Метаногены — это археи, которые образуют метан как побочный продукт катаболизма в бескислородных условиях. Широко распространены в заболоченных территориях и в желудочно-кишечном тракте животных включая жвачных млекопитающих и человека. В глубинах океанов биосинтез метана археями обычно пространственно располагается в местах выхода сульфатов. Некоторые являются экстремофилами и обитают в горячих источниках и на больших глубинах, а также на скалах и на глубине многих километров в земной коре.
Метанобразующие археи играли важную роль в архейском эоне. Своей жизнедеятельностью образовывали парниковый газ - метан, который преобладал в атмосфере архейского эона для сохранения тепла от Солнца на Земле.
Физиология, экология Их метаболизм встречается при температуре от 0 до 70 ° С, некоторые способны функционировать даже при 90 ° С, при более высоких температурах гибнут. По мере повышения температуры метаболическая эффективность увеличивается. Метаногенная бактериальная среда должна иметь анаэробный, нейтральный или слабощелочной рН и содержать не менее 50 % воды. Вот почему они чаще всего встречаются в: болотах, рисовых культурах, навозе, жидком навозе или в пищеварительной системе жвачных животных. Ингибитором метаногенных бактерий являются: органические кислоты, кислород и дезинфицирующие средства. Они также живут в: кишечнике позвоночных и пищеварительной системе термитов.
Некоторые из них, так называемые гидротрофы, используют водород в качестве источника энергии (восстанавливающий агент) и углекислый газ как источник углерода. Часть углекислоты реагирует с водородом, производя метан и создавая протонный градиент через мембрану, который используется для синтеза АТФ. В отличие от них, растения и водоросли используют как восстанавливающий агент воду. Другие метаногены используют ацетат (CH3 COO−) в качестве источника углерода и источник энергии. Этот тип метаболизма называется «ацетотрофным», где ацетат разрушается, производя углекислый газ и метан. Другие метаногены могут использовать метилированные соединения, например метиламины , метанол и метантиол.
Метаногены играют жизненно важную экологическую роль в анаэробных окружениях, удаляя дополнительный водород и продукты анаэробного метаболизма, которые производят другие формы микроорганизмов. Метаногены обычно активно растут в средах, где все другие акцепторы электрона (кислород, нитраты, сульфаты и трехвалентное железо) истощены. К настоящему времени выделено порядка 150 видов метаногенов, которые в подавляющем большинстве относятся к суперфилуму Euryarchaeota. Изначально метаногенов рассматривали как группу метанобразующих бактерий, однако, на основе секвенирования гена 16S рибосомальной РНК метаногенов и ряда других микроорганизмов в 1970-е годы Карлом Вёзе было показано, что они представляют совершенно отдельный домен жизни, архей.
Очистка сточных вод Метаногены широко используются в анаэробных реакторах для очистки сточных вод, а также водных органических загрязнителей. Промышленность выбрала метаногены за их способность выполнять биометанирование во время разложения сточных вод, что делает процесс устойчивым и экономически эффективным.
Биоразложение в анаэробном реакторе включает в себя четырехступенчатое совместное действие, выполняемое различными микроорганизмами. Первая стадия - гидролиз нерастворимого полимеризованного органического вещества анаэробами, такими как Streptococcus и Enterobacterium. На втором этапе ацидогены расщепляют растворенные органические загрязнители в сточных водах до жирных кислот. На третьей стадии ацетогены превращают жирные кислоты в ацетаты. На последнем этапе метаногены метаболизируют ацетаты до газообразного метана. Побочный продукт метан покидает водный слой и служит источником энергии для обработки сточных вод в варочном котле, создавая тем самым самоподдерживающийся механизм.
Метаногены также эффективно снижают концентрацию органических веществ в стоках. Например, сельскохозяйственные сточные воды, богатые органическими веществами, являются основной причиной деградации водных экосистем. Химический дисбаланс может привести к серьезным последствиям, таким как эвтрофикация. Благодаря анаэробному сбраживанию, очистка сточных вод может предотвратить неожиданное цветение в водных системах, а также задержать метаногенез в варочных котлах. Это выделяет биометан для производства энергии и предотвращает выброс в атмосферу мощного парникового газа, метана.
