生態学 嫌気性環境 では、メタン生成菌は、他の形態の嫌気性呼吸 によって生成された過剰な水素と発酵産物を除去するという重要な生態学的役割を果たしています。[ 19 ] メタン生成菌は通常、CO2以外のすべての電子 受容体 (酸素 、硝酸塩 、三価鉄 (Fe(III))、硫酸塩 など)が枯渇した環境で繁殖します。このような環境には、湿地や水田土壌、さまざまな動物(反芻動物、節足動物、人間)の消化管、[ 20 ] [ 21 ] [ 22 ] 廃水処理場や埋立地、深海堆積物、熱水噴出孔などがあります。[ 23 ] これらの環境のほとんどは極限環境とは分類されていないため、そこに生息するメタン生成菌も極限微生物とはみなされません。しかし、よく研究されているメタン生成菌の多くは、Methanopyrus kandleri 、Methanothermobacter marburgensis 、Methanocaldococcus jannaschii などの好熱菌である。一方、ヒトに多く見られるMethanobrevibacter smithii や、反芻動物に広く存在するMethanobrevibacter ruminantiumなどの腸内メタン生成菌は 中温菌で ある。
動物の消化管内のメタン生成菌 動物の消化管は、栄養分が豊富で主に嫌気性環境であるため、メタン生成菌をはじめとする多くの微生物にとって理想的な生息場所となっている。にもかかわらず、メタン生成菌や古細菌は、一般的に腸内細菌叢の一部として、最近までほとんど注目されてこなかった。しかし、これらの微生物は、水素、 酢酸、メタノール、メチルアミンなどの細菌発酵の最終産物を利用することで、腸内バランスの維持に重要な役割を果たしている。
Methanobrevibacter smithiiは、 ヒトの腸 内微生物叢 における主要なメタン生成古細菌です。[ 29 ] 16S rRNA 解析に基づく動物の腸内における古細菌の存在に関する最近の大規模な調査により、古細菌の多様性と存在量の包括的な見解が得られました。[ 30 ] [ 31 ] [ 21 ] これらの研究により、存在する古細菌系統はごく少数であり、その大部分はメタン生成菌である一方、非メタン生成古細菌はまれで豊富ではないことが明らかになりました。古細菌の多様性の分類学的分類により、動物の消化管には、Methanobacteriota (Methanobacteriales 目)、Thermoplasmatota (Methanomassiliicoccales 目)、および Halobacteriota (Methanomicrobiales 目および Methanosarcinales 目) の 3 つの門の代表のみが存在することが明らかになりました。しかし、これらの目に属するすべての科や属が動物の腸内で検出されたわけではなく、ごく一部の属のみが検出されたことから、腸内環境への特異的な適応が示唆される。
比較ゲノミクスと分子シグネチャー 比較プロテオミクス解析により、メタン生成菌(メタン生成古細菌とも呼ばれる)に特異的な31のシグネチャータンパク質が同定された。これらのタンパク質のほとんどはメタン生成に関係しており、メタン生成菌の潜在的な分子マーカーとして機能する可能性がある。さらに、すべてのメタン生成菌に見られる10のタンパク質は、Archaeoglobus と共通しており、これら2つのグループが関連していることを示唆している。系統樹では、メタン生成菌は単系統ではなく、一般的に3つのクレードに分かれている。したがって、すべてのメタン生成菌に共通する多数のタンパク質の存在は、水平遺伝子伝達によるものと考えられる。[ 32 ] さらに、硫化物輸送に関連する最近の新しいタンパク質がメタン生成古細菌に関連付けられている。[ 33 ] メタン生成菌クラス内の特定の属をさらに区別し、メタン生成代謝の新しい経路を明らかにするには、さらなるプロテオミクス解析が必要である。
現代のDNAまたはRNAシーケンス法によって、いくつかのメタン生成菌群に特異的なゲノムマーカーがいくつか解明されている。そのような発見の一つとして、Methanoculleus属から9つのメタン生成菌が分離され、9つのゲノムすべてに少なくとも2つのトレハロース合成酵素遺伝子が存在することがわかった。[ 34 ] これまでのところ、この遺伝子はこの属でのみ観察されているため、古細菌Methanoculleusを識別するためのマーカーとして使用できる。シーケンス技術が進歩し、データベースに豊富なゲノムデータが蓄積されるにつれて、より多くの株と特性が特定できるが、多くの属は研究不足のままである。例えば、好塩性メタン生成菌は沿岸湿地生態系における炭素循環にとって潜在的に重要な微生物であるが、研究が著しく不足しているようだ。最近の論文では、硫化物に富む海水に生息するMethanohalophilus 属から新しい株が分離された。興味深いことに、この菌株のゲノムのいくつかの部分が、この属の他の分離菌株(Methanohalophilus mahii 、Methanohalophilus halophilus 、Methanohalophilus portucalensis 、Methanohalophilus euhalbius )とは異なることが分かっています。