Anaerobní oxidace metanu je proces oxidace metanu na oxid uhličitý , produkovaný nekultivovanými ( angl. VBNC ) archaea skupinami ANME-1 , ANME-2 a ANME-3 , blízkými Methanosarcinales za nepřítomnosti molekulárního kyslíku v prostředí. . Biochemie a prevalence tohoto procesu v přírodě ještě nebyly dostatečně prozkoumány.
Již v prvních pracích věnovaných procesu se ukázalo, že pouze 0,7-1,1 % z celkového oxidovaného objemu metanu je abioticky oxidováno. Bylo také zjištěno, že inhibitory methanogeneze kyselina 2-bromethansulfonová a fluoroacetát , stejně jako inhibitor redukce síranů molybdenan , také inhibují anaerobní oxidaci methanu. Ta je navíc citlivější na kyselinu 2-bromethansulfonovou než samotná methanogeneze, díky čemuž má při nízkých koncentracích kyseliny dokonce zjevný stimulační účinek na tvorbu methanu (ve skutečnosti zastavuje jeho oxidaci).
Z toho bylo vyvozeno, že anaerobní oxidace metanu probíhá ve dvou fázích prováděných různými organismy. První je oxidace metanu vodou, kterou provádějí enzymy metanogeneze, které katalyzují reverzní reakce. Druhým je další oxidace produktů prvního stupně za použití sulfidů jako akceptoru elektronů. [jeden]
Kyslík je také inhibitorem anaerobní oxidace metanu: ve vzorcích spodních sedimentů , kde chybí aerobní metanotrofy , se jakákoliv oxidace metanu zastaví, když se provětrá. Teprve s vyčerpáním kyslíku v prostředí se začne zotavovat.
Vzhledem k tomu, že metan se při studených průsacích ochuzuje o 13 C , jsou o tento izotop ochuzeny i látky z něj syntetizované. Byly studovány 13C - chudé lipidy a nukleové kyseliny izolované ze spodních sedimentů a byly provedeny studie v oblasti genové systematiky organismů spotřebovávajících metan v anaerobních podmínkách. Bylo prokázáno, že mezi nimi skutečně existují archaea příbuzné methanogenům řádu Methanosarcinales , zařazené do skupin ANME-1 a ANME-2 , a eubakterie-sulfátové reduktory [2] . Následně bylo pomocí metody FISH možné vidět buňky těchto organismů [3] [4] . Vytvářely kompaktní konglomeráty, skládající se v průměru ze 100 archaea a 200 eubakterií o průměru asi 3 µm.
Kromě úzkého vztahu ANME archaea k methanogenům byl argumentem ve prospěch provádění reverzní methanogeneze i objev genů methyl-CoM reduktázy ( mcrA ) a řady dalších enzymů tvořících metan [5] .
Problém mezidruhového mezidruhovéhoKteré produkty reakcí reverzní methanogeneze jsou dokončeny, není známo. Zřejmě některé z nich jsou přeměněny na acetyl-CoA a asimilovány tělem, jak dokazuje zařazení izotopu 13 C do složení mikrobiálních biomarkerů. Druhá část vstupuje do vnějšího prostředí a je absorbována sulfátovými redukčními činidly, které pak také využívají v procesech jak anabolismu , tak katabolismu . Která sloučenina působí jako mezidruhový meziprodukt není známo. Pro jeho roli byly navrženy molekulární vodík [6] [7] , kyselina octová [7] , methanol , kyselina mravenčí , NAD a FAD [8] . Žádná z těchto látek dosud neobdržela experimentální důkaz o účasti v procesu. Termodynamické výpočty navíc ukazují, že vodík, acetát a metanol nemohou být mezidruhovými mezidruhy [9] .
Oxidace metanu pomocí jiných akceptorů elektronůUkázala se možnost anaerobní oxidace metanu se současnou redukcí dusičnanů na amonium archaea ze skupiny ANME-2d. V současné době je studium takových mikroorganismů možné při kultivaci ve fermentorech. Zpravidla je nelze izolovat do čistých kultur. Nejvyšší koncentrace archaálních buněk v takto obohacených kulturách dosahuje asi 80 %. Jedním z nejvíce studovaných zástupců je Ca. Methanoperedens nitroreducens. Právě u tohoto mikroorganismu byla ukázána anaerobní oxidace metanu spojená s denitrifikací. Kromě toho se v posledních letech objevuje stále více důkazů o anaerobní oxidaci metanu spojené s redukcí sloučenin kovů: Fe 3+ , Mn 4+ , Cr 6+ [10] .
