메타노제시스

Methanogenesis

메탄생성 또는 생물측정학은 메탄균으로 알려진 미생물에 의해 메탄이 형성되는 것이다. 비록 많은 사람들이 혐기성 박테리아와 밀접하게 연관되어 살고 있지만 메탄을 생산할 수 있는 유기체는 진핵생성물질과 박테리아 둘 다로부터 유전학적으로 구별되는 집단인 아르케아 도메인에서만 확인되었다. 메탄의 생산은 미생물 대사의 중요하고 광범위한 형태다. 양극성 환경에서는 바이오매스 분해의 마지막 단계다. 메타노제시스는 상당량의 천연가스 축적을 담당하며, 나머지는 열 발생적이다.[1][2][3]

생화학

메타노제시에 대한 주기, 중간자 표시.

미생물의 메타노제지스는 혐기성 호흡의 일종이다.[4] 메탄노균은 재충전하기 위해 산소를 사용하지 않는다; 사실, 산소는 메탄노균의 성장을 금지한다. 메타노제시스의 단자 전자 수용기는 산소가 아니라 일산화탄소다. 가장 잘 기술된 두 가지 경로는 더 큰 우울증 단자 전자 기증자에 따른 아세트산 또는 무기 이산화탄소의 사용을 포함한다.

CO2 + 4H2 → CH4 + 2 HO2
CH3COOH → CH4 + CO2

탄수화물의 혐기성 호흡 중에는 H와2 아세테이트가 2:1 이하의 비율로 형성되기 때문에 H는2 메탄노제스에 33%만 기여하고 아세테이트가 더 큰 비중을 차지한다. 어떤 상황에서는 예를 들어 아세테이트가 숙주의 혈류로 크게 흡수되는 루멘에서 메탄노제시스에 대한2 H의 기여도가 더 크다.[5]

그러나 pH와 온도에 따라 메탄노제시스는 포름산(포름산), 메탄올, 메틸아민, 테트라메틸아모니움, 황화디메틸, 메탄에티올 등 다른 작은 유기성분에서 나오는 탄소를 사용하는 것으로 나타났다. 메틸화합물의 카타볼리즘은 메틸전달효소에 의해 매개되어 메틸코엔자임M을 준다.[4]

제안 메커니즘

메타노제지스의 생화학에는 F420, 코엔자임 B, 코엔자임 M, 메타노푸란, 메타노프테린 등 다음과 같은 코엔자임과 공작용제가 포함된다.

CH-S
3 결합을 메탄으로 변환하기 위한 메커니즘은 메틸 코엔자임 M과 코엔자임 B가 공동 인자 F430의 니켈로 축 부지에 의해 종료된 채널에 적합한 3차 복합체를 포함한다. 하나의 제안된 메커니즘은 Ni
4(I)로부터 전자전자를 불러와 CH 형성을 개시하는 Ni(II)를 부여한다. Coenzyme M thiyl actical(RS.)과 HS Coenzyme B의 결합은 양성자를 방출하고 1전자에 의해 Ni(II)를 다시 감소시켜 Ni(I)를 재생시킨다.[6]

역메타노제시스

메탄의 혐기성 산화(AOM)라고도 불리는 메탄생성 과정을 역행하는 일부 유기체는 메탄 누출, 열수 분출구, 해안 퇴적물, 황산-메탄 전환구 등 해양 및 담수 환경에서 AOM을 수행하는 유기체가 발견됐다.[7] 이러한 유기체는 메틸-코엔자임 M 환원효소와 유사한 니켈 함유 단백질을 사용하여 역메탄생식을 달성할 수 있다.[8] 역메타노제시스는 다음과 같은 반응에 따라 발생한다.

SO2−
4 + CH4 → HCO−
3 + HS− + HO2[9]

탄소 순환에서의 중요성

메타노제시스는 유기물 부패의 마지막 단계다. 붕괴 과정에서 전자 수용체(산소, 철분, 황산염, 질산염 등)가 고갈되고 수소(H2)와 이산화탄소가 축적된다. 발효에 의해 생성되는 가벼운 유기체도 축적된다. 유기적 부패의 진보된 단계 동안, 이산화탄소를 제외한 모든 전자 수용체가 고갈된다. 이산화탄소는 대부분의 촉매 작용의 산물이기 때문에 다른 잠재적 전자 수용체처럼 고갈되지 않는다.