Органические компоненты сточных вод сильно различаются. Химические структуры органического вещества выбирают для конкретных метаногенов для проведения анаэробного сбраживания. Примером является то, что представители рода Methanosaeta доминируют в переваривании сточных вод завода по производству пальмового масла (palm oil mill effluent (POME)) и отходов пивоваренного завода. Модернизация систем очистки сточных вод с целью включения большего разнообразия микроорганизмов для уменьшения содержания органических веществ в процессе очистки активно исследуется в области микробиологической и химической инженерии. Современные новые поколения поэтапных многофазных анаэробных реакторов и реакторных систем с восходящим потоком ила разработаны с учетом инновационных функций для противодействия высоконагруженным стокам сточных вод, экстремальным температурам и возможным ингибирующим соединениям.
Таксономия Метаногены неравномерно распределены на филогенетическом древе архей, но основная их часть находится в пределах супер-филума Euryarchaeota. Однако, в 2015 году появились первые сообщения об открытии архей, в геномах которых есть ген коэнзим М редуктазы, ключевого фермента метаногенеза, за пределами Euryarchaeota. Сначала ген был показан в геноме Bathyarchaeota из морских осадков и позже в геноме Verstraetearchaeota из осадков очистных станций. Обе группы относятся сейчас к филуму Thermoproteota. Однако первый вид был выделен из горячего источника лишь в 2024 году попутно со смешанной культурой .
К настоящему моменту культивируемые метаногены распределены между 4 филумами архей: Methanobacteriota, Halobacteriota, Thermoplasmatota, and Thermoproteota. Филум Halobacteriota Класс Methanocellia Порядок Methanocellales Семейство Methanocellaceae Род Methanocella Sakai et al. 2008 Methanocella paludicola Sakai et al. 2008 (типовой вид) Methanocella arvoryzae Sakai et al. 2010 Methanocella conradii Lü and Lu 2012 Род Methanooceanicella Zhang et al. 2024 Methanooceanicella nereidis Zhang et al. 2024 (типовой вид) Класс Methanomicrobia Порядок Methanomicrobiales Семейство Methanocalculaceae Zhilina et al. 2014 Род Methanocalculus Ollivier et al. 1998 Methanocalculus halotolerans Ollivier et al. 1998 (типовой вид) Methanocalculus alkaliphilus Sorokin et al. 2015 Methanocalculus chunghsingensis Lai et al. 2004 Methanocalculus natronophilus Zhilina et al. 2014 Methanocalculus pumilus Mori et al. 2000 Methanocalculus taiwanensis Lai et al. 2002 Семейство Methanocorpusculaceae Zellner et al. 1989 Род Methanocorpusculum Zellner et al. 1988 Methanocorpusculum parvum Zellner et al. 1988 (типовой вид) Methanocorpusculum bavaricum Zellner et al. 1989 Methanocorpusculum labreanum Methanocorpusculum sinense Zellner et al. 1989 Семейство Methanomicrobiaceae Balch and Wolfe 1981 Род Methanomicrobium Balch and Wolfe 1981 Methanomicrobium mobile (Paynter and Hungate 1968) Balch and Wolfe 1981 (типовой вид) Methanomicrobium antiquum Mochimaru et al. 2016 Род Methanoculleus Maestrojuán et al. 1990 Methanoculleus bourgensis corrig. (Ollivier et al. 1986) Maestrojuán et al. 1990 (типовой вид) Methanoculleus chikugoensis Dianou et al. 2001 Methanoculleus horonobensis Shimizu et al. 2013 Methanoculleus hydrogenitrophicus Tian et al. 2010 Methanoculleus marisnigri Methanoculleus palmolei Zellner et al. 1998 Methanoculleus receptaculi Cheng et al. 2008 Methanoculleus sediminis Chen et al. 2015 Methanoculleus submarinus Mikucki et al. 2003 Methanoculleus taiwanensis Weng et al. 2015 Methanoculleus thermophilus corrig. (Rivard and Smith 1982) Maestrojuán et al. 1990 Род Methanogenium Romesser et al. 1981 Methanogenium cariaci Romesser et al. 1981 (типовой вид) Methanogenium frigidum