Metanogenai: metaną gaminančios archėjos – apibrėžimas ir reikšmė

Metanogenai: archėjos gaminančios metaną — apibrėžimas, ekologinė ir technologinė reikšmė pelkėse, virškinime, nuotekų valyme ir ekstremaliose aplinkose.

Metanogenai - tai mikroorganizmai, kurie anoksinėmis sąlygomis kaip šalutinį metabolinį produktą gamina metaną. Šie organizmai yra archėjos, kurios priklauso kitai sričiai nei bakterijos. Jie paplitę pelkėse, kur gamina pelkių dujas.

Metanogenai taip pat paplitę gyvūnų, pavyzdžiui, atrajotojų ir žmonių, virškinimo trakte. Metanas dažnai išsiskiria į aplinką.

Jūrų nuosėdose metanas susidaro, kai sulfatų yra mažai. Tai vyksta žemiau viršutinių sluoksnių. Metanogeninių archėjų populiacijos vaidina svarbų vaidmenį anaerobiniame nuotekų valyme. Kai kurie metanogenai yra ekstremofilai, aptinkami tokiose aplinkose kaip karštosios versmės ir povandeninės hidroterminės versmės, taip pat "kietose" Žemės plutos uolienose, esančiose kilometrų gylyje po paviršiumi.

Metanogenai fermentacijos proceso metu acto rūgštį paverčia metanu. Nepainiokite jų su metanotrofais, kurie naudoja metaną savo anglies ir energijos poreikiams tenkinti.

Kas yra metanogenezė ir kaip ji vyksta

Metanogenezė — tai biocheminis procesas, kurio metu archėjos sintetina metaną kaip galutinį elektronų ir anglies atstatymo produktą. Pagrindinės substratų grupės metanogenezėje yra:

• CO2 + H2 (vandenilis kaip elektronų donoras) — dažniausias kelias daugelyje aplinkų;
• acetatas (rūgšties atskyrimas į CH4 + CO2) — svarbu pelkėse ir žarnyno mikrobiotoje;
• metilo junginiai (pavyzdžiui, metilaminai arba metanoliai) — kai kurioms rūšims tai yra pagrindinis substratas.

Fiziologinės ir taksonominės savybės

Metanogenai yra archėjos — jų ląstelės neturi peptidoglikano sienelės, kaip bakterijos, ir jų membranos lipidai yra chemiškai skirtingi. Dauguma metanogenų yra griežtai anaerobiški ir jautrūs deguoniui. Jie gali gyventi labai įvairiomis sąlygomis: nuo psichrofilų (žemos temperatūros) iki termofilų ir hipertermofilų (aukštos temperatūros), pvz., Methanopyrus ir Methanothermobacter rūšys.

Dažnai minima taksonominė grupė apima gentis, tokias kaip Methanobrevibacter, Methanosarcina, Methanococcus, Methanobacterium ir kt. Kiekviena gentis turi specifines medžiagų apykaitos galimybes — pvz., Methanosarcina gali naudoti ir acetatą, ir metilo junginius.

Aplinkos, kuriose gyvena, ir tarpusavio sąveikos

Be jau minėtų pelkių ir jūrų nuosėdų, metanogenai aptinkami:

• gyvūnų virškinimo trakte (ypač ruminantų skrandyje ir žarnyne);
• nuotekų valymo ir anaerobinių fermentavimo reaktoriuose (biogasui gaminti);
• karštųjų versmių, hidroterminių verčių ir povandeninių skylmių aplinkoje;
• giluminėse Žemės sluoksniuose, kur organinės medžiagos degradacija vyksta be deguonies.

Metanogenai dažnai veikia sinergiškai su kitomis mikroorganizmų grupėmis. Pavyzdžiui, sintrofinės bakterijos suskaido sudėtingesnes organines medžiagas iki vandenilio ir acetato, kuriuos vėliau sunaudoja metanogenai. Taip susidaro energetiškai palanki partnerystė. Ten, kur yra daug sulfatų, sulfatą skalaujančios bakterijos konkuruoja su metanogenais dėl H2 ir kitų elektronų donorų; todėl metanogenezė ypač ryški vietose, kur sulfatų yra mažai.

