Metanogen - Methanogen

Metanogeny to mikroorganizmy, które w warunkach niedotlenienia wytwarzają metan jako produkt uboczny metabolizmu . Są prokariotyczne i należą do domeny Archaea . Występują powszechnie na terenach podmokłych , gdzie odpowiadają za gaz bagienny , oraz w przewodzie pokarmowym zwierząt, takich jak przeżuwacze i wielu ludzi , gdzie odpowiadają za zawartość metanu w odbijaniu u przeżuwaczy i wzdęciach u ludzi. W osadach morskich biologiczna produkcja metanu, określana również jako metanogeneza , jest na ogół ograniczona do miejsc wyczerpania siarczanów , poniżej górnych warstw. Ponadto populacje archeonów metanogennych odgrywają nieodzowną rolę w beztlenowym oczyszczaniu ścieków. Inne to ekstremofile , występujące w środowiskach takich jak gorące źródła i podmorskie kominy hydrotermalne, a także w „stałych” skałach skorupy ziemskiej, kilka kilometrów pod powierzchnią.

Opis fizyczny

Metanogeny są kokoidami (w kształcie kuli) lub pałeczkami (w kształcie pręcika). Istnieje ponad 50 opisanych gatunków metanogenów, które nie tworzą grupy monofiletycznej (bo wyłoniły się z nich haloarchaea ), chociaż wszystkie znane metanogeny należą do Euryarchaeota . Są to głównie organizmy beztlenowe, które nie mogą funkcjonować w warunkach tlenowych, ale ostatnio zidentyfikowano gatunek ( Candidatus Metanothrix paradoxum ), który może funkcjonować w mikromiejscach beztlenowych w środowisku tlenowym. Są bardzo wrażliwe na obecność tlenu nawet w śladowych ilościach. Zazwyczaj nie mogą wytrzymać stresu tlenowego przez dłuższy czas. Jednak Methanosarcina barkeri jest wyjątkowa pod względem posiadania enzymu dysmutazy ponadtlenkowej (SOD) i może przetrwać dłużej niż inne w obecności O 2 . Niektóre metanogeny, zwane hydrogenotroficznymi , wykorzystują dwutlenek węgla (CO 2 ) jako źródło węgla, a wodór jako środek redukujący .

Redukcję dwutlenku węgla do metanu w obecności wodoru można wyrazić następująco:

CO 2 + 4 H 2 → CH 4 + 2 H 2 O

Część CO 2 reaguje z wodorem, tworząc metan, który tworzy gradient elektrochemiczny przez błonę komórkową, wykorzystywany do generowania ATP poprzez chemiosmozę . Natomiast rośliny i glony wykorzystują wodę jako swój reduktor .

Metanogenów brak peptydoglikanu polimer, który znajduje się w ścianach komórkowych z bakterii , ale nie w tych, archeowce. Niektóre metanogeny mają ścianę komórkową złożoną z pseudopeptydoglikanu . Inne metanogeny nie mają, ale mają co najmniej jedną matrycę parakrystaliczną (warstwę S) złożoną z białek, które pasują do siebie jak puzzle .

Ekstremalne obszary mieszkalne

Metanogeny odgrywają istotną rolę ekologiczną w środowiskach beztlenowych, usuwając nadmiar wodoru i produkty fermentacji, które zostały wytworzone przez inne formy oddychania beztlenowego . Metanogenów zazwyczaj rozwijają się w warunkach, w których wszystkie elektronów akceptorów innych niż CO 2 (takie jak tlen , azotan żelazowy żelaza (Fe (III)), i siarczan ) zostały wyczerpane. W głębokich skałach bazaltowych w pobliżu grzbietów śródoceanicznych mogą pozyskiwać wodór z reakcji serpentynizacji oliwinu, co zaobserwowano w polu hydrotermalnym Lost City .

Inne możliwe źródła wodoru to rozkład termiczny wody i radioliza wody .

Metanogeny są kluczowymi czynnikami remineralizacji węgla organicznego w osadach brzegowych kontynentalnych i innych osadach wodnych o wysokim tempie sedymentacji i dużej zawartości materii organicznej w osadach. W odpowiednich warunkach ciśnienia i temperatury biogenny metan może gromadzić się w ogromnych złożach klatratów metanowych , które stanowią znaczną część węgla organicznego w osadach kontynentalnych i stanowią kluczowy rezerwuar silnego gazu cieplarnianego.

