Oxidarea anaerobă a metanului este procesul de oxidare a metanului la dioxid de carbon , produs de grupele de arhee necultivate ( ing. VBNC ) ANME -1 , ANME-2 și ANME-3 , apropiate de Methanosarcinales în absența oxigenului molecular din mediu . Biochimia și prevalența procesului în natură nu au fost încă studiate suficient.
Deja în primele lucrări dedicate procesului, s-a arătat că doar 0,7-1,1% din volumul total oxidat de metan este oxidat abiotic. De asemenea, sa constatat că inhibitorii de metanogeneză acidul 2-brometansulfonic și fluoracetatul , precum și molibdatul inhibitor de reducere a sulfatului, inhibă, de asemenea, oxidarea anaerobă a metanului. Mai mult, acesta din urmă este mai sensibil la acidul 2-brometansulfonic decât metanogeneza în sine, datorită căreia, la concentrații scăzute de acid, are chiar un aparent efect stimulator asupra formării metanului (de fapt, oprirea oxidării acestuia).
Din aceasta, s-a concluzionat că oxidarea anaerobă a metanului are loc în două etape efectuate de organisme diferite. Prima este oxidarea metanului cu apă, care este efectuată de enzimele de metanogeneză care catalizează reacțiile inverse. Al doilea este oxidarea în continuare a produselor din prima etapă, folosind sulfuri ca acceptor de electroni. [unu]
Oxigenul este, de asemenea, un inhibitor al oxidării anaerobe a metanului: în probele de sedimente de fund , unde metanotrofele aerobe sunt absente , orice oxidare a metanului se oprește atunci când este aerisită. Abia odată cu epuizarea oxigenului din mediu, începe să-și revină.
Datorită faptului că metanul este epuizat la 13 C în scurgerile reci , substanțele sintetizate din acesta sunt, de asemenea, sărăcite în acest izotop. 13C - lipidele sărace și acizii nucleici izolați din sedimentele de fund au fost studiate și au fost efectuate studii în domeniul sistematicii genice a organismelor consumatoare de metan în condiții anaerobe. S-a demonstrat că printre aceștia există într-adevăr arhei înrudite cu metanogene din ordinul Methanosarcinales , atribuite grupelor ANME-1 și ANME-2 , și reductori de eubacterii-sulfați [2] . Ulterior, folosind metoda FISH , s-au putut vedea celulele acestor organisme [3] [4] . Au format conglomerate compacte, constând în medie din 100 de arhei și 200 de eubacterii și având un diametru de aproximativ 3 µm.
Pe lângă relația strânsă dintre arheile ANME și metanogene, descoperirea în ele a genelor metil-CoM reductază ( mcrA ) și a unui număr de alte enzime care formează metan [5] a fost un argument în favoarea efectuării metanogenezei inverse .
Problema interspeciilor intermediareCe produse ale reacțiilor de metanogeneză inversă sunt finalizate nu sunt cunoscute. Aparent, unele dintre ele sunt transformate în acetil-CoA și asimilate de organism, dovadă fiind includerea izotopului 13 C în compoziția biomarkerilor microbieni. Cealaltă parte intră în mediul extern și este absorbită de reducătorii de sulfat, care sunt apoi utilizați și de aceștia în procesele atât de anabolism , cât și de catabolism . Ce compus acționează ca intermediar între specii este necunoscut. Pentru rolul său au fost propuse hidrogenul molecular [6] [7] , acidul acetic [7] , metanolul , acidul formic , NAD și FAD [8] . Niciuna dintre aceste substanțe nu a primit încă dovezi experimentale de participare la proces. În plus, calculele termodinamice indică faptul că hidrogenul, acetatul și metanolul nu pot fi intermediari între specii [9] .
Oxidarea metanului folosind alți acceptori de electroniS-a demonstrat posibilitatea oxidării anaerobe a metanului cu reducerea simultană a nitratului la amoniu de către arheile din grupul ANME-2d. În prezent, studiul unor astfel de microorganisme este posibil atunci când se cultivă în fermentatoare. De regulă, ele nu pot fi izolate în culturi pure. Cea mai mare concentrație de celule arheale în astfel de culturi de îmbogățire atinge aproximativ 80%. Unul dintre cei mai studiati reprezentanți este Ca. Methanoperedens nitroreducens. Pentru acest microorganism a fost demonstrată oxidarea anaerobă a metanului asociată cu denitrificarea. În plus, în ultimii ani au existat din ce în ce mai multe dovezi ale oxidării anaerobe a metanului asociate cu reducerea compușilor metalici: Fe 3+ , Mn 4+ , Cr 6+ [10] .
