Метаногены: микроорганизмы, производящие метан

Введение

Тип микроорганизмов, производящих метан как побочный продукт.

Метаногены – это микроорганизмы, которые производят метан как метаболический побочный продукт в гипоксических условиях. Они относятся к домену Archaea и являются представителями типа Euryarchaeota. Метаногены широко распространены в заболоченных местностях, где они ответственны за образование болотного газа, и могут встречаться в пищеварительных трактах животных, включая жвачных и человека, где они обуславливают содержание метана в отрыжке и кишечных газах. В морских отложениях биологическое производство метана, называемое метаногенезом, обычно ограничено зонами, где сульфаты истощены ниже верхних слоев. Метаногены играют незаменимую роль в анаэробной очистке сточных вод. Другие метаногены являются экстремофилами и встречаются в таких средах, как горячие источники и подводные гидротермальные источники, а также в "твердых" породах земной коры, на глубине нескольких километров под поверхностью в глубокой биосфере.

Экстремальные районы

В анаэробных средах метаногены играют жизненно важную экологическую роль, удаляя избыток водорода и продукты ферментации, образовавшиеся в результате других форм анаэробного дыхания. Метаногены обычно процветают в средах, где все акцепторы электронов, кроме CO2 (такие как кислород, нитрат, трехвалентное железо (Fe(III)) и сульфат), истощены. В глубоких базальтовых породах вблизи срединно-океанических хребтов метаногены могут получать водород в результате реакции серпентинизации оливина, как наблюдается в гидротермальном поле Lost City. Тепловой распад воды и радиолиз воды также являются возможными источниками водорода. Метаногены являются ключевыми агентами реминерализации органического углерода в осадочных отложениях континентальных шельфов и других водных отложениях с высокими скоростями осадконакопления и высоким содержанием органического вещества. При подходящих условиях давления и температуры биогенный метан может накапливаться в крупных отложениях газогидратов, которые составляют значительную долю органического углерода в осадочных отложениях континентальных шельфов и представляют собой важный резервуар мощного парникового газа. Метаногены были обнаружены в нескольких экстремальных средах на Земле – под километрами льда в Гренландии и в горячей, сухой пустынной почве. Известно, что они являются наиболее распространенными археями в глубоких подземных местообитаниях. Живые микробы, производящие метан, были обнаружены в керне льда, извлеченном исследователями из Калифорнийского университета в Беркли с глубины около трех километров под Гренландией. Они также обнаружили постоянный метаболизм, способный восстанавливать повреждения макромолекул при температурах от 145 до –40 °C. Другое исследование также выявило метаногены в суровых условиях на Земле. Исследователи изучили десятки образцов почвы и паров из пяти различных пустынных регионов в штатах Юта, Айдахо и Калифорния (США), а также в Канаде и Чили. В пяти образцах почвы и трех образцах паров, взятых вблизи исследовательской станции Марса в Юте, были обнаружены признаки жизнеспособных метаногенов. Некоторые ученые предполагают, что наличие метана в атмосфере Марса может указывать на существование на этой планете местных метаногенов. В июне 2019 года марсоход Curiosity НАСА обнаружил метан, который обычно образуется подземными микробами, такими как метаногены, что свидетельствует о возможности существования жизни на Марсе. Тесно связанные с метаногенами – анаэробные окислители метана, которые используют метан в качестве субстрата в сочетании с восстановлением сульфата и нитрата. Большинство метаногенов являются автотрофными продуцентами, но те, которые окисляют CH3COO−, классифицируются как хемотрофы.

