Все последние события из жизни вулканологов, сейсмологов
Японцев, Американцев и прочих несчастных, которым повезло родиться, жить
и умереть в зоне сейсмической активности

Стихия

Землетрясение, Извержения вулканов, Ледяной дождь, Лесные пожары, Ливни, Наводнения, Огненный смерч, Паводок, Смерчи (Торнадо), Тайфуны, Тектонический разлом, Ураганы, Цунами, град, ледоход

Вулканы

Авачинский, Асо, Безымянный, Везувий, Йеллоустоун, Кампи Флегрей, Карангетанг, Килауэа, Ключевская Сопка, Мерапи, Мон-Пеле, Невадос-де-Чильян, Питон-де-ла-Фурнез, Сабанкая, Тавурвур, Толбачик, Фуэго, Хурикес, Шивелуч, Этна

Тайфуны

Тайфун Нору

Наводнения

Наводнение в Приморье

Районы вулканической активности

Вулканы Камчатки, Вулканы Мексики, Курилы

Грязевые вулканы и гейзеры

Локбатан

Природа

Вулканы, Изменение климата, Красота природы

Наука

Археология, Вулканология

Наша планета

Живая природа, Спасение животных

Ураганы

Тайфун Мэттью, Ураган Ирма, Ураган Харви, ураган Мария

Районы сейсмической активности

Землетрясение в Италии, Землетрясение в Китае, Землетрясение в Турции

Солнечная система

Венера, Марс, Меркурий, Планета Земля, Плутон, Сатурн, Юпитер

Космос

экзопланеты

Астрономические события

Лунное затмение, Метеориты, Противостояние Марса, Суперлуние

Антропогенные факторы

Климатическое оружие

Землетрясения

Прогноз землетрясений

2018-01-01 09:00

Есть такая профессия – метан окислять

Есть такая профессия – метан окислять

На планете человек сосуществует с огромным, невидимым глазу миром микроорганизмов – царством бактерий. В этом царстве все как у людей: бактерии дружат «по интересам», а некоторые предпочитают жить по принципу «ты мне – я тебе». Специальностей у бактерий много, и все они профессионалы в своей области. Например, метанотрофы «едят» метан и могут жить в самых разных, в том числе экстремальных, условиях среды. Метанокисляющие организмы были обнаружены и в микробных сообществах «грязевых вулканов» в тектонически активных зонах Байкала рядом с глубинными выходами метана

Метан – это предельно восстановленное органическое соединение, недоступное для живых организмов. Исключение составляют метанокисляющие бактерии (метанотрофы) – уникальные биологические системы, которые используют метан в качестве единственного источника энергии и углерода. Окисляя этот простейший углеводород, они производят углекислый газ – «пищу» для фотосинтезирующих растений.

Метанотрофы обнаруживаются в самых разных экосистемах, поскольку основными факторами, определяющими их жизнедеятельность, служит наличие метана и кислорода. Источников же метана в биосфере много. Основными естественными «поставщиками» метана являются северные увлажненные экосистемы – болота и тундра с заболоченными почвами, а также осадочные отложения морей, озер, прудов и т.?п. Много метана выделяют рисовые поля, термитники и, как ни удивительно, крупный рогатый скот. Среди антропогенных источников метана – свалки и разрабатываемые месторождения каменного угля и природного газа.

Важная роль метана в биосфере Земли определяется его способностью поглощать инфракрасное излучение, отраженное от поверхности планеты. И хотя его концентрация в атмосфере невелика, он занимает второе место после углекислого газа в списке так называемых «парниковых газов», влияющих на состояние климата. В этом смысле метанотрофы являются своего рода биологическим фильтром, препятствующим избыточной эмиссии метана в атмосферу.

В вечной мерзлоте и желудке коровы

Многоступенчатый процесс окисления метана у метанотрофов осуществляется благодаря особой ферментной системе. Первичную «атаку» молекулы субстрата осуществляет сложный ферментный комплекс – метанмонооксигеназа. Образующиеся затем промежуточные продукты реакции (метанол, формальдегид и формиат) последовательно окисляются специфическими ферментами.

Ассимиляция формальдегида у разных метанокисляющих бактерий происходит в разных биохимических циклах. У метанотрофов I типа этот процесс идет по рибулозомонофосфатному пути (РМФ), II типа – по сериновому, а ряд метанотрофов объединен в так называемую группу X, потому что помимо РМФ-пути они используют еще и цикл Кальвина.

