Metanogénesis

La bioquímica de la metanogénesis involucra las siguientes coenzimas y cofactores: F420 , coenzima B , coenzima M , metanofurano y metanopterina .

El mecanismo para la conversión de CH_{El enlace 3} -Sen el metano implica un complejo ternario de la enzima, con los sustituyentes formando una estructura α₂β₂γ₂_.laBencajan en un canal terminado por el sitio axial en el níquel delcofactor F430. ^[ ₆ ^{] Un mecanismo propuesto invoca la transferencia de} electrones de Ni(I) (para dar Ni(II)), lo que inicia la formación deCH_4. El acoplamiento delradical tiilo(RS•⁾con la coenzima B HS libera un protón y reduce nuevamente el Ni(II) por un electrón, regenerando Ni(I). ^{[ 7 ]}

Algunos organismos pueden oxidar el metano, revirtiendo funcionalmente el proceso de metanogénesis, también conocido como oxidación anaeróbica del metano (AOM). Se han encontrado organismos que realizan AOM en múltiples ambientes marinos y de agua dulce, incluyendo filtraciones de metano, fuentes hidrotermales, sedimentos costeros y zonas de transición sulfato-metano. ^{[ 8 ]} Estos organismos pueden llevar a cabo la metanogénesis inversa utilizando una proteína que contiene níquel, similar a la metil-coenzima M reductasa utilizada por las arqueas metanogénicas. ^{[ 9 ]} La metanogénesis inversa ocurre según la siguiente reacción:

SO ²⁻ ₄ + CH ₄ → HCO ⁻ ₃ + HS ⁻ + H ₂ O ^{[ 10 ]}

La metanogénesis es la etapa final de la descomposición anaeróbica de la materia orgánica. Durante este proceso, los aceptores de electrones (como el oxígeno , el hierro férrico , el sulfato y el nitrato ) se agotan, mientras que el hidrógeno (H₂ ₎ y el dióxido de carbono se acumulan. Los compuestos orgánicos ligeros producidos por la fermentación también se acumulan. En las etapas avanzadas de la descomposición orgánica, todos los aceptores de electrones se agotan, excepto el dióxido de carbono. El dióxido de carbono es un producto de la mayoría de los procesos catabólicos, por lo que no se agota como otros posibles aceptores de electrones.

Solo la metanogénesis y la fermentación pueden ocurrir en ausencia de aceptores de electrones distintos del carbono. La fermentación solo permite la descomposición de compuestos orgánicos grandes y produce compuestos orgánicos pequeños. La metanogénesis elimina eficazmente los productos intermedios de la descomposición: hidrógeno, compuestos orgánicos pequeños y dióxido de carbono. Sin metanogénesis, se acumularía una gran cantidad de carbono (en forma de productos de fermentación) en ambientes anaeróbicos.

La fermentación entérica ocurre en el intestino de algunos animales, especialmente rumiantes. En el rumen , los organismos anaeróbicos, incluidos los metanógenos, digieren la celulosa transformándola en nutrientes para el animal. Sin estos microorganismos, animales como el ganado no podrían consumir pastos. Los productos útiles de la metanogénesis son absorbidos por el intestino, pero el metano se libera del animal principalmente mediante eructos . Una vaca promedio emite alrededor de 250 litros de metano por día. ^{[ 11 ]} De esta manera, los rumiantes contribuyen con aproximadamente el 25 % de las emisiones antropogénicas de metano . Un método para controlar la producción de metano en rumiantes es alimentarlos con 3-nitrooxipropanol . ^{[ 12 ]}

Algunos humanos producen flatulencia que contiene metano. En un estudio de las heces de nueve adultos, cinco de las muestras contenían arqueas capaces de producir metano. ^{[ 13 ]} Se encuentran resultados similares en muestras de gas obtenidas del interior del recto .

Incluso entre los humanos cuyos gases intestinales contienen metano, la cantidad se encuentra en el rango del 10 % o menos de la cantidad total de gas. ^{[ 14 ]}

Many experiments have suggested that leaf tissues of living plants emit methane.^[15] A study done in 2006 estimated that global vegetation released between 60 and 240 million tonnes of methane yearly, corresponding to 40% of annual methane emissions.^[16] In a follow up study done in 2009, plants grown in carbon-13 enriched environments were observed to not emit significant amounts of methane.^[17] Other research has indicated that the plants are not actually generating methane; they are just absorbing methane from the soil and then emitting it through their leaf tissues.^[18] Such an instance can be seen in seasonally flooded parts of the Amazon Rainforest, where trees in said areas pumped 200 times the normal amount of methane out from each tree, accounting for around 40 million tonnes of methane emitted per year.^[19]

Methanogens are observed in anoxic soil environments, contributing to the degradation of organic matter. This organic matter may be placed by humans through landfill, buried as sediment on the bottom of lakes or oceans as sediments, and as residual organic matter from sediments that have formed into sedimentary rocks.^[20] Methanogenesis is not strictly limited to anoxic ecosystems such as peats and bogs; damp mineral soils can also contain high methane levels between the microscopic spaces of decaying organic matter.^[21] As a result, the process of methanogenesis is common in rice fields and wetlands as these areas are flooded fields and are a natural methane source.^[22] The production of methane in flooded soils like these requires microbes that prefer low oxygen levels. Aerating methanogenic soils increases levels of sulfates and nitrates, nutrients that reduce the production of methane.^[23] For methanogenesis to continue, nitrate and sulfate levels will need to decrease. In a separate study conducted in remote arctic soils, higher amounts of methanogens had a direct correlation with increased potential methane production.^[24] Methanogenesis in upland soils is often localized within anoxic microsites, even when the bulk soil remains aerobic.

Methanogens are a notable part of the microbial communities in continental and marine deep biosphere.^[25][26][27]

Aproximadamente un tercio de los metanógenos descritos provienen de orígenes marinos, la mayoría pertenecientes al clado Euryarchaeota . ^{[ 28 ]} En el medio marino, los microorganismos metanogénicos compiten por recursos con los reductores de sulfato . ^{[ 28 ]} Como resultado, las áreas empobrecidas en sulfato con alta carga de materia orgánica y sedimentos son áreas de predominio de metanógenos. ^{[ 28 ]} La naturaleza anaeróbica de los sedimentos permite la actividad metanogénica y el florecimiento de comunidades metanogénicas, lo que convierte a los sedimentos marinos en un hábitat importante para las comunidades microbianas generadoras de metano. Un compuesto principal que los metanógenos consumen para generar metano es el acetato , que constituye dos tercios de la producción mundial de metano. ^{[ 28 ]} Otro compuesto que contribuye a la metanogénesis de los sedimentos marinos es el monóxido de carbono , que se oxida a dióxido de carbono , antes de sufrir una serie de reacciones para producir energía a medida que el metano se libera del microbio. ^{[ 28 ]} Este compuesto se considera no competitivo con los reductores de sulfato, lo que permite su libre uso por los metanógenos. En el examen del microorganismo M. acetivorans , las vías de síntesis de metano conservan similitudes con los taxones de agua dulce; sin embargo, se encuentran proteínas distintas de los microbios de sedimentos marinos que operan en la vía metanogénica. ^{[ 28 ]} La liberación anual estimada de metano del océano a la atmósfera es de aproximadamente 0,7-14 mil millones de kg CH ₄ por año. ^{[ 28 ]} A pesar del requerimiento de condiciones anóxicas para los principales procesos metanogénicos, la sobresaturación de metano en las aguas superficiales del océano crea la “paradoja del metano marino”, que conduce a la liberación de metano a la atmósfera desde el océano. ^{[ 28 ] [ 29 ] [ 30 ] [ 31 ]}

Estudios recientes buscan explicar esta paradoja examinando la posibilidad de síntesis de metano en la superficie del océano a pesar de las condiciones óxicas. Se descubrieron fuentes óxicas de metano en comunidades microbianas con deficiencia de fósforo en la superficie de los océanos, ^{[ 30 ]} donde se ha encontrado que el catabolismo del compuesto ácido metilfosfónico (Mpn) coproduce metano en aguas oceánicas óxicas, lo que proporciona una posible explicación a la paradoja. ^{[ 29 ] [ 30 ] [ 31 ]} Se encontró que N. maritimus , una arquea extendida en el océano, contiene vías para la síntesis de ácido metilfosfónico dentro de estas aguas oceánicas óxicas. ^{[ 30 ]} La producción de este compuesto a partir de materiales circundantes permite la metanogénesis a través de la descomposición por bacterias y microbios circundantes. Además, la prevalencia de la síntesis de Mpn es consistente con la abundancia de taxones reductores de Mpn como Pelagibacter , ^{[ 30 ]} El vínculo entre los productores de Mpn y los degradadores del compuesto conduce a la producción de metano. En los microbios que reducen los ácidos metilfosfónicos, se ha encontrado que las proteínas CP liasa son cruciales para este proceso de reducción ^{[ 29 ] [ 30 ] [4]} , que actúa como una fuente de fósforo para los microbios además de liberar metano. Se encontró que los mutantes que interrumpieron las vías de degradación de Mpn también mostraron degradación de la metanogénesis, confirmando el vínculo entre la degradación de los compuestos de ácido metilfosfónico y la producción de metano en ambientes oceánicos oxigenados. Se encontró que la regulación positiva del transporte y la hidrólisis de compuestos de fosfonato dentro de las bacterias ocurre en la limitación de fosfato, ^{[ 30 ]} ilustra más el uso de estos compuestos para la actividad metabólica necesaria. La presencia de esta síntesis y degradación de Mpn dentro de las condiciones óxicas de la superficie oceánica explica la sobresaturación de metano que causó la "paradoja del metano marino", proporcionando evidencia de metanogénesis fuera de las condiciones anóxicas que son necesarias para las vías metanogénicas habituales.