Как метаногенные археи способствуют изменению климата

До 1970-х годов любой обнаруженный новый вид считался либо эукариотическим, либо прокариотическим, в зависимости от того, как он выглядел под микроскопом. Ситуация изменилась в 1977 году, когда Карл Вёзе разработал метод классификации организмов на основе их последовательностей и «случайно» открыл новую область жизни под названием археи.По своей морфологии археи очень похожи на крошечные бактерии и не имеют ядра. Однако, исходя из их генетического и биохимического строения, они более тесно связаны с эукариотами. Метаногенные археи, или метаногены, недавно привлекли значительное внимание из-за их критической роли в глобальном углеродном цикле из-за их уникальной способности производить мощный парниковый газ метан.

Метаногены — единственные известные организмы, способные производить метан в строго анаэробных условиях. Их среда обитания варьируется от глубоководных гидротермальных источников в Тихом океане до гиперсоленых содовых озер в Сибири и вплоть до рубца коров. Самое высокое зарегистрированное увеличение концентрации метана в атмосфере произошло в 2021 году и составило 1895,7 частей на миллиард (ppb). Антропогенная деятельность, такая как добыча нефти и газа и добыча ископаемого топлива, является лишь частью проблемы, связанной с выбросами метана. По данным Global Carbon Project, водно-болотные угодья и другие естественные источники метаногенов давали ~ 0,2 Гт метана в год в течение 2008-2017 гг. Сельскохозяйственная деятельность, такая как выпас скота, в течение этого периода давала еще ~ 0,2 Гт метана в год, поскольку метаногены присутствуют в рубце многих сельскохозяйственных животных, включая коров и овец.

Атмосферный метан играет важную роль в глобальном потеплении, поскольку он удерживает тепло примерно в 30 раз эффективнее, чем углекислый газ, другой основной парниковый газ, в течение 100 лет. Он способствует дальнейшему стрессу для климата, когда он окисляется до CO2. Тревожная скорость выброса метана требует понимания биогеографии метаногенов и их различных способов производства метана.

Как метаногены производят метан?

Метаногенез или производство метана зависит от таких субстратов, как CO2/H2, формиат, ацетат, метанол, метилсульфиды и метиламины.Эти субстраты в основном образуются в результате разложения органического вещества другими бактериями и грибами, присутствующими в окружающих микробных сообществах. Метаногенез происходит в отсутствие кислорода и других акцепторов электронов, таких как нитраты, сульфаты и железо. Производство метана, в свою очередь, высвобождает АТФ для различных клеточных процессов. Ключевым ферментом в метаногенезе является комплекс метилкофермента М редуктазы (Mcr), который катализирует заключительную стадию восстановления метилкофермента М до метана.

Последствия производства метана

Нерешенное производство метана может иметь серьезные последствия для окружающей среды, изменяя глобальный климат. Было высказано предположение, что метаногенез способствовал крупнейшему вымиранию в истории Земли, пермскому вымиранию около 250 миллионов лет назад. Согласно теории, произошел горизонтальный перенос генов от разлагающих целлюлозу бактерий, таких как Clostridia, к метаногену Methanosarcina. Это привело к тому, что Methanosarcina приобрела способность использовать ацетат в качестве субстрата для производства метана. Метаногенез за счет потребления ацетата более эффективен, чем гидрогенотрофный метаногенез. Это, вероятно, позволило метаногенам поглотить огромное количество органического вещества в морских отложениях, что привело к резкому увеличению содержания метана в атмосфере, что могло убить около 90% видов на планете.

Как сельскохозяйственная деятельность производит метан?

Сельское хозяйство является основным источником дохода как в развивающихся, так и в развитых странах, но многие виды сельскохозяйственной деятельности наносят ущерб климату. Животноводство, рисовые поля и навоз являются одними из основных источников выбросов метана.

Среди животных жвачные животные вносят основной вклад в изменение климата. Это потому, что их отрыжка содержит огромное количество метана. Фактически, крупный рогатый скот является одной из основных причин выбросов парниковых газов в сельском хозяйстве. Одна корова может производить ~ 150-500 г метана в день, в зависимости от породы.Жвачные животные отличаются от других животных тем, что у них есть специализированная пищеварительная система, состоящая из желудков, которые имеют 4 отдела вместо 1. Рубец, самый большой отдел в желудке, является центром переваривания корма микробами, включая бактерии и грибы. При энтеральной ферментации корма образуются водород и углекислый газ, которые используются метаногенами, присутствующими в рубце, для производства метана. Затем парниковый газ выбрасывается из рубца в атмосферу через пищевод.

