Кіріспе
Метанды қалдық өнім ретінде өндіретін микроорганизмдер түрі. Метаногендер – гипоксиялық жағдайларда метаболизмнің қосалқы өнімі ретінде метанды өндіретін микроорганизмдер. Олар Archaea доменіне жатады және Euryarchaeota тобының мүшелері болып табылады. Метаногендер батпақтарда кең таралған, олар батпақ газының пайда болуына жауапты, сондай-ақ қайыра өңдейтін жануарлар мен адамдардың ас қорыту жолдарында кездеседі, онда олар ішек газдары мен қоқыс газының құрамындағы метанға жауап береді. Теңіз шөгінділерінде метанның биологиялық өндірісі, метаногенез деп аталатын процесс, көбінесе сульфаттардың жоғарғы қабаттарда азайған жерлерімен шектеледі. Метаногендер анаэробты канализация тазартудағы маңызды рөл атқарады. Басқа метаногендер – экстремофилдер, олар ыстық су бұлақтары және теңіз асты гидротермалды жарықтар сияқты ортада, сондай-ақ Жер қыртысының "қатты" тау жыныстарында, терең биосферада, жер бетінен шақырымдармен төменде табылған.
Methanogens are microorganisms that produce methane as a metabolic byproduct in hypoxic conditions. They belong to the domain Archaea and are members of the phylum Euryarchaeota. Methanogens are common in wetlands, where they are responsible for marsh gas, and can occur in the digestive tracts of animals including ruminants and humans, where they are responsible for the methane content of belching and flatulence. In marine sediments, the biological production of methane, termed methanogenesis, is generally confined to where sulfates are depleted below the top layers. Methanogens play an indispensable role in anaerobic wastewater treatments. Other methanogens are extremophiles, found in environments such as hot springs and submarine hydrothermal vents as well as in the "solid" rock of Earth's crust, kilometers below the surface in the deep biosphere.
Өте қауіпті аймақтар
Аэробты емес ортада метаногендер маңызды экологиялық рөл атқарады, басқа аэробты емес тыныс алу түрлерінде пайда болған артық сутегі мен ферментация өнімдерін жояды. Метаногендер әдетте CO2-ден басқа барлық электрон қабылдағыштар (мысалы, оттегі, нитрат, темір (Fe(III)) және сульфат) тозығы жеткен ортада жақсы өседі. Океан орталық тізбектерінің жанындағы терең базальттік тау жыныстарында метаногендер оливиннің серпентинизация реакциясынан сутегін ала алады, бұл Lost City гидротермалдық алаңында байқалған. Судың жылулық ыдырауы және судың радилизі де сутегінің басқа мүмкін көздері болып табылады. Метаногендер континенттік шеттік шөгінділерде және басқа да су шөгінділерінде, жоғары шөгінділік мөлшерде және жоғары органикалық заттарда органикалық көміртегінің қайта минералдануының негізгі факторлары болып табылады. Дұрыс қысым және температура жағдайында биогендік метан континенттік шеттік шөгінділердегі органикалық көміртегінің маңызды бөлігін құрайтын және күшті парниктік газдың маңызды қоймасын білдіретін метан клатраттарының үлкен жиынтығын құрай алады. Метаногендер Жердегі бірнеше экстремалды ортада табылған – Гренландиядағы шақырымдар тереңдіктегі мұздың астында және ыстық, құрғақ шөл топырағында тіршілік етеді. Олар терең жер астындағы ортада ең көп таралған археялар болып табылады. Берклидегі Калифорния университетінің зерттеушілері Гренландияның астынан үш шақырым тереңдікте алынған мұз түйірінің үлгісінде метан өндіретін тірі микроорганизмдерді тапты. Сонымен қатар, олар 145-тан -40°C температурада макромолекулалық зақымды жөндеуге қабілетті тұрақты метаболизмді анықтады. Тағы бір зерттеу Жердегі қатал ортада метаногендердің табылуын көрсетті. Зерттеушілер АҚШ-тың Юта, Айдахо және Калифорния штаттарында, сондай-ақ Канада мен Чилидегі бес түрлі шөлді ортадан ондаған топырақ және газ үлгілерін зерттеді. Олардың ішінде Юта штатындағы Марс шөл зерттеу станциясының жанындағы топырақтан алынған бес және газ үлгісінен алынған үш үлгіде тірі метаногендердің белгілері анықталды. Кейбір ғалымдар Марс атмосферасындағы метанның болуы осы планетадағы тума метаногендердің бар екенін көрсетеді деп болжайды. 2019 жылдың маусым айында NASA-ның Curiosity марсоходы метаногендер сияқты жер асты микроорганизмдерімен байланысты болатын, метанды анықтады, бұл Марста өмірдің болу мүмкіндігін көрсетеді. Метаногендерге жақын анаэробты метан тотықтырғыштар бар, олар сульфат пен нитратты азайтумен бірге метанды субстрат ретінде пайдаланады. Көптеген метаногендер автотрофты продуценттер болып табылады, бірақ CH3COO-ды тотықтыратындар химиотрофтар ретінде жіктеледі.
