Анаэробные бактерии научились окислять метан, восстанавливая нитраты

Загадочный консорциум бактерий. Архебактерии, объединенные в кластеры, окрашены в красный цвет, неизвестные эубактерии — в зеленый (фото с сайта noorderlicht.vpro.nl)
Загадочный консорциум бактерий. Архебактерии, объединенные в кластеры, окрашены в красный цвет, неизвестные эубактерии — в зеленый (фото с сайта noorderlicht.vpro.nl)

Группа голландских ученых обнаружила, что в анаэробных условиях на дне водоема неизвестные ранее бактерии способны окислять метан, восстанавливая при этом нитраты и нитриты и выделяя во внешнюю среду молекулярный азот. Причем выяснилось, что участвуют в этом процессе представители двух совершенно разных групп — архебактерии и «настоящие» бактерии, или эубактерии.

На дне пресных водоемов нередко складываются анаэробные условия, поскольку весь имеющийся кислород расходуется бактериями, разлагающими скапливающееся там мертвое органическое вещество (например, остатки растений). В отсутствие кислорода разложение органического вещества также происходит, хотя гораздо медленнее, а его конечным продуктом нередко оказывается метан — CH4. Образуют метан особые бактерии, так называемые метаногены, относящиеся к древней группе архебактерий. Если выделившийся метан попадает в вышележащие слои водной толщи, туда, где есть кислород, он быстро окисляется метанокисляющими бактериями, или, как их еще называют, метанотрофами, — представителями «настоящих» бактерий (эубактерий).

Микробиолог Марк Страус берет из канала пробу донных отложений (фото с сайта noorderlicht.vpro.nl)
Микробиолог Марк Страус берет из канала пробу донных отложений (фото с сайта noorderlicht.vpro.nl)

Ученые предполагали, что возможен процесс, при котором метан окисляется и в анаэробных условиях. Например, электроны могут от метана перемещаться не к кислороду, а к нитратам и нитритам, которые будут восстанавливаться, образуя молекулярный азот. Соответствующее уравнение может быть записано так:

    5CH4 + 8NO3 + 8H+ → 5CO2 + 4N2 + 14H2O

По сути, это реакция денитрификации — давно известная, но в совершенно ином варианте, когда в качестве доноров электронов (восстановителя) выступают разные органические вещества или сера, а не метан. И вот наконец большой группе нидерландских исследователей из Института изучения водных ресурсов и Королевского института морских исследований удалось доказать, что предполагаемый процесс действительно протекает в природе.

Для этого из канала, загрязненного стоками сельскохозяйственного производства, взяли литровую пробу донных осадков и использовали ее как затравку для обогатительной культуры. Условия на дне канала вполне подходили для анаэробного окисления метана: кислород отсутствовал, метан был в изобилии, а кроме того, было довольно много нитратов.

Трансформация соединений азота и углерода в загрязненном водоеме. Пунктирная линия — это раздел между анаэробной зоной (донные отложения) и аэробной (водная толща). Метан, образующийся на дне (1), частично окисляется анаэробно (2), взаимодействуя с нитритами и нитратами. Часть метана проходит выше и окисляется аэробно (3). В левой части рисунка показано образование нитритов и нитратов (4) и обычная денитрификация (5). Рисунок из статьи Thauer, Shima, 2006. Nature, V. 440. P. 878-879
Трансформация соединений азота и углерода в загрязненном водоеме. Пунктирная линия — это раздел между анаэробной зоной (донные отложения) и аэробной (водная толща). Метан (CH4), образующийся на дне (1), частично окисляется анаэробно (2), взаимодействуя с нитритами (NO2) и нитратами (NO3). Часть метана проходит выше и окисляется аэробно (3). В левой части рисунка показано образование нитритов и нитратов (4) и обычная денитрификация (5). Рисунок из статьи Thauer, Shima, 2006. Nature. V. 440. P. 878-879

В лаборатории в культуру (поддерживающуюся в строго анаэробных условиях) всё время подавали метан, а культуральную среду постепенно замещали неорганической, в которой присутствовали нитраты, бикарбонат и необходимые микроэлементы. Спустя 16 месяцев концентрацию нитрата в поступающей свежей среде довели до 6 мМ (миллимолей), но в самой культуре она оставалась весьма невысокой (около 0,1 мМ), что указывало на интенсивное использование этого вещества бактериями.

На рисунке видно, как в культуре в течение суток содержание метана уменьшается, а молекулярного азота возрастет (a), а также как расходуются при этом нитрат и нитрит (b). Опыт проведен в течение 20 часов c культурой, которую выращивали уже 16 месяцев. Концентрации веществ — в микромолях; нитрата — в миллимолях. Рис. из статьи в Nature
На рисунке видно, как в культуре в течение суток содержание метана уменьшается, а молекулярного азота возрастет (a), а также как расходуются при этом нитрат и нитрит (b). Опыт проведен в течение 20 часов c культурой, которую выращивали уже 16 месяцев. Концентрации веществ — в микромолях; нитрата — в миллимолях. Рис. из статьи в Nature

Доказать потребление метана методически было сложнее, но и это удалось, когда в культуру перестали подавать метан, нитриты и нитраты. На рисунке хорошо видно, как при этом падала концентрация потребляемых веществ и как возрастало содержание молекулярного азота. Гораздо труднее было решить вопрос о том, какие же именно бактерии осуществляют анаэробное окисление метана. Выделить их в чистую культуру не удавалось (с чем нередко сталкиваются микробиологи), однако, опираясь на последовательность генов 16S рибосомальной РНК и используя метод флюоресцентной in situ гибридизации (FISH), авторы работы выяснили, что изученный процесс осуществляет консорциум из двух разных бактерий.