Metanogeny zostały znalezione w kilku ekstremalnych środowiskach na Ziemi – zakopane pod kilometrami lodu na Grenlandii i żyjące w gorącej, suchej glebie pustynnej. Wiadomo, że są najczęstszymi archebakteriami w głęboko podziemnych siedliskach. Żywe drobnoustroje wytwarzające metan zostały znalezione w próbce rdzenia lodowca pobranego z około trzech kilometrów pod Grenlandią przez naukowców z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley . Odkryli również stały metabolizm zdolny do naprawy uszkodzeń makromolekularnych w temperaturach od 145 do –40 °C.

W innym badaniu odkryto również metanogeny w trudnym środowisku na Ziemi. Naukowcy przebadali dziesiątki próbek gleby i oparów z pięciu różnych środowisk pustynnych w Utah , Idaho i Kalifornii w Stanach Zjednoczonych oraz w Kanadzie i Chile . Spośród nich pięć próbek gleby i trzy próbki oparów z okolic Stacji Badawczej Mars Desert w Utah wykazywały oznaki istnienia zdolnych do życia metanogenów.

Niektórzy naukowcy sugerowali, że obecność metanu w marsjańskiej atmosferze może wskazywać na obecność rodzimych metanogenów na tej planecie. W czerwcu 2019 r. łazik Curiosity NASA wykrył metan, zwykle wytwarzany przez podziemne mikroby, takie jak metanogeny, który sygnalizuje możliwość życia na Marsie .

Blisko spokrewnione z metanogenami są beztlenowe utleniacze metanu, które wykorzystują metan jako substrat w połączeniu z redukcją siarczanów i azotanów. Większość metanogenów jest producentami autotroficznymi , ale te, które utleniają CH 3 COO są klasyfikowane jako chemotrofy .

Genomika porównawcza i sygnatury molekularne

Porównawcza analiza proteomiczna doprowadziła do identyfikacji 31 ​​białek sygnaturowych, które są specyficzne dla metanogenów (znanych również jako Methanoarchaeota ). Większość z tych białek jest związana z metanogenezą i mogą służyć jako potencjalne markery molekularne dla metanogenów. Dodatkowo 10 białek występujących we wszystkich metanogenach, które są wspólne dla Archaeoglobus , sugeruje, że te dwie grupy są ze sobą spokrewnione. W drzewach filogenetycznych metanogeny nie są monofiletyczne i generalnie dzielą się na trzy klady. W związku z tym unikalna wspólna obecność dużej liczby białek przez wszystkie metanogeny może być spowodowana bocznymi transferami genów. Ponadto nowsze nowe białka związane z handlem siarczkami powiązano z archeonami metanogenowymi. Potrzebna jest dalsza analiza proteomiczna, aby dalej różnicować określone rodzaje w obrębie klasy metanogenów i odkryć nowe szlaki metabolizmu metanogenów.

Nowoczesne metody sekwencjonowania DNA lub RNA pozwoliły na wyjaśnienie kilku markerów genomowych specyficznych dla kilku grup metanogenów. Jedno z takich odkryć wyizolowało dziewięć metanogenów z rodzaju Methanoculleus i wykazało, że we wszystkich dziewięciu genomach znaleziono co najmniej 2 geny syntazy trehalozy. Do tej pory gen był obserwowany tylko w tym rodzaju, dlatego może służyć jako marker do identyfikacji archeonów Methanoculleus. W miarę postępu technik sekwencjonowania i zapełniania baz danych dużą ilością danych genomowych można zidentyfikować większą liczbę szczepów i cech, ale wiele rodzajów pozostaje niedostatecznie zbadanych. Na przykład halofilowe metanogeny są potencjalnie ważnymi drobnoustrojami dla obiegu węgla w przybrzeżnych ekosystemach podmokłych, ale wydają się być bardzo słabo zbadane. W jednej z ostatnich publikacji wyizolowano nowy szczep z rodzaju Methanohalophilus, który przebywa w wodzie morskiej bogatej w siarczki. Co ciekawe, wyizolowali kilka części genomu tego szczepu, które różnią się od innych izolowanych szczepów tego rodzaju (Methanohalophilus mahii, Methanohalophilus halophilus, Methanohalophilus portucalensis, Methanohalophilus euhalbius). Niektóre różnice obejmują wysoce konserwatywny genom, metabolizm siarki i glikogenu oraz odporność na wirusy. W wielu innych przypadkach zaobserwowano markery genomowe zgodne ze środowiskiem drobnoustrojów. Jedno z takich badań wykazało, że archeony produkujące metan znalezione w strefach szczelinowania hydraulicznego miały genomy, które zmieniały się wraz z głębokością pionową. Genomy podpowierzchniowe i powierzchniowe różniły się wraz z ograniczeniami stwierdzonymi w poszczególnych strefach głębokości, chociaż w tym badaniu stwierdzono również zróżnicowanie na małą skalę. Należy pamiętać, że markery genomowe wskazujące na czynniki istotne dla środowiska są często niewyłączne. Badanie termoplazm metanogennych wykryło te organizmy w przewodzie pokarmowym ludzi i zwierząt. Ten nowy gatunek znaleziono również w innych środowiskach metanogennych, takich jak gleby na terenach podmokłych, chociaż grupa izolowana na terenach podmokłych miała tendencję do posiadania większej liczby genów kodujących enzymy antyoksydacyjne, które nie były obecne w tej samej grupie izolowanej u ludzi i przewód pokarmowy zwierząt. Częstym problemem związanym z identyfikacją i odkrywaniem nowych gatunków metanogenów jest to, że czasami różnice genomowe mogą być dość małe, jednak grupa badawcza stwierdza, że ​​są one na tyle różne, że można je rozdzielić na poszczególne gatunki. W jednym z badań uwzględniono grupę Metanocellales i przeprowadzono porównawcze badanie genomiczne. Te trzy szczepy zostały pierwotnie uznane za identyczne, ale szczegółowe podejście do izolacji genomowej wykazało różnice między ich wcześniej uważanymi za identyczne genomy. Zaobserwowano różnice w liczbie kopii genów, a także różnorodność metaboliczną związaną z informacjami genomowymi.