いくつかの違いには、高度に保存されたゲノム、硫黄とグリコーゲンの代謝、ウイルス耐性などがあります。[ 35 ] 微生物の環境と一致するゲノムマーカーは、他の多くの事例でも観察されています。そのような研究の1つでは、水圧破砕ゾーンで見つかったメタン生成古細菌のゲノムが垂直深度によって変化することが分かりました。地下と表面のゲノムは、個々の深度ゾーンで見つかった制約とともに変化しましたが、この研究では微細スケールの多様性も見つかりました。[ 36 ] 環境に関連する要因を示すゲノムマーカーは、多くの場合、排他的ではありません。メタン生成サーモプラズマの調査により、これらの生物がヒトや動物の腸管内で発見された。この新種は湿地土壌などの他のメタン生成環境でも発見されたが、湿地で分離されたグループは、ヒトや動物の腸管で分離された同じグループには存在しない抗酸化酵素をコードする遺伝子をより多く持つ傾向があった。[ 37 ] メタン生成菌の新種を特定して発見する際の一般的な問題は、ゲノムの違いが非常に小さい場合でも、研究グループがそれらを個々の種として分離するのに十分な違いがあると判断してしまうことです。ある研究では、Methanocellales のグループを取り上げ、比較ゲノム研究を実施しました。3 つの株は当初同一であると考えられていましたが、ゲノム分離の詳細なアプローチにより、以前は同一と考えられていたゲノム間に違いがあることがわかりました。遺伝子コピー数の違いが見られ、ゲノム情報に関連する代謝的多様性も見られました。[ 38 ]
ゲノムシグネチャは、環境条件に関連する独自のメタン生成菌や遺伝子をマークできるだけでなく、これらの古細菌の進化の理解を深めることにもつながっています。一部のメタン生成菌は、好気性環境に対して積極的に緩和する必要があります。抗酸化物質の生成に関与する機能遺伝子がメタン生成菌で発見されており、特定のグループではこのゲノムの特徴が豊富になる傾向があります。抗酸化特性が豊富なゲノムを持つメタン生成菌は、このゲノムの追加が大酸化イベント中に起こった可能性があるという証拠を提供するかもしれません。[ 39 ] 別の研究では、動物の消化管から分離されたサーモプラズマタレス系統の3つの株が進化上の違いを示しました。ほとんどのメタン生成菌のゲノムに存在する真核生物のようなヒストン遺伝子が存在しなかったことから、サーモプラズマタレスと関連系統内で祖先系統が失われたという証拠が示唆されました。[ 40 ] さらに、Methanomassiliicoccus 群は、メタン生成の最初のいくつかのステップをコードする多くの共通遺伝子を失ったと思われるゲノムを持っています。これらの遺伝子は、新しいメチル化メタン生成経路をコードする遺伝子に置き換えられたようです。この経路はいくつかのタイプの環境で報告されており、環境非特異的な進化を示しており、祖先からの逸脱を示している可能性があります。[ 41 ]
メタン生成 メタン生成菌は、メタン生成 と呼ばれるプロセスで、H₂/CO₂、酢酸、ギ酸、メタノール、メチルアミンなど の基質 からメタン を生成することが知られています。[ 42 ] さまざまなメタン生成反応は、独自の酵素 と補酵素 のセットによって触媒されます。反応機構とエネルギーは反応ごとに異なりますが、これらの反応はすべて、ATP合成を促進するために使用されるイオン濃度勾配 を作成することによって、正味の正のエネルギー生成に寄与します。[ 43 ] H₂ /CO₂メタン 生成の全体的な反応は次のとおりです。
CO 2 + 4 H 2 ⟶ CH 4 + 2 H 2 O {\displaystyle {\ce {CO2 + 4 H2 -> CH4 + 2 H2O}}} (∆G˚' = -134 kJ/mol CH 4 )H 2 /CO 2 メタン生成によってメタンを生成する、よく研究されている生物には、Methanosarcina barkeri 、Methanobacterium thermoautotrophicum 、およびMethanobacterium wolfei などがあります。[ 44 ] [ 45 ] [ 46 ] これらの生物は通常、嫌気性環境で見られます。[ 42 ]
H 2 / CO 2 メタン生成の初期段階では、CO 2 が メタンフラン (MF)に結合し、ホルミル-MF に還元されます。この吸エルゴン還元プロセス (∆G˚'= +16 kJ/mol) は H 2 の利用可能性に依存し、ホルミル-MF デヒドロゲナーゼという酵素によって触媒されます。[ 42 ]
CO 2 + H 2 + MF ⟶ HCO − MF + H 2 O {\displaystyle {\ce {CO2 + H2 + MF -> HCO-MF + H2O}}} ホルミル-MFのホルミル成分は、補酵素テトラヒドロメタノプテリン(H4MPT)に転移され、 ホルミルトランスフェラーゼ と呼ばれる可溶性酵素によって触媒される。これにより、ホルミル-H4MPTが生成される。[ 42 ]
