Metanogenezis - Methanogenesis

A metanogenezis vagy biometanálás a metán képződése a metanogének néven ismert mikrobák által . A metán termelésére képes szervezeteket csak az Archaea doménből azonosították , amely filogenetikusan különbözik mind az eukariótáktól, mind a baktériumoktól , bár sokan szoros kapcsolatban élnek anaerob baktériumokkal. A metán előállítása a mikrobiális anyagcsere fontos és elterjedt formája . A anoxikus környezetben, ez az utolsó lépés a bomlás biomassza . A metanogenezis felelős a jelentős mennyiségű földgáz felhalmozódásáért, a többi termogén.

Biokémia

A metanogenezis ciklusa, köztes termékek bemutatása.

A metanogenezis a mikrobákban az anaerob légzés egyik formája . A metanogének nem használnak oxigént a légzéshez; valójában az oxigén gátolja a metanogének növekedését. A terminális elektronakceptor a metanogenezisben nem oxigén, hanem szén. A szén kis számú szerves vegyületben fordulhat elő, mindegyik kis molekulatömegű. A két legjobban leírt út az ecetsav vagy szervetlen szén -dioxid végső elektron -akceptorként történő felhasználása:

CO 2 + 4 H 2 → CH 4 + 2 H 2 O
CH 3 COOH → CH 4 + CO 2

A szénhidrátok anaerob légzése során H 2 és acetát 2: 1 vagy alacsonyabb arányban képződik, így a H 2 csak kb. 33% a metanogenezishez, az acetát pedig nagyobb arányban járul hozzá. Bizonyos körülmények között, például a bendőben , ahol az acetát nagymértékben felszívódik a gazdaszervezet vérkeringésébe, a H 2 hozzájárul a metanogenezishez.

Azonban a pH -tól és a hőmérséklettől függően a metanogenezis más kis szerves vegyületekből, például hangyasavból (formiát), metanolból , metilaminokból , tetrametil -ammóniumból , dimetil -szulfidból és metántiolból származó szenet használ . A metilvegyületek katabolizmusát a metil -transzferázok közvetítik, és így metil -koenzimet M kapnak.

Javasolt mechanizmus

A biokémiája metanogenezis magában foglalja a következő koenzimek és kofaktorok: F420 , koenzim B , koenzim M , methanofuran , és methanopterin .

A CH átalakításának mechanizmusa
3–S metánhoz való kötődése magában foglalja a metil -koenzim M és a B -koenzim háromkomplex komplexét, amely illeszkedik az F430 kofaktor nikkelének axiális pontja által lezárt csatornába. Az egyik javasolt mechanizmus az elektronátvitelt idézi elő Ni (I) -ből (hogy Ni (II) -et kapjon), ami megindítja a CH képződését
4. Az M- tioil-gyök (RS . ) HS-koenzimmel való összekapcsolása protont szabadít fel, és újra redukálja a Ni (II) -et egy elektron, regeneráló Ni (I) segítségével.

Fordított metanogenezis

Egyes organizmusok oxidálhatják a metánt, funkcionálisan megfordítva a metanogenezis folyamatát, más néven metán anaerob oxidációját (AOM). Az AOM-ot végző szervezeteket számos tengeri és édesvízi környezetben találták, beleértve a metánszivárgásokat, a hidrotermális szellőzőnyílásokat, a tengerparti üledékeket és a szulfát-metán átmeneti zónákat. Ezek az organizmusok fordított metanogenezist hajthatnak végre a metanogén archaea által használt metil-koenzim M reduktázhoz hasonló nikkeltartalmú fehérje felhasználásával. A fordított metanogenezis a reakció szerint történik:

SO 4 2− + CH 4 → HCO 3 - + HS - + H 2 O

Fontosság a szénciklusban

A metanogenezis a szerves anyagok bomlásának utolsó lépése. A bomlási folyamat, elektron akceptor (mint például az oxigén , vas vas , -szulfát , és a nitrát ) kimerült, míg a hidrogén (H 2 ), valamint a szén-dioxid felhalmozódnak. Az erjedéssel előállított könnyű szerves anyagok is felhalmozódnak. A szerves bomlás előrehaladott szakaszában a szén -dioxid kivételével minden elektronakceptor kimerül. A szén -dioxid a legtöbb katabolikus folyamat terméke, ezért nem kimerül, mint más potenciális elektronakceptorok.

Csak metanogenezis és erjedés következhet be a szénen kívül más elektron -akceptorok hiányában. Az erjesztés csak nagyobb szerves vegyületek lebontását teszi lehetővé, és kis szerves vegyületeket állít elő. A metanogenezis hatékonyan távolítja el a bomlás félig végtermékeit: hidrogént, kis szerves anyagokat és szén-dioxidot. Metanogenezis nélkül nagyon sok szén (fermentációs termékek formájában) halmozódhat fel anaerob környezetben.