탄소 이외의 전자 수용체가 없는 경우 메탄노제네시스 및 발효만이 발생할 수 있다. 발효는 더 큰 유기화합물의 분해만 허용하고, 작은 유기화합물을 생산한다. 메타노제시스는 붕괴의 준결승 산물인 수소, 작은 유기체, 이산화탄소를 효과적으로 제거한다. 메탄노제시스가 없다면, (발효 제품의 형태로) 많은 양의 탄소가 혐기성 환경에 축적될 것이다.

자연발생

반추동물로는

호주 양의 배출 메탄 생산 테스트(2001), CSIRO

장내 발효는 몇몇 동물들, 특히 반추동물의 내장에서 일어난다. 루멘에서 메탄노균을 포함한 혐기성 유기체는 셀룰로오스를 동물에게 영양가 있는 형태로 소화한다. 이러한 미생물이 없다면 소와 같은 동물들은 풀을 먹을 수 없을 것이다. 메탄생식의 유용한 생산물은 내장에 의해 흡수되지만 메탄은 주로 트림을 함으로써 동물로부터 방출된다. 평균적으로 소는 하루에 약 250리터의 메탄을 방출한다.[10] 이런 방식으로 반추동물은 인공적인 메탄 배출량의 약 25%를 기여한다. 반추동물에서 메탄생산을 조절하는 한 가지 방법은 3-니트로옥시프로판올을 먹이는 것이다.[11]

인휴먼스

어떤 인간들은 메탄을 함유한 플라투스를 생산한다. 성인 9명의 대변에 대한 한 연구에서, 표본들 중 5개는 메탄을 생산할 수 있는 고고학을 포함하고 있었다.[12] 비슷한 결과가 직장 내에서 얻은 기체의 표본에서도 발견된다.

심지어 평탄도가 메탄을 함유하고 있는 인간들 사이에서도, 그 양은 전체 가스 양의 10% 이하 범위에 있다.[13]

식물에서

많은 실험은 살아있는 식물의 잎 조직이 메탄을 방출한다는 것을 시사했다.[14] 다른 연구는 식물들이 실제로 메탄을 발생시키는 것이 아니라 단지 흙에서 메탄을 흡수하고 잎 조직을 통해 메탄을 방출하고 있다는 것을 보여주었다.[15]

흙으로

메탄노균은 무산화 토양 환경에서 관찰되어 유기물질의 분해에 기여한다. 이 유기 물질은 매립지를 통해 인간에 의해, 호수나 바다의 바닥에 침전물로, 그리고 퇴적암으로 형성된 퇴적물로부터 잔류 유기 물질로 매장될 수 있다.[16]

지구의 지각에서

메타노균은 대륙과 해양 깊은 생물권의 미생물 집단에서 주목할 만한 부분이다.[17][18][19]

지구온난화의 역할

대기 메탄은 지구온난화 잠재력이 이산화탄소(100년 이상 평균)의 25배에 달하는 중요한 온실가스로 가축의 메탄겐화와 유기물질의 부패가 지구온난화에 상당한 기여를 하고 있다.[20] 그것은 그것이 생성되었을 때 대기 중의 이산화탄소를 다 쓴 유기 물질에 작용한다는 점에서 순 기여자는 아닐지 모르지만, 그것의 전체적인 효과는 이산화탄소를 훨씬 더 강력한 온실 가스인 메탄으로 바꾸는 것이다.

메탄노제시스는 또한 유익하게 이용될 수 있고, 유기 폐기물을 처리하고, 유용한 화합물을 생산할 수 있으며, 메탄은 채집되어 연료인 바이오가스로 사용될 수 있다.[21] 그것은 매립지를 통해 처리되는 대부분의 유기물이 분해되는 일차적인 통로다.[22]

외계생명체

참고 항목: 메탄 § 외계 메탄

대기 중 메탄의 존재는 외계 생명체를 찾는 과학적인 역할을 한다. 그 명분은 대기 중의 메탄은 무엇인가가 그것을 보충하지 않는 한 결국 소멸될 것이라는 것이다. 만약 (예를 들어 분광계를 사용하여) 메탄이 검출된다면, 이것은 생명이 존재하거나 최근에 존재했음을 나타낼 수 있다. 이것은 NASA 고다드 비행 센터의 M.J. Mumma에 의해 화성 대기에서 메탄이 발견되었을 때, 그리고 Mars Express Orbiter (2004)[24]에 의해, 그리고 Huygens 탐사선 (2005)에 의해 타이탄 대기에서 확인되었을 때 논의되었다[23].[25] 이 논쟁은 큐리오시티 로버에 의해 화성에서 '변명적인', '메탄의 스파이크'가 발견되면서 더욱 심화되었다.[26]