Sygnatury genomowe pozwalają nie tylko oznaczyć unikalne metanogeny i geny istotne dla warunków środowiskowych; doprowadziło to również do lepszego zrozumienia ewolucji tych archeonów. Niektóre metanogeny muszą aktywnie łagodzić działanie środowisk tlenowych. Funkcjonalne geny zaangażowane w produkcję przeciwutleniaczy zostały znalezione w metanogenach, a niektóre specyficzne grupy mają tendencję do wzbogacania tej cechy genomowej. Metanogeny zawierające genom o wzbogaconych właściwościach przeciwutleniających mogą stanowić dowód, że to dodanie genomu mogło nastąpić podczas Wielkiego Zdarzenia Natleniania. W innym badaniu trzy szczepy z linii Thermoplasmatales wyizolowane z przewodu pokarmowego zwierząt wykazały różnice ewolucyjne. Eukariotyczny gen histonowy, który jest obecny w większości genomów metanogenów, nie był obecny, co wymykało się dowodom, że gałąź przodków została utracona w obrębie Thermoplasmatales i pokrewnych linii. Ponadto grupa Methanomassiliicoccus ma genom, który wydaje się utracić wiele wspólnych genów kodujących kilka pierwszych etapów metanogenezy. Wydaje się, że geny te zostały zastąpione genami kodującymi nowy szlak metogeniczny z metylacją. Ta ścieżka została zgłoszona w kilku typach środowisk, co wskazuje na ewolucję niespecyficzną dla środowiska i może wskazywać na odchylenie przodków.

Metabolizm

Produkcja metanu

Wiadomo, że metanogeny wytwarzają metan z substratów, takich jak H 2 / CO 2 , octan, mrówczan, metanol i metyloaminy w procesie zwanym metanogenezą . Różne reakcje metanogenne są katalizowane przez unikalne zestawy enzymów i koenzymów . Chociaż mechanizm reakcji i energetyka różnią się w zależności od reakcji, wszystkie te reakcje przyczyniają się do produkcji dodatniej energii netto poprzez tworzenie gradientów stężenia jonów, które są wykorzystywane do napędzania syntezy ATP. Ogólna reakcja metanogenezy H 2 /CO 2 jest następująca:

(∆G˚' = -134 kJ/mol CH 4 )

Dobrze zbadane organizmy wytwarzające metan poprzez metanogenezę H 2 / CO 2 obejmują Methanosarcina barkeri , Methanobacterium thermoautotrophicum i Metanobacterium wolfei . Organizmy te zwykle znajdują się w środowiskach beztlenowych.

W początkowej fazie H 2 / CO 2 metanogeneza, CO 2 wiąże się z methanofuran (MF) i redukuje się do formylo-MF. Ten endergonic Proces redukcyjnego (ΔG˚ "= + 16 kJ / mol) jest zależna od dostępności H 2 i jest katalizowana przez enzym dehydrogenazy formylo-MF.

