تكوين الميثان

إن تكوين الميثان أو الميثان الحيوي هو تكوين الميثان المقترن بالحفاظ على الطاقة بواسطة الميكروبات المعروفة باسم الميثانوجينات . تم التعرف على الكائنات الحية القادرة على إنتاج الميثان للحفاظ على الطاقة فقط من مجال العتائق، وهي مجموعة مميزة من الناحية التطورية عن كل من حقيقيات النوى والبكتيريا ، على الرغم من أن العديد منها تعيش في ارتباط وثيق مع البكتيريا اللاهوائية. يعد إنتاج الميثان شكلاً مهمًا ومنتشرًا من أشكال التمثيل الغذائي للميكروبات . في البيئات الخالية من الأكسجين ، يعد هذا هو الخطوة الأخيرة في تحلل الكتلة الحيوية . إن تكوين الميثان مسؤول عن كميات كبيرة من تراكمات الغاز الطبيعي ، والباقي يكون حراريًا. ^{[1] [2] [3]}

إن تكوين الميثان في الميكروبات هو شكل من أشكال التنفس اللاهوائي . ^[4] لا تستخدم الميثانوجينات الأكسجين للتنفس؛ في الواقع، يثبط الأكسجين نمو الميثانوجينات. المستقبل النهائي للإلكترون في تكوين الميثان ليس الأكسجين، بل الكربون. يتضمن أفضل مسارين موصوفين استخدام حمض الأسيتيك (الأسيتوكلاستيك) أو ثاني أكسيد الكربون غير العضوي (الهيدروجين) كمستقبلين نهائيين للإلكترون:

CO ₂ + 4 H ₂ → CH ₄ + 2 H ₂ O

CH ₃ COOH → CH ₄ + CO ₂

أثناء التنفس اللاهوائي للكربوهيدرات، يتكون H ₂ والأسيتات بنسبة 2: 1 أو أقل، لذا فإن H ₂ يساهم فقط بنحو  33% في تكوين الميثان، مع مساهمة الأسيتات بنسبة أكبر. في بعض الظروف، على سبيل المثال في الكرش ، حيث يتم امتصاص الأسيتات إلى حد كبير في مجرى دم المضيف، تكون مساهمة H ₂ في تكوين الميثان أكبر. ^[5]

ومع ذلك، اعتمادًا على الرقم الهيدروجيني ودرجة الحرارة، فقد ثبت أن تكوين الميثان يستخدم الكربون من مركبات عضوية صغيرة أخرى، مثل حمض الفورميك (فورمات)، والميثانول ، والميثيلامينات ، ورباعي ميثيل الأمونيوم ، وكبريتيد ثنائي الميثيل ، والميثانثيول . تتم عملية استقلاب مركبات الميثيل بواسطة ميثيل ترانسفيراز لإعطاء ميثيل كو إنزيم م. ^[4]

تتضمن الكيمياء الحيوية لعملية تكوين الميثان الإنزيمات المساعدة والعوامل المساعدة التالية: F420 ، والإنزيم المساعد B ، والإنزيم المساعد M ، والميثانوفوران ، والميثانوبترين .

آلية تحويل CH
₃تتضمن الرابطة S في الميثان مركبًا ثلاثيًا من ميثيل مرافق الإنزيم M ومرافق الإنزيم B يتناسبان مع قناة تنتهي بالموقع المحوري على النيكل للعامل المساعد F430 . تستدعي إحدى الآليات المقترحة نقل الإلكترون من Ni(I) (لإعطاء Ni(II))، مما يبدأ تكوين CH
₄. يؤدي اقتران الجذر الثيلي للأنزيم المساعد M (RS ^. ) مع أنزيم HS المساعد B إلى إطلاق بروتون وإعادة اختزال Ni(II) بإلكترون واحد، مما يؤدي إلى تجديد Ni(I). ^[6]

يمكن لبعض الكائنات الحية أن تؤكسد الميثان، مما يعكس وظيفيًا عملية تكوين الميثان، والتي يشار إليها أيضًا بالأكسدة اللاهوائية للميثان (AOM). تم العثور على كائنات حية تؤدي الأكسدة اللاهوائية للميثان في بيئات بحرية ومياه عذبة متعددة بما في ذلك تسربات الميثان، والفتحات الحرارية المائية، والرواسب الساحلية ومناطق انتقال الكبريتات والميثان. ^[7] قد تحقق هذه الكائنات الحية تكوين الميثان العكسي باستخدام بروتين يحتوي على النيكل يشبه ميثيل-إنزيم م ريدوكتاز المستخدم بواسطة العتائق الميثانوية. ^[8] يحدث تكوين الميثان العكسي وفقًا للتفاعل:

لذا^2-4
_​+ CH ₄ → HCO^-
₃ + HS ⁻ + H ₂ O ^[9]

تعد عملية تكوين الميثان هي الخطوة الأخيرة في تحلل المادة العضوية. أثناء عملية التحلل، تُستنفد متقبلات الإلكترون (مثل الأكسجين والحديد الثلاثي والكبريتات والنترات ) ، بينما يتراكم الهيدروجين (H ₂ ) وثاني أكسيد الكربون . تتراكم أيضًا المواد العضوية الخفيفة الناتجة عن التخمير . أثناء المراحل المتقدمة من التحلل العضوي، تُستنفد جميع متقبلات الإلكترون باستثناء ثاني أكسيد الكربون. ثاني أكسيد الكربون هو أحد منتجات معظم العمليات الهدمية، لذلك فهو لا يُستنفد مثل متقبلات الإلكترون المحتملة الأخرى.

لا يمكن أن تحدث عملية تكوين الميثان والتخمير إلا في غياب متقبلات الإلكترونات غير الكربون. لا تسمح عملية التخمير إلا بتحلل المركبات العضوية الأكبر حجمًا، وتنتج مركبات عضوية صغيرة. تعمل عملية تكوين الميثان على إزالة المنتجات شبه النهائية للتحلل: الهيدروجين، والمركبات العضوية الصغيرة، وثاني أكسيد الكربون. بدون عملية تكوين الميثان، تتراكم كمية كبيرة من الكربون (في شكل منتجات التخمير) في البيئات اللاهوائية.

تحدث التخمرات المعوية في أمعاء بعض الحيوانات، وخاصة المجترات. في الكرش ، تقوم الكائنات الحية اللاهوائية، بما في ذلك الميثانوجينات، بهضم السليلوز إلى أشكال مغذية للحيوان. بدون هذه الكائنات الحية الدقيقة، لن تتمكن الحيوانات مثل الماشية من استهلاك الأعشاب. يتم امتصاص المنتجات المفيدة لعملية تكوين الميثان بواسطة الأمعاء، ولكن يتم إطلاق الميثان من الحيوان بشكل أساسي عن طريق التجشؤ (التