La metanogénesis o biometanización es la formación de metano acoplada a la conservación de energía por microbios conocidos como metanógenos . Los organismos capaces de producir metano para la conservación de energía se han identificado solo en el dominio Archaea , un grupo filogenéticamente distinto tanto de los eucariotas como de las bacterias , aunque muchos viven en estrecha asociación con bacterias anaeróbicas. La producción de metano es una forma importante y extendida de metabolismo microbiano . En entornos anóxicos , es el paso final en la descomposición de la biomasa . La metanogénesis es responsable de cantidades significativas de acumulaciones de gas natural , siendo el resto termogénico. [1] [2] [3]
La metanogénesis en los microbios es una forma de respiración anaeróbica . [4] Los metanógenos no utilizan oxígeno para respirar; de hecho, el oxígeno inhibe el crecimiento de los metanógenos. El aceptor terminal de electrones en la metanogénesis no es el oxígeno, sino el carbono. Las dos vías mejor descritas implican el uso de ácido acético (acetoclástico) o dióxido de carbono inorgánico (hidrogenotrófico) como aceptores terminales de electrones:
Durante la respiración anaeróbica de los carbohidratos, el H2 y el acetato se forman en una proporción de 2:1 o menor, por lo que el H2 contribuye solo en un 33 % a la metanogénesis, siendo el acetato el que aporta la mayor proporción. En algunas circunstancias, por ejemplo en el rumen , donde el acetato se absorbe en gran medida en el torrente sanguíneo del huésped, la contribución del H2 a la metanogénesis es mayor. [5]
Sin embargo, dependiendo del pH y la temperatura, se ha demostrado que la metanogénesis utiliza carbono de otros compuestos orgánicos pequeños, como el ácido fórmico (formiato), el metanol , las metilaminas , el tetrametilamonio , el sulfuro de dimetilo y el metanotiol . El catabolismo de los compuestos de metilo está mediado por las metiltransferasas para dar lugar a la coenzima metil M. [4]
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 metano implica un complejo ternario de metil coenzima M y coenzima B que encaja en un canal terminado en el sitio axial del níquel del cofactor F430 . Un mecanismo propuesto invoca la transferencia de electrones desde Ni(I) (para dar Ni(II)), que inicia la formación de CH
4El acoplamiento del radical tiilo de la coenzima M (RS . ) con la coenzima B HS libera un protón y reduce nuevamente el Ni(II) en un electrón, regenerando el Ni(I). [6]
Algunos organismos pueden oxidar el metano, lo que revierte funcionalmente el proceso de metanogénesis, también conocido como oxidación anaeróbica del metano (AOM). Se han encontrado organismos que realizan AOM en múltiples entornos marinos y de agua dulce, incluidos los rezumaderos de metano, los respiraderos hidrotermales, los sedimentos costeros y las 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:
La metanogénesis es el paso final en la descomposición de la materia orgánica. Durante el proceso de descomposición, 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. Los compuestos orgánicos ligeros producidos por la fermentación también se acumulan. Durante 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 aceptores potenciales 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 compuestos orgánicos pequeños. La metanogénesis elimina eficazmente los productos semifinales de la descomposición: hidrógeno, compuestos orgánicos pequeños y dióxido de carbono. Sin la metanogénesis, una gran cantidad de carbono (en forma de productos de fermentación) se acumularía en entornos anaeróbicos.
La fermentación entérica ocurre en el intestino de algunos animales, especialmente los rumiantes. En el rumen , los organismos anaeróbicos, incluidos los metanógenos, digieren la celulosa en formas nutritivas 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 por eructación . La vaca promedio emite alrededor de 250 litros de metano por día. [10] De esta manera, los rumiantes contribuyen con aproximadamente el 25% de las emisiones antropogénicas de metano . Un método de control de la producción de metano en rumiantes es alimentándolos con 3-nitrooxipropanol . [11]
Algunos seres 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. [12] Se encontraron resultados similares en muestras de gas obtenidas del interior del recto .
Incluso entre los humanos cuyos flatos contienen metano, la cantidad está en el rango del 10% o menos de la cantidad total de gas. [13]
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, sino que simplemente lo absorben del suelo y luego lo emiten a través de los tejidos de sus hojas. [15]
Los metanógenos se observan en ambientes de suelo anóxico, lo que contribuye a la degradación de la materia orgánica. Esta materia orgánica puede ser depositada por los seres 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. [16]
Los metanógenos son una parte notable de las comunidades microbianas en la biosfera profunda continental y marina . [17] [18] [19]
La metanogénesis también puede ser explotada de forma beneficiosa para tratar desechos orgánicos y producir compuestos útiles, y el metano puede ser recolectado y utilizado como biogás , un combustible. [20] Es la vía principal por la cual se descompone la mayor parte de la materia orgánica desechada en vertederos . [21] Algunas plantas de biogás utilizan la metanogénesis para combinar el CO2 con hidrógeno para crear más metano. [22]
El metano atmosférico es un importante gas de efecto invernadero con un potencial de calentamiento global 25 veces mayor que el dióxido de carbono (en promedio, durante 100 años) [23] , y la metanogénesis en el ganado y la descomposición de la materia orgánica contribuyen considerablemente al calentamiento global. Puede que no sea un contribuyente neto en el sentido de que actúa sobre la materia orgánica 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 presencia de metano atmosférico tiene un papel en la búsqueda científica de vida extraterrestre . La justificación es que en una escala de tiempo astronómica, el metano en la atmósfera de un cuerpo celeste similar a la Tierra se disipará rápidamente, y que su presencia en un planeta o luna de ese tipo indica, por tanto, que algo lo está reponiendo. Si se detecta metano (utilizando un espectrómetro , por ejemplo), esto puede indicar que hay vida, o que ha habido recientemente, presente. Esto se debatió [24] cuando MJ Mumma, del Centro de Vuelo Goddard de la NASA, descubrió metano en la atmósfera marciana y lo verificó el Mars Express Orbiter (2004) [25] y en la atmósfera de Titán la sonda Huygens (2005). [26] Este debate se avivó con el descubrimiento de picos de metano "transitorios" en Marte por el rover Curiosity . [27]
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 puede ser difícil de identificar. [28] [29]
El 13 de abril de 2017, la NASA confirmó que la inmersión de la sonda Cassini el 28 de octubre de 2015 descubrió una columna de gas en Encélado que tiene todos los ingredientes para que las formas de vida basadas en la metanogénesis se alimenten de ella. Resultados anteriores, publicados en marzo de 2015, sugerían que el agua caliente está interactuando con la roca debajo del mar de Encélado; el nuevo hallazgo respaldó esa conclusión y agregó 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, incluido el dióxido de carbono, el metano y el amoníaco. [30]