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Metanogénesis

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]

Bioquímica

Ciclo de la metanogénesis, mostrando intermediarios.

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:

CO 2 + 4 H 2 → CH 4 + 2 H 2 O
CH3COOH → CH4 + CO2

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 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
3
El 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
4
El 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]

Metanogénesis inversa

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 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:

ENTONCES2−
4
+ CH4HCO3
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 descomposición, 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. 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.

Ocurrencia natural

En rumiantes

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

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]

En los humanos

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]

En las 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, sino que simplemente lo absorben del suelo y luego lo emiten a través de los tejidos de sus hojas. [15]

En suelos

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]

En la corteza terrestre

Los metanógenos son una parte notable de las comunidades microbianas en la biosfera profunda continental y marina . [17] [18] [19]

Industria

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]

Papel en el calentamiento global

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.

Vida extraterrestre

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]

Véase también

Referencias

  1. ^ Katz B. (2011). "Procesos microbianos y acumulaciones de gas natural". The Open Geology Journal . 5 (1): 75–83. Bibcode :2011OGJ.....5...75J. doi : 10.2174/1874262901105010075 .
  2. ^ Kietäväinen y Purkamo (2015). "El origen, la fuente y el ciclo del metano en la biosfera de rocas cristalinas profundas". Portada. Microbiol . 6 : 725. doi : 10.3389/fmicb.2015.00725 . PMC 4505394. PMID  26236303 . 
  3. ^ Cramer y Franke (2005). "Indicaciones de un sistema petrolero activo en el mar de Laptev, noreste de Siberia/publicación/227744258_Indicaciones_de_un_sistema_petrolero_activo_en_el_mar_de_Laptev_noreste_de_Siberia". Revista de geología petrolera . 28 (4): 369–384. Código Bibliográfico :2005JPetG..28..369C. doi :10.1111/j.1747-5457.2005.tb00088.x. S2CID  129445357.
  4. ^ ab Thauer, RK (1998). "Bioquímica de la metanogénesis: un tributo a Marjory Stephenson". Microbiología . 144 : 2377–2406. doi : 10.1099/00221287-144-9-2377 . PMID  9782487.
  5. ^ Conrad, Rolf (1999). "Contribución del hidrógeno a la producción de metano y control de las concentraciones de hidrógeno en suelos y sedimentos metanogénicos". FEMS Microbiology Ecology . 28 (3): 193–202. Bibcode :1999FEMME..28..193C. doi : 10.1016/s0168-6496(98)00086-5 .
  6. ^ Finazzo C, Harmer J, Bauer C, et al. (abril de 2003). "Coordinación inducida por la coenzima B de la coenzima M a través de su grupo tiol con Ni(I) de F 430 en la metil-coenzima M reductasa activa". 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; Boecio, Antje; Ramette, Alban (31 de marzo de 2015). "Dispersión global y diversificación local del microbioma de filtración de metano". Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América . 112 (13): 4015–4020. Código Bib : 2015PNAS..112.4015R. doi : 10.1073/pnas.1421865112 . ISSN  1091-6490. PMC 4386351 . PMID  25775520. 
  8. ^ Timmers, compañero HA; Welte, Cornelia U.; Koehorst, Jasper J.; Plugge, Caroline M.; Jetten, Mike SM; Stams, Alfons JM (2017). "Metanogénesis inversa y respiración en arqueas metanotróficas". Arqueas . 2017 : 1–22. doi : 10.1155/2017/1654237 . hdl : 1822/47121 . PMC 5244752 . PMID  28154498. 
