Metaanin anaerobinen hapetus on prosessi, jossa metaani hapettuu hiilidioksidiksi , jota tuottavat viljelemättömät ( eng. VBNC ) arkearyhmät ANME -1 , ANME-2 ja ANME-3 , lähellä Methanosarcinales ilman molekyylihappea ympäristössä. . Prosessin biokemiaa ja esiintyvyyttä luonnossa ei ole vielä tutkittu tarpeeksi.
Jo ensimmäisissä prosessille omistetuissa töissä osoitettiin, että vain 0,7-1,1 % metaanin hapettuneesta kokonaistilavuudesta on abioottisesti hapettunutta. Havaittiin myös, että metanogeneesin estäjät 2-bromietaanisulfonihappo ja fluoriasetaatti sekä sulfaatin pelkistyksen estäjä molybdaatti estävät myös anaerobista metaanin hapettumista. Lisäksi jälkimmäinen on herkempi 2-bromietaanisulfonihapolle kuin itse metanogeneesi, minkä vuoksi sillä on alhaisilla happopitoisuuksilla jopa ilmeinen stimuloiva vaikutus metaanin muodostumiseen (itse asiassa pysäyttäen sen hapettumisen).
Tästä pääteltiin, että metaanin anaerobinen hapetus tapahtuu kahdessa vaiheessa eri organismien suorittamina. Ensimmäinen on metaanin hapetus vedellä, jonka suorittavat metanogeneesientsyymit, jotka katalysoivat käänteisiä reaktioita. Toinen on ensimmäisen vaiheen tuotteiden lisähapetus käyttämällä sulfideja elektronin vastaanottajana. [yksi]
Happi on myös anaerobisen metaanin hapettumisen estäjä: pohjasedimenttinäytteissä , joissa aerobisia metanotrofeja ei ole , metaanin hapettuminen pysähtyy, kun sitä tuuletetaan. Vain ympäristön hapen loppuessa se alkaa toipua.
Koska metaani loppuu 13 C :ssa kylmätihkussa , myös siitä syntetisoidut aineet vähenevät tässä isotooppissa. 13C - pohjasedimentistä eristettyjä köyhiä lipidejä ja nukleiinihappoja tutkittiin ja tutkimuksia tehtiin metaania kuluttavien organismien geenisysteemitiikan alalla anaerobisissa olosuhteissa . Osoitettiin, että niiden joukossa on todellakin arkeeja, jotka liittyvät Methanosarcinales -lahkon metanogeeneihin , jotka on luokiteltu ryhmiin ANME-1 ja ANME-2 , sekä eubakteeri-sulfaattivähentäjiä [2] . Myöhemmin FISH -menetelmällä oli mahdollista nähdä näiden organismien solut [3] [4] . Ne muodostivat kompakteja konglomeraatteja, jotka koostuivat keskimäärin 100 arkeasta ja 200 eubakteerista ja joiden halkaisija oli noin 3 µm.
Sen lisäksi, että ANME-archaea on läheinen suhde metanogeeneihin, metyyli-CoM-reduktaasi ( mcrA ) -geenien ja useiden muiden metaania muodostavien entsyymien löytäminen niistä [5] oli argumentti käänteisen metanogeneesin suorittamisen puolesta .
Lajien välisen välitason ongelmaEi tiedetä, mitkä käänteisen metanogeneesireaktioiden tuotteet valmistuvat. Ilmeisesti jotkut niistä muuttuvat asetyyli-CoA :ksi ja assimiloituvat kehossa, mistä on osoituksena 13C - isotoopin sisällyttäminen mikrobibiomarkkerien koostumukseen. Toinen osa joutuu ulkoiseen ympäristöön ja imeytyy sulfaattipelkistysaineisiin, joita ne myös käyttävät sekä anabolismissa että katabolismissa prosesseissa . Mikä yhdiste toimii lajienvälisenä välituotteena , ei ole tiedossa. Sen rooliksi ehdotettiin molekyylivetyä [6] [7] , etikkahappoa [7] , metanolia , muurahaishappoa , NAD : ta ja FAD :a [8] . Mikään näistä aineista ei ole vielä saanut kokeellista näyttöä osallistumisesta prosessiin. Lisäksi termodynaamiset laskelmat osoittavat, että vety, asetaatti ja metanoli eivät voi olla lajienvälisiä välituotteita [9] .
Metaanin hapetus käyttämällä muita elektronin vastaanottajiaOn osoitettu, että ANME-2d-ryhmän arkeat voivat hapettaa metaania anaerobisesti ja pelkistää samanaikaisesti nitraatin ammoniumiksi. Tällä hetkellä tällaisten mikro-organismien tutkiminen on mahdollista fermentoreissa viljelyssä. Niitä ei yleensä voida eristää puhtaiksi kulttuureiksi. Suurin arkeaalisten solujen pitoisuus tällaisissa rikastusviljelmissä on noin 80 %. Yksi tutkituimmista edustajista on Ca. Methanoperedens nitroreducens. Juuri tälle mikro-organismille osoitettiin denitrifikaatioon liittyvä anaerobinen metaanihapetus. Lisäksi viime vuosina on ollut yhä enemmän todisteita anaerobisesta metaanin hapettumisesta, joka liittyy metalliyhdisteiden pelkistymiseen: Fe 3+ , Mn 4+ , Cr 6+ [10] .
