Metanogeenid — metaani tootvad arheoidid: elupaigad, roll ja omadused

Metanogeenid on mikroorganismid, mis toodavad anoksilistes tingimustes ainevahetuse kõrvalsaadusena metaani. Need organismid on arheoidid, mis on bakteritest erinev domeen. Nad on levinud märgaladel, kus nad toodavad soogaasi.

Metanogeenid on levinud ka loomade, näiteks mäletsejaliste ja inimeste seedetraktis. Metaani röögitakse sageli välja.

Meresetetesse tekib metaan, kui sulfaatide sisaldus on madal. See toimub ülemiste kihtide all. Metanogeensetel arhea-populatsioonidel on oluline roll anaeroobses reoveepuhastuses. Mõned metanogeenid on ekstreemofiilid, mida leidub sellistes keskkondades nagu kuumad allikad ja veealused hüdrotermilised luugid, aga ka maakoorest kilomeetrite sügavusel asuvas "tahkes" kivimites.

Metanogeenid muudavad käärimisprotsessis äädikhappe metaaniks. Ärge ajage neid segi metanotroofidega, kes kasutavad metaani oma süsinik- ja energiavajaduse rahuldamiseks.

Mis on metanogenees ja kuidas see toimib

Metanogenees on biokeemiline protsess, mille käigus arheoidid toodavad metaani (CH4). Peamised ainevahetusrajad on:

• Hüdrogenotroofne: CO2 redutseeritakse vesinikuga (H2) metaaniks (CO2 + 4 H2 → CH4 + 2 H2O).
• Atsetoklastne: atsetaat (äädikhape) lõhustatakse metaaniks ja süsinikdioksiidiks (CH3COO− + H+ → CH4 + CO2).
• Müül- või metülotroofne: metüülrühma kandvaid ühendeid (nt metüülamiinid, metüültaanool) kasutades.

Metanogeneesi keskseks ensüümiks on methyl-coenzyme M reductase (MCR), mis katalüüsib viimast sammu metaani tekke teel. Metanogeensetel arheidel on ka unikaalsed koensüümid, näiteks koensüüm M, F420 ja metanopteriinitüüpi ühendused, mis osalevad elektronide ülekandes ja energia talletamises.

Füsioloogia ja taksonoomia

Metanogeenid on tavaliselt rangelt anaeroobsed — hapnik on neile toksiline. Need kuuluvad arheate domeeni ja hõlmavad erinevaid perekondi ja klasse. Näidetena tuntud genused on Methanobrevibacter, Methanobacterium, Methanosarcina, Methanococcus, Methanopyrus ja Methanosaeta (sageli nimetatakse ka Methanothrix).

Mõned liigid on ekstreemofiilid — nt Methanopyrus kandleri elab kõrgetel temperatuuridel hüdrotermilistes luukides. Teised kohanevad külmade ja sügavate subsiidsustega keskkondadega.

Elupaigad ja ökoloogiline roll

• Märgalad ja sood: suured metaani emissiooniallikad (soo- või soogaas).
• Pinnased ja meresetted: metanogenees toimub peamiselt sügavamates kihtides, kus sulfaatide vähene kontsentratsioon võimaldab metanogeneesi domineerida.
• Loomade seedetrakt: näiteks mäletsejaliste ja inimeste soolestikus leiduvad metanogeenid (nt Methanobrevibacter smithii) osalevad fermentatsiooniproduktide eemaldamises ja energia ringluses.
• Reoveepuhastid ja anaeroobsed digestorid: metanogeenid on biogaasi tootmise aluseks — orgaaniline aine muundub metaaniks, mida saab energiana kasutada.
• Deep biosphere: metanogeenid elavad sügaval maakoores ja kütavad maaaluseid biokeemilisi protsesse.

Koostoimed teiste mikroorganismidega

Metanogeenid ei tööta sageli iseseisvalt — neil on olulised sümbiootilised ja sünfootilised suhted teiste mikroorganismidega. Näiteks fermenterivad bakterid valmistavad H2 ja atsetaati, mida metanogeenid kasutavad; selline sümbioosiline sünergism (sintroofne suhe) võimaldab keeruliste orgaaniliste ainete efektiivset lagundamist. Samas konkureerivad nad sulfaat-reduktsete bakteritega ruumi ja elektronide allikate pärast.

Tähtsus kliimale ja inimtegevusele

Metanogeenide toodetud metaan on tugev kasvuhoonegaas. Suurte metaani-emissioonide allikad on:

• märgalad ja sood,
• veisekasvatus (larised mäletsejalised),
• anaeroobsed reoveepuhastid ja prügilad,
• ostsigeensed maapinna protsessid.

Seetõttu on metanogeenide mõistmine oluline nii kliimamuutuste modelleerimisel kui ka metaani emissioonide vähendamisel (nt biogaasi tootmise optimeerimine, söödaratsiooni muutmine, prügilate gaaside korje).

Uurimis- ja tuvastusmeetodid

Metanogeenide uurimisel kasutatakse molekulaarmeetodeid (16S rRNA järjestamine, mcrA geen — metüül-koensüüm M reduktaasi marker), metaanivoolu ja isotopilise koostise analüüsi (C-isotoopide eripära näitab biogeenset päritolu). Laboris saab metanogeene kasvatada anaeroobsetes digestorites või süsivesinikke kasutavates kultuurides, kuigi paljusid liike on raske isoleerida.

Rakenduslik tähtsus ja kontroll

• Biogaasi tootmine: metanogeenid on võtmeelemendiks jäätmete ja reovee anaeroobsel töötlemisel — tööstuslikult toodetakse seeläbi taastuvat energiat.
• Emissioonide vähendamine: juhtimis- ja tehnoloogilised meetmed (nt söötade muutmine, söötade lisaained, prügilate gaaside kogumine) võivad vähendada loomade ja prügilate metaani emissiooni.
• Biotehnoloogilised võimalused: uuritakse metanogeenide rolli süsiniku ringluses, samuti nende kasutamist sünteetilistes bioprotsessides ja biokatalüüsis.

Erinevus metanotroofidest

Metanogeenid toodavad metaani anaeroobsetes tingimustes; metanotroofid aga kasutavad metaani energia- ja süsinikuallikana (need on tavaliselt aerobsed bakterid või mõned anoksilised bakterid/arkeid). Neid kaks rühma ei tohi omavahel segi ajada — üks tekitab metaani, teine utiliseerib seda.

Olulised faktid kokkuvõtlikult

• Metanogeenid on arheoidid, kes toodavad metaani peamiselt anaeroobsetes tingimustes.
• Nende tegevus mõjutab globaalseid süsiniku vooge ja kliimat.
• Nad osalevad sümbiootiliselt teiste mikroobidega orgaanilise aine lagundamisel ja biogaasi tootmises.
• Uuringud keskenduvad nende geneetikale (nt mcrA), ökoloogiale ja võimalustele emissioonide kontrollimiseks või biotehnoloogias kasutamiseks.

Küsimused ja vastused

K: Mis on metanogeenid?

K: Mis on metanogeenide valdkond?

K: Kus metanogeene tavaliselt leidub?

K: Kuidas tekib metaan meresetetesse?

K: Milline on metaani tekitavate arheaide populatsioonide roll anaeroobses reoveepuhastuses?

K: Kus leidub äärmuslikke metanogeene?

K: Millise protsessi kaudu muundavad metanogeenid äädikhapet metaaniks?

Otsing