Formylowy składnik formylo-MF jest następnie przenoszony do koenzymu tetrahydrometanopteryny (H4MPT) i katalizowany przez rozpuszczalny enzym znany jako transferaza formylowa . Powoduje to powstanie formylo-H4MPT.

Formyl-H4MPT jest następnie redukowany do metenylo-H4MPT. Metenylo-H4MPT następnie ulega jednoetapowej hydrolizie, a następnie dwuetapowej redukcji do metylo-H4MPT. Dwuetapowa odwracalna redukcja jest wspomagana przez koenzym F420, którego akceptor wodorkowy samorzutnie się utlenia. Gdy utleniany C 420 jest zasilanie elektronów uzupełniane przyjmując elektrony H 2 . Ten etap jest katalizowany przez dehydrogenazę metyleno-H4MPT.

(redukcja formyl-H4MPT)
(Hydroliza metenylo-H4MPT)
(redukcja H4MPT)

Następnie grupa metylowa metylo-M4MPT jest przenoszona do koenzymu M w reakcji katalizowanej metylotransferazą.

Ostatni etap metanogenu H 2 /CO 2 obejmuje reduktazę metylokoenzymu M i dwa koenzymy: fosforan N-7 merkaptoheptanoilotreoniny (HS-HTP) i koenzym F 430 . HS-HTP przekazuje elektrony metylokoenzymowi M, umożliwiając tworzenie metanu i mieszanego dwusiarczku HS-CoM. F 430 , z drugiej strony służy jako grupa prostetyczną do reduktazy. H 2 przekazuje elektrony mieszanemu dwusiarczkowi HS-CoM i regeneruje koenzym M.

(Tworzenie metanu)
(Regeneracja koenzymu M)

Oczyszczanie ścieków

Metanogeny są szeroko stosowane w beztlenowych fermentorach do oczyszczania ścieków, a także wodnych zanieczyszczeń organicznych. Przemysł wybrał metanogeny ze względu na ich zdolność do biometanacji podczas rozkładu ścieków, dzięki czemu proces ten jest zrównoważony i opłacalny.

Biorozkład w komorze beztlenowej polega na czteroetapowym współdziałaniu różnych mikroorganizmów. Pierwszym etapem jest hydroliza nierozpuszczalnej spolimeryzowanej materii organicznej przez bakterie beztlenowe, takie jak Streptococcus i Enterobacterium. W drugim etapie kwasy rozkładają rozpuszczone w ściekach zanieczyszczenia organiczne na kwasy tłuszczowe . W trzecim etapie acetogeny przekształcają kwasy tłuszczowe w octany . W końcowym etapie metanogeny metabolizują octany do gazowego metanu . Metan będący produktem ubocznym opuszcza warstwę wodną i służy jako źródło energii do napędzania przetwarzania ścieków w komorze fermentacyjnej, tworząc w ten sposób samowystarczalny mechanizm.

Metanogeny skutecznie zmniejszają również stężenie materii organicznej w spływach ścieków. Na przykład ścieki rolnicze , bardzo bogate w materiał organiczny, są główną przyczyną degradacji ekosystemów wodnych. Brak równowagi chemicznej może prowadzić do poważnych konsekwencji, takich jak eutrofizacja . Dzięki fermentacji beztlenowej oczyszczanie ścieków może zapobiec nieoczekiwanym zakwitom w systemach wodnych, a także zatrzymać metanogenezę w komorach fermentacyjnych. To przydziela biometan do produkcji energii i zapobiega uwalnianiu silnego gazu cieplarnianego, metanu, do atmosfery.

Składniki organiczne ścieków są bardzo zróżnicowane. Struktury chemiczne materii organicznej dobierają określone metanogeny do przeprowadzenia fermentacji beztlenowej. Przykładem jest to, że przedstawiciele rodzaju Methanosaeta dominują w fermentacji ścieków z olejarni palmowej (POME) i odpadów browarniczych. Modernizacja systemów oczyszczania ścieków w celu uwzględnienia większej różnorodności mikroorganizmów w celu zmniejszenia zawartości organicznej w oczyszczaniu jest przedmiotem aktywnych badań w dziedzinie inżynierii mikrobiologicznej i chemicznej. Obecne nowe generacje etapowych wielofazowych reaktorów beztlenowych oraz systemy reaktorów ze złożem osadu z przepływem górnym zostały zaprojektowane z myślą o innowacyjnych funkcjach przeciwdziałających obciążeniom wejściowym ścieków o wysokim obciążeniu, ekstremalnym warunkom temperaturowym i ewentualnym związkom hamującym.

Szczepy

Zobacz też

Bibliografia