Салыстырмалы геномика және молекулалық қолтаңбалар
Салыстырмалы протеомикалық талдау 31 метаногенге (сонымен қатар Метаноархеота деп те аталады) тән белгілі белсенді ақуыздарды анықтауға мүмкіндік берді. Осы ақуыздардың көпшілігі метаногенезбен байланысты және метаногендерді анықтау үшін потенциалды молекулалық маркерлер ретінде қолданылуы мүмкін. Сонымен қатар, барлық метаногендерде кездесетін 10 ақуыз, Archaeoglobus-пен ортақ, бұл екі топтың туыс екенін көрсетеді. Филогенетикалық ағаштарда метаногендер монофилеттік емес және әдетте үш кладқа бөлінеді. Сондықтан, барлық метаногендерде кең таралған белсенді ақуыздардың ортақ болуы, көлденең гендердің ауысуының нәтижесі болуы мүмкін. Сонымен қатар, сульфидтің тасымалымен байланысты жаңа белсенді ақуыздар метаноген археяларымен байланыстырылған. Метаногендер класының ішіндегі нақты туыстарды одан әрі ажырату және метаногендік метаболизмнің жаңа жолдарын анықтау үшін қосымша протеомикалық талдаулар қажет. Заманауи ДНК немесе РНК тізбектеу әдістері метаногендердің бірнеше тобына тән геномдық маркерлерді анықтады. Мысалы, Methanoculleus туысынан тоғыз метаногенді оқшаулау нәтижесінде, барлық тоғыз геномда кем дегенде 2 трехалоза синтазасы генінің бар екені анықталды. Қазірге дейін бұл ген тек осы туыста ғана кездеседі, сондықтан ол Methanoculleus археясын анықтау үшін маркер ретінде қолданылуы мүмкін. Тізбектеу техникасы жетілдіріліп, геномдық деректердің көп мөлшерімен толыққан сайын, көптеген штаммдар мен қасиеттерді анықтауға болады, бірақ көптеген туыстар жеткілікті зерттелмеген болып қала береді. Мысалы, галофильді метаногендер жағалаудағы ылғалды жерлердегі көміртегі айналымы үшін маңызды микроорганизмдер болып табылады, бірақ олар жеткілікті зерттелмеген сияқты. Жақында жарияланған зерттеуде сульфидке толы теңіз суынан Methanohalophilus туысына жататын жаңа штамм оқшауланды. Қызығы, олар осы туыстың басқа оқшауланған штаммдарынан (Methanohalophilus mahii, Methanohalophilus halophilus, Methanohalophilus portucalensis, Methanohalophilus euhalbius) ерекшеленетін осы штаммның геномдарының бірнеше бөліктерін анықтады. Айырмашылықтардың кейбіреулері жоғары сақталған геном, күкірт және гликоген метаболизмі және вирусқа төзімділік болып табылады. Микробтардың ортасына сәйкес геномдық маркерлер басқа да көптеген жағдайларда байқалды. Мысалы, гидравликалық жарылу аймақтарында табылған метан өндіретін археялардың геномдары вертикаль тереңдікке байланысты өзгергенін көрсеткен зерттеулер жүргізілді. Жер асты және жер үсті геномдары әр тереңдік аймақтарындағы шектеулермен бірге өзгерді, бірақ бұл зерттеуде ұсақ масштабтағы әртүрлілік те анықталды. Экологиялық маңызды факторларға қатысты геномдық маркерлер көбінесе өзгеше емес екенін ескеру маңызды. Метаногенді Термоплазмаларды зерттеу осы организмдердің адам және жануарлардың ішектерінде кездесетінін көрсетті. Бұл жаңа түр басқа метаногендік ортада, яғни ылғалды жерлердегі топырақта да табылған, бірақ ылғалды жерлерде оқшауланған топта адам және жануарлардың ішектерінде оқшауланған топта кездеспеген антиоксидациялық ферменттерді кодтайтын гендердің саны көп болды. Метаногендердің