メタン生成

メタン生成の生化学には、 F420、補酵素B、補酵素M、メタノフラン、メタノプテリンなどの補酵素と補因子が関与している。

CHの変換メカニズム₃ -S変換_は、酵素の三元複合体が関与し、置換基はα2β2γ2構造を形成する_。、補因子F430_のニッケル上の軸方向部位によって終端されたチャネルに収まる。 ^{[ 6 ]}提案されているメカニズムの一つは、Ni(I)からの電子移動（Ni(II)を生成）によってCH の生成が開始されるというものである。_4．補酵素Mチイルラジカル（RS・^）とHS補酵素Bのカップリングによりプロトンが放出され、Ni(II)が1電子還元されてNi(I)が再生される。 ^{[ 7 ]}

一部の生物はメタンを酸化することができ、メタン生成のプロセスを機能的に逆転させ、これはメタンの嫌気性酸化（AOM）とも呼ばれます。AOMを行う生物は、メタン湧出域、熱水噴出孔、沿岸堆積物、硫酸塩-メタン遷移帯など、複数の海洋および淡水環境で発見されています。^{[ 8 ]}これらの生物は、メタン生成古細菌が使用するメチル補酵素M還元酵素に類似したニッケル含有タンパク質を使用して、逆メタン生成を達成する可能性があります。 ^{[ 9 ]}逆メタン生成は、次の反応に従って起こります。

SO ²⁻ ₄ + CH ₄ → HCO ⁻ ₃ + HS ⁻ + H ₂ O ^{[ 10 ]}

メタン生成は、有機物の嫌気性分解の最終段階です。分解過程では、電子受容体（酸素、鉄 イオン、硫酸イオン、硝酸塩など）が枯渇する一方で、水素（H₂ _）と二酸化炭素が蓄積します。発酵によって生成される軽質有機物も蓄積されます。有機物分解が進むにつれて、二酸化炭素を除くすべての電子受容体が枯渇します。二酸化炭素はほとんどの異化プロセスの生成物であるため、他の潜在的な電子受容体のように枯渇することはありません。

炭素以外の電子受容体が存在しない状況では、メタン生成と発酵のみが起こり得る。発酵はより大きな有機化合物の分解のみを可能にし、小さな有機化合物を生成する。メタン生成は、分解の最終生成物である水素、小さな有機物、二酸化炭素を効果的に除去する。メタン生成がなければ、嫌気性環境には大量の炭素（発酵生成物の形で）が蓄積されることになる。

腸内発酵は、一部の動物、特に反芻動物の腸内で起こります。ルーメンでは、メタン生成菌を含む嫌気性微生物がセルロースを動物にとって栄養のある形に分解します。これらの微生物がなければ、牛などの動物は草を食べることができません。メタン生成の有用な生成物は腸で吸収されますが、メタンは主にげっぷ（げっぷ）によって動物から放出されます。平均的な牛は1日に約250リットルのメタンを排出します。^{[ 11 ]}このように、反芻動物は人為的なメタン排出量の約25%を占めています。反芻動物のメタン生成を制御する方法の1つは、 3-ニトロオキシプロパノールを給餌することです。^{[ 12 ]}

人間の中には、メタンを含むガスを出す人もいる。9人の成人の糞便を調べた研究では、5つのサンプルにメタンを生成できる古細菌が含まれていた。 ^{[ 13 ]}直腸内から採取したガスのサンプルでも同様の結果が得られている。

メタンガスを含むおならをする人でも、その量はガス全体の10％以下である。^{[ 14 ]}

多くの実験で、生きている植物の葉組織がメタンを放出することが示唆されている。^{[ 15 ]} 2006年に行われた研究では、世界の植生が年間6,000万トンから2億4,000万トンのメタンを放出しており、これは年間メタン排出量の40%に相当すると推定されている。^{[ 16 ]} 2009年に行われた追跡調査では、炭素13が豊富な環境で育った植物は、かなりの量のメタンを放出しないことが観察された。^{[ 17 ]}他の研究では、植物は実際にはメタンを生成しているのではなく、土壌からメタンを吸収し、それを葉組織を通して放出しているだけであることが示されている。^{[ 18 ]}このような例は、季節的に洪水に見舞われるアマゾン熱帯雨林の一部で見ることができ、その地域の樹木は、通常の200倍の量のメタンを各樹木から汲み出し、年間約4,000万トンのメタンを放出している。^{[ 19 ]}

