Anaerob oxidation av metan är processen för metanoxidation till koldioxid , producerad av icke- odlade ( eng. VBNC ) arkeagrupperna ANME -1 , ANME-2 och ANME-3 , nära Methanosarcinales i frånvaro av molekylärt syre i miljön . Biokemin och prevalensen av processen i naturen har ännu inte studerats tillräckligt.
Redan i de första arbetena som ägnades åt processen visades det att endast 0,7-1,1% av den totala oxiderade volymen metan är abiotiskt oxiderad. Man fann också att metanogenesinhibitorer 2-brometansulfonsyra och fluoracetat , såväl som sulfatreduktionshämmare molybdat , också hämmar anaerob metanoxidation. Dessutom är den senare känsligare för 2-brometansulfonsyra än metanogenesen själv, på grund av vilken den, vid låga koncentrationer av syra, till och med har en uppenbar stimulerande effekt på bildningen av metan (i själva verket stoppar dess oxidation).
Av detta drogs slutsatsen att den anaeroba oxidationen av metan sker i två steg utförd av olika organismer. Den första är oxidationen av metan med vatten, som utförs av metanogenesenzymer som katalyserar omvända reaktioner. Den andra är den ytterligare oxidationen av produkterna från det första steget, med användning av sulfider som elektronacceptor. [ett]
Syre är också en hämmare av anaerob metanoxidation: i prover av bottensediment , där aeroba metanotrofer saknas , stoppas all metanoxidation när den vädras. Först med utmattning av syre i miljön börjar det återhämta sig.
På grund av det faktum att metan är utarmat i 13 C i kalla sipprar , är de ämnen som syntetiseras från det också utarmade i denna isotop. 13C- fattiga lipider och nukleinsyror isolerade från bottensediment studerades och studier utfördes inom området gensystematik för metankonsumerande organismer under anaeroba förhållanden. Det visades att bland dem finns det verkligen archaea relaterade till metanogener av ordningen Methanosarcinales , tilldelade grupperna ANME-1 och ANME-2 , och eubacteria-sulfatreducerare [2] . Därefter, med hjälp av FISH- metoden, var det möjligt att se cellerna från dessa organismer [3] [4] . De bildade kompakta konglomerat, bestående av i genomsnitt 100 arkéer och 200 eubakterier och med en diameter på cirka 3 µm.
Förutom det nära förhållandet mellan ANME archaea och metanogener, var upptäckten i dem av metyl-CoM-reduktas ( mcrA ) gener och ett antal andra metanbildande enzymer [5] ett argument för att utföra omvänd metanogenes .
Problemet med interspecies intermediateVilka produkter av de omvända metanogenesreaktionerna som fullbordas är okänt. Tydligen omvandlas några av dem till acetyl-CoA och assimileras av kroppen, vilket framgår av inkluderingen av 13C -isotopen i sammansättningen av mikrobiella biomarkörer. Den andra delen kommer in i den yttre miljön och absorberas av sulfatreducerare, som sedan också används av dem i processerna för både anabolism och katabolism . Vilken förening som fungerar som intermediär mellan arter är okänt. Molekylärt väte [6] [7] , ättiksyra [7] , metanol , myrsyra , NAD och FAD [8] föreslogs för sin roll . Inget av dessa ämnen har ännu fått experimentella bevis på deltagande i processen. Dessutom indikerar termodynamiska beräkningar att väte, acetat och metanol inte kan vara intermediärer mellan arter [9] .
Oxidation av metan med andra elektronacceptorerMöjligheten av anaerob oxidation av metan med samtidig reduktion av nitrat till ammonium av arkéer från ANME-2d-gruppen har visats. För närvarande är studiet av sådana mikroorganismer möjligt vid odling i fermentorer. Som regel kan de inte isoleras till rena kulturer. Den högsta koncentrationen av arkeala celler i sådana anrikningskulturer når cirka 80 %. En av de mest studerade representanterna är Ca. Methanoperedens nitroreducens. Det var för denna mikroorganism som anaerob metanoxidation associerad med denitrifikation visades. Dessutom har det på senare år funnits fler och fler bevis på anaerob metanoxidation i samband med reduktionen av metallföreningar: Fe 3+ , Mn 4+ , Cr 6+ [10] .