жаңа түрлерін анықтаудағы жалпы мәселе - геномдық айырмашылықтар өте аз болуы мүмкін, бірақ зерттеу тобы оларды жеке түрлерге бөлу үшін жеткілікті деп санайды. Бір зерттеуде Methanocellales тобынан салыстырмалы геномдық зерттеу жүргізілді. Үш штамм бастапқыда бірдей деп есептелді, бірақ геномдық оқшаулаудың егжей-тегжейлі тәсілі бұрын бірдей деп саналған геномдарының арасындағы айырмашылықтарды көрсетті. Гендердің көшірмелерінің санындағы айырмашылықтар байқалды, сонымен қатар геномдық ақпаратпен байланысты метаболистік әртүрлілік те болды. Геномдық белгілер ғана емес, бірегей метаногендерді және қоршаған ортаның жағдайларына қатысты гендерді анықтауға мүмкіндік береді, сонымен қатар осы археялардың эволюциясын жақсырақ түсінуге көмектеседі. Кейбір метаногендер оттегіге толы ортаға қарсы белсенді шаралар қолдануы керек. Метаногендерде антиоксиданттардың өндірісіне қатысатын функционалдық гендер табылды, ал кейбір белгілі топтар осы геномдық ерекшеліктің жоғары деңгейін көрсетеді. Антиоксиданттық қасиеттері бар геномды қамтитын метаногендер бұл геномдық қосымша Ұлы оттегілендіру кезінде пайда болған болуы мүмкін екенін көрсетеді. Басқа зерттеуде жануарлардың асқазан-ішек жолдарынан оқшауланған Thermoplasmatales тұқымының үш штаммы эволюциялық айырмашылықтарды көрсетті. Метаногендердің көпшілігінің геномдарында кездесетін эукариоттарға ұқсас гистон гені болмады, бұл Thermoplasmatales және оған байланысты туыстардың арасында аталық тармақ жоғалғанын көрсетеді. Сонымен қатар, Methanomassiliicoccus тобының геномы метаногенездің алғашқы кезеңдерін кодтайтын көптеген жалпы гендерді жоғалтқан сияқты көрінеді. Бұл гендер жаңа метилденген метаногендік жолдың гендерімен алмастырылған сияқты. Бұл жол бірнеше ортада кездеседі, бұл ортаға қатысты емес эволюцияны көрсетеді және аталық ауытқуға нұсқауы мүмкін.
Қалдық суларды тазарту
Метаногендер анеробикалық дигесторларда қақ суларды және сулы органикалық ластаушыларды тазарту үшін кеңінен қолданылады. Индустриялар метаногендерді қақ судың ыдырауы кезінде биометанға айналдыру қабілеті үшін таңдады, осылайша процесті тұрақты және тиімді етеді. Анаэробты дигестордегі биологиялық ыдырау – әртүрлі микроорганизмдер атқаратын төрт сатылы бірлескен әрекетті қамтиды. Бірінші саты – Streptococcus және Enterobacterium сияқты анаэробтармен ерімейтін полимерленген органикалық заттың гидролизі. Екінші сатыда ацидогендер қақ судағы еріген органикалық ластаушыларды май қышқылдарына ыдыратады. Үшінші сатыда ацетогендер май қышқылдарын ацетатқа түрлендіреді. Соңғы сатыда метаногендер ацетаттарды газ тәрізді метанға метаболизмдейді. Қосалқы өнім – метан сулы қабаттан шығып, дигестор ішінде қақ суды өңдеуге энергия көзі ретінде қызмет етеді, осылайша өзін-өзі қамтамасыз ететін механизм құрылады. Метаногендер сондай-ақ қақ су ағынындағы органикалық заттардың концентрациясын тиімді түрде төмендетеді. Қазіргі заманғы жаңа буын сатылы көп фазалы анаэробты реакторлар және жоғары ағынды шламды төсек реактор жүйелері қақ судың жоғары жүктемесіне, экстремалды температура жағдайларына және мүмкін тежеуші қосылыстарға қарсы тұру үшін жаңа мүмкіндіктермен жабдықталған.