Анаэробное окисление метана

Анаэробное окисление метана — процесс окисления метана до углекислого газа, производимый некультивируемыми (англ. VBNC) археями групп ANME-1, ANME-2 и ANME-3, близкими к Methanosarcinales при отсутствии в среде молекулярного кислорода. Биохимия и распространённость процесса в природе изучены пока недостаточно.

Механизм

Консорциумы микроорганизмов

Уже в первых работах, посвящённых процессу, было показано, что абиотически окисляется лишь 0,7-1,1 % всего окисляемого объёма метана. Также установлено, что ингибиторы метаногенеза 2-бромэтансульфоновая кислота и флуорацетат, а также ингибитор сульфатредукции молибдат угнетают и анаэробное окисление метана. При этом последний более чувствителен к 2-бромэтансульфоновой кислоте, чем сам метаногенез, из-за чего при небольших концентрациях кислоты она даже оказывает кажущийся стимулирующий эффект на образование метана (на самом деле прекращая его окисление).

Из этого было сделано заключение о протекании анаэробного окисления метана в два этапа, осуществляемых разными организмами. Первый — окисление метана водой, осуществляемое ферментами метаногенеза, катализирующими обратные реакции. Второй — дальнейшее окисление продуктов первого этапа, с использованием сульфидов в качестве акцептора электрона.^[1]

Ингибитором анаэробного окисления метана также является кислород: в образцах донных осадков, где отсутствуют аэробные метанотрофы, при проветривании прекращается всякое окисление метана. Лишь с исчерпанием кислорода в среде оно начинает восстанавливаться.

Благодаря тому что в холодных сипах метан обеднён ¹³C, вещества, синтезированные из него, также обеднены этим изотопом. Были изучены бедные ¹³C липиды и нуклеиновые кислоты, выделенные из донных отложений, и проведены исследования в области геносистематики потребляющих метан в анаэробных условиях организмов. Было показано, что среди них действительно есть родственные метаногенам порядка Methanosarcinales археи, отнесённые к группам ANME-1 и ANME-2, и эубактерии-сульфатредукторы^[2]. Впоследствии с использованием метода FISH удалось увидеть клетки этих организмов^[3][4]. Они образовывали компактные конгломераты, состоящие в среднем из 100 архей и 200 эубактерий и имеющие диаметр около 3 мкм.

Помимо тесного родства архей ANME метаногенам, доводом в пользу проведения ими обратного метаногенеза стало обнаружение у них генов метил-CoM-редуктазы (mcrA) и ещё ряда ферментов образования метана^[5].

Проблема межвидового интермедиата

На каких продуктах реакции обратного метаногенеза завершаются неизвестно. Видимо часть их превращается в ацетил-КоА и ассимилируется организмом, о чём свидетельствует включение изотопа ¹³C в состав микробных биомаркеров. Другая часть поступает во внешнюю среду и усваивается сульфатредукторами, используясь ими затем также в процессах и анаболизма, и катаболизма. Какое соединение выступает в роли межвидового интермедиата неизвестно. На его роль предлагались молекулярный водород^[6][7], уксусная кислота^[7], метанол, муравьиная кислота, НАД и ФАД^[8]. Ни для одного из этих веществ пока не было получено экспериментальных доказательств участия в процессе. Кроме того, термодинамические расчёты свидетельствуют, что водород, ацетат и метанол межвидовыми интермедиатами являться не могут^[9].

Окисление метана с использованием иных акцепторов электронов

Показана возможность анаэробного окисления метана с одновременным восстановлением нитрата до аммония археями из группы ANME-2d. На данный момент изучение таких микроорганизмов возможно при культивировании в ферментерах. Как правило, их не удается выделить в чистые культуры. Наибольшая концентрация клеток архей в таких накопительных культурах достигает около 80 %. Одним из наиболее изученных представителей является Ca. Methanoperedens nitroreducens. Именно для этого микроорганизма было показано анаэробное окисление метана, связанное с денитрификацией. Кроме того, в последние годы приводится все больше доказательств анаэробного окисления метана, связанного с восстановлением соединений металлов: Fe³⁺, Mn⁴⁺, Cr^6+[10].