Byla prokázána možnost anaerobní oxidace metanu za účasti sloučenin dusíku [11] . Proces v tomto případě provedlo konsorcium článků ANME-2 a denitrifikátorů , přičemž denitrifikátory preferovaly dusitany před dusičnany . Po odstranění dusitanů po 10–20 hodinách došlo k obnovení oxidace metanu za účasti dusičnanů. Přímá pozorování pomocí techniky FISH ukázala, že poměr v konsorciu bakterií a archeí byl 8:1. Autoři se domnívají, že to ukazuje na vyšší energetický výtěžek ve srovnání se sírany.
Pro Fe 3+ několik studií uvádí, že metan se nepodílí na anaerobní oxidaci [12] , i když jiné ukazují jeho stimulační účinek na příjem metanu za anaerobních podmínek [13] .
Existuje hypotéza o přítomnosti jednoho organismu, který proces vede od začátku do konce podle zcela speciálního mechanismu. Potvrzují to údaje, že v některých substrátech žádný z inhibitorů methanogenů a sulfátových reduktorů nepotlačuje anaerobní oxidaci metanu [14] .
Byly nalezeny buňky ANME-2 a poté ANME-1 a ANME-3, které nejsou fyzicky spojeny se sulfátovými reduktory, volně žijícími, tvořícími mikrokoloniemi nebo konglomeráty buněk s eubakteriemi, které nejsou sulfátové reduktory [4] [15] [16] . Tyto organismy by teoreticky mohly provádět oxidaci metanu samy, bez účasti eubakteriálního partnera [17] .
Byla zjištěna oxidace metanu čistými kulturami během anaerobního růstu. Metanogeny , striktní anaeroby , zejména Methanobacterium thermoautotrophicum , Methanosarcina barkeri , Methanosarcina acetovorans a Methanospirillum hungatii , jsou schopny oxidovat značený CH4 přiváděný do plynné fáze na CO2 , někdy na methanol a acetát ( M. barkeri (až 3) v malých množstvích . % objemu metanu, který za stejnou dobu vytvořili) [18] [19] .
Mnoho sulfátových redukčních činidel může kooxidovat malá množství metanu, když rostou anaerobně na jiných substrátech. Z nich jsou v tomto ohledu nejzajímavější Archeoglobus , které mají některé enzymy metanogeneze a jsou příbuzné s ANME-1. Studie na nich provedené však prokázaly nepřítomnost oxidace i stopových množství metanu [19] . Je třeba vzít v úvahu, že v některých pracích na redukcích síranů může být oxidace metanu artefaktem způsobeným nedostatečnou čistotou použitého metanu obsahujícího oxid uhelnatý , který byl oxidován bakteriemi [20] .
V každém případě je metan-oxidační aktivita methanogenů a sulfátových redukčních činidel příliš nízká na to, aby s její pomocí vysvětlila ty objemy oxidovatelného metanu, které byly naznačeny geochemickými údaji.
Naprostá většina studií na toto téma byla provedena pro mořské a oceánské sedimenty na dně, nicméně se ukázalo, že k tomuto procesu dochází také v půdě [13] , bachoru žaludku přežvýkavců [21] , sladkovodních nádržích [15 ] .
Metan je silný skleníkový plyn s potenciálem tepelné jímky 30krát větším než CO 2 . Podle různých odhadů se 30 až 90 % metanu tvoří biogenně, především ve spodních sedimentech a půdách podmáčených krajin. Anaerobní oxidace metanu zabraňuje jeho emisím do atmosféry. Jeho rozsah se odhaduje na 6–20 % z celkového množství metanu uvolněného z oceánu do atmosféry ročně a předpokládá se, že tato čísla budou revidována směrem nahoru. Odhady objemů anaerobní oxidace metanu v suchozemských ekosystémech zatím neexistují.
První geochemický důkaz oxidace metanu za anaerobních podmínek byl získán již v 70. letech 20. století při studiu profilové distribuce metanu, síranů a sirovodíku ve spodních sedimentech. První biologové, kteří tento proces zkoumali, byli Zender a Brock v letech 1979-1980 [1] [18] . Předpokládali, že oxidace probíhá ve dvou fázích, z nichž první je reverzní metanogeneze . Později hypotéza našla řadu potvrzení a nyní je považována za obecně přijímanou.
Na přelomu 90. a 20. století začala nová etapa ve studiu anaerobní oxidace metanu s aktivním zapojením molekulárních metod. Byla stanovena taxonomická příslušnost anaerobních metanotrofů a začalo studium jejich genomu a kódovaných enzymů. V roce 2006 byly získány důkazy, že oxidace metanu může být spojena s redukcí nejen síranů , ale i dusičnanů . Organismy schopné růstu v prostředí s metanem jako jediným zdrojem uhlíku však dosud nebyly izolovány a biochemie procesu zůstává nejasná.