好気性メタン生成

好気性メタン生成は、酸素を豊富に含む条件下での大気中のメタン（CH ₄）生成の潜在的な生物学的経路である。この経路の存在は、2006年に初めて理論づけられた。 ^[1]この経路の存在を示唆する重要な証拠があるものの、^{[1] [2] [3] [4] [5]}十分に理解されておらず、その存在は議論の的となっている。^{[2] [6] [7]天然に存在するメタンは、主に}メタン生成というプロセスによって生成される。メタン生成は、微生物がエネルギー源として利用する嫌気性呼吸の一種である。 ^[8]メタン生成は通常、無酸素状態でのみ起こる。対照的に、好気性メタン生成は、酸素を豊富に含む環境下で、ほぼ常温の条件下で起こると考えられている。このプロセスでは、陸生植物質から非微生物性のメタンが発生する。温度と紫外線がこのプロセスの重要な要因であると考えられている。^[1]メタンは海水表面付近の好気条件下でも生成される可能性があり、その過程ではメチルホスホネートの分解が関与している可能性が高い。^[9]

2005年、フランケンバーグらは宇宙搭載の近赤外吸収分光法を使用した全球メタン分布研究の結果を発表しました。この研究では、常緑樹林の上の熱帯地域でCH ₄ 混合比が著しく上昇していることがわかりました。 ^[10]データは、調査期間中（8月から11月）に30〜40 Tg ^{[10]の追加の熱帯発生源を示していました。この寄与は、現在受け入れられているCH} ₄の全球予算の範囲内では十分に説明できませんでした。^[10]これらの研究結果を受けて、ケプラーらは植物材料によるメタン生成の可能性を調査する研究を実施しました。彼らの研究には、切り取った葉を使ったガラスバイアルインキュベーション実験と、無傷の植物を使ったプレキシガラスチャンバー実験が含まれていました。両方のケースで、材料はCH _{4のない空気の制御された環境に密封され、CH 4}の生成を分析するために使用されました。試験は好気性条件下で実施されたため、生成されたCH ₄がメタン生成細菌に関連する可能性は低い。^{[1]この可能性は}、γ線で殺菌した葉組織によるCH ₄生成を測定することでさらに排除された。彼らは「構造成分ペクチンは植物内でのCH _4の原位置形成に重要な役割を果たしている」^{[1]と理論化したが、このCH} ₄生成の化学的メカニズムを特定できなかった。

ワンら(2008)は、メタン排出量は植物種によって大きく異なることを発見し、低木種は草本種よりもメタンを生成する可能性がはるかに高いことを指摘した。^[4]彼らはまた、彼らがテストした草本種の中で、メタンを排出するものは茎から排出し、切り離された葉からは排出しなかったが、低木種は切り離された葉からより高い濃度のメタンを排出したことを指摘した。^{[4]ケプラー}ら による追跡調査は、彼らの以前の発見を再確認し、「ペクチンのメトキシル基が好気条件下で大気中の_CH4の発生源として作用する可能性があるという明白な同位体証拠」を発見したが、^[3]再び化学的メカニズムを特定できなかった。

ケプラーらは、 CH ₄の放出は「温度に非常に敏感で、30～70 °C の範囲で 10 °C 上昇するごとに濃度が約 2 倍になり、酵素を介したプロセスではなく非酵素的なプロセスであることを示唆している」と観察しました。^[1]また、「チャンバーが自然光にさらされると、放出率が 3～5 倍 (乾燥重量 1 g あたり最大 870 ng/h) と劇的に増加することが判明した」と述べています。^[ 1 ^]ヴィガノらは、「紫外線照射による放出はほぼ瞬間的であり、直接的な光化学プロセスを示している」ことを発見しました。^[2]

ケプラーらは、新たに確認された CH ₄発生源について「最初の推定値」を計算した。彼らの計算は広範な仮定に基づいており、彼らは「陸上生態系の複雑さ」を無視していたことを認めている。^{[1]彼らは、生きた植物によって放出されるメタンを 62～236 Tg yr −1} (平均 149 Tg yr ⁻¹ ) の範囲と推定し、その主な寄与は熱帯林と草原であるとしている。^[1]彼らは、「現在の年間発生源強度の約 10～30% に相当するこの規模の追加発生源が検出されると、地球全体の CH ₄予算の再検討が必要になる」と考えていた。^{[1]ケプラー}らのデータとその後の研究で作成されたデータを 使用した後の推定では、地球規模での重要性はより低いことが示唆された。^[3]ある研究では、陸上植物からのメタンの最大排出量は0.2～1.0 Tg CH ₄ yr ^{−1程度に過ぎない可能性があると示唆されており、これは世界全体の排出量550 Tg CH} ₄ yr ⁻¹と比較すると、かなり小さい寄与である。^[5]

