Metanogénesis

La metanogénesis o biometanación 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 sólo 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 ambientes 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.

Bioquímica

La metanogénesis en microbios es una forma de respiración anaeróbica. Los metanogenos no usan oxígeno para respirar; de hecho, el oxígeno inhibe el crecimiento de los metanos. El receptor terminal de electrones en metanogénesis no es oxígeno, sino carbono. Las dos vías mejor descritas implican el uso de ácido acético o dióxido de carbono inorgánico como aceptadores de electrones terminales:

CO₂ + 4 H₂ → CH4 + 2 H₂O

CH₃COOH → CH₄ + CO₂

Durante la respiración anaeróbica de los carbohidratos, el H₂ y el acetato se forman en una proporción de 2:1 o inferior, por lo que el H₂ contribuye sólo c. 33% a la metanogénesis, y el acetato contribuye en 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.

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 (formato), metanol, metilaminas, tetrametilamonio, sulfuro de dimetilo y metanotiol. El catabolismo de los compuestos de metilo está mediado por metil transferasas para dar metil coenzima M.

Mecanismo propuesto

La bioquímica de la metanogénesis involucra las siguientes coenzimas y cofactores: F420, coenzima B, coenzima M, metanofurano y metanopterina.

El mecanismo para la conversión de CH
₃–S El enlace en metano implica un complejo ternario de metil coenzima M y coenzima B encaja en un canal terminado por el sitio axial en níquel del cofactor F430. Un mecanismo propuesto invoca la transferencia de electrones desde Ni(I) (para dar Ni(II)), lo 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 vuelve a reducir el Ni(II) en un electrón, regenerando el Ni(I).

Metanogénesis inversa

Algunos organismos pueden oxidar el metano, invirtiendo funcionalmente el proceso de metanogénesis, también conocido como oxidación anaeróbica del metano (OMA). Se han encontrado organismos que realizan OMA en múltiples ambientes marinos y de agua dulce, incluidas filtraciones de metano, respiraderos hidrotermales, sedimentos costeros y zonas de transición de sulfato-metano. Estos organismos pueden lograr una metanogénesis inversa utilizando una proteína que contiene níquel similar a la metil-coenzima M reductasa utilizada por las arqueas metanogénicas. La metanogénesis inversa se produce según la reacción:

Así que...^{2 - 2}
₄ + CH₄ → HCO⁻
₃ + HS⁻ + H₂O

Importancia en el ciclo del carbono

La metanogénesis es el paso final en la descomposición de la materia orgánica. Durante el proceso de desintegración, los aceptores de electrones (como oxígeno, hierro férrico, sulfato y nitrato) se agotan, mientras que se acumulan hidrógeno (H₂) y dióxido de carbono. También se acumulan sustancias orgánicas ligeras producidas por la fermentación. Durante las etapas avanzadas de la desintegración orgánica, todos los aceptores de electrones se agotan excepto el dióxido de carbono. El dióxido de carbono es 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 sólo permite la descomposición de compuestos orgánicos más grandes y produce compuestos orgánicos pequeños. La metanogénesis elimina eficazmente los productos semifinales de la descomposición: hidrógeno, pequeños compuestos orgánicos y dióxido de carbono. Sin metanogénesis, una gran cantidad de carbono (en forma de productos de fermentación) se acumularía en ambientes anaeróbicos.

Ocurrencia natural

En rumiantes

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 animal libera metano principalmente mediante eructos (eructos). Una vaca media emite alrededor de 250 litros de metano al día. De esta manera, los rumiantes contribuyen alrededor del 25% de las emisiones antropogénicas de metano. Un método de control de la producción de metano en rumiantes es alimentarlos con 3-nitrooxipropanol.

En humanos

Algunos humanos producen flatos que contienen metano. En un estudio de las heces de nueve adultos, cinco de las muestras contenían arqueas capaces de producir metano. Se encuentran resultados similares en muestras de gas obtenidas del interior del recto.

Incluso entre humanos cuyos flatos contienen metano, la cantidad está en el rango del 10% o menos de la cantidad total de gas.

En plantas

Muchos experimentos han sugerido que los tejidos de las hojas de las plantas vivas emiten metano. Otras investigaciones han indicado que las plantas en realidad no generan metano; simplemente absorben metano del suelo y luego lo emiten a través de los tejidos de sus hojas.

En suelos

Los metanógenos se observan en ambientes de suelo anóxicos, contribuyendo a la degradación de la materia orgánica. Los humanos pueden colocar esta materia orgánica en vertederos, enterrarla 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.

En la corteza terrestre

Los metanógenos son una parte notable de las comunidades microbianas en la biosfera profunda continental y marina.

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 (promediado durante 100 años) y, por lo tanto, la metanogénesis en el ganado y la descomposición de material orgánico contribuyen considerablemente al calentamiento global. Puede que no sea un contribuyente neto en el sentido de que funciona con material orgánico 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 metanogénesis también se puede aprovechar de forma beneficiosa para tratar residuos orgánicos y producir compuestos útiles, y el metano se puede recolectar y utilizar como biogás, un combustible. Es la vía principal por la que se descompone la mayor parte de la materia orgánica eliminada en los vertederos.

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, por lo tanto, su presencia en dicho planeta o luna indica que algo lo está reponiendo. Si se detecta metano (utilizando un espectrómetro, por ejemplo), esto puede indicar que hay vida, o estuvo recientemente, presente. Esto se debatió cuando M.J. Mumma, del Centro de Vuelo Goddard de la NASA, descubrió metano en la atmósfera marciana y lo verificó el Mars Express Orbiter (2004) y en la atmósfera de Titán la sonda Huygens (2005). Este debate se amplió con el descubrimiento de “picos de metano” transitorios. en Marte por el rover Curiosity.

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.

El 13 de abril de 2017, la NASA confirmó que la inmersión de la nave espacial Cassini el 28 de octubre de 2015 descubrió una columna de Encelado que tiene todos los ingredientes para que se alimenten formas de vida basadas en la metanogénesis. Resultados anteriores, publicados en marzo de 2015, sugirieron que el agua caliente interactúa con las rocas debajo del mar de Encelado; El nuevo hallazgo respalda esa conclusión y agrega 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, incluidas dióxido de carbono, metano y amoníaco.