Természetes előfordulás

Kérődzőkben

Ausztrál juhok tesztelése kilélegzett metántermelésre (2001), CSIRO

Az enterális erjedés néhány állat, különösen a kérődzők bélében fordul elő. A bendőben az anaerob szervezetek, beleértve a metanogéneket is, megemésztik a cellulózt az állatot tápláló formákba. Ezen mikroorganizmusok nélkül az állatok, például a szarvasmarha nem tudnának füvet fogyasztani. A metanogenezis hasznos termékeit a bél felszívja, de a metán főleg böfögéssel (eruktációval) szabadul fel az állatból. Egy átlagos tehén naponta körülbelül 250 liter metánt bocsát ki. Ily módon a kérődzők az antropogén metánkibocsátás mintegy 25% -át teszik ki . A kérődzők metántermelésének ellenőrzésének egyik módja a 3-nitrooxipropanol etetése .

Emberben

Vannak, akik metánt tartalmazó flatusokat termelnek. Egy kilenc felnőtt ürülékét vizsgáló vizsgálatban a minták közül öt tartalmazott olyan archeát, amely képes metánt termelni. Hasonló eredményeket találunk a végbélből nyert gázmintákban is .

Még azoknak az embereknek is, akiknek a síkja metánt tartalmaz, a mennyiség a teljes gázmennyiség 10% -a vagy annál kisebb.

A növényekben

Sok kísérlet azt sugallta, hogy az élő növények levélszövetei metánt bocsátanak ki. Más kutatások azt mutatták, hogy a növények valójában nem termelnek metánt; csak felszívják a metánt a talajból, majd leválasztják a levélszöveteiken keresztül.

A talajokban

A metanogéneket anoxikus talajban figyelik meg, hozzájárulva a szerves anyagok lebomlásához. Ezt a szerves anyagot az emberek hulladéklerakón keresztül helyezhetik el, üledékként eltemethetik a tavak vagy óceánok fenekén üledékként, és maradék szerves anyagként az üledékes kőzetekké alakult üledékekből.

A földkéregben

A metanogének a kontinentális és tengeri mély bioszféra mikrobiális közösségeinek figyelemre méltó részei .

Szerep a globális felmelegedésben

A légköri metán fontos üvegházhatású gáz , amelynek globális felmelegedési potenciálja 25 -ször nagyobb, mint a szén -dioxidé (100 év átlagában), és így az állatállomány metanogenezise és a szerves anyagok bomlása jelentős mértékben hozzájárul a globális felmelegedéshez. Lehet, hogy nem nettó hozzájáruló abban az értelemben, hogy olyan szerves anyagokon dolgozik, amelyek létrehozásakor felhasználták a légköri szén -dioxidot, de összhatása az, hogy a szén -dioxidot metánná alakítja, amely sokkal erősebb üvegházhatású gáz.

A metanogenezis előnyösen hasznosítható a szerves hulladékok kezelésére , hasznos vegyületek előállítására, a metán pedig összegyűjthető és biogázként , üzemanyagként használható fel. Ez az elsődleges út, amellyel a legtöbb hulladéklerakón keresztül elhelyezett szerves anyag lebomlik.

Földönkívüli élet

Lásd még: Metán § Földönkívüli metán

A légköri metán jelenléte szerepet játszik a földön kívüli élet tudományos keresésében . Az indoklás szerint a légkörben lévő metán végül eloszlik, hacsak valami nem pótolja azt. Ha metánt észlelnek ( például spektrométerrel ), ez azt jelezheti, hogy az élet jelen van, vagy nemrég volt jelen. Erről vitáztak, amikor a NASA Goddard Flight Center MJ Mumma metánját fedezte fel a Mars légkörében, és ezt a Mars Express Orbiter (2004), a Titán légkörében pedig a Huygens -szonda (2005) ellenőrizte. Ezt a vitát tovább erősítette az, hogy a Curiosity Rover „átmeneti”, „metán tüskéket” fedezett fel a Marson .

Azt is érvelik, hogy a légköri metán származhat vulkánokból vagy más repedésekből a bolygó kéregében, és hogy izotóp aláírás nélkül a származást vagy a forrást nehéz azonosítani.

2017. április 13-án a NASA megerősítette, hogy a Cassini orbiter űrszonda 2015. október 28-i merülése során felfedezték az Enceladus- tollazatot, amely minden összetevőt tartalmaz a metanogenezis-alapú életformák táplálására. A korábbi, 2015 márciusában közzétett eredmények szerint a forró víz kölcsönhatásba lép a tenger alatti kőzettel; az új eredmények alátámasztják ezt a következtetést, és hozzáteszik, hogy a kőzet kémiailag reagál. Ezekből a megfigyelésekből a tudósok megállapították, hogy a gömbben lévő gáz közel 98 százaléka víz, körülbelül 1 százaléka hidrogén, a többi pedig más molekulák keveréke, beleértve a szén -dioxidot, a metánt és az ammóniát.

Lásd még

Hivatkozások