In anaerobic environments, methanogens play a vital ecological role, removing excess hydrogen and fermentation products that have been produced by other forms of anaerobic respiration. Methanogens typically thrive in environments in which all electron acceptors other than CO2 (such as oxygen, nitrate, ferric iron (Fe(III)), and sulfate) have been depleted. In deep basaltic rocks near the mid ocean ridges, methanogens can obtain their hydrogen from the serpentinization reaction of olivine as observed in the hydrothermal field of Lost City. The thermal breakdown of water and water radiolysis are other possible sources of hydrogen. Methanogens are key agents of remineralization of organic carbon in continental margin sediments and other aquatic sediments with high rates of sedimentation and high sediment organic matter. Under the correct conditions of pressure and temperature, biogenic methane can accumulate in massive deposits of methane clathrates that account for a significant fraction of organic carbon in continental margin sediments and represent a key reservoir of a potent greenhouse gas. Methanogens have been found in several extreme environments on Earth – buried under kilometres of ice in Greenland and living in hot, dry desert soil. They are known to be the most common archaea in deep subterranean habitats. Live microbes making methane were found in a glacial ice core sample retrieved from about three kilometres under Greenland by researchers from the University of California, Berkeley. They also found a constant metabolism able to repair macromolecular damage, at temperatures of 145 to –40 °C. Another study has also discovered methanogens in a harsh environment on Earth. Researchers studied dozens of soil and vapour samples from five different desert environments in Utah, Idaho and California in the United States, and in Canada and Chile. Of these, five soil samples and three vapour samples from the vicinity of the Mars Desert Research Station in Utah were found to have signs of viable methanogens. Some scientists have proposed that the presence of methane in the Martian atmosphere may be indicative of native methanogens on that planet. In June 2019, NASA's Curiosity rover detected methane, commonly generated by underground microbes such as methanogens, which signals possibility of life on Mars. Closely related to the methanogens are the anaerobic methane oxidizers, which utilize methane as a substrate in conjunction with the reduction of sulfate and nitrate. Most methanogens are autotrophic producers, but those that oxidize CH3COO− are classed as chemotroph instead.