Möjligheten för anaerob oxidation av metan med deltagande av kväveföreningar har visats [11] . Processen i detta fall utfördes av ett konsortium av ANME-2-celler och denitrifierare , där de senare föredrar nitrit framför nitrat . När nitrit avlägsnats efter 10–20 timmar återupptogs oxidationen av metan med deltagande av nitrater. Direkta observationer med FISH-tekniken visade att förhållandet i konsortiet av bakterier och arkéer var 8:1. Författarna menar att detta tyder på ett högre energiutbyte jämfört med sulfater.
För Fe 3+ anger flera studier att metan inte deltar i anaerob oxidation [12] , även om andra visar sin stimulerande effekt på metanupptag under anaeroba förhållanden [13] .
Det finns en hypotes om närvaron av en organism som genomför processen från början till slut enligt en helt speciell mekanism. Det stöds av data att i vissa substrat ingen av inhibitorerna av metanogener och sulfatreducerare undertrycker anaerob metanoxidation [14] .
Celler ANME-2, och sedan ANME-1 och ANME-3, hittades som inte är fysiskt associerade med sulfatreducerare, frilevande, bildande mikrokolonier eller konglomerat av celler med eubakterier som inte är sulfatreducerare [4] [15] [16] . Dessa organismer skulle teoretiskt kunna utföra oxidationen av metan på egen hand, utan deltagande av en eubakteriell partner [17] .
Oxidation av metan genom rena kulturer under anaerob tillväxt hittades. Metanogener , strikta anaerober , i synnerhet Methanobacterium thermoautotrophicum , Methanosarcina barkeri , Methanosarcina acetivorans och Methanospirillum hungatii , kan oxidera märkt CH4 som införts i gasfasen till CO2 , ibland till metanol och acetat ( 0 ) till små mängder barker (metanol) och acetat. % av volymen metan de bildade under samma tid) [18] [19] .
Många sulfatreducerare kan samoxidera små mängder metan när de odlas anaerobt på andra substrat. Av dessa är de mest intressanta i detta avseende Archeoglobus , som har några av enzymerna från metanogenes och är relaterade till ANME-1. Studier utförda på dem visade dock frånvaron av oxidation av jämna spårmängder av metan [19] . Det bör beaktas att i vissa arbeten med sulfatreducerare kan oxidationen av metan vara en artefakt som orsakas av otillräcklig renhet av den använda metanen som innehåller kolmonoxid , som oxiderades av bakterier [20] .
I vilket fall som helst är den metanoxiderande aktiviteten hos metanogener och sulfatreducerare för låg för att med dess hjälp förklara de volymer av oxiderbar metan, som indikerades av geokemiska data.
De allra flesta studier på detta ämne har utförts för bottenhav och oceaniska sediment, men det har visat sig att processen även sker i jord [13] , vommen i magen hos idisslare [21] , sötvattenreservoarer [15] ] .
Metan är en stark växthusgas med en kylflänspotential som är 30 gånger så stor som CO 2 . Enligt olika uppskattningar bildas från 30 till 90 % av metan biogent, främst i bottensediment och jordar i vattensjuka landskap. Anaerob oxidation av metan förhindrar dess utsläpp till atmosfären. Dess skala uppskattas till 6-20 % av den totala mängden metan som släpps ut från havet till atmosfären årligen, och det antas att dessa siffror kommer att revideras uppåt. Uppskattningar av volymerna av anaerob metanoxidation i terrestra ekosystem finns ännu inte.
Det första geokemiska beviset på metanoxidation under anaeroba förhållanden erhölls redan på 1970 -talet när man studerade profilfördelningen av metan, sulfater och vätesulfid i bottensediment. De första biologerna som studerade processen var Zender och Brock 1979-1980 [1] [18] . De antog att oxidation fortskrider i två steg, varav det första är omvänd metanogenes . Senare fann hypotesen ett antal bekräftelser och anses nu vara allmänt accepterad.
I början av 1990- och 2000-talen började ett nytt skede i studiet av anaerob metanoxidation med aktiv inblandning av molekylära metoder. Den taxonomiska kopplingen till anaeroba metanotrofer etablerades, och studiet av deras genom och kodade enzymer började. År 2006 erhölls bevis för att oxidationen av metan kan vara förknippad med reduktionen av inte bara sulfater utan även nitrater . Organismer som kan växa i en miljö med metan som den enda kolkällan har dock ännu inte isolerats, och processens biokemi är fortfarande oklar.