S-a demonstrat posibilitatea oxidării anaerobe a metanului cu participarea compușilor de azot [11] . Procesul în acest caz a fost realizat de un consorțiu de celule și denitrificatori ANME-2 , cei din urmă preferând nitritul în locul nitratului . Când nitritul a fost îndepărtat după 10-20 de ore, oxidarea metanului a reluat cu participarea nitraților. Observațiile directe folosind tehnica FISH au arătat că raportul în consorțiul de bacterii și arhee a fost de 8:1. Autorii cred că acest lucru indică un randament energetic mai mare în comparație cu sulfații.
Pentru Fe 3+ , mai multe studii afirmă că metanul nu participă la oxidarea anaerobă [12] , deși altele arată efectul său stimulator asupra absorbției metanului în condiții anaerobe [13] .
Există o ipoteză a prezenței unui organism care conduce procesul de la început până la sfârșit conform unui mecanism complet special. Este susținut de datele că în unele substraturi niciunul dintre inhibitorii metanogenilor și reducătorii de sulfat nu suprimă oxidarea anaerobă a metanului [14] .
S-au descoperit celule ANME-2, apoi ANME-1 și ANME-3 care nu sunt asociate fizic cu reducătorii de sulfat, care trăiesc liber, formând microcolonii sau conglomerate de celule cu eubacterii care nu sunt reducători de sulfat [4] [15] [16] . Aceste organisme ar putea, teoretic, să efectueze oxidarea metanului pe cont propriu, fără participarea unui partener eubacterian [17] .
S-a constatat oxidarea metanului de către culturi pure în timpul creșterii anaerobe. Metanogenii , anaerobii stricti , în special Methanobacterium thermoautotrophicum , Methanosarcina barkeri , Methanosarcina acetivorans și Methanospirillum hungatii , sunt capabili să oxideze CH4 marcat introdus în faza gazoasă în CO2 , uneori în metanol și acetat ( până la 0.03 ) în cantități mici. % din volumul de metan pe care l-au format în același timp) [18] [19] .
Mulți reductori de sulfați pot cooxida cantități mici de metan atunci când sunt cultivați anaerob pe alte substraturi. Dintre acestea, cele mai interesante în acest sens sunt Archeoglobus , care au unele dintre enzimele metanogenezei și sunt legate de ANME-1. Studiile efectuate asupra acestora au arătat însă absența oxidării chiar și în urme de metan [19] . Trebuie avut în vedere faptul că în unele lucrări de reducere a sulfatului, oxidarea metanului poate fi un artefact cauzat de puritatea insuficientă a metanului utilizat care conține monoxid de carbon , care a fost oxidat de bacterii [20] .
În orice caz, activitatea de oxidare a metanului a metanogenilor și reductorilor de sulfat este prea scăzută pentru a explica cu ajutorul ei acele volume de metan oxidabil, care au fost indicate de datele geochimice.
Marea majoritate a studiilor pe această temă au fost efectuate pentru sedimente marine și oceanice de fund, totuși, s-a demonstrat că procesul are loc și în sol [13] , rumenul stomacului rumegătoarelor [21] , rezervoare de apă dulce [15] ] .
Metanul este un gaz cu efect de seră puternic cu un potențial de radiator de 30 de ori mai mare decât cel al CO 2 . Potrivit diferitelor estimări, de la 30 la 90% din metan se formează biogen, în principal în sedimentele de fund și în solurile peisajelor îmbibate cu apă. Oxidarea anaerobă a metanului previne emisia acestuia în atmosferă. Scara sa este estimată la 6-20% din cantitatea totală de metan eliberată din ocean în atmosferă anual și se presupune că aceste cifre vor fi revizuite în sus. Estimări ale volumelor de oxidare anaerobă a metanului în ecosistemele terestre nu există încă.
Prima dovadă geochimică a oxidării metanului în condiții anaerobe a fost obținută în anii 1970, când s-a studiat distribuția profilului metanului, sulfaților și hidrogenului sulfurat în sedimentele de fund. Primii biologi care au studiat procesul au fost Zender și Brock în 1979-1980 [1] [18] . Ei au emis ipoteza că oxidarea are loc în două etape, prima dintre care este metanogeneza inversă . Mai târziu, ipoteza a găsit o serie de confirmări și este acum considerată ca general acceptată.
La începutul anilor 1990 și 2000, a început o nouă etapă în studiul oxidării anaerobe a metanului cu implicarea activă a metodelor moleculare. S- a stabilit afilierea taxonomică a metanotrofilor anaerobi și a început studiul genomului lor și al enzimelor codificate. În 2006, s-au obținut dovezi că oxidarea metanului poate fi asociată cu reducerea nu numai a sulfaților , ci și a nitraților . Cu toate acestea, organismele capabile să crească într-un mediu cu metanul ca unică sursă de carbon nu au fost încă izolate, iar biochimia procesului rămâne neclară.