メタン生成菌は無酸素土壌環境で観察され、有機物の分解に寄与します。この有機物は、人間が埋め立てによって投入したり、湖や海の底に堆積物として埋められたり、堆積岩に形成された堆積物からの残留有機物として存在したりします。^{[ 20 ]}メタン生成は、泥炭や沼地などの無酸素生態系に厳密に限定されるわけではありません。湿った鉱物土壌でも、腐敗した有機物の微細な隙間に高濃度のメタンが含まれることがあります。^{[ 21 ]}その結果、メタン生成のプロセスは、水田や湿地でよく見られます。これらの地域は水田であり、自然のメタン源だからです。^{[ 22 ]}このような水田土壌でのメタン生成には、低酸素レベルを好む微生物が必要です。メタン生成土壌を曝気すると、メタン生成を減少させる栄養素である硫酸塩と硝酸塩のレベルが上昇します。^{[ 23 ]}メタン生成を継続するには、硝酸塩と硫酸塩のレベルを低下させる必要があります。遠隔地の北極圏の土壌で行われた別の研究では、メタン生成菌の量が多いほど、メタン生成の可能性が高まることが直接的に示されました。^{[ 24 ]}高地の土壌におけるメタン生成は、土壌全体が好気性であっても、嫌気性の微小場所に局在することが多いです。

メタン生成菌は、大陸および海洋深部生物圏の微生物群集の重要な部分を占めている。^{[ 25 ] [ 26 ] [ 27 ]}

記載されているメタン生成菌の約3分の1は海洋起源であり、その大部分はユーリ古細菌クレードに属します。^{[ 28 ]}海洋環境では、メタン生成微生物は硫酸還元菌と資源をめぐって競合します。^{[ 28 ]}その結果、有機物負荷が高く硫酸塩が枯渇した海域や堆積物は、メタン生成菌が優勢な海域となります。^{[ 28 ]}堆積物の嫌気性によりメタン生成活動が可能になり、メタン生成菌群集が繁栄するため、海洋堆積物はメタン生成微生物群集にとって重要な生息地となります。メタン生成菌がメタンを生成するために消費する主要な化合物は酢酸であり、これは世界のメタン生成量の3分の2を占めています。^{[ 28 ]}海洋堆積物のメタン生成に寄与するもう1つの化合物は一酸化炭素であり、これは二酸化炭素に酸化された後、一連の反応を経て、微生物からメタンが放出される際にエネルギーを生成します。 ^{[ 28 ]}この化合物は硫酸還元菌と競合しないと考えられており、メタン生成菌が自由に利用できる。微生物M. acetivoransの調査では、メタン合成経路は淡水分類群と類似しているが、メタン生成経路で機能する海洋堆積物微生物に特有のタンパク質が見つかった。^{[ 28 ]}海洋から大気へのメタンの年間放出量は、年間約 0.7～14 億 kg CH _{4と推定されている。} ^{[ 28 ]}主なメタン生成プロセスには無酸素条件が必要であるにもかかわらず、表層海洋水におけるメタンの過飽和は「海洋メタンのパラドックス」を生み出し、海洋から大気へのメタン放出につながる。^{[ 28 ] [ 29 ] [ 30 ] [ 31 ]}

最近の研究では、好気性条件にもかかわらず表層海洋でメタン合成の可能性を調べることで、このパラドックスを説明しようとしている。好気性メタンの供給源は、表層海洋でリンが不足している微生物群集で発見されており、^{[ 30 ]}メチルホスホン酸（Mpn）化合物の異化作用が好気性海洋水中でメタンを共生成することがわかっており、パラドックスに対する潜在的な説明を提供している。^{[ 29 ] [ 30 ] [ 31 ]}海洋に広く分布する古細菌であるN. maritimusは、これらの好気性海洋水中でメチルホスホン酸を合成する経路を持っていることがわかっている。^{[ 30 ]}周囲の物質からこの化合物が生成されることで、周囲の細菌や微生物による分解を介してメタン生成が可能になる。さらに、Mpn合成の普及は、PelagibacterなどのMpn還元分類群の豊富さと一致している[ ^{30 ]。Mpn}の生産者と化合物の分解者の間のリンクは、メタンの生成につながる。メチルホスホン酸を還元する微生物では、CPリアーゼタンパク質がこの還元プロセスに重要であることがわかっている[29][30][4]。これは、微生物のリン源として機能し、メタンを^{放出する。Mpn分解経路を阻害した変異体は、}メタン生成の分解も示すことがわかっており、メチルホスホン酸化合物の分解と好気性海洋環境内でのメタン生成とのリンクが確認されている。細菌内でのホスホン酸化合物の輸送と加水分解のアップレギュレーションは、リン酸制限下で起こることがわかっており^{[ 30 ]} 、これらの化合物が必須代謝活動に使用されていることをさらに示している。表層海洋の好気性条件下でこのMpn合成・分解が存在することは、「海洋メタンパラドックス」を引き起こしたメタンの過飽和状態を説明するものであり、通常のメタン生成経路に必要な嫌気性条件以外の環境下でもメタン生成が起こっていることを示す証拠となる。