Сравнительная геномика и молекулярные сигнатуры

Сравнительный протеомный анализ привел к выявлению 31 сигнальных белков, специфичных для метаногенов (также известных как Methanoarchaeota). Большинство этих белков связаны с метаногенезом и могут служить потенциальными молекулярными маркерами для метаногенов. Кроме того, 10 белков, обнаруженных во всех метаногенах и разделяемых Archaeoglobus, указывают на родство этих двух групп. В филогенетических деревьях метаногены не образуют монофилетическую группу и обычно разделяются на три клады. Следовательно, уникальное общее присутствие большого числа белков у всех метаногенов может быть обусловлено горизонтальным переносом генов. Помимо этого, более новые белки, связанные с транспортом сульфидов, были ассоциированы с метаногенными археями. Требуется дальнейший протеомный анализ для более четкого разграничения отдельных родов в классе метаногенов и выявления новых путей метаболического обеспечения метаногенеза. Современные методы секвенирования ДНК или РНК выявили несколько геномных маркеров, специфичных для различных групп метаногенов. В частности, при исследовании девяти метаногенов рода Methanoculleus было обнаружено наличие как минимум двух генов трегалозосинтазы во всех девяти геномах. На данный момент этот ген наблюдается только в этом роде, что позволяет использовать его в качестве маркера для идентификации архей Methanoculleus. По мере развития технологий секвенирования и накопления геномных данных в базах данных, можно будет идентифицировать большее количество штаммов и признаков, однако многие роды остаются малоизученными. Например, галофильные метаногены представляют собой потенциально важные микроорганизмы для круговорота углерода в прибрежных водно-болотных экосистемах, но их изучение недостаточно развито. В недавней публикации был выделен новый штамм из рода Methanohalophilus, обитающий в богатой сульфидами морской воде. Интересно, что были выделены участки генома этого штамма, отличающиеся от других изолированных штаммов этого рода (Methanohalophilus mahii, Methanohalophilus halophilus, Methanohalophilus portucalensis, Methanohalophilus euhalbius). Некоторые различия включают высококонсервативный геном, метаболизм серы и гликогена, а также устойчивость к вирусам. Геномные маркеры, соответствующие среде обитания микроорганизмов, были обнаружены во многих других случаях. Например, исследование метаногенных архей, обнаруженных в зонах гидроразрыва пласта, показало, что их геномы варьируются в зависимости от вертикальной глубины. Геномы, полученные из подповерхностных и поверхностных слоев, различались в соответствии с условиями, характерными для отдельных зон глубины, хотя в этом исследовании также была обнаружена мелкомасштабная изменчивость. Важно отметить, что геномные маркеры, указывающие на факторы окружающей среды, часто не являются исключительными. Исследование метаногенных термоплазм обнаружило эти организмы в кишечнике человека и животных. Этот новый вид также был обнаружен в других метаногенных средах, таких как почвы водно-болотных угодий, однако группа, изолированная в водно-болотных угодьях, как правило, содержала большее количество генов, кодирующих антиоксидантные ферменты, которые отсутствовали в той же группе, изолированной из кишечного тракта человека и животных. Распространенная проблема при идентификации и открытии новых видов метаногенов заключается в том, что геномные различия иногда могут быть незначительными, но исследовательская группа считает их достаточными для выделения в отдельные виды. В одном исследовании была взята группа Methanocellales и проведено сравнительное геномное исследование. Первоначально три штамма считались идентичными, но детальный подход к геномной изоляции выявил различия между их ранее считавшимися идентичными геномами. Различия наблюдались в количестве копий генов, а также в метаболическом разнообразии, связанном с геномной информацией. Геномные сигнатуры позволяют не только идентифицировать уникальные метаногены и гены, связанные с условиями окружающей среды, но и лучше понять эволюцию этих архей. Некоторые метаногены должны активно противодействовать воздействию кислородной среды. Функциональные гены, участвующие в производстве антиоксидантов, были обнаружены у метаногенов, и некоторые специфические группы, как правило, демонстрируют обогащение этой геномной особенностью. Наличие генома, обогащенного антиоксидантными свойствами, у метаногенов может свидетельствовать о том, что это геномное приобретение произошло во время Великой Окислительной Революции. В другом исследовании три штамма из линии Thermoplasmatales, выделенные из желудочно-кишечного тракта животных, выявили эволюционные различия. Ген, подобный гистону эукариот, присутствующий в геномах большинства метаногенов, отсутствовал, что указывает на потерю предковой ветви в Thermoplasmatales и родственных линиях. Кроме того, геном Methanomassiliicoccus, по-видимому, потерял многие общие гены, кодирующие первые несколько этапов метаногенеза. Эти гены, по-видимому, были заменены генами, кодирующими новый метилированный метаногенный путь. Этот путь был зарегистрирован в различных типах сред, что указывает на эволюцию, не зависящую от конкретной среды, и может указывать на предковую дивергенцию.

Comparative proteomic analysis has led to the identification of 31 signature proteins which are specific for methanogens (also known as Methanoarchaeota). Most of these proteins are related to methanogenesis, and they could serve as potential molecular markers for methanogens. Additionally, 10 proteins found in all methanogens which are shared by Archaeoglobus, suggest that these two groups are related. In phylogenetic trees, methanogens are not monophyletic and they are generally split into three clades. Hence, the unique shared presence of large numbers of proteins by all methanogens could be due to lateral gene transfers. Additionally, more recent novel proteins associated with sulfide trafficking have been linked to methanogen archaea. More proteomic analysis is needed to further differentiate specific genera within the methanogen class and reveal novel pathways for methanogenic metabolism. Modern DNA or RNA sequencing approaches has elucidated several genomic markers specific to several groups of methanogens. One such finding isolated nine methanogens from genus Methanoculleus and found that there were at least 2 trehalose synthases genes that were found in all nine genomes. Thus far, the gene has been observed only in this genus, therefore it can be used as a marker to identify the archaea Methanoculleus. As sequencing techniques progress and databases become populated with an abundance of genomic data, a greater number of strains and traits can be identified, but many genera have remained understudied. For example, halophilic methanogens are potentially important microbes for carbon cycling in coastal wetland ecosystems but seem to be greatly understudied. One recent publication isolated a novel strain from genus Methanohalophilus which resides in sulfide rich seawater. Interestingly, they have isolated several portions of this strain's genome that are different from other isolated strains of this genus (Methanohalophilus mahii, Methanohalophilus halophilus, Methanohalophilus portucalensis, Methanohalophilus euhalbius). Some differences include a highly conserved genome, sulfur and glycogen metabolisms and viral resistance. Genomic markers consistent with the microbes environment have been observed in many other cases. One such study found that methane producing archaea found in hydraulic fracturing zones had genomes which varied with vertical depth. Subsurface and surface genomes varied along with the constraints found in individual depth zones, though fine scale diversity was also found in this study. It is important to recognize that genomic markers pointing at environmentally relevant factors are often non exclusive. A survey of Methanogenic Thermoplasmata has found these organisms in human and animal intestinal tracts. This novel species was also found in other methanogenic environments such as wetland soils, though the group isolated in the wetlands did tend to have a larger number of genes encoding for anti oxidation enzymes that were not present in the same group isolated in the human and animal intestinal tract. A common issue with identifying and discovering novel species of methanogens is that sometimes the genomic differences can be quite small, yet the research group decides they are different enough to separate into individual species. One study took a group of Methanocellales and ran a comparative genomic study. The three strains were originally considered identical, but a detailed approach to genomic isolation showed differences among their previously considered identical genomes. Differences were seen in gene copy number and there was also metabolic diversity associated with the genomic information. Genomic signatures not only allow one to mark unique methanogens and genes relevant to environmental conditions; it has also led to a better understanding of the evolution of these archaea. Some methanogens must actively mitigate against oxic environments. Functional genes involved with the production of antioxidants have been found in methanogens, and some specific groups tend to have an enrichment of this genomic feature. Methanogens containing a genome with enriched antioxidant properties may provide evidence that this genomic addition may have occurred during the Great Oxygenation Event. In another study, three strains from the lineage Thermoplasmatales isolated from animal gastro intestinal tracts revealed evolutionary differences. The eukaryotic like histone gene which is present in most methanogen genomes was not present, eluding to evidence that an ancestral branch was lost within Thermoplasmatales and related lineages. Furthermore, the group Methanomassiliicoccus has a genome which appears to have lost many common genes coding for the first several steps of methanogenesis. These genes appear to have been replaced by genes coding for a novel methylated methogenic pathway. This pathway has been reported in several types of environments, pointing to non environment specific evolution, and may point to an ancestral deviation.

Очистка сточных вод

Метаногены широко используются в анаэробных реакторах для очистки сточных вод и удаления растворенных органических загрязнителей. Промышленность выбирает метаногены благодаря их способности осуществлять биометанацию при разложении сточных вод, что делает процесс устойчивым и экономически выгодным. Биоразложение в анаэробном реакторе включает в себя четыре последовательных этапа совместной деятельности различных микроорганизмов. Первый этап – гидролиз нерастворимых полимерных органических веществ анаэробами, такими как стрептококки и энтеробактерии. На втором этапе ацидогены расщепляют растворенные органические загрязнители в сточных водах до жирных кислот. На третьем этапе ацетогены преобразуют жирные кислоты в ацетаты. На заключительном этапе метаногены метаболизируют ацетаты в газообразный метан. Метан, являющийся побочным продуктом, покидает водную фазу и служит источником энергии для работы установки по очистке сточных вод внутри реактора, создавая таким образом самоподдерживающийся механизм. Метаногены также эффективно снижают концентрацию органических веществ в стоках сточных вод. Современные новые поколения многофазных анаэробных реакторов и реакторных систем с восходящим потоком и пластовым слоем разработаны с использованием инновационных решений для противодействия высоким нагрузкам сточных вод, экстремальным температурным условиям и возможным ингибирующим соединениям.