Ekologinė ir klimatinė reikšmė

Metanas yra stiprus šiltnamio efektą sukeliančių dujų komponentas (mažesnis gyvavimo laikas atmosferoje nei CO2, bet didesnis šiltnamio efektas vienam molekulei per trumpesnį laikotarpį). Metanogenai prisideda prie natūralių metano emisijų (pelkės, šlapžemės, jūrų nuosėdos) ir antropogeninių šaltinių (gyvulininkystė, sąvartynai, nuotekų valymas). Dėl to jie turi didelę reikšmę klimato kaitos dinamikai.

Taip pat egzistuoja biologiniai procesai, neutralizuojantys metaną: aerobinis metano oksidavimas bakterijų ir anaerobinis oksidavimas (pvz., ANME archėjų, susijusių su sulfatais redukuojančiais bakteriais) jūrų nuosėdose. Taip dalis susidariusio metano nepasiekia atmosferos.

Praktinis panaudojimas ir emisijų mažinimas

Metanogenai yra pagrindiniai biogaso gamybos reaktorių mikroorganizmai — jų veikla leidžia paversti organines atliekas energija (mišinį pagrindinių dujų sudaro metanas ir CO2). Anaerobiniai reaktoriai yra plačiai taikomi nuotekų valyme ir atliekų tvarkyme.

Emisijų mažinimo srityje tiriami įvairūs metodai: gyvulių pašarų maišymas, maisto papildai, pvz., 3-nitrooksipropanol (3-NOP), specialios jūrų dumblių (pvz., Asparagopsis) frakcijos, kurios mažina metano susidarymą rumenyje, bei cheminės ar mikrobiologinės metano sintezės inhibitorinės medžiagos. Taip pat kuriami technologiniai sprendimai biogeno metano gaudymui ir panaudojimui kaip atsinaujinančios energijos šaltiniui.

Sveikata ir tyrimų svarba

Žmogaus žarnyno metanogenai (pvz., Methanobrevibacter smithii) gali turėti įtakos virškinimui — metano gamyba susijusi su tam tikromis funkcijomis ir sutrikimais, pvz., lėtesniu žarnyno judėjimu ir kai kuriomis viduriavimo ar vidurių užkietėjimo formomis. Metanų matavimas iškvėptame ore (breath test) gali būti naudojamas tam tikrų virškinimo būklių tyrimui.

Tyrimams plačiai naudojami molekuliniai metodai: 16S rRNA genų sekoskaita, metagenomika, metatranskriptomika ir izoliacijų kultūros; taip pat fermentų (pvz., MCR) struktūriniai ir biocheminiai tyrimai, siekiant suprasti metanogenezės mechanizmus ir galimas taikomasias intervencijas.

Santrauka

Metanogenai — tai archėjos, kurios anaerobinėmis sąlygomis gamina metaną ir atlieka svarbų vaidmenį anglies apykaitoje, biogazų gamyboje ir gyvūnų virškinime. Jie turi didelę ekologinę ir klimatinę reikšmę, o supratimas apie jų biologiją ir ekologiją yra svarbus tiek mokslo, tiek praktinių taikymų srityse, nuo klimato politikos iki energetikos ir sveikatos.

Klausimai ir atsakymai

K: Kas yra metanogenai?

K: Kokia yra metanogenų sritis?

K: Kur dažniausiai aptinkami metanogenai?

K: Kaip jūros nuosėdose susidaro metanas?

K: Koks metanogeninių archėjų populiacijų vaidmuo anaerobiniame nuotekų valyme?

K.: Kur galima rasti ekstremaliai aktyvių metanogenų?

Klausimas: Kokiu būdu metanogenai acto rūgštį paverčia metanu?

Paieška pagal raidę