Ученые работают по нескольким направлениям, чтобы сократить выбросы метана животноводством. Один из подходов заключается в изменении их диеты. Корм с более высоким содержанием клетчатки подвергается большей степени ферментации и приводит к большему производству водорода и углекислого газа. Это, в свою очередь, генерирует больше метана. Кормление скота кукурузой вместо травы может снизить выбросы метана, но необходимо позаботиться о поддержании благополучия крупного рогатого скота, поскольку кукуруза не так питательна для них, как трава.

Ученые также показали, что добавление в корм для крупного рогатого скота красных водорослей (морских водорослей) Asparagopsis taxformis снижает выработку кишечного метана примерно на 70-80% без потери эффективности преобразования корма. Морские водоросли содержат галогенсодержащие соединения, называемые бромоформами, которые являются структурными аналогами метана. Бромоформ ингибирует образование метана, блокируя последнюю стадию переноса метила комплексом Mcr. Однако у этого подхода есть несколько препятствий. Чтобы эта стратегия была действительно эффективной, морские водоросли должны производиться в больших масштабах, что связано с экологическими проблемами, связанными с выращиванием морских водорослей в океане, включая сокращение естественных водорослей и разрушение среды обитания близлежащей морской флоры и фауны. Бромоформ и другие галогенсодержащие соединения, присутствующие в морских водорослях, также могут быть токсичными для животных и человека, и, следовательно, дозировка в кормах для крупного рогатого скота должна строго регулироваться.

Как изменение климата влияет на метаногенез?

Метаногены оказывают прямое влияние на климат, выделяя метан, потенциал глобального потепления которого примерно в 30 раз выше, чем у углекислого газа за 100-летний период. Обратное также верно. Повышение глобальной температуры также увеличивает активность и численность метаногенов в различных условиях окружающей среды. Это создает петлю положительной обратной связи, конечный результат которой негативно влияет на все формы жизни на планете.

Тревожным проявлением этих изменений является наблюдение за оттаиванием вечной мерзлоты. По мере повышения глобальной температуры слои вечной мерзлоты тают во многих арктических регионах, включая Аляску и Сибирь. Районы вечной мерзлоты являются складом органического вещества почвы. По мере таяния вечной мерзлоты органическое вещество становится доступным для разложения микробами, в том числе метаногенами, выделяющими метан. В 2014 году ученые показали, что таяние вечной мерзлоты на севере Швеции привело к выбросам метана, количество которых зависело от особенностей ландшафта. В первые месяцы оттаивания на водно-болотных угодьях преобладают гидрогенотрофные метаногены, которые используют водород и углекислый газ для производства метана. Позже, в полностью оттаивающих заболоченных районах, разнообразие метаногенов увеличивается, и преобладают ацетокластические метаногены, которые используют ацетат для образования метана. Ацетокластический метаногенез более эффективен в производстве метана и приводит к увеличению концентрации метана в атмосфере. Следовательно, важно изучать изменения в микробной экологии, которые вызывают глобальные изменения в круговороте метана.

Вывод

Концентрация метана в атмосфере примерно в 4000 раз меньше, чем углекислого газа, но его потенциал глобального потепления примерно в 30 раз больше. Метаногенные археи — единственные известные микроорганизмы, вырабатывающие метан, и эти микробы могут обитать в экстремальных условиях окружающей среды. Метаногены в сельскохозяйственной деятельности, включая животноводство, выращивание риса и навоз, вносят значительный вклад в метан.Из-за того, что метан может значительно увеличить глобальное потепление, в отчете Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК) 2021 года и в отчете ASM о микробах и изменении климата подчеркиваются преимущества сокращения выбросов метана, которые способствовали повышению температуры примерно на 0,5 градуса по сравнению с предыдущим годом. промышленные времена. Некоторые из изложенных мер по смягчению последствий направлены на улучшение управления водными ресурсами на рисовых полях, улучшение кормления скота, а также изменение рациона питания за счет отказа от продуктов животноводства.

В других начинаниях используются метаногены из-за их способности разлагать органические вещества при очистке сточных вод, и предпринимаются усилия по улавливанию метана, выделяемого в процессе, для использования в качестве топлива. Реализация мер по контролю выбросов метана как из природных, так и из антропогенных источников может снизить глобальное повышение температуры на 0,25 °C к 2050 году и на 0,5 °C к 2100 году.