Mahdollisuus anaerobiseen metaanin hapettumiseen typpiyhdisteiden mukana on osoitettu [11] . Tässä tapauksessa prosessin suoritti ANME-2-solujen ja denitrifioijien konsortio , joista jälkimmäinen suosi nitriittiä nitraatin sijaan . Kun nitriitti poistettiin 10–20 tunnin kuluttua, metaanin hapettuminen jatkui nitraattien mukana. Suorat havainnot FISH-tekniikalla osoittivat, että bakteerien ja arkkien konsortiossa suhde oli 8:1. Kirjoittajat uskovat, että tämä osoittaa suurempaa energian saantoa verrattuna sulfaatteihin.
Fe 3+ : n osalta useat tutkimukset väittävät, että metaani ei osallistu anaerobiseen hapettumiseen [12] , vaikka toiset osoittavat sen stimuloivan vaikutuksen metaanin ottoa anaerobisissa olosuhteissa [13] .
On olemassa hypoteesi yhden organismin läsnäolosta, joka suorittaa prosessin alusta loppuun täysin erityisellä mekanismilla. Sitä tukevat tiedot, että joissakin substraateissa mikään metanogeenien ja sulfaattipelkistysaineiden estäjistä ei tukahduta anaerobista metaanin hapettumista [14] .
Solut ANME-2 ja sitten ANME-1 ja ANME-3 löydettiin, jotka eivät liity fyysisesti sulfaatin pelkistäjiin, vapaasti eläviin, muodostaviin mikropesäkkeisiin tai solukonglomeraatteihin eubakteerien kanssa, jotka eivät ole sulfaatin pelkistäjiä [4] [15] [16] . Nämä organismit voisivat teoriassa suorittaa metaanin hapettamisen itse ilman eubakteeripartnerin osallistumista [17] .
Todettiin, että puhdasviljelmät hapettivat metaania anaerobisen kasvun aikana. Metanogeenit , tiukat anaerobit , erityisesti Methanobacterium thermoautotrophicum , Methanosarcina barkeri , Methanosarcina acetivorans ja Methanospirillum hungatii , pystyvät hapettamaan kaasufaasiin joutuneen leimatun CH4:n CO2 : ksi , joskus metanoliksi ja asetaatiksi ( M ) pieninä määrinä barkeriupiksi (M ). % metaanin tilavuudesta ne muodostuivat samana aikana) [18] [19] .
Monet sulfaatin pelkistimet voivat yhdessä hapettaa pieniä määriä metaania, kun niitä kasvatetaan anaerobisesti muilla substraateilla. Näistä mielenkiintoisimpia tässä suhteessa ovat Archeoglobus , joissa on joitain metanogeneesin entsyymejä ja jotka liittyvät ANME-1:een. Niillä tehdyt tutkimukset osoittivat kuitenkin, ettei edes pienten metaanimäärien hapettumista [19] . On otettava huomioon, että joissakin sulfaattipelkistysaineissa metaanin hapettumisen voi aiheuttaa käytetyn metaania sisältävän hiilimonoksidin riittämättömän puhtauden aiheuttama bakteerien hapettama [20] .
Joka tapauksessa metanogeenien ja sulfaattipelkistysaineiden metaania hapettava aktiivisuus on liian alhainen selittämään sen avulla niitä hapettuvan metaanin määriä, jotka geokemialliset tiedot osoittavat.
Suurin osa tätä aihetta koskevista tutkimuksista on tehty meren ja valtameren pohjasedimenteille, mutta on kuitenkin osoitettu, että prosessia esiintyy myös maaperässä [13] , märehtijöiden mahan pötsissä [21] , makean veden säiliöissä [15 ]. ] .
Metaani on vahva kasvihuonekaasu , jonka jäähdytysnielupotentiaali on 30 kertaa suurempi kuin CO 2 . Eri arvioiden mukaan 30–90 % metaanista muodostuu biogeenisesti, pääasiassa pohjasedimentteissä ja vesistöjen maisemien maaperissä. Metaanin anaerobinen hapetus estää sen pääsyn ilmakehään. Sen laajuuden arvioidaan olevan 6-20 % valtamerestä ilmakehään vuosittain vapautuvan metaanin kokonaismäärästä, ja näitä lukuja oletetaan tarkistavan ylöspäin. Arvioita anaerobisen metaanin hapettumisen määristä maan ekosysteemeissä ei ole vielä olemassa.
Ensimmäiset geokemialliset todisteet metaanin hapettumisesta anaerobisissa olosuhteissa saatiin jo 1970-luvulla , kun tutkittiin metaanin, sulfaattien ja rikkivedyn profiilijakaumaa pohjasedimentissä. Ensimmäiset biologit, jotka tutkivat prosessia, olivat Zender ja Brock vuosina 1979-1980 [1] [18] . He olettivat, että hapettuminen etenee kahdessa vaiheessa, joista ensimmäinen on käänteinen metanogeneesi . Myöhemmin hypoteesi sai useita vahvistuksia, ja nyt sitä pidetään yleisesti hyväksyttynä.
1990- ja 2000 -luvun vaihteessa alkoi uusi vaihe anaerobisen metaanin hapettumisen tutkimuksessa aktiivisella molekyylimenetelmillä. Anaerobisten metanotrofien taksonominen kuuluvuus selvitettiin ja niiden genomin ja koodattujen entsyymien tutkiminen aloitettiin. Vuonna 2006 saatiin todisteita siitä, että metaanin hapettuminen voi liittyä paitsi sulfaattien myös nitraattien pelkistymiseen . Organismeja, jotka pystyvät kasvamaan ympäristössä, jossa metaani on ainoa hiilenlähde, ei ole kuitenkaan vielä eristetty, ja prosessin biokemia on edelleen epäselvä.