ケプラーら（2006）の研究結果が発表された後、科学界から大きな反響がありました。多くの人が研究結果に疑問を呈し、ケプラーらの方法論の欠陥を指摘しました。特に、陸上植物によるメタン排出量の地球規模の推定値を計算する彼らのアップスケール法は批判されました。^[2]その後の多くの出版物では矛盾するデータが提示され、地球規模のメタン予算に対する陸上植物の役割について大きな不確実性が生じました。

Dueckらは、 Kepplerらが行った無傷植物チャンバー実験と同様の実験を行った。彼らは「陸上植物からの大量のメタン放出の証拠は見つからなかった」と結論した。^{[7]彼らは、Keppler}らが観察したとされる放出は「細胞間気孔および土壌系内の気孔における周囲のメタン濃度」に関連している可能性があると示唆した。^[7] Viganoらは後にこの批判に応えて、もし紫外線が実際に好気性メタン放出の重要な要因であるならば、「測定に金属ハロゲン化物 HPI-T ランプとガラスチャンバーを使用したDueckら(2007) が放出を検出しなかったことは驚くべきことではない」と示唆した。 ^[2]他の研究では、検出されたメタン放出は、土壌から水中への溶解メタンの移動、または特定のストレス条件下での植物質の自発的分解に関連していることが示唆された。^[6]

海洋、湖沼、河川の酸素を含んだ表層水におけるメタンの過飽和は、広く観察されている現象ですが、まだ十分に理解されていません。^[11] メタンは、海洋の酸素を含んだ表層混合層では10～75%過飽和になることが多く、湖沼では最大1000%過飽和になり、水生環境から大気中にメタンが放出されます。^{[11] [12] [13]}

水生環境におけるメタン生成については、いくつかの発生源とメカニズムが特定されている。そのような発生源の1つは、溶解した水柱メチルホスホネートの分解である。^[9]海洋におけるCH4生成におけるメチルホスホネートの分解の重要性は変動する可能性があり、水柱中のFe、N、Pの利用可能性^[11]とメチルホスホネートを処理する酵素機構の存在と性質に関連している可能性がある。^[14]

基質に依存しないと思われる2番目の発生源は、光合成の過程で植物プランクトン（藻類やシアノバクテリア）が排出するメタンである。^{[15] [16]}

地球上のあらゆる光が当たる水生環境に藻類やシアノバクテリアが存在することから、このプロセスは水中のメタン排出の大きな要因となっていると考えられます。過去数十年にわたり、人為的汚染と地球温暖化の結果として、シアノバクテリアと藻類の大量発生が増加しています。^{[17] [18]}

大気中のメタンは非常に強力な温室効果ガスであるため、藻類やシアノバクテリアがメタンを生成し、温暖化を促進し、その結果としてブルームが増加するというフィードバックループが仮定されました。 ^[19] ジメチルスルホニオプロピオネート（DMSP）は、藻類が浸透圧保護剤として使用する海洋環境で一般的な化合物です。いくつかの研究では、細菌によるDMSPの分解によりメタンの放出が起こることが明らかになっています。^{[20] [21]}

メチルアミンは無酸素環境からのメタンの発生源として知られています。2018年にBizicらは、メチルアミンの分解により、酸素条件下でもメタンが排出されることを示す結果を発表しました。^[22]このプロセスの原因となるメカニズムは、後にWangらによって特定され、非常に一般的な単一の遺伝子に起因することが判明しました。^{[23] [24]}

それ以来、いくつかの他のメカニズムが認識されてきました。2022年に、ペレス・コロネルとベマンは淡水中のメタン生成を分析し、「（細菌の）クロロフィル代謝と光合成」との関連性を発見しました。^[25]ケプラーとその同僚は、活性酸素種が酸素を利用する可能性のある生物によってメタン生成を引き起こすメカニズムを特定しました。^{[26] [27]}