Метаногенез

редактировать

Метаногенез или biomethanation является образованием метана от микробов, известных как метаногены. Организмы, способные производить метан, были идентифицированы только из домена архей, группы филогенетически отличных как от эукариот, так и от бактерий, хотя многие из них живут в тесной ассоциации с анаэробными бактериями. Производство метана - важная и широко распространенная форма микробного метаболизма. В бескислородной среде это последний этап разложения биомассы. Метаногенез ответственен за значительные скопления природного газа, остальное является термогенным.

СОДЕРЖАНИЕ

  • 1 Биохимия
    • 1.1 Предлагаемый механизм
    • 1.2 Обратный метаногенез
    • 1.3 Важность углеродного цикла
  • 2 Естественное происхождение
    • 2.1 У жвачных животных
    • 2.2 У человека
    • 2.3 В растениях
    • 2.4 В почвах
    • 2.5 В земной коре
  • 3 Роль в глобальном потеплении
  • 4 Внеземная жизнь
  • 5 См. Также
  • 6 Ссылки

Биохимия

Цикл метаногенеза, показывающий промежуточные продукты.

Метаногенез у микробов - это форма анаэробного дыхания. Метаногены не используют кислород для дыхания; фактически кислород подавляет рост метаногенов. Конечный акцептор электронов в метаногенезе - это не кислород, а углерод. Углерод может присутствовать в небольшом количестве органических соединений, все с низким молекулярным весом. Два наиболее описанных пути включают использование уксусной кислоты или неорганического диоксида углерода в качестве концевых акцепторов электронов:

СО 2 + 4 Н 2 → СН 4 + 2 Н 2 О
CH 3 COOH → CH 4 + CO 2

Во время анаэробного дыхания углеводов H 2 и ацетат образуются в соотношении 2: 1 или ниже, поэтому вклад H 2 составляет только ок. 33% в метаногенез, причем ацетат вносит большую долю. В некоторых случаях, например, в рубце, где ацетат в значительной степени всасывается в кровоток хозяина, вклад H 2 в метаногенез больше.

Однако, в зависимости от pH и температуры, в метаногенезе используется углерод из других небольших органических соединений, таких как муравьиная кислота (формиат), метанол, метиламины, тетраметиламмоний, диметилсульфид и метантиол. Катаболизм метильных соединений опосредуется метилтрансферазами с образованием метилкофермента М.

Предлагаемый механизм

Биохимия метаногенеза включает следующие коферменты и кофакторы: F420, кофермент B, кофермент M, метанофуран и метаноптерин.

Механизм превращения CH 3Связь –S с метаном включает тройной комплекс метилкофермента M и кофермента B, который входит в канал, оканчивающийся аксиальным сайтом на никеле кофактора F430. Один из предложенных механизмов предполагает перенос электрона от Ni (I) (с образованием Ni (II)), который инициирует образование CH 4. Сочетание тиильного радикала кофермента M (RS .) С HS-коферментом B высвобождает протон и повторно восстанавливает Ni (II) с помощью одного электрона, регенерируя Ni (I).

Обратный метаногенез

Некоторые организмы могут окислять метан, функционально обращая процесс метаногенеза, также называемый анаэробным окислением метана (АОМ). Организмы, выполняющие АОМ, были обнаружены во многих морских и пресноводных средах, включая выходы метана, гидротермальные источники, прибрежные отложения и переходные зоны сульфат-метан. Эти организмы могут осуществлять обратный метаногенез с использованием никельсодержащего белка, подобного метил-коэнзим-М-редуктазе, используемой метаногенными археями. Обратный метаногенез происходит по реакции:

SO 4 2− + CH 4 → HCO 3 - + HS - + H 2 O

Важность углеродного цикла

Метаногенез - заключительный этап распада органического вещества. В процессе распада акцепторы электронов (например, кислород, трехвалентное железо, сульфат и нитрат ) истощаются, а водород (H 2) и диоксид углерода накапливаются. Также накапливаются легкие органические вещества, образующиеся при ферментации. На поздних стадиях органического распада все акцепторы электронов истощаются, за исключением двуокиси углерода. Углекислый газ является продуктом большинства катаболических процессов, поэтому он не истощается, как другие потенциальные акцепторы электронов.

Только метаногенез и ферментация могут происходить в отсутствие других акцепторов электронов, кроме углерода. Ферментация позволяет разрушать только более крупные органические соединения и производит небольшие органические соединения. Метаногенез эффективно удаляет полуфабрикаты продуктов распада: водород, мелкую органику и углекислый газ. Без метаногенеза большое количество углерода (в виде продуктов ферментации) накапливалось бы в анаэробной среде.

