Metanogenesi

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La metanogenesi è la produzione di metano operata principalmente da parte di un gruppo di microrganismi appartenenti al dominio degli archei,^[1] un gruppo tassonomico filogeneticamente distinto sia dagli eucarioti che dai batteri, anche se molti organismi metanogeni vivono in stretta associazione con batteri anaerobici. La produzione di metano è un'importante e diffusa forma di metabolismo microbico in molti ambienti naturali, ed è la fase finale del processo di decomposizione della biomassa.

La metanogenesi negli Archea è una forma di respirazione anaerobica^[2]. Gli archei metanogeni infatti, non utilizzano l'ossigeno come accettore finale di elettroni nella respirazione cellulare, in quanto questo gas è addirittura tossico per questi organismi. Al posto dell'ossigeno, questi organismi usano come accettore finale di elettroni, un substrato carbonioso ossidato di basso peso molecolare, come, ad esempio, il biossido di carbonio. Essi sono organismi anaerobi obbligati e chemiotrofi^{[non chiaro]} Gli elettroni, provenienti dall'ossidazione dell'idrogeno, dopo aver attraversato la catena di trasporto degli elettroni producono un gradiente protonico ed energia sottoforma di ATP e vengono infine ceduti al substrato carbonioso accettore di elettroni che, alla fine, viene convertito in metano.

I substrati carboniosi impiegati come accettori di elettroni, al termine della catena di trasporto degli elettroni, ^[3]sono classificabili in tre gruppi:

• Substrati del tipo CO₂
  • anidride carbonica CO₂;
  • monossido di carbonio CO;
  • formiato HCOO^-;
• Substrati metilici
  • metanolo CH₃OH;
  • metilammina, dimetilammina e trimetilammina (CH₃)_nNH_4-n⁺;
  • metilmercaptano CH₃SH;
  • dimetilsolfuro (CH₃)₂S;
• Substrati acetici:
  • acetato CH₃COO^-;
  • piruvato CH₃COCOO^-;

Seguono le formule chimiche che descrivono l'uso di biossido di carbonio e acido acetico come accettori terminali di elettroni:

CO₂ + 4 H₂ → CH₄ + 2H₂O

CH₃COOH → CH₄ + CO₂

Nella figura di seguito viene mostrato il processo della metanogenesi a partire dal biossido di carbonio.

La biochimica della metanogenesi è relativamente complessa e coinvolge numerosi cofattori: coenzima F430, coenzima F420, coenzima B, coenzima M, metanofurano e metanopterina. Le prime due sono molecole adibite al trasporto di elettroni (come il NAD), mentre le restanti legano il carbonio accettore di elettroni durante il processo: metanofurano e metanopterina legano il carbonio con i doppietti elettronici non condivisi dei gruppi amminici, mentre i coenzimi B ed M usano i loro gruppi solfuro.

La metanogenesi avviene durante la fase finale del decadimento della materia organica. Durante tale processo gli elettroni recettori (ossigeno, ferro, solfato, nitrati e manganese) si esauriscono, mentre si accumula idrogeno (H₂), diossido di carbonio e materiale organico prodotto dalla fermentazione. Durante gli stadi avanzati del decadimento della materia organica, tutti gli accettori di elettroni si esauriscono a eccezione del diossido di carbonio. Tale composto chimico è un prodotto di molti processi catabolici.

La fermentazione e la metanogenesi possono avvenire in assenza di elettroni accettori all'infuori del carbonio. Solo la fermentazione permette la scomposizione della maggior parte dei composti organici. La metanogenesi effettivamente rimuove i prodotti semi-finali di decadimento: idrogeno, composti organici, e diossido di carbonio. Senza il processo di metanogenesi, negli ambienti anaerobici il carbonio presente si accumulerebbe.

I microbi metanogeni non possiedono nucleo e gli organelli non eseguono salti di membrana (caratteristica degli organismi procarioti). I metanogeni sono considerati un gruppo di organismi molto antico e membri degli archei.

Gli archei metanogeni possono essere osservati solo in ambienti privi di ossigeno, soprattutto nella materia organica in decomposizione, nelle paludi, nel tratto digestivo degli animali, e nei sedimenti acquatici. La metanogenesi avviene anche in aree dove l'ossigeno e la materia organica in decomposizione sono entrambi assenti, per esempio, nel rumine dei ruminanti, nell'intestino degli esseri umani, sotto la superficie terrestre nei giacimenti petroliferi e sotto la superficie del mare a grandi profondità, soprattutto presso i particolari ecosistemi prodotti dalle canne idrotermali.

In un recente studio, la metanogenesi, è stata individuata anche in alcuni batteri aerobi gram negativi del genere Acidovorax capaci di trasformare metilammina in metano ^[4]

La metanogenesi è utile alla comunità umana, infatti, attraverso di essa, i rifiuti organici possono essere convertiti in biogas sfruttabile come fonte energetica di calore o di elettricità.

La metanogenesi utilizza anche metano come substrato in congiunzione con la riduzione del solfato e del nitrato.^[5]

È stato rilevato che le foglie delle piante emettono metano in certe condizioni.^[6] Tuttavia, ciò non è dovuto a un meccanismo biochimico di metanogenesi non ancora identificato interno alle piante, come era stato inizialmente proposto^[6], ma piuttosto alla captazione dalle radici delle piante di acqua contenente metano, prodotto da batteri in condizioni micro-aerobiche negli strati inferiori del suolo, e alla sua successiva traspirazione dall'apparato fogliale; l'emissione di metano è inoltre dovuta alla spontanea degradazione del materiale vegetale che si verifica principalmente in presenza d'intense radiazioni ultraviolette o di calore.^[7]

• (EN) Frank Keppler, John T. G. Hamilton, Marc Braß e Thomas Röckmann, Methane emissions from terrestrial plants under aerobic conditions, in Nature, vol. 439, Nature Publishing Group, gennaio 2006, pp. 187-191, DOI:10.1038/nature04420.
• (EN) Ellen R. Nisbet R., Angela Gallego-Sala, Patrick Crill e Edward Hornibrook, Emission of methane from plants, in Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences, vol. 276, The Royal Society Publishing, febbraio 2009, pp. 1347-1354, DOI:10.1098/rspb.2008.1731, PMID 19141418.
• Qian Wang et al. “Aerobic bacterial methane synthesis”. Proceedings of the National Academy of Sciences Jul 2021, 118 (27) e2019229118; DOI: 10.1073/pnas.2019229118

• Digestione anaerobica
• Batteri metanogeni
• Biogas

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