Показана возможность протекания анаэробного окисления метана с участием соединений азота^[11]. Процесс в этом случае осуществляла консорция клеток ANME-2 и денитрификаторов, причём последние предпочитали нитрит нитратам. При удалении нитрита через 10-20 часов окисление метана возобновлялся уже с участием нитратов. Прямые наблюдения с помощью техники FISH показали, что соотношение в консорции бактерий и архей составило 8:1. Авторы считают, что это свидетельствует о более высоком энергетическом выходе по сравнению с сульфатами.

Для Fe³⁺ в нескольких работах утверждается неучастие в анаэробном окислении метана^[12], хотя в других показан его стимулирующий эффект на поглощение метана в анаэробных условиях^[13].

Возможность анаэробного окисления метана одним организмом

Существует гипотеза наличия одного организма, проводящего процесс от начала до конца по совершенно особому механизму. В её пользу говорят данные, что в некоторых субстратах ни один из ингибиторов метаногенов и сульфатредукторов не подавляет анаэробного окисления метана^[14].

Были обнаружены клетки ANME-2, а затем ANME-1 и ANME-3, физически не связанные с сульфатредукторами, свободноживущие, образующие микроколонии, либо конгломераты клеток с эубактериями, не являющимися сульфатредукторами^[4][15][16]. Эти организмы теоретически могли бы проводить окисление метана самостоятельно, без участия эубактериального партнёра^[17].

Было обнаружено окисление метана чистыми культурами при анаэробном росте. Метаногены, строгие анаэробы, в особенности такие как Methanobacterium thermoautotrophicum, Methanosarcina barkeri, Methanosarcina acetivorans и Methanospirillum hungatii, способны при росте на обычных средах для культивирования метаногенов, окислять введённый в газовую фазу меченый CH₄ до CO₂, иногда до метанола и ацетата (M. barkeri) в небольших количествах (до 0,3 % от объёма образованного ими за то же время метана)^[18][19].

Многие сульфатредукторы могут соокислять небольшое количества метана при анаэробном росте на других субстратах. Из них в данном отношении наиболее интересны Archeoglobus, имеющие часть ферментов метаногенеза и родственные ANME-1. Проведённые на них исследования, однако, показали отсутствие окисления даже следовых количеств метана^[19]. Следует учитывать, что в некоторых работах по сульфатредукторам окисление метана может представлять собой артефакт, вызванный недостаточной чистотой использованного метана, содержащего угарный газ, который и окислялся бактериями^[20].

В любом случае, метанокисляющая активность метаногенов и сульфатредукторов слишком низка, чтобы объяснить с её помощью те объёмы окисляемого метана, о которых свидетельствовали геохимические данные.

Распространение и экологическое значение

Абсолютное большинство исследований по данной тематике выполнено для донных морских и океанических осадков, однако показано, что процесс протекает и в почве^[13], рубце желудка жвачных^[21], пресноводных водоёмах^[15].

Метан является сильным парниковым газом с потенциалом теплопоглощения в 30 раз больше чем у CO₂. По разным оценкам от 30 до 90 % метана образуется биогенно, в основном в донных осадках и почвах переувлажнённых ландшафтов. Анаэробное окисление метана препятствует его эмиссии в атмосферу. Его масштабы оцениваются в 6-20 % от общего количества ежегодно выделяющегося из океана в атмосферу метана, и предполагается, что эти цифры будут пересмотрены в сторону увеличения. Оценок объёмов анаэробного окисления метана в наземных экосистемах пока не существует.

История изучения

Первые геохимические свидетельства протекания окисления метана в анаэробных условиях были получены ещё в 1970-е годы при изучении профильного распределения метана, сульфатов и сероводорода в донных отложениях. Первыми из биологов исследовали процесс Зендер и Брок в 1979—1980 годах^[1][18]. Ими была выдвинута гипотеза, что окисление протекает в два этапа, причём первый из них представляет собой обратный метаногенез. Позже гипотеза нашла ряд подтверждений и сейчас рассматривается как общепризнанная.

На рубеже 1990-х и 2000-х годов начался новый этап в изучении анаэробного окисления метана с активным привлечением молекулярных методов. Была установлена таксономическая принадлежность анаэробных метанотрофов, начато изучение их генома и кодируемых им ферментов. В 2006 году получены свидетельства, что окисление метана может быть сопряжено с восстановлением не только сульфатов, но и нитратов. Тем не менее, организмы, способные расти в среде с метаном в роли единственного источника углерода, до сих пор не выделены, неясной остаётся биохимия процесса.

См. также

• Метаногенез
• Метанотрофы
• Анаэробное окисление аммония