HCO − MF + H 4 MPT ⟶ HCO − H 4 MPT + MF {\displaystyle {\ce {HCO-MF + H4MPT -> HCO-H4MPT + MF}}} ホルミル-H4MPTはその後メテニル-H4MPTに還元される。メテニル-H4MPTは1段階の加水分解に続いて2段階の還元を受け、メチル-H4MPTとなる。この2段階の可逆的還元は、ヒドリド受容体が自発的に酸化される補酵素F420によって 促進される。[ 42 ] 酸化されたF420 の電子供給は、H2 から電子を受け取ることによって補充される。この段階はメチレンH4MPTデヒドロゲナーゼによって触媒される。[ 47 ]
HCO − H 4 MPT + H + ⟶ CH − H 4 MPT + + H 2 O {\displaystyle {\ce {HCO-H4MPT + H+ -> CH-H4MPT+ + H2O}}} (ホルミル-H4MPT還元)CH − H 4 MPT + + F 420 H 2 ⟶ CH 2 = H 4 MPT + F 420 + H + {\displaystyle {\ce {CH-H4MPT+ + F420H2 -> CH2=H4MPT + F420 + H+}}} (メテニル-H4MPTの加水分解)CH 2 = H 4 MPT + H 2 ⟶ CH 3 − H 4 MPT + H + {\displaystyle {\ce {CH2=H4MPT + H2 -> CH3-H4MPT + H+}}} (H4MPT還元)次に、メチル-M4MPTのメチル基は、メチルトランスフェラーゼ触媒反応を介して補酵素Mに転移される。[ 48 ] [ 49 ]
CH 3 − H 4 MPT + HS − CoM ⟶ CH 3 − S − CoM + H 4 MPT {\displaystyle {\ce {CH3-H4MPT + HS-CoM -> CH3-S-CoM + H4MPT}}} H 2 / CO 2 メタン生成の最終段階には、メチル補酵素 M 還元 酵素と 2 つの補酵素、N-7 メルカプトヘプタノイルトレオニンリン酸 (HS-HTP) および補酵素F 430 が関与します。HS-HTP はメチル補酵素 M に電子を供与し、メタンと HS-CoM の混合ジスルフィドの形成を可能にします。[ 50 ] 一方、F 430は還元酵素の補欠分子族として機能します。H 2 は HS-CoM の混合ジスルフィドに電子を供与し、補酵素 M を再生します。[ 51 ]
CH 3 − S − CoM + HS − ハイチ ⟶ CH 4 + CoM − S − S − ハイチ {\displaystyle {\ce {CH3-S-CoM + HS-HTP -> CH4 + CoM-SS-HTP}}} (メタンの生成)CoM − S − S − ハイチ + H 2 ⟶ HS − CoM + HS − ハイチ {\displaystyle {\ce {CoM-SS-HTP + H2 -> HS-CoM + HS-HTP}}} (補酵素Mの再生)
バイオテクノロジー応用
廃水処理 メタン生成菌は、廃水や水性有機汚染物質を処理するために嫌気性消化槽で広く使用されています。産業界は、廃水分解中にバイオメタン 生成を行う能力を持つメタン生成菌を選択しており、これによりプロセスが持続可能で費用対効果の高いものとなっています。[ 52 ]
嫌気性消化槽における生物分解は、異なる微生物によって行われる4段階の協調作用を伴う。[ 53 ] 第1段階では、ストレプトコッカスやエンテロバクターなどの嫌気性菌による不溶性重合有機物の加水分解が行われる。[ 54 ] 第2段階では、アシドゲンが廃水中の溶解性有機汚染物質を脂肪酸 に分解する。第3段階では、アセトゲンが脂肪酸を酢酸 に変換する。最終段階では、メタン生成菌が酢酸を気体メタン に代謝する。副産物であるメタンは水層から出て、消化槽内で廃水処理の動力源として利用され、自己持続的なメカニズムが生成される。[ 55 ]
メタン生成菌は、廃水流出水中の有機物濃度を効果的に低下させる。[ 56 ] 例えば、有機物が非常に豊富な農業廃水は、水生生態系の劣化の主な原因となっている。化学的不均衡は、 富栄養化 などの深刻な影響をもたらす可能性がある。嫌気性消化によって廃水を浄化することで、水系での予期せぬ藻類の異常繁殖を防ぎ、消化槽内でメタン生成を 抑制できる。これにより、バイオメタンがエネルギー生産に利用され、強力な温室効果ガスであるメタンが大気中に放出されるのを防ぐことができる。
廃水の有機成分は大きく異なります。有機物の化学構造によって、嫌気性消化を行う特定のメタン生成菌が選択されます。例えば、Methanosaeta 属のメンバーは、パーム油工場排水(POME)やビール醸造廃水の消化を支配しています。[ 56 ] 微生物の多様性を高めて処理中の有機物含有量を減らすように廃水処理システムを近代化することは、微生物学および化学工学の分野で活発に研究されています。[ 57 ] 現在の新しい世代の多段階嫌気性リアクターおよび上向流汚泥床リアクターシステムは、高負荷廃水入力、極端な温度条件、および可能性のある阻害化合物に対処するための革新的な機能を備えるように設計されています。[ 58 ]
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