La oxidación anaeróbica del metano es el proceso de oxidación del metano a dióxido de carbono , producido por grupos de arqueas ANME-1 , ANME-2 y ANME-3 no cultivadas ( ing. VBNC ) , cercanas a Methanosarcinales en ausencia de oxígeno molecular en el medio ambiente. . La bioquímica y la prevalencia del proceso en la naturaleza aún no se han estudiado lo suficiente.
Ya en los primeros trabajos dedicados al proceso, se demostró que solo el 0,7-1,1% del volumen total oxidado de metano se oxida abióticamente. También se encontró que los inhibidores de la metanogénesis , el ácido 2-bromoetanosulfónico y el fluoroacetato , así como el inhibidor de la reducción del sulfato, el molibdato , también inhiben la oxidación anaeróbica del metano. Además, este último es más sensible al ácido 2-bromoetanosulfónico que la propia metanogénesis, por lo que, a bajas concentraciones de ácido, tiene incluso un aparente efecto estimulante sobre la formación de metano (de hecho, deteniendo su oxidación).
A partir de esto, se concluyó que la oxidación anaeróbica del metano ocurre en dos etapas realizadas por diferentes organismos. El primero es la oxidación del metano con agua, que se lleva a cabo mediante enzimas de metanogénesis que catalizan reacciones inversas. La segunda es la oxidación adicional de los productos de la primera etapa, utilizando sulfuros como aceptores de electrones. [una]
El oxígeno también es un inhibidor de la oxidación anaeróbica del metano: en muestras de sedimentos del fondo , donde no hay metanótrofos aeróbicos , cualquier oxidación del metano se detiene cuando se airea. Solo con el agotamiento del oxígeno en el ambiente, comienza a recuperarse.
Debido al hecho de que el metano se agota en 13 C en filtraciones frías , las sustancias sintetizadas a partir de él también se agotan en este isótopo. Se estudiaron los lípidos pobres en 13C y los ácidos nucleicos aislados de los sedimentos del fondo , y se llevaron a cabo estudios en el campo de la sistemática genética de organismos que consumen metano en condiciones anaeróbicas. Se demostró que entre ellos hay efectivamente arqueas relacionadas con metanógenos del orden Methanosarcinales , asignados a los grupos ANME-1 y ANME-2 , y eubacterias-sulfato reductoras [2] . Posteriormente, utilizando el método FISH , fue posible ver las células de estos organismos [3] [4] . Formaron conglomerados compactos, que constaban en promedio de 100 arqueas y 200 eubacterias y tenían un diámetro de aproximadamente 3 µm.
Además de la estrecha relación de ANME archaea con los metanógenos, el descubrimiento en ellos de genes de metil-CoM reductasa ( mcrA ) y una serie de otras enzimas formadoras de metano [5] fue un argumento a favor de llevar a cabo la metanogénesis inversa .
El problema de los intermediarios entre especiesSe desconoce qué productos de las reacciones de metanogénesis inversa se completan. Aparentemente, algunos de ellos se convierten en acetil-CoA y son asimilados por el organismo, como lo demuestra la inclusión del isótopo 13 C en la composición de los biomarcadores microbianos. La otra parte ingresa al ambiente externo y es absorbida por los reductores de sulfato, que luego también son utilizados por ellos en los procesos de anabolismo y catabolismo . Se desconoce qué compuesto actúa como intermediario entre especies. Hidrógeno molecular [6] [7] , ácido acético [7] , metanol , ácido fórmico , NAD y FAD [8] fueron propuestos para su función . Ninguna de estas sustancias ha recibido aún evidencia experimental de participación en el proceso. Además, los cálculos termodinámicos indican que el hidrógeno, el acetato y el metanol no pueden ser intermediarios entre especies [9] .
Oxidación de metano utilizando otros aceptores de electronesSe ha demostrado la posibilidad de oxidación anaeróbica de metano con reducción simultánea de nitrato a amonio por arqueas del grupo ANME-2d. Por el momento, el estudio de dichos microorganismos es posible cuando se cultivan en fermentadores. Por regla general, no se pueden aislar en cultivos puros. La concentración más alta de células arqueales en tales cultivos de enriquecimiento alcanza alrededor del 80%. Uno de los representantes más estudiados es Ca. Metanoperedens nitroreducens. Fue para este microorganismo que se demostró la oxidación anaeróbica de metano asociada con la desnitrificación. Además, en los últimos años ha habido cada vez más evidencias de oxidación anaeróbica de metano asociada a la reducción de compuestos metálicos: Fe 3+ , Mn 4+ , Cr 6+ [10] .
Se ha demostrado la posibilidad de oxidación anaeróbica del metano con la participación de compuestos nitrogenados [11] . El proceso en este caso fue llevado a cabo por un consorcio de células ANME-2 y desnitrificadores , prefiriendo estos últimos el nitrito al nitrato . Cuando se eliminó el nitrito después de 10 a 20 horas, se reanudó la oxidación del metano con la participación de los nitratos. Las observaciones directas utilizando la técnica FISH mostraron que la proporción en el consorcio de bacterias y arqueas era de 8:1. Los autores creen que esto indica un mayor rendimiento energético en comparación con los sulfatos.
Para el Fe 3+ , varios estudios afirman que el metano no participa en la oxidación anaeróbica [12] , aunque otros muestran su efecto estimulante sobre la captación de metano en condiciones anaeróbicas [13] .
Existe la hipótesis de la presencia de un organismo que conduce el proceso de principio a fin según un mecanismo completamente especial. Está respaldado por los datos de que en algunos sustratos ninguno de los inhibidores de metanógenos y reductores de sulfato suprime la oxidación anaeróbica del metano [14] .
Se encontraron células ANME-2, y luego ANME-1 y ANME-3, que no están asociadas físicamente con los reductores de sulfato, de vida libre, formando microcolonias o conglomerados de células con eubacterias que no son reductoras de sulfato [4] [15] [16] . En teoría, estos organismos podrían llevar a cabo la oxidación del metano por sí mismos, sin la participación de un socio eubacteriano [17] .
Se encontró oxidación de metano por cultivos puros durante el crecimiento anaeróbico. Los metanógenos , anaerobios estrictos , en particular Methanobacterium thermoautotrophicum , Methanosarcina barkeri , Methanosarcina acetivorans y Methanospirillum hungatii , son capaces de oxidar el CH4 marcado introducido en la fase gaseosa a CO2 , a veces a metanol y acetato ( M. barkeri ) en pequeñas cantidades (hasta 0,3 % del volumen de metano que formaron durante el mismo tiempo) [18] [19] .
Muchos reductores de sulfato pueden cooxidar pequeñas cantidades de metano cuando se cultivan anaeróbicamente en otros sustratos. De estos, los más interesantes en este sentido son los Archeoglobus , que poseen algunas de las enzimas de la metanogénesis y están relacionados con ANME-1. Los estudios realizados sobre ellos, sin embargo, mostraron la ausencia de oxidación de incluso cantidades mínimas de metano [19] . Debe tenerse en cuenta que en algunos trabajos sobre reductores de sulfato, la oxidación del metano puede ser un artefacto causado por la pureza insuficiente del metano utilizado que contiene monóxido de carbono , que fue oxidado por bacterias [20] .
En cualquier caso, la actividad oxidante de metano de los metanógenos y los reductores de sulfato es demasiado baja para explicar con su ayuda esos volúmenes de metano oxidable, que fueron indicados por datos geoquímicos.
La gran mayoría de los estudios sobre este tema se han realizado para sedimentos marinos y oceánicos de fondo, sin embargo, se ha demostrado que el proceso también ocurre en suelo [13] , rumen del estómago de rumiantes [21] , reservorios de agua dulce [15 ] .
El metano es un fuerte gas de efecto invernadero con un potencial de disipación de calor 30 veces mayor que el del CO 2 . Según diversas estimaciones, del 30 al 90 % del metano se forma biogénicamente, principalmente en los sedimentos del fondo y en los suelos de los paisajes anegados. La oxidación anaeróbica del metano evita su emisión a la atmósfera. Su escala se estima en 6-20% de la cantidad total de metano liberado del océano a la atmósfera anualmente, y se supone que estas cifras se revisarán al alza. Aún no existen estimaciones de los volúmenes de oxidación anaeróbica de metano en los ecosistemas terrestres.
La primera evidencia geoquímica de oxidación de metano en condiciones anaeróbicas se obtuvo en la década de 1970 al estudiar el perfil de distribución de metano, sulfatos y sulfuro de hidrógeno en los sedimentos del fondo. Los primeros biólogos en estudiar el proceso fueron Zender y Brock en 1979-1980 [1] [18] . Ellos plantearon la hipótesis de que la oxidación procede en dos etapas, la primera de las cuales es la metanogénesis inversa . Más tarde, la hipótesis encontró una serie de confirmaciones y ahora se considera generalmente aceptada.
A finales de los años 90 y 2000, se inició una nueva etapa en el estudio de la oxidación anaeróbica de metano con la participación activa de métodos moleculares. Se estableció la filiación taxonómica de los metanótrofos anaeróbicos y se inició el estudio de su genoma y enzimas codificadas. En 2006, se obtuvo evidencia de que la oxidación del metano puede estar asociada con la reducción no solo de sulfatos , sino también de nitratos . Sin embargo, todavía no se han aislado organismos capaces de crecer en un entorno con metano como única fuente de carbono, y la bioquímica del proceso sigue sin estar clara.