Sinh vật methane dưỡng

Đừng nhầm lẫn với Methanogen.

Sinh vật methane dưỡng (còn được gọi là sinh vật ưa methane) là những sinh vật nhân sơ dùng methane (metan) làm nguồn carbon và năng lượng hóa học của chúng. Chúng có thể là vi khuẩn hoặc vi khuẩn cổ, hiếu khí hoặc kị khí nhưng tất cả đều sống phụ thuộc vào hợp chất đơn cacbon.

Sinh vật methane dưỡng sinh sống chủ yếu ở và ở gần những môi trường mà methane được sản sinh, dù cũng có một số nhỏ sử dụng được nguồn methane từ khí quyển. Môi trường sống của chúng bao gồm bãi bùn, đầm lầy, ruộng lúa, bãi rác, đất ngập nước và các khối nước tự nhiên (ao hồ, sông suối, biển,...). Chúng đặc biệt được quan tâm bởi những nhà nghiên cứu về sự ấm lên toàn cầu bởi chúng có khả năng làm giảm lượng methane thải ra khí quyển, từ đó đóng vai trò quan trọng trong cân bằng methane.^[1][2]

Methane dưỡng là một dạng cụ thể của methyl dưỡng - sử dụng các hợp chất đơn carbon có tính khử cao hơn CO₂. Tuy nhiên, một số sinh vật methyl dưỡng vẫn có thể dùng hợp chất đa carbon, còn sinh vật methane dưỡng thì bị phụ thuộc hoàn toàn vào methane và methanol. Những sinh vật methane dưỡng tùy nghi duy nhất đã được phân lập là những loài thuộc chi Methylocella silvestris,^[3][4] Methylocapsa aurea^[5] và một số dòng Methylocystis.^[6]

Sinh vật methane dưỡng thuộc nhóm sinh vật oxi hóa methane. Tuy nhiên, có những sinh vật oxi hóa methane mà không phải sinh vật methane dưỡng. Vì lí do này, sinh vật oxi hóa methane được chia làm hai nhóm: MAB (sinh vật methan dưỡng) và AAOB (sinh vật oxi hóa ammonia) - những sinh vật đồng oxi hóa methane.^[7]

Phân loại

Sinh vật methane dưỡng có thể là vi khuẩn hay vi khuẩn cổ. Nhiều nhóm MOB (vi khuẩn oxi hóa methane) đã được phát hiện. Dấu hiệu phân biệt và nhận biết các nhóm này thường là cấu trúc màng và phương thức cố định formaldehyde.

Vi khuẩn cổ methane dưỡng cũng được chia thành một số nhóm.

Hiếu khí

Trong điều kiện hiếu khí, các sinh vật methane dưỡng hóa hợp oxygen và methane, tạo thành formaldehyde để gắn vào các hợp chất hữu cơ qua con đường serine hoặc con đường RuMP (ribulose monophosphate). Những sinh vật dùng con đường RuMP là type I và X, thuộc họ Methylococcaceae của lớp Gammaproteobacteria. Còn những sinh vật dùng con đường serine là type I, thuộc họ Methylocystaceae^[8] và Beijerinckiaceae của lớp Alphaproteobacteria. Chúng cũng đặc trưng bởi một hệ thống nội màng nơi quá trình oxi hóa methane diễn ra.

Sự methane dưỡng hiếu khí cũng được tìm thấy trong họ Methylacidiphilaceae thuộc ngành Verrucomicrobiota.^[9] Khác với hai dòng vi khuẩn trước, những vi khuẩn này là vi khuẩn tạp dưỡng.^[10][11] Năm 2021, một dòng vi khuẩn thuộc ngành Gemmatimonadota mang tên Candidatus Methylotropicum kingii cũng đã được phát hiện là có thực hiện methane dưỡng hiếu khí, thể hiện rằng sự methane dưỡng xuất hiện ở bốn ngành của giới Vi khuẩn.

Trong một số trường hợp, sự methane dưỡng hiếu khí có thể diễn ra ngay cả trong môi trường thiếu oxi. Candidatus Methylomirabilis oxyfera thuộc ngành NC10 có thể khử nitrite thông qua con đường "nội hiếu khí", trong đó oxygen được sản sinh nội bào sẽ được dùng để oxi hóa menthane.^[12][13] Trong những hồ nước sạch, methanotroph có thể sống trong vùng nước thiếu oxi, nhưng nhận oxi từ các sinh vật dị dưỡng, rồi dùng chính oxi đó để dinh dưỡng hóa methane.^[14]

Chưa có vi khuẩn cổ methane dưỡng nào được tìm thấy.

