oxidation by bacteria employing 14C-methane uncontaminated with 14C-carbon monooxide // Mar. Geol. 1997. № 137. Стр. 13-23.
  21. 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, 354—357. Скачать в формате pdf (недоступная ссылка)

Ссылки[править | править код]