Metanogênese - Methanogenesis

Metanogênese ou biometanação é a formação de metano por micróbios conhecidos como metanógenos . Organismos capazes de produzir metano foram identificados apenas no domínio Archaea , um grupo filogeneticamente distinto de eucariotos e bactérias , embora muitos vivam em estreita associação com bactérias anaeróbias. A produção de metano é uma forma importante e difundida de metabolismo microbiano . Em ambientes anóxicos , é a etapa final na decomposição da biomassa . A metanogênese é responsável por quantidades significativas de acúmulos de gás natural, sendo o restante termogênico.

Bioquímica

Ciclo para metanogênese, mostrando intermediários.

A metanogênese em micróbios é uma forma de respiração anaeróbica . Os metanógenos não usam oxigênio para respirar; na verdade, o oxigênio inibe o crescimento de metanógenos. O aceptor terminal de elétrons na metanogênese não é o oxigênio, mas o carbono. O carbono pode ocorrer em um pequeno número de compostos orgânicos, todos com baixo peso molecular. As duas vias mais bem descritas envolvem o uso de ácido acético ou dióxido de carbono inorgânico como aceitadores de elétrons terminais:

CO 2 + 4 H 2CH 4 + 2 H 2 O
CH 3 COOH → CH 4 + CO 2

Durante a respiração anaeróbica de carboidratos, H 2 e acetato são formados em uma proporção de 2: 1 ou menos, então H 2 contribui apenas com ca. 33% para a metanogênese, com o acetato contribuindo com a maior proporção. Em algumas circunstâncias, por exemplo, no rúmen , onde o acetato é amplamente absorvido pela corrente sanguínea do hospedeiro, a contribuição de H 2 para a metanogênese é maior.

No entanto, dependendo do pH e da temperatura, a metanogênese demonstrou usar carbono de outros pequenos compostos orgânicos, como ácido fórmico (formato), metanol , metilaminas , tetrametilamônio , sulfeto de dimetil e metanotiol . O catabolismo dos compostos metil é mediado por metil transferases para dar metil coenzima M.

Mecanismo proposto

A bioquímica da metanogênese envolve as seguintes coenzimas e cofatores: F420 , coenzima B , coenzima M , metanofurano e metanopterina .

O mecanismo para a conversão de CH
3
A
ligação -S em metano envolve um complexo ternário de metil coenzima M e a coenzima B se encaixa em um canal terminado pelo sítio axial no níquel do cofator F430. Um mecanismo proposto invoca a transferência de elétrons de Ni (I) (para dar Ni (II)), que inicia a formação de CH
4
. O acoplamento do radical tiil da coenzima M (RS . ) Com a coenzima B do HS libera um próton e
redefine o Ni (II) por um elétron, regenerando o Ni (I).

Metanogênese reversa

Alguns organismos podem oxidar o metano, revertendo funcionalmente o processo de metanogênese, também conhecido como oxidação anaeróbica do metano (OMA). Organismos que realizam OMA foram encontrados em vários ambientes marinhos e de água doce, incluindo infiltrações de metano, fontes hidrotermais, sedimentos costeiros e zonas de transição sulfato-metano. Esses organismos podem realizar metanogênese reversa usando uma proteína contendo níquel semelhante à metil-coenzima M redutase usada por arquéias metanogênicas. A metanogênese reversa ocorre de acordo com a reação:

SO 4 2− + CH 4 → HCO 3 - + HS - + H 2 O

Importância no ciclo do carbono

A metanogênese é a etapa final na decomposição da matéria orgânica. Durante o processo de decaimento, os aceptores de elétrons (como oxigênio , ferro férrico , sulfato e nitrato ) se esgotam, enquanto o hidrogênio (H 2 ) e o dióxido de carbono se acumulam. Os orgânicos leves produzidos pela fermentação também se acumulam. Durante os estágios avançados de decadência orgânica, todos os aceptores de elétrons se esgotam, exceto o dióxido de carbono. O dióxido de carbono é um produto da maioria dos processos catabólicos, portanto, não é esgotado como outros aceptores de elétrons potenciais.

Apenas a metanogênese e a fermentação podem ocorrer na ausência de outros aceptores de elétrons além do carbono. A fermentação permite apenas a quebra de compostos orgânicos maiores e produz pequenos compostos orgânicos. A metanogênese remove com eficácia os produtos semifinais da decomposição: hidrogênio, pequenos compostos orgânicos e dióxido de carbono. Sem metanogênese, uma grande quantidade de carbono (na forma de produtos de fermentação) se acumularia em ambientes anaeróbicos.