Kị khí

Trong môi trường kị khí (bao gồm vùng trầm tích, biển, ruộng lúa và dưới lòng đất), sinh vật methane dưỡng có thể dùng một chất nhận electron khác để oxi hóa methane nên không cần sinh vật trợ dưỡng. Những chất này có thể là ion nitrate,^[15] nitrite,^[16] sulfate,^[17] sắt,^[18] hoặc mangan. Những nghiên cứu hải dương học đã tìm thấy rằng methane có thể được oxi hóa kị khí bởi sự hợp tác giữa những tập đoàn vi khuẩn cổ và vi khuẩn khử sulfate.^[19][20] Hình thức AOM (oxi hóa methane kị khí) này chủ yếu sống ở vùng trầm tích biển sâu. Cơ chế cụ thể của loại hình dinh dưỡng này vẫn còn được tranh luận, nhưng giả thuyết phố biến nhất là những vi khuẩn cổ này sử dụng một con đường ngược lại với con đường sinh methane để tạo ra CO₂ và một chất trung gian bí ẩn khác. Chất trung gian này sẽ được vi khuẩn khử sulfate sử dụng để tạo ra H₂S hoặc H₂O.

Dù có hình thức dinh dưỡng tương tự nhau, hai nhóm sinh vật methane dưỡng kị khí và hiếu khí lại chẳng có họ hàng gì với nhau cả. Họ hàng chung gần nhất được biết của sinh vật methane dưỡng kị khí là những sinh vật sinh methane thuộc bộ Methanosarcinales.^[21]

Những loài đặc biệt

Methylococcus capsulatus được sử dụng để sản xuất thức ăn chăn nuôi từ khí tự nhiên.^[22]

Vào năm 2010, một loài vi khuẩn mới mang tên "Candidatus Methylomirabilis oxyfera" thuộc ngành NC10 đã được nhận biết là có thể methane dưỡng để tạo ra nitrite mà không cần sinh vật trợ dưỡng cung cấp oxy.^[23] Theo nghiên cứu của Ettwig et al., đây là vì chúng có cơ chế sản xuất oxy nội bào qua phản ứng tự oxy hóa khử của NO, tạo ra khí oxy và nitơ.

Phân loại

Kể từ nghiên cứu của Whittenbury et al. vào năm 1970, nhiều chủng sinh vật methane dưỡng đã được cô lập và mô tả. Hiện nay, 18 chi Gammaproteobacteria và 5 chi Alphaproteobacteria đã được cô lập và nhận biết, bao gồm khoảng 60 loài.^[24]

Sự oxi hóa methane

Con đường RuMP của sinh vật methane dưỡng type I

Con đường Serine của sinh vật methane dưỡng type II

Những sinh vật methane dưỡng oxi hóa methane bằng cách khử một phân tử oxygen thành H₂O₂ và chuyển methane thành CH3OH sử dụng enzyme methane monooxygenases (MMO).^[25] Có hai loại MMO khác nhau đã được phân lập từ nhóm sinh vật này: MMO tan (sMMO) và MMO hạt (pMMO).

Những tế bào chứa pMMO có sức sống mạnh mẽ hơn và khả năng sử dụng methane cũng cao hơn, so với tế bào chứa sMMO.^[26] Người ta cho rằng ion đồng (Cu) có thể đóng vai trò quan trọng trong cả sự điều hòa tổng hợp pMMO và điều hòa hoạt tính enzyme, vì vậy tế bào pMMO bị giới hạn nhiều hơn trong môi trường giàu đồng, so với tế bào tạo sMMO.^[27]

Xem thêm

• Borg (vi sinh vật học)

Tham khảo

1. Oremland RS, Culbertson CW (1992). “Importance of methane-oxidizing bacteria in the methane budget as revealed by the use of a specific inhibitor”. Nature. 356 (6368): 421–423. Bibcode:1992Natur.356..421O. doi:10.1038/356421a0. S2CID 4234351.
2. Holmes AJ, Roslev P, McDonald IR, Iversen N, Henriksen K, Murrell JC (tháng 8 năm 1999). “Characterization of methanotrophic bacterial populations in soils showing atmospheric methane uptake”. Applied and Environmental Microbiology. 65 (8): 3312–8. Bibcode:1999ApEnM..65.3312H. doi:10.1128/AEM.65.8.3312-3318.1999. PMC 91497. PMID 10427012.
3. Dedysh SN, Knief C, Dunfield PF (tháng 7 năm 2005). “Methylocella species are facultatively methanotrophic”. Journal of Bacteriology. 187 (13): 4665–70. doi:10.1128/JB.187.13.4665-4670.2005. PMC 1151763. PMID 15968078.
4. Chen Y, Crombie A, Rahman MT, Dedysh SN, Liesack W, Stott MB, và đồng nghiệp (tháng 7 năm 2010). “Complete genome sequence of the aerobic facultative methanotroph Methylocella silvestris BL2”. Journal of Bacteriology. 192 (14): 3840–1. doi:10.1128/JB.00506-10. PMC 2897342. PMID 20472789.
5. Dunfield PF, Belova SE, Vorob'ev AV, Cornish SL, Dedysh SN (tháng 11 năm 2010). “Methylocapsa aurea sp. nov., a facultative methanotroph possessing a particulate methane monooxygenase, and emended description of the genus Methylocapsa”. International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology. 60 (Pt 11): 2659–2664. doi:10.1099/ijs.0.020149-0. PMID 20061505.
6. Belova SE, Baani M, Suzina NE, Bodelier PL, Liesack W, Dedysh SN (tháng 2 năm 2011). “Acetate utilization as a survival strategy of peat-inhabiting Methylocystis spp”. Environmental Microbiology Reports. 3 (1): 36–46. doi:10.1111/j.1758-2229.2010.00180.x. PMID 23761229.
7. Holmes AJ, Roslev P, McDonald IR, Iversen N, Henriksen K, Murrell JC (tháng 8 năm 1999). “Characterization of methanotrophic bacterial populations in soils showing atmospheric methane uptake”. Applied and Environmental Microbiology. 65 (8): 3312–8. Bibcode:1999ApEnM..65.3312H. doi:10.1128/AEM.65.8.3312-3318.1999. PMC 91497. PMID 10427012.
8. Stein LY, Roy R, Dunfield PF (16 tháng 4 năm 2012). “Aerobic Methanotrophy and Nitrification: Processes and Connections”. eLS (bằng tiếng Anh). Chichester, UK: John Wiley & Sons, Ltd. tr. a0022213. doi:10.1002/9780470015902.a0022213. ISBN 978-0-470-01617-6. Truy cập ngày 17 tháng 1 năm 2021.
9. Op den Camp HJ, Islam T, Stott MB, Harhangi HR, Hynes A, Schouten S, và đồng nghiệp (tháng 10 năm 2009). “Environmental, genomic and taxonomic perspectives on methanotrophic Verrucomicrobia”. Environmental Microbiology Reports. 1 (5): 293–306. doi:10.1111/j.1758-2229.2009.00022.x. PMID 23765882.
10. Carere CR, Hards K, Houghton KM, Power JF, McDonald B, Collet C, và đồng nghiệp (tháng 11 năm 2017). “Mixotrophy drives niche expansion of verrucomicrobial methanotrophs”. The ISME Journal. 11 (11): 2599–2610. doi:10.1038/ismej.2017.112. PMC 5649168. PMID 28777381.
11. Sharp CE, Stott MB, Dunfield PF (2012). “Detection of autotrophic verrucomicrobial methanotrophs in a geothermal environment using stable isotope probing”. Frontiers in Microbiology. 3: 303. doi:10.3389/fmicb.2012.00303. PMC 3421453. PMID 22912630.
12. Ettwig KF, Butler MK, Le Paslier D, Pelletier E, Mangenot S, Kuypers MM, và đồng nghiệp (tháng 3 năm 2010). “Nitrite-driven anaerobic methane oxidation by oxygenic bacteria” (PDF). Nature. 464 (7288): 543–8. Bibcode:2010Natur.464..543E. doi:10.1038/nature08883. PMID 20336137. S2CID 205220000.
13. Zhu B, van Dijk G, Fritz C, Smolders AJ, Pol A, Jetten MS, Ettwig KF (tháng 12 năm 2012). “Anaerobic oxidization of methane in a minerotrophic peatland: enrichment of nitrite-dependent methane-oxidizing bacteria”. Applied and Environmental Microbiology. 78 (24): 8657–65. Bibcode:2012ApEnM..78.8657Z. doi:10.1128/AEM.02102-12. PMC 3502929. PMID 23042166.
14. Milucka J, Kirf M, Lu L, Krupke A, Lam P, Littmann S, và đồng nghiệp (tháng 9 năm 2015). “Methane oxidation coupled to oxygenic photosynthesis in anoxic waters”. The ISME Journal. 9 (9): 1991–2002. doi:10.1038/ismej.2015.12. PMC 4542029. PMID 25679533.
15. Haroon MF, Hu S, Shi Y, Imelfort M, Keller J, Hugenholtz P, và đồng nghiệp (tháng 8 năm 2013). “Anaerobic oxidation of methane coupled to nitrate reduction in a novel archaeal lineage”. Nature. 500 (7464): 567–70. Bibcode:2013Natur.500..567H. doi:10.1038/nature12375. PMID 23892779. S2CID 4368118.
16. Haroon MF, Hu S, Shi Y, Imelfort M, Keller J, Hugenholtz P, và đồng nghiệp (tháng 8 năm 2013). “Anaerobic oxidation of methane coupled to nitrate reduction in a novel archaeal lineage”. Nature. 500 (7464): 567–70. Bibcode:2013Natur.500..567H. doi:10.1038/nature12375. PMID 23892779. S2CID 4368118.
17. Milucka J, Ferdelman TG, Polerecky L, Franzke D, Wegener G, Schmid M, và đồng nghiệp (tháng 11 năm 2012). “Zero-valent sulphur is a key intermediate in marine methane oxidation”. Nature. 491 (7425): 541–6. Bibcode:2012Natur.491..541M. doi:10.1038/nature11656. PMID 23135396. S2CID 32356495.
18. Ettwig KF, Zhu B, Speth D, Keltjens JT, Jetten MS, Kartal B (tháng 11 năm 2016). “Archaea catalyze iron-dependent anaerobic oxidation of methane”. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 113 (45): 12792–12796. doi:10.1073/pnas.1609534113. PMC 5111651. PMID 27791118.
19. Offre P, Spang A, Schleper C (8 tháng 9 năm 2013). “Archaea in biogeochemical cycles”. Annual Review of Microbiology. 67 (1): 437–57. doi:10.1146/annurev-micro-092412-155614. PMID 23808334.
20. Thauer RK (tháng 6 năm 2011). “Anaerobic oxidation of methane with sulfate: on the reversibility of the reactions that are catalyzed by enzymes also involved in methanogenesis from CO2”. Current Opinion in Microbiology. 14 (3): 292–9. doi:10.1016/j.mib.2011.03.003. PMID 21489863.
21. Boetius A, Ravenschlag K, Schubert CJ, Rickert D, Widdel F, Gieseke A, và đồng nghiệp (tháng 10 năm 2000). “A marine microbial consortium apparently mediating anaerobic oxidation of methane”. Nature. 407 (6804): 623–6. Bibcode:2000Natur.407..623B. doi:10.1038/35036572. PMID 11034209. S2CID 205009562.
22. Le Page M (19 tháng 11 năm 2016). “Food made from natural gas will soon feed farm animals – and us”. New Scientist (bằng tiếng Anh). Truy cập ngày 11 tháng 12 năm 2016.
23. Ettwig KF, Butler MK, Le Paslier D, Pelletier E, Mangenot S, Kuypers MM, và đồng nghiệp (tháng 3 năm 2010). “Nitrite-driven anaerobic methane oxidation by oxygenic bacteria” (PDF). Nature. 464 (7288): 543–8. Bibcode:2010Natur.464..543E. doi:10.1038/nature08883. PMID 20336137. S2CID 205220000.
24. Orata FD, Meier-Kolthoff JP, Sauvageau D, Stein LY (2018). “Phylogenomic Analysis of the Gammaproteobacterial Methanotrophs (Order Methylococcales) Calls for the Reclassification of Members at the Genus and Species Levels”. Frontiers in Microbiology. 9: 3162. doi:10.3389/fmicb.2018.03162. PMC 6315193. PMID 30631317.
25. Hanson RS, Hanson TE (tháng 6 năm 1996). “Methanotrophic bacteria”. Microbiological Reviews. 60 (2): 439–71. doi:10.1128/MMBR.60.2.439-471.1996. PMC 239451. PMID 8801441.
26. Hanson RS, Hanson TE (tháng 6 năm 1996). “Methanotrophic bacteria”. Microbiological Reviews. 60 (2): 439–71. doi:10.1128/MMBR.60.2.439-471.1996. PMC 239451. PMID 8801441.
27. Lieberman RL, Rosenzweig AC (2004). “Biological methane oxidation: regulation, biochemistry, and active site structure of particulate methane monooxygenase”. Critical Reviews in Biochemistry and Molecular Biology. 39 (3): 147–64. doi:10.1080/10409230490475507. PMID 15596549. S2CID 21628195.

Liên kết ngoài

• Sự oxy hóa methane kị khí
• Methane-Eating Bug Holds Promise For Cutting Greenhouse Gas. Media Release, GNS Science, New Zealand