대기 중 메탄은 화산이나 행성 지각의 다른 틈새에서 나올 수 있으며 동위원소 서명이 없으면 근원지나 근원을 식별하기 어려울 수 있다는 주장도 제기된다.[27][28]

2017년 4월 13일 NASA는 2015년 10월 28일 카시니 궤도 우주선이 급강하한 결과 메탄노제시스 기반 생명체의 모든 성분이 들어 있는 엔셀라두스 플룸이 발견됐다고 확인했다. 2015년 3월에 발표된 이전의 결과는 뜨거운 물이 바다 아래의 암석과 상호작용하고 있다는 것을 시사했다; 새로운 발견은 그 결론을 지지하고 암석이 화학적으로 반응하고 있는 것처럼 보인다는 것을 덧붙인다. 과학자들은 이러한 관측을 통해 플룸 내 가스의 거의 98%가 물이며, 1%는 수소, 나머지는 이산화탄소, 메탄, 암모니아 등 다른 분자들의 혼합물이라고 밝혀냈다.[29]

참고 항목

참조

  1. ^ Katz B. (2011). "Microbial processes and natural gas accumulations". The Open Geology Journal. 5 (1): 75–83. Bibcode:2011OGJ.....5...75J. doi:10.2174/1874262901105010075.
  2. ^ Kietäväinen and Purkamo (2015). "The origin, source, and cycling of methane in deep crystalline rock biosphere". Front. Microbiol. 6: 725. doi:10.3389/fmicb.2015.00725. PMC 4505394. PMID 26236303.
  3. ^ Cramer and Franke (2005). "Indications for an active petroleum system in the Laptev Sea, NE Siberia/publication/227744258_Indications_for_an_active_petroleum_system_in_the_Laptev_Sea_NE_Siberia". Journal of Petroleum Geology. 28 (4): 369–384. Bibcode:2005JPetG..28..369C. doi:10.1111/j.1747-5457.2005.tb00088.x.
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  5. ^ Conrad, Rolf (1999). "Contribution of hydrogen to methane production and control of hydrogen concentrations in methanogenic soils and sediments". FEMS Microbiology Ecology. 28 (3): 193–202. doi:10.1016/s0168-6496(98)00086-5.
  6. ^ Finazzo C, Harmer J, Bauer C, et al. (April 2003). "Coenzyme B induced coordination of coenzyme M via its thiol group to Ni(I) of F430 in active methyl-coenzyme M reductase". 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; Boetius, Antje; Ramette, Alban (31 March 2015). "Global dispersion and local diversification of the methane seep microbiome". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 112 (13): 4015–4020. Bibcode:2015PNAS..112.4015R. doi:10.1073/pnas.1421865112. ISSN 1091-6490. PMC 4386351. PMID 25775520.
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  9. ^ Krüger M, Meyerdierks A, Glöckner FO, et al. (December 2003). "A conspicuous nickel protein in microbial mats that oxidize methane anaerobically". Nature. 426 (6968): 878–81. Bibcode:2003Natur.426..878K. doi:10.1038/nature02207. PMID 14685246. S2CID 4383740.
  10. ^ 라디오 오스트레일리아: "혁신 – 농업의 메탄" 2004년 8월 15일. 2007년 8월 28일 회수.
  11. ^ Hristov, A. N.; et al. (2015). "An inhibitor persistently decreased enteric methane emission from dairy cows with no negative effect on milk production". Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 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). "Isolation of Methanobrevibacter smithii from human feces". 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. ^ "Human Digestive System". Encyclopædia Britannica. Retrieved 22 August 2007.
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  15. ^ "News". 30 October 2014.
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  24. ^ 유럽우주국, 화성 대기의 메탄 https://www.esa.int/esaMI/Mars_Express/SEMZ0B57ESD_0.html
  25. ^ Huygens의 메탄에 대한 Com 기사 https://www.space.com/scienceastronomy/ap_huygens_update_050127.html
  26. ^ Knapton, Sarah (15 March 2016). "Life on Mars: NASA finds first hint of alien life". The Telegraph.
  27. ^ 대기 중 메탄에 대한 새로운 과학 기사 https://www.newscientist.com/article.ns?id=dn7059
  28. ^ 생명의 징표로서의 메탄에 관한 내셔널 지오그래픽 기사 https://news.nationalgeographic.com/news/2004/10/1007_041007_mars_methane.html
  29. ^ Northon, Karen (13 April 2017). "NASA Missions Provide New Insights into 'Ocean Worlds'". NASA. Retrieved 13 April 2017.