  9. ^ Krüger M, Meyerdierks A, Glöckner FO, et al. (diciembre de 2003). "Una proteína de níquel conspicua en esteras microbianas que oxidan metano anaeróbicamente". Nature . 426 (6968): 878–81. Bibcode :2003Natur.426..878K. doi :10.1038/nature02207. PMID  14685246. S2CID  4383740.
  10. ^ Radio Australia: "Innovaciones: metano en la agricultura". 15 de agosto de 2004. Consultado el 28 de agosto de 2007.
  11. ^ Hristov, AN; et al. (2015). "Un inhibidor disminuyó persistentemente la emisión de metano entérico de las vacas lecheras sin efectos negativos en la producción de leche". Proc. Natl. Sci. USA . 112 (34): 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). "Aislamiento de Methanobrevibacter smithii de heces humanas". Appl Environ Microbiol . 43 (1): 227–32. Bibcode :1982ApEnM..43..227M. doi :10.1128/aem.43.1.227-232.1982. PMC 241804 . PMID  6798932. 
  13. ^ "Sistema digestivo humano". Encyclopædia Britannica . Consultado el 22 de agosto de 2007 .
  14. ^ Kepler F, et al. (2006). " Emisiones de metano de plantas terrestres en condiciones aeróbicas ". Nature . 439 (7073): 187–191. Bibcode :2006Natur.439..187K. doi :10.1038/nature04420. PMID  16407949. S2CID  2870347.
  15. ^ "Noticias". 30 de octubre de 2014.
  16. ^ Le Mer, J.; Roger, P. (2001). "Producción, oxidación, emisión y consumo de metano por los suelos: una revisión". Revista Europea de Biología del Suelo . 37 (1): 25–50. Bibcode :2001EJSB...37...25L. doi :10.1016/S1164-5563(01)01067-6. S2CID  62815957.
  17. ^ Kotelnikova, Svetlana (octubre de 2002). "Producción y oxidación microbiana de metano en el subsuelo profundo". 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 de mayo de 2016). "Patrones de coocurrencia microbiana en fluidos de fractura de lecho rocoso profundo del Precámbrico". Biogeociencias . 13 (10): 3091–3108. Código Bib : 2016BGeo...13.3091P. doi : 10.5194/bg-13-3091-2016 . hdl : 10023/10226 . ISSN  1726-4189.
  19. ^ Newberry, Carole J.; Webster, Gordon; Cragg, Barry A.; Parkes, R. John; Weightman, Andrew J.; Fry, John C. (2004). "Diversidad de procariotas y metanogénesis en sedimentos del subsuelo profundo de la fosa de Nankai, Programa de Perforación Oceánica, etapa 190" (PDF) . Microbiología ambiental . 6 (3): 274–287. Bibcode :2004EnvMi...6..274N. doi :10.1111/j.1462-2920.2004.00568.x. ISSN  1462-2920. PMID  14871211. S2CID  15644142.
  20. ^ Nair, Athira (14 de julio de 2015). "Después de Freedom Park, los residuos iluminarán Gandhinagar en Bengaluru". The Economic Times . Archivado desde el original el 15 de julio de 2015.
  21. ^ Informe del Departamento de Energía CWM039A+B/92 Young, A. (1992)
  22. ^ "Nature Energy y Andel inauguran una planta de conversión de energía en gas en Dinamarca". Revista Bioenergy Insight . 6 de noviembre de 2023.
  23. ^ "Potenciales de calentamiento global". Contribución del Grupo de trabajo I al Cuarto Informe de evaluación del Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático, 2007. 2007. Archivado desde el original el 15 de junio de 2013. Consultado el 24 de mayo de 2012 .
  24. ^ Artículo de la BBC sobre el metano como señal de vida http://news.bbc.co.uk/2/hi/science/nature/4295475.stm
  25. ^ Agencia Espacial Europea, Metano en la atmósfera marciana http://www.esa.int/esaMI/Mars_Express/SEMZ0B57ESD_0.html
  26. ^ Artículo de Space.Com sobre el metano en Huygens http://www.space.com/scienceastronomy/ap_huygens_update_050127.html
  27. ^ Knapton, Sarah (15 de marzo de 2016). "Vida en Marte: la NASA encuentra el primer indicio de vida extraterrestre". The Telegraph .
  28. ^ Artículo de New Scientist sobre el metano atmosférico https://www.newscientist.com/article.ns?id=dn7059
  29. ^ Artículo de National Geographic sobre el metano como señal de vida [1]
  30. ^ Northon, Karen (13 de abril de 2017). "Las misiones de la NASA brindan nuevos conocimientos sobre los 'mundos oceánicos'". NASA . Consultado el 13 de abril de 2017 .