Естественное явление

У жвачных животных

Тестирование австралийских овец на выработку метана в выдыхаемом воздухе (2001 г.), CSIRO

Кишечная ферментация происходит в кишечнике некоторых животных, особенно жвачных. В рубце анаэробные организмы, в том числе метаногены, переваривают целлюлозу в формы, питательные для животного. Без этих микроорганизмов животные, такие как крупный рогатый скот, не смогли бы есть травы. Полезные продукты метаногенеза всасываются в кишечнике, но метан выделяется из организма животного в основном при отрыжке (отрыжке). Средняя корова выделяет около 250 литров метана в день. Таким образом, на долю жвачных животных приходится около 25% антропогенных выбросов метана. Один из методов контроля образования метана у жвачных - скармливание им 3-нитрооксипропанола.

В людях

У некоторых людей выделяются газы, содержащие метан. В одном исследовании фекалий девяти взрослых особей пять образцов содержали архей, способных производить метан. Аналогичные результаты были обнаружены в образцах газа, взятых из прямой кишки.

Даже среди людей, чьи газы содержат метан, его количество находится в диапазоне 10% или меньше от общего количества газа.

В растениях

Многие эксперименты показали, что ткани листьев живых растений выделяют метан. Другое исследование показало, что станции фактически не производят метан; они просто поглощают метан из почвы, а затем выделяют его через ткани своих листьев.

В почвах

Метаногены наблюдаются в бескислородной почвенной среде, способствуя разложению органических веществ. Это органическое вещество может быть помещено людьми через свалки, захоронено в виде осадка на дне озер или океанов в виде отложений или в виде остаточного органического вещества из отложений, которые сформировались в осадочные породы.

В земной коре

Метаногены составляют заметную часть микробных сообществ континентальной и морской глубинной биосферы.

Роль в глобальном потеплении

Атмосферный метан является важным парниковым газом с потенциалом глобального потепления, в 25 раз превышающим углекислый газ (в среднем за 100 лет), и, таким образом, метаногенез в животноводстве и разложение органических материалов вносят значительный вклад в глобальное потепление. Он может не вносить чистый вклад в том смысле, что он работает с органическим материалом, который израсходовал атмосферный углекислый газ при его создании, но его общий эффект заключается в преобразовании углекислого газа в метан, который является гораздо более сильным парниковым газом.

Метаногенез также можно выгодно использовать для обработки органических отходов, для производства полезных соединений, а метан можно собирать и использовать в качестве биогаза, топлива. Это основной путь разложения большей части органических веществ, выбрасываемых на свалки.

Внеземная жизнь

Смотрите также: Метан § Внеземной метан

Присутствие атмосферного метана играет важную роль в научных поисках внеземной жизни. Оправданием является то, что метан в атмосфере в конечном итоге рассеется, если что-то не восполняет его. Если метан обнаружен (например, с помощью спектрометра ), это может указывать на то, что жизнь присутствует или недавно была. Это обсуждалось, когда метан был обнаружен в марсианской атмосфере М. Дж. Муммой из Центра полетов Годдарда НАСА и подтвержден орбитальным аппаратом Mars Express (2004 г.), а в атмосфере Титана - зондом Гюйгенс (2005 г.). Эта дискуссия была продолжена после открытия марсоходом Curiosity «кратковременных» «всплесков метана» на Марсе.

Также утверждается, что атмосферный метан может поступать из вулканов или других трещин в земной коре и что без изотопной сигнатуры его происхождение или источник может быть трудно идентифицировать.

13 апреля 2017 года НАСА подтвердило, что во время погружения космического корабля « Кассини» 28 октября 2015 года был обнаружен шлейф Энцелада, в котором есть все ингредиенты, которыми могут питаться формы жизни, основанные на метаногенезе. Предыдущие результаты, опубликованные в марте 2015 года, предполагали, что горячая вода взаимодействует с камнями под водой; новые данные подтверждают этот вывод и добавляют, что порода, похоже, вступает в химическую реакцию. Из этих наблюдений ученые определили, что почти 98 процентов газа в шлейфе - это вода, около 1 процента - водород, а остальное - смесь других молекул, включая диоксид углерода, метан и аммиак.

Смотрите также

использованная литература

Последняя правка сделана 2024-01-02 08:38:25
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте