Введение

Образование метана микробами

Метаногенез, или биометанация, – это процесс образования метана, связанный с сохранением энергии микроорганизмами, известными как метаногены. Организмы, способные производить метан для получения энергии, были обнаружены только в домене Archaea – группе, филогенетически отличной как от эукариот, так и от бактерий, хотя многие из них живут в тесном взаимодействии с анаэробными бактериями. Образование метана является важной и широко распространенной формой микробного метаболизма. В бескислородных (аноксических) средах это заключительный этап разложения биомассы. Метаногенез отвечает за значительные запасы природного газа, остальная часть которого имеет термогенное происхождение.

Значение в углеродном цикле

Метаногенез – это заключительный этап разложения органического вещества. В процессе разложения электронные акцепторы (такие как кислород, железо, сульфат и нитрат) истощаются, а водород (H2) и углекислый газ накапливаются. Также накапливаются легко разлагаемые органические вещества, образующиеся в результате ферментации. На продвинутых стадиях разложения органического вещества истощаются все электронные акцепторы, кроме углекислого газа. Углекислый газ является продуктом большинства катаболических процессов, поэтому он не истощается, как другие потенциальные электронные акцепторы. В отсутствие электронных акцепторов, кроме углерода, могут происходить только метаногенез и ферментация. Ферментация позволяет лишь расщеплять более крупные органические соединения, производя небольшие органические соединения. Метаногенез эффективно удаляет промежуточные продукты разложения: водород, небольшие органические вещества и углекислый газ. Без метаногенеза в анаэробных условиях накапливалось бы большое количество углерода в виде продуктов ферментации.

У жвачных животных

Внутренняя ферментация происходит в кишечнике некоторых животных, особенно жвачных. В рубце анаэробные организмы, включая метаногены, расщепляют целлюлозу до форм, усвояемых животным. Без этих микроорганизмов животные, такие как крупный рогатый скот, не смогли бы переваривать траву. Полезные продукты метаногенеза всасываются кишечником, а метан выделяется из организма животного главным образом при отрыжке (эруктации). В среднем корова выделяет около 250 литров метана в день. Таким образом, жвачные животные вносят около 25% в антропогенные выбросы метана. Один из способов контроля производства метана у жвачных – кормление их 3-нитроксипропанолом.

У людей

У некоторых людей образуются газы, содержащие метан. В одном исследовании образцов фекалий девяти взрослых, в пяти образцах были обнаружены археи, способные производить метан. Подобные результаты наблюдаются и в образцах газа, полученных из прямой кишки. Даже у людей, чьи газы содержат метан, его количество составляет 10% или меньше от общего объема газов.

В растениях

Многие эксперименты показали, что ткани листьев живых растений испускают метан. Другие исследования указывают на то, что растения на самом деле не вырабатывают метан; они лишь поглощают метан из почвы и затем выделяют его через ткани листьев.

В почвах

Метаногены обнаруживаются в аноксичных почвенных средах, участвуя в разложении органического вещества. Это органическое вещество может попадать в окружающую среду в результате деятельности человека через полигоны твердых бытовых отходов, захораниваться в виде осадков на дне озер и океанов, а также присутствовать в виде остаточного органического вещества в осадочных породах, образовавшихся из отложений.

В земной коре

Метаногены являются важной частью микробных сообществ в континентальной и морской глубоководной биосфере.

Промышленность

Метаногенез также может быть с выгодой использован для переработки органических отходов, производства полезных соединений, а метан можно собирать и использовать как биогаз – топливо. Это основной путь разложения большинства органических веществ, попадающих на полигоны. Некоторые биогазовые установки используют метаногенез для соединения углекислого газа с водородом с целью получения большего количества метана.

Роль в глобальном потеплении

Атмосферный метан — важный парниковый газ, потенциал глобального потепления которого в 25 раз превышает потенциал углекислого газа (в среднем за 100 лет). Метаногенез в животноводстве и разложение органических материалов, таким образом, существенно способствуют глобальному потеплению. Хотя метан и не является чистым источником поглощения, поскольку он образуется из органических веществ, которые ранее поглощали углекислый газ из атмосферы при своем создании, его общий эффект заключается в преобразовании углекислого газа в метан — гораздо более сильный парниковый газ.

Инопланетная жизнь

Наличие атмосферного метана играет важную роль в научном поиске внеземной жизни. Обоснование заключается в том, что в астрономических масштабах времени метан в атмосфере небесного тела, подобного Земле, быстро рассеивается, и его присутствие на такой планете или луне, следовательно, указывает на то, что что-то его восполняет. Обнаружение метана (например, с помощью спектрометра) может свидетельствовать о наличии жизни или её недавнем существовании. Это обсуждалось, когда М. Дж. Мумма из Годдардского лётного центра НАСА обнаружил метан в атмосфере Марса, что было подтверждено орбитальным аппаратом Mars Express (2004) и в атмосфере Титана зондом Гюйгенса (2005). Эта дискуссия получила дальнейшее развитие после обнаружения марсоходом Curiosity "временных" "пиков метана" на Марсе. Утверждается, что атмосферный метан может происходить из вулканов или других разломов в коре планеты, и без изотопного состава установить его происхождение или источник может быть затруднительно. 13 апреля 2017 года НАСА подтвердило, что при прохождении космического аппарата "Кассини" 28 октября 2015 года был обнаружен гейзер Энцелада, содержащий все необходимые компоненты для поддержания жизни, основанной на метаногенезе. Предыдущие результаты, опубликованные в марте 2015 года, указывали на взаимодействие горячей воды с горными породами под океаном Энцелада; новые данные подтвердили этот вывод и показали, что порода, по-видимому, вступает в химическую реакцию. На основе этих наблюдений ученые установили, что почти 98% газа в гейзере – это вода, около 1% – водород, а остальное – смесь других молекул, включая углекислый газ, метан и аммиак.