Разноногие рачки Polyacanthisca calceolate (вверху) образуют большие скопления над полями залегания байкальских газовых гидратов (фото слева внизу). Общая численность придонного сообщества амфипод в зоне метановой разгрузки «Санкт-Петербург» в 4—6 раз выше, чем в других районах озера. Пищевая цепь этого сообщества включает, помимо криптофитовых водорослей, жгутиковых и цианобактерий, метанотрофные бактерии, благодаря которым метан вовлекается в круговорот углерода.Эпифлюоресцентная микроскопия. По: (Земская, 2010)


Метанотрофы, способные к активной жизнедеятельности при отрицательных температурах, представляют интерес и как модельные объекты для астробиологии, поскольку метан, метанол и формальдегид являются компонентами не только земной криолитосферы. Есть мнение, что такие метанокисляющие микроорганизмы занимают определенное место в гипотетической криптобиосфере Марса (Троценко, Хмеленина, 2008)

Различные пути метаболизма отражаются на внутреннем строении клетки. Особенностью метанотрофных бактерий является наличие обширно развитой системы внутрицитоплазматических мембран. У метанотрофов I и Х типа эта система в виде «сложенных стопочек» располагается в центре клетки, а у II типа – по клеточной периферии. Тип расположения служит таксономическим признаком, и в этом смысле ультратонкий срез бактериальной клетки не просто напоминает отпечаток пальца человека, но также, как и он, может использоваться для идентификации.

Долгие годы с момента открытия метанокисляющих бактерий в 1905 г. процесс метанотрофии считался строго аэробным, т.?е. идущим только в присутствии свободного кислорода. Однако с 80-х гг. прошлого века ученые стали обнаруживать зоны ассимиляции метана в анаэробных районах. Потребовалось еще много лет, прежде чем было доказано, что в морских осадках этот процесс осуществляется сообществом архей и сульфатредуцирующих бактерий (Boetius et al., 2000).

Для пресноводных же осадков определены несколько возможностей. Во-первых, сообществом архей и бактерий-денитрификаторов, восстанавливающих нитраты до нитритов (Raghoebarsing et al., 2006); во-вторых, бактериями-метаногенами, которые при определенных концентрациях метана «переворачивают» свой метаболизм, переключаясь на процесс его окисления (Wang et al., 2014). Однако в лабораторных условиях пока не удалось получить культуры микроорганизмов, способных окислять метан в отсутствии кислорода, и ученые всего мира продолжают заниматься решением этой проблемы.

Большинство известных на сегодня метанотрофов обитают в «комфортном» диапазоне температур (20–35?°С). Однако в последнее время появились доказательства существования метанотрофов в активной форме и в экстремальных условиях. Например, разнообразные метанокисляющие организмы были обнаружены в многолетнемерзлых породах Колымской низменности. Предполагается, что даже после длительного (тысячи, миллионы лет) пребывания в вечной мерзлоте метанотрофы остаются способными к активной жизнедеятельности и могут окислять и ассимилировать метан, в том числе при отрицательной температуре (Троценко, Хмеленина, 2008). Среди метанотрофов встречаются и термофильные представители, обитающие при температуре выше 40?°С. Эти микроорганизмы также выделены из очень щелочных (рН > 9,0) и очень кислых (рН < 5,0) сред. Все эти данные позволяют говорить об огромном диапазоне адаптационных возможностей метанотрофов.

Метанотрофы на Байкале

Озеро Байкал – глубочайшее (максимальная глубина 1637 м) пресноводное озеро в мире – расположено в центре тектонически активной рифтовой зоны. В Среднем и Южном Байкале в конце прошлого века были обнаружены залежи газогидратов, содержащие метан, «законсервированный» в кристаллической решетке из молекул воды (Кузьмин и др., 1998). По сути, все озеро Байкал является резервуаром, в донных осадках которого содержится огромное количество этого газа.

Первые исследования метанотрофии на Байкале были проведены в начале 1990-х гг. Б.?Б. Намсараевым (Институт общей экспериментальной биологии СО РАН, Улан-Удэ) и Т.?И. Земской (Лимнологический институт СО РАН, Иркутск). С помощью иммунофлуоресцентного и радиоизотопного метода были получены данные о скорости окисления метана, численности и биоразнообразии метанотрофов в районе выхода гидротемального источника в бухте Фролиха на Северном Байкале (Намсараев, Земская, 2000). В последние годы исследователи заговорили о проблеме увеличения содержания метана в байкальской воде и возможных причинах этого явления (Гранин и др., 2014), и в этом смысле всестороннее изучение биоразнообразия и потенциала микроорганизмов, участвующих в цикле метана, становится актуальной задачей.

На ультратонком срезе клеток байкальских метанотрофов I (а) и II (б) типа отчетливо видны «стопочки» внутрицитоплазматических мембран, расположение которых служит таксономическим признаком. Трансмиссионная электронная микроскопия. Слева – байкальские бактерии-метанотрофы из образца придонной воды. Эпифлуоресцентная микроскопия

Сегодня в лаборатории микробиологии углеводородов ЛИН СО РАН метанотрофия в районах грязевых вулканов, горячих и холодных выходов углеводородов исследуется с помощью комплекса классических микробиологических, а также современных физико-химических и молекулярных методов. В том числе при погружениях на глубоководных обитаемых аппаратах «МИР» в месте выхода газовых гидратов на глубине 1400 м были обнаружены желеобразные микробные маты, состоящие из метанотрофных бактерий, архей и цианобактерий (Zemskaya et al., 2015).

Так как вся водная толща озера и верхние 5—10 см донных осадков насыщены кислородом, метанотрофные бактерии обнаруживаются на всех глубинах. Оценить их численность в природном образце позволяет метод флуоресцентной in situ гибридизации (FISH), при котором используются специфические олигонуклеотидные зонды. Наибольшие величины численности и скорости окисления метана были отмечены в придонных зонах грязевых вулканов и в верхних слоях водной толщи (Захаренко и др., 2015; Pimenov et al., 2014).

Благодаря использованию метода массового параллельного секвенирования, дающего возможность единовременно анализировать несколько сот тысяч нуклеотидных последовательностей, было обнаружено, что видовой состав метанотрофного сообщества донных осадков и водной толщи различается. Этим методом удалось выявить не только доминирующие микроорганизмы, но и уникальные линии метанотрофов, не имеющие культивируемых гомологов, которые могут быть байкальскими эндемиками.

Состав сообществ бактерий метанотрофов, обитающих в донных осадках и водной толще Байкала, различается. Предположительно, в них имеются уникальные линии, которые могут быть байкальскими эндемиками. Сканирующая электронная микроскопия

В метанотрофных микроорганизмах сегодня исследователей привлекает не только их значимость в качестве метанассимилирующей системы, но и богатый «внутренний мир». Речь идет о способности синтезировать полезные продукты, довольствуясь минимальными питательными ресурсами, а также разлагать широкий спектр высокотоксичных соединений. Эти их свойства обусловливают перспективность аэробных метанотрофов для биотехнологий, в том числе технологий биологической очистки.

Бактериальную биомассу, полученную «на метане», по аминокислотному составу и содержанию витаминов можно приравнять к рыбной и соевой муке и сухому молоку. А биопротектор эктоин, который накапливается в клетках этих бактерий, даже рассматривают как потенциальное средство терапии диабета и болезни Альцгеймера (Троценко, Хмеленина, 2008).

В этом смысле эра изучения байкальских метанотрофов только начинается. Несмотря на то что наши знания постоянно пополняются, а спектр методов, с помощью которых мы сегодня можем исследовать эту очень важную для нашей планеты группу микроорганизмов, расширяется, мы сегодня прикоснулись лишь к самой вершине айсберга, основная часть которого в прямом смысле слова пока еще скрыта в глубоких водах Байкала.

Литература

Гранин Н.?Г., Верещагина О.?Ф., Козлов В.?В. и др. Изменение концентрации метана в озере Байкал: возможная причина // Рос. конф. «Газовые гидраты в экосистеме Земли 2014», 7—10 апреля 2014 г. Новосибирск: ИНХ СО РАН, 2014. C. 25.

Захаренко А.?С., Пименов Н.?В., Иванов В.?Г. и др. Окисление метана в водные толще районы газо- и нефтепроявлений Среднего и Южного Байкала // Микробиология. 2015. Т. 84. С. 98—106.

Кузьмин М. И., Калмычков Г. В., Гелетий В. А. и др. Первая находка ГГ в осадочные толще озера Байкал // Докл. РАН. 1998. Т. 362, № 4. С. 541—543.

Намсараев Б.?Б., Земская Т.?И. Микробиологические процессы круговорота углерода в донных осадках озера Байкал // Новосибирск: Изд-во СО РАН, филиал «Гео», 2000. 160 с.

Троценко Ю.?А., Хмеленина В.?Н. Экстремофильные метанотрофы. Пущино: ОНТИ ПНЦ РАН, 2008. 206 с.

Boetius A., Ravenschlag K., Schubert C.?J. et al. // Nature. 2000. V. 407. P. 623—626.

Raghoebarsing A.?A., Arjan P. et al. A microbial consortium couples anaerobic methane oxidation to denitrification // Nature. 2006. V. 440. P. 918—921.

Zemskaya T.?I., Lomakina A.?V., Shubenkova O.?V. et al. Jelly-like microbial mats over subsurface fields of gas hydrates at the st. Peterburg methane seep (Central Baikal) // Geomicrobiology J. 2015. V. 32. P. 89—100.

Wang F.?P., Zhang Y., Chen Y. et al. Methanotrophic archaea possessing diverging methane-oxidizing and electron-transporting pathways // ISME J. 2014. V. 8. P. 1069—1078

Работа выполнена в рамках проекта ФАНО № 0345-2014-0009


Источник: scfh.ru