La metanogénesis o biometanización es la formación de metano por microbios conocidos como metanógenos . Los organismos capaces de producir metano se han identificado sólo en el dominio Archaea , un grupo filogenéticamente distinto tanto de eucariotas como de bacterias , aunque muchos viven en estrecha asociación con bacterias anaerobias. La producción de metano es una forma importante y generalizada de metabolismo microbiano . En ambientes anóxicos , es el paso final en la descomposición de la biomasa.. La metanogénesis es responsable de importantes cantidades de acumulación de gas natural, siendo el resto termogénico. [1] [2] [3]
Bioquímica
La metanogénesis en microbios es una forma de respiración anaeróbica . [4] Los metanógenos no usan oxígeno para respirar; de hecho, el oxígeno inhibe el crecimiento de metanógenos. El aceptor de electrones terminal en la metanogénesis no es el oxígeno, sino el carbono. El carbono puede encontrarse en una pequeña cantidad de compuestos orgánicos, todos con bajo peso molecular. Las dos vías mejor descritas implican el uso de ácido acético o dióxido de carbono inorgánico como aceptores terminales de electrones:
- CO 2 + 4 H 2 → CH 4 + 2 H 2 O
- CH 3 COOH → CH 4 + CO 2
Durante la respiración anaeróbica de los carbohidratos, el H 2 y el acetato se forman en una proporción de 2: 1 o menos, por lo que el H 2 contribuye solo ca. 33% a metanogénesis, contribuyendo el acetato en mayor proporción. En algunas circunstancias, por ejemplo en el rumen , donde acetato es absorbida en gran parte en el torrente sanguíneo del huésped, la contribución de H 2 a la metanogénesis es mayor. [5]
Sin embargo, dependiendo del pH y la temperatura, se ha demostrado que la metanogénesis usa carbono de otros compuestos orgánicos pequeños, como ácido fórmico (formiato), metanol , metilaminas , tetrametilamonio , sulfuro de dimetilo y metanotiol . El catabolismo de los compuestos metílicos está mediado por metil transferasas para dar metil coenzima M. [4]
Mecanismo propuesto
La bioquímica de la metanogénesis involucra las siguientes coenzimas y cofactores: F420 , coenzima B , coenzima M , metanofurano y metanopterina .
El mecanismo de conversión de CH
3El enlace -S en el metano implica un complejo ternario de metil coenzima M y coenzima B que encajan en un canal terminado por el sitio axial en el níquel del cofactor F430. Un mecanismo propuesto invoca la transferencia de electrones de Ni (I) (para dar Ni (II)), que inicia la formación de CH
4. El acoplamiento del radical tiilo de la coenzima M (RS . ) Con la coenzima B HS libera un protón y vuelve a reducir el Ni (II) por un electrón, regenerando Ni (I). [6]
Metanogénesis inversa
Algunos organismos pueden oxidar el metano, invirtiendo funcionalmente el proceso de metanogénesis, también conocida como oxidación anaeróbica del metano (OMA). Se han encontrado organismos que realizan AOM en múltiples ambientes marinos y de agua dulce, incluyendo filtraciones de metano, respiraderos hidrotermales, sedimentos costeros y zonas de transición de sulfato-metano. [7] Estos organismos pueden lograr la metanogénesis inversa utilizando una proteína que contiene níquel similar a la metil-coenzima M reductasa utilizada por las arqueas metanogénicas. [8] La metanogénesis inversa ocurre según la reacción:
- SO 4 2− + CH 4 → HCO 3 - + HS - + H 2 O [9]
Importancia en el ciclo del carbono
La metanogénesis es el paso final en la descomposición de la materia orgánica. Durante el proceso de desintegración, los aceptores de electrones (como el oxígeno , el hierro férrico , el sulfato y el nitrato ) se agotan, mientras que el hidrógeno (H 2 ) y el dióxido de carbono se acumulan. También se acumulan los orgánicos ligeros producidos por fermentación . Durante las etapas avanzadas de la desintegración 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 más grandes y produce pequeños compuestos orgánicos. La metanogénesis elimina eficazmente los productos semifinales de la descomposición: hidrógeno, pequeñas sustancias orgánicas y dióxido de carbono. Sin metanogénesis, una gran cantidad de carbono (en forma de productos de fermentación) se acumularía en ambientes anaeróbicos.
Ocurrencia natural
En rumiantes
La fermentación entérica ocurre en el intestino de algunos animales, especialmente rumiantes. En el rumen , los organismos anaeróbicos, incluidos los metanógenos, digieren la celulosa en formas nutritivas para el animal. Sin estos microorganismos, los 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 por eructos (eructos). La vaca promedio emite alrededor de 250 litros de metano por día. [10] De esta manera, los rumiantes contribuyen con alrededor del 25% de las emisiones antropogénicas de metano . Un método de control de la producción de metano en rumiantes es alimentarlos con 3-nitrooxipropanol . [11]
Inhumanos
Algunos seres humanos producen flatos que contienen metano. En un estudio de las heces de nueve adultos, cinco de las muestras contenían arqueas capaces de producir metano. [12] Se encuentran resultados similares en muestras de gas obtenidas del recto .
Incluso entre los seres humanos cuyos gases contienen metano, la cantidad está en el rango del 10% o menos de la cantidad total de gas. [13]
En plantas
Muchos experimentos han sugerido que los tejidos de las hojas de las plantas vivas emiten metano. [14] Otras investigaciones han indicado que las plantas en realidad no generan metano; simplemente absorben metano del suelo y luego lo emiten a través de los tejidos de sus hojas. [15]
En suelos
Los metanógenos se observan en suelos anóxicos, contribuyendo a la degradación de la materia orgánica. Esta materia orgánica puede ser colocada por humanos a través de vertederos, enterrada como sedimento en el fondo de lagos u océanos como sedimentos, y como materia orgánica residual de sedimentos que se han formado en rocas sedimentarias. [dieciséis]
En la corteza terrestre
Los metanógenos son una parte notable de las comunidades microbianas en la biosfera profunda continental y marina . [17] [18] [19]
Papel en el calentamiento global
El metano atmosférico es un gas de efecto invernadero importante con un potencial de calentamiento global 25 veces mayor que el dióxido de carbono (promediado durante 100 años), [20] y la metanogénesis en el ganado y la descomposición de la materia orgánica contribuye considerablemente al calentamiento global. Puede que no sea un contribuyente neto en el sentido de que funciona con material orgánico que consumió el dióxido de carbono atmosférico cuando se creó, pero su efecto general es convertir el dióxido de carbono en metano, que es un gas de efecto invernadero mucho más potente.
La metanogénesis también puede aprovecharse de manera beneficiosa para tratar desechos orgánicos , producir compuestos útiles, y el metano puede recolectarse y usarse como biogás , un combustible. [21] Es la vía principal por la que se descompone la mayor parte de la materia orgánica que se elimina en los vertederos . [22]
Vida extraterrestre
La presencia de metano atmosférico tiene un papel en la búsqueda científica de vida extraterrestre . La justificación es que el metano en la atmósfera eventualmente se disipará, a menos que algo lo reponga. Si se detecta metano (mediante el uso de un espectrómetro, por ejemplo), esto puede indicar que hay vida, o que estuvo presente recientemente. Esto fue debatido [23] cuando el metano fue descubierto en la atmósfera marciana por MJ Mumma del Goddard Flight Center de la NASA, y verificado por el Mars Express Orbiter (2004) [24] y en la atmósfera de Titán por la sonda Huygens (2005). [25] Este debate se amplió con el descubrimiento de "transitorios", "picos de metano" en Marte por parte del Curiosity Rover . [26]
También se argumenta que el metano atmosférico puede provenir de volcanes u otras fisuras en la corteza del planeta y que sin una firma isotópica , el origen o la fuente pueden ser difíciles de identificar. [27] [28]
El 13 de abril de 2017, la NASA confirmó que la inmersión de la nave espacial Cassini el 28 de octubre de 2015 descubrió la columna de Encelado, que tiene todos los ingredientes para que las formas de vida basadas en la metanogénesis se alimenten. Los resultados anteriores, publicados en marzo de 2015, sugirieron que el agua caliente está interactuando con la roca debajo del mar; los nuevos hallazgos apoyan esa conclusión y agregan que la roca parece estar reaccionando químicamente. A partir de estas observaciones, los científicos han determinado que casi el 98 por ciento del gas en la columna es agua, aproximadamente el 1 por ciento es hidrógeno y el resto es una mezcla de otras moléculas, como dióxido de carbono, metano y amoníaco. [29]
Ver también
- Producción aeróbica de metano
- Digestión anaeróbica
- Oxidación anaeróbica del metano
- Electrometanogénesis
- Ciclo de hidrógeno
- Metanótrofo
- Moral
Referencias
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