Methanogenium marinum Chong et al. 2003 Methanogenium organophilum Род Methanofollis Zellner et al. 1999 Methanofollis tationis (Zabel et al. 1986) Zellner et al. 1999 (типовой вид) Methanofollis aquaemaris Lai and Chen 2001 Methanofollis ethanolicus Imachi et al. 2009 Methanofollis fontis Chen et al. 2020 Methanofollis formosanus Wu et al. 2005 Methanofollis liminatans (Zellner et al. 1990) Zellner et al. 1999 Семейство Methanoregulaceae Sakai et al. 2012 Род Methanoregula Bräuer et al. 2011 Methanoregula boonei Bräuer et al. 2011 (типовой вид) Methanoregula formicica Yashiro et al. 2011 Семейство Methanospirillaceae Boone et al. 2002 Род Methanospirillum Ferry et al. 1974 Methanospirillum hungatei corrig. Ferry et al. 1974 (типовой вид) Methanospirillum lacunae Iino et al. 2010 Methanospirillum psychrodurum Zhou et al. 2014 Methanospirillum stamsii Parshina et al. 2014 Класс Methanonatronarchaeia Порядок Methanonatronarchaeales Семейство Methanonatronarchaeaceae Sorokin et al. 2018 Род Methanonatronarchaeum Sorokin et al. 2018 Methanonatronarchaeum thermophilum Sorokin et al. 2018 (типовой вид) Класс Methanosarcinia Порядок Methanosarcinales Семейство Methanosarcinaceae Род Methanosarcina Kluyver and van Niel 1936 Methanosarcina barkeri Schnellen 1947 (типовой вид) Methanosarcina acetivorans Methanosarcina baltica von Klein et al. 2002 Methanosarcina flavescens Kern et al. 2016 Methanosarcina horonobensis Shimizu et al. 2011 Methanosarcina lacustris Simankova et al. 2002 Methanosarcina mazei (Barker 1936) Mah and Kuhn 1984 Methanosarcina semesiae Lyimo et al. 2000 Methanosarcina siciliae (Stetter and König 1989) Ni et al. 1994 Methanosarcina soligelidi Wagner et al. 2013 Methanosarcina spelaei Ganzert et al. 2014 Methanosarcina subterranea Shimizu et al. 2015 Methanosarcina thermophila Zinder et al. 1985 Methanosarcina vacuolata Zhilina and Zavarzin 1987 Род Methanimicrococcus corrig. Sprenger et al. 2000 Methanimicrococcus blatticola corrig. Sprenger et al. 2000 (типовой вид) Methanimicrococcus hacksteinii Protasov and Brune 2025 Methanimicrococcus hongohii Protasov and Brune 2025 Methanimicrococcus stummii Protasov and Brune 2025 Род Methanococcoides Sowers and Ferry 1985 Methanococcoides methylutens Sowers and Ferry 1985 (типовой вид) Methanococcoides alaskense Singh et al. 2005 Methanococcoides burtonii Franzmann et al. 1993 Methanococcoides orientis Liang et al. 2022 Methanococcoides vulcani L'Haridon et al. 2014 Род Methanohalobium Zhilina and Zavarzin 1988 Methanohalobium evestigatum corrig. Zhilina and Zavarzin 1988 (типовой вид) Род Methanohalophilus Paterek and Smith 1988 Methanohalophilus mahii Paterek and Smith 1988 (типовой вид) Methanohalophilus halophilus (Zhilina 1984) Wilharm et al. 1991 Methanohalophilus levihalophilus Katayama et al. 2014 Methanohalophilus portucalensis Boone et al. 1993 Methanohalophilus profundi L'Haridon et al. 2021 Род Methanolapillus Protasov and Brune 2025 Methanolapillus millepedarum Protasov and Brune 2025 (типовой вид) Methanolapillus africanus Protasov and Brune 2025 Methanolapillus ohkumae Protasov and Brune 2025 Род Methanolobus König and Stetter 1983 Methanolobus tindarius König and Stetter 1983 (типовой вид) Methanolobus bombayensis Kadam et al. 1994 Methanolobus chelungpuianus Wu and Lai 2015 Methanolobus halotolerans Shen et al. 2020 Methanolobus mangrovi Zhou et al. 2023 Methanolobus oregonensis (Liu et al. 1990) Boone 2002 Methanolobus profundi Mochimaru et al. 2009 Methanolobus psychrotolerans Chen et al. 2018 Methanolobus sediminis Zhou et al. 2023 Methanolobus taylorii Oremland and Boone 1994 Methanolobus vulcani Stetter et al. 1989 Methanolobus zinderi Doerfert et al. 2009