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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 [ editar ]

Ciclo de metanogénesis, mostrando intermedios.

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 aprox. 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 [ editar ]

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 el Ni (I). [6]

Metanogénesis inversa [ editar ]

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 [ editar ]

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 [ editar ]

En rumiantes [ editar ]

Pruebas de producción de metano exhalado en ovejas australianas (2001), CSIRO

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]

En humanos [ editar ]

Some humans produce flatus that contains methane. In one study of the feces of nine adults, five of the samples contained archaea capable of producing methane.[12] Similar results are found in samples of gas obtained from within the rectum.

Even among humans whose flatus does contain methane, the amount is in the range of 10% or less of the total amount of gas.[13]

In plants[edit]

Many experiments have suggested that leaf tissues of living plants emit methane.[14] 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.[15]

In soils[edit]

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.[16]

In Earth's crust[edit]

Methanogens are a notable part of the microbial communities in continental and marine deep biosphere.[17][18][19]

Role in global warming[edit]

Atmospheric methane is an important greenhouse gas with a global warming potential 25 times greater than carbon dioxide (averaged over 100 years),[20] and methanogenesis in livestock and the decay of organic material is thus a considerable contributor to global warming. It may not be a net contributor in the sense that it works on organic material which used up atmospheric carbon dioxide when it was created, but its overall effect is to convert the carbon dioxide into methane which is a much more potent greenhouse gas.

Methanogenesis can also be beneficially exploited, to treat organic waste, to produce useful compounds, and the methane can be collected and used as biogas, a fuel.[21] It is the primary pathway whereby most organic matter disposed of via landfill is broken down.[22]

Extra-terrestrial life[edit]

See also: Methane § Extraterrestrial methane

The presence of atmospheric methane has a role in the scientific search for extra-terrestrial life. The justification is that methane in the atmosphere will eventually dissipate, unless something is replenishing it. If methane is detected (by using a spectrometer for example) this may indicate that life is, or recently was, present. This was debated[23] when methane was discovered in the Martian atmosphere by M.J. Mumma of NASA's Goddard Flight Center, and verified by the Mars Express Orbiter (2004)[24] and in Titan's atmosphere by the Huygens probe (2005).[25] This debate was furthered with the discovery of 'transient', 'spikes of methane' on Mars by the Curiosity Rover.[26]

It is also argued that atmospheric methane can come from volcanoes or other fissures in the planet's crust and that without an isotopic signature, the origin or source may be difficult to identify.[27][28]

On 13 April 2017, NASA confirmed that the dive of the Cassini orbiter spacecraft on 28 October 2015 discovered the Enceladus plume which has all the ingredients for methanogenesis-based life forms to feed from. Previous results, published in March 2015, suggested hot water is interacting with rock beneath the sea; the new findings support that conclusion and add that the rock appears to be reacting chemically. From these observations scientists have determined that nearly 98 percent of the gas in the plume is water, about 1 percent is hydrogen and the rest is a mixture of other molecules including carbon dioxide, methane and ammonia.[29]

See also[edit]

  • Aerobic methane production
  • Anaerobic digestion
  • Anaerobic oxidation of methane
  • Electromethanogenesis
  • Hydrogen cycle
  • Methanotroph
  • Mootral

References[edit]

  1. ^ Katz B. (2011). "Microbial processes and natural gas accumulations". The Open Geology Journal. 5 (1): 75–83. Bibcode:2011OGJ.....5...75J. doi:10.2174/1874262901105010075.
  2. ^ Kietäväinen and Purkamo (2015). "The origin, source, and cycling of methane in deep crystalline rock biosphere". Front. Microbiol. 6: 725. doi:10.3389/fmicb.2015.00725. PMC 4505394. PMID 26236303.
  3. ^ Cramer and Franke (2005). "Indications for an active petroleum system in the Laptev Sea, NE Siberia/publication/227744258_Indications_for_an_active_petroleum_system_in_the_Laptev_Sea_NE_Siberia". Journal of Petroleum Geology. 28 (4): 369–384. Bibcode:2005JPetG..28..369C. doi:10.1111/j.1747-5457.2005.tb00088.x.
  4. ^ a b Thauer, R. K. (1998). "Biochemistry of Methanogenesis: a Tribute to Marjory Stephenson". Microbiology. 144: 2377–2406. doi:10.1099/00221287-144-9-2377. PMID 9782487.
  5. ^ Conrad, Rolf (1999). "Contribution of hydrogen to methane production and control of hydrogen concentrations in methanogenic soils and sediments". FEMS Microbiology Ecology. 28 (3): 193–202. doi:10.1016/s0168-6496(98)00086-5.
  6. ^ Finazzo C, Harmer J, Bauer C, et al. (April 2003). "Coenzyme B induced coordination of coenzyme M via its thiol group to Ni(I) of F430 in active methyl-coenzyme M reductase". J. Am. Chem. Soc. 125 (17): 4988–9. doi:10.1021/ja0344314. PMID 12708843.
  7. ^ Ruff, S. Emil; Biddle, Jennifer F.; Teske, Andreas P.; Knittel, Katrin; Boetius, Antje; Ramette, Alban (31 March 2015). "Global dispersion and local diversification of the methane seep microbiome". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 112 (13): 4015–4020. Bibcode:2015PNAS..112.4015R. doi:10.1073/pnas.1421865112. ISSN 1091-6490. PMC 4386351. PMID 25775520.
  8. ^ Scheller, Silvan; Goenrich, Meike; Boecher, Reinhard; Thauer, Rudolf K.; Jaun, Bernhard (3 June 2010). "The key nickel enzyme of methanogenesis catalyses the anaerobic oxidation of methane". Nature. 465 (7298): 606–608. Bibcode:2010Natur.465..606S. doi:10.1038/nature09015. ISSN 1476-4687. PMID 20520712.
  9. ^ Krüger M, Meyerdierks A, Glöckner FO, et al. (December 2003). "A conspicuous nickel protein in microbial mats that oxidize methane anaerobically". Nature. 426 (6968): 878–81. Bibcode:2003Natur.426..878K. doi:10.1038/nature02207. PMID 14685246.
  10. ^ Radio Australia: "Innovations – Methane In Agriculture." 15 August 2004. Retrieved 28 August 2007.
  11. ^ Hristov, A. N.; et al. (2015). "An inhibitor persistently decreased enteric methane emission from dairy cows with no negative effect on milk production". Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 112: 10663–10668. Bibcode:2015PNAS..11210663H. doi:10.1073/pnas.1504124112. PMC 4553761. PMID 26229078.
  12. ^ Miller TL; Wolin MJ; de Macario EC; Macario AJ (1982). "Isolation of Methanobrevibacter smithii from human feces". Appl Environ Microbiol. 43 (1): 227–32. PMC 241804. PMID 6798932.
  13. ^ "Human Digestive System". Encyclopædia Britannica. Retrieved 22 August 2007.
  14. ^ Kepler F, et al. (2006). "Methane emissions from terrestrial plants under aerobic conditions". Nature. 439 (7073): 187–191. Bibcode:2006Natur.439..187K. doi:10.1038/nature04420. PMID 16407949.
  15. ^ "News". 30 October 2014.
  16. ^ Le Mer, J.; Roger, P. (2001). "Production, oxidation, Emission and Consumption of Methane by Soils: A Review". European Journal of Soil Biology. 37: 25–50. doi:10.1016/S1164-5563(01)01067-6.
  17. ^ Kotelnikova, Svetlana (October 2002). "Microbial production and oxidation of methane in deep subsurface". Earth-Science Reviews. 58 (3–4): 367–395. Bibcode:2002ESRv...58..367K. doi:10.1016/S0012-8252(01)00082-4.
  18. ^ Purkamo, Lotta; Bomberg, Malin; Kietäväinen, Riikka; Salavirta, Heikki; Nyyssönen, Mari; Nuppunen-Puputti, Maija; Ahonen, Lasse; Kukkonen, Ilmo; Itävaara, Merja (30 May 2016). "Microbial co-occurrence patterns in deep Precambrian bedrock fracture fluids". Biogeosciences. 13 (10): 3091–3108. Bibcode:2016BGeo...13.3091P. doi:10.5194/bg-13-3091-2016. ISSN 1726-4189.
  19. ^ Newberry, Carole J.; Webster, Gordon; Cragg, Barry A.; Parkes, R. John; Weightman, Andrew J.; Fry, John C. (2004). "Diversity of prokaryotes and methanogenesis in deep subsurface sediments from the Nankai Trough, Ocean Drilling Program Leg 190" (PDF). Environmental Microbiology. 6 (3): 274–287. doi:10.1111/j.1462-2920.2004.00568.x. ISSN 1462-2920.
  20. ^ "Global Warming Potentials". Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, 2007. 2007. Archived from the original on 15 June 2013. Retrieved 24 May 2012.
  21. ^ Nair, Athira (14 July 2015). "After Freedom Park, waste to light up Gandhinagar in Bengaluru". The Economic Times.
  22. ^ DoE Report CWM039A+B/92 Young, A. (1992)
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  25. ^ Space.Com article about methane on Huygens http://www.space.com/scienceastronomy/ap_huygens_update_050127.html
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  27. ^ New Scientist article about atmospheric methane https://www.newscientist.com/article.ns?id=dn7059
  28. ^ National Geographic Article about methane as sign of life http://news.nationalgeographic.com/news/2004/10/1007_041007_mars_methane.html
  29. ^ Northon, Karen (13 April 2017). "NASA Missions Provide New Insights into 'Ocean Worlds'". NASA. Retrieved 13 April 2017.