Одна из них — эубактерия, близкая тем, что были взяты из анаэробной зоны японского озера Бива, где происходит интенсивная денитрификация (на эту бактерию приходится более 80% клеток). Другая — из группы архебактерий, близка к некоторым описанным формам из сильно загрязненных водоемов (на нее приходится 10-20% клеток). Наличие архебактерий подтверждено и присутствием так называемых «биомаркеров» — специфических веществ, свойственных только определенной группе организмов. Пока неизвестно, каково же «разделение труда» между двумя столь разными микроорганизмами.

Источник: Ashna A. Raghoebarsing, Arjan Pol, Katinka T. van de Pas-Schoonen, Alfons J. P. Smolders, Katharina F. Ettwig, W. Irene C. Rijpstra, Stefan Schouten, Jaap S. Sinninghe Damsté, Huub J. M. Op den Camp, Mike S. M. Jetten, Marc Strous. A microbial consortium couples anaerobic methane oxidation to denitrification // Nature. 2006. V. 440. P. 918-921.

Алексей Гиляров


2
Показать комментарии (2)
Свернуть комментарии (2)

  • Марков Александр  | 17.04.2006 | 22:33 Ответить
    Это очень важное открытие. Во-первых, оно еще раз доказывает, что биохимические возможности прокариот почти неограниченны, и трудно найти такую окислительно-восстановительную реакцию из числа в принципе возможных в земных условиях, на которую бы не было специализированных прокариот, научившихся катализировать эту реакцию специальными ферментами и извлекать из нее пользу для себя (т.е. энергию).

    Во-вторых, это полезно для реконструкции древнейших этапов развития земной жизни. Метаногены появились первыми или одними из первых ("их" реакция: CO2 + H2 = CH4 + H2O). Чтобы биосфера не захлебнулась метаном, кто-то должен был научиться его окислять, а кислорода-то в атмосфере еще не было! Ранее был известен только один вариант анаэробного окилсения метана (археи-метанотрофы, действуя в симбиозе с бактериями-сульфатредукторами, проделывают следующее: CH4 + SO4-- = CO2 + H2S). Теперь, стало быть, нашли еще один вариант: скорее всего, опять археи-метанотрофы, но в симбиозе с другими бактериями - денитрификаторами, анаэробно окисляют метан, восстанавливая нитраты до азота. Попутно первый вариант (через сульфатредукцию) возвращает в круговорот H2S, активно потребляемый (и превращаемый в сульфат) древнейшими аноксигенными фототрофами (пурпурными бактериями), а второй - возвращает в атмосферу азот, изымаемый из нее (и превращаемый в нитрат или нитрит) многочисленными бактериями-нитрификаторами. Таким образом, гипотетические древние геохимические циклы стали еще лучше замыкаться.
    Ответить
  • Алексей Гиляров  | 22.04.2006 | 19:17 Ответить
    Анаэробное окисление метана с помощью нитрита и нитрата - процесс, безусловно очень интересный и наверняка довольно распространенный. Но я бы призвал к осторожности в суждениях о его возможной роли в древней биосфере, в то время, когда в атмосфере еще не было свободного кислорода. Дело в том, что без достаточного количества кислорода не мог протекать процесс нитрификации, т.е. превращения аммония в нитрит, а нитрита в нитрат:
    NH4+ - NO2- - NO3-
    Строго говоря, так называемое ассимиляционное образование нитритов и нитратов происходило, видимо, всегда в процессе усвоения азота цианобактериями и водорослями, но эти нитраты использовались ими для построения собственных тел, а вовсе не были "отходами" реакции, проводимой организмами с целью получения энергии. (Кстати сказать, именно на примере открытой им нитрификации наш гениальный соотечественник С.Н.Виноградский описал впервые явление хемосинтеза, или как теперь его называют "хемолитоавтотрофии", использование автотрофами энергии не света, а окислительно-восстановительных реакций, проводимых организмами с имеющимися в среде неорганическими веществами. Только после этого во внешней среде (в поверхностных водах океана) стали накапливаться нитраты, которые могли использоваться как акцепторы электронов (окислитель) бактериями денитрификаторами. Донором же электронов (восстановителем) в таких случаях являются органические вещества или сера. Процесс денитрификации возможен только в анаэробных условиях, поскольку кислород очень выгодный окислитель и он просто забирает все электроны. Таким образом, замыкание цикла азота (с выходом его в атмосферу) произошло довольно поздно. Об этом, в частности, говорит Поль Фальковски (Falkowski, 1997) при обсуждении долговременного взаимодействия циклов углерода и азота. (Falkowski P. Evolution of the nitrogen cycle and its influence on the biological sequestration of CO2 in the ocean. 387, 272 - 275 (15 May 1997)); http://www.nature.com/nature/journal/v387/n6630/abs/387272a0.html
    К сожалению, в некоторых учебниках экологии, например, Ю. Одума (1986), приводится таблица (перепечатанная из "Геи" Дж. Лавлока), из которой следует, что древняя атмосфера Земли была лишена свободного азота и весь он - биогенного происхождения. По-видимому для этого суждения на самом деле нет никаких оснований и оно исходит из наивной веры в то, что в природе все всегда прекрасно сбалансировано.
    Алексей Гиляров
    Ответить
Написать комментарий


Элементы

© 2005-2017 «Элементы»