: 27 июл 2016 , Венера как возможное будущее Земли , том 69, №3

Есть такая профессия – метан окислять

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.

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.

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.

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

: 27 июл 2016 , Венера как возможное будущее Земли , том 69, №3