Ocorrência natural

Em ruminantes

Testando ovelhas australianas para produção de metano exalado (2001), CSIRO

A fermentação entérica ocorre no intestino de alguns animais, especialmente ruminantes. No rúmen , os organismos anaeróbicos, incluindo os metanógenos, digerem a celulose em formas nutritivas para o animal. Sem esses microrganismos, animais como o gado não seriam capazes de consumir gramíneas. Os produtos úteis da metanogênese são absorvidos pelo intestino, mas o metano é liberado do animal principalmente por arrotos (eructação). A vaca média emite cerca de 250 litros de metano por dia. Dessa forma, os ruminantes contribuem com cerca de 25% das emissões antropogênicas de metano . Um método de controle da produção de metano em ruminantes é alimentando-os com 3-nitrooxipropanol .

Em humanos

Alguns humanos produzem flatos que contém metano. Em um estudo das fezes de nove adultos, cinco das amostras continham arquéias capazes de produzir metano. Resultados semelhantes são encontrados em amostras de gás obtidas de dentro do reto .

Mesmo entre os humanos cujos flatos contêm metano, a quantidade está na faixa de 10% ou menos da quantidade total de gás.

Nas plantas

Muitos experimentos sugeriram que os tecidos das folhas das plantas vivas emitem metano. Outra pesquisa indicou que as plantas não estão realmente gerando metano; eles estão apenas absorvendo metano do solo e, em seguida, emitindo-o através dos tecidos foliares.

Em solos

Metanógenos são observados em ambientes anóxicos do solo, contribuindo para a degradação da matéria orgânica. Esta matéria orgânica pode ser depositada pelo homem em aterros sanitários, enterrada como sedimento no fundo de lagos ou oceanos como sedimentos, e como matéria orgânica residual de sedimentos que se formaram em rochas sedimentares.

Na crosta terrestre

Os metanógenos são uma parte notável das comunidades microbianas na biosfera continental e marinha profunda .

Papel no aquecimento global

O metano atmosférico é um importante gás de efeito estufa com um potencial de aquecimento global 25 vezes maior do que o dióxido de carbono (em média mais de 100 anos), e a metanogênese na pecuária e a decomposição de matéria orgânica é, portanto, um contribuinte considerável para o aquecimento global. Pode não ser um contribuinte líquido no sentido de que funciona com material orgânico que usou todo o dióxido de carbono atmosférico quando foi criado, mas seu efeito geral é converter o dióxido de carbono em metano, que é um gás de efeito estufa muito mais potente.

A metanogênese também pode ser explorada de forma benéfica, para tratar resíduos orgânicos , para produzir compostos úteis, e o metano pode ser coletado e usado como biogás , um combustível. É a principal via pela qual a maior parte da matéria orgânica descartada em aterros é decomposta.

Vida extraterrestre

A presença de metano atmosférico tem um papel importante na busca científica por vida extraterrestre . A justificativa é que o metano na atmosfera acabará se dissipando, a menos que algo o esteja recarregando. Se o metano for detectado (usando um espectrômetro, por exemplo), isso pode indicar que a vida está, ou esteve recentemente. Isso foi debatido quando o metano foi descoberto na atmosfera marciana por MJ Mumma do Goddard Flight Center da NASA, e verificado pelo Mars Express Orbiter (2004) e na atmosfera de Titan pela sonda Huygens (2005). Este debate foi aprofundado com a descoberta de 'transitórios', 'picos de metano' em Marte pelo Curiosity Rover .

Também é argumentado que o metano atmosférico pode vir de vulcões ou outras fissuras na crosta do planeta e que, sem uma assinatura isotópica , a origem ou fonte pode ser difícil de identificar.

Em 13 de abril de 2017, a NASA confirmou que o mergulho da espaçonave orbital Cassini em 28 de outubro de 2015 descobriu a pluma de Enceladus que tem todos os ingredientes para se alimentar de formas de vida baseadas na metanogênese. Resultados anteriores, publicados em março de 2015, sugeriram que a água quente está interagindo com as rochas no fundo do mar; as novas descobertas apóiam essa conclusão e acrescentam que a rocha parece estar reagindo quimicamente. A partir dessas observações, os cientistas determinaram que quase 98% do gás na pluma é água, cerca de 1% é hidrogênio e o resto é uma mistura de outras moléculas, incluindo dióxido de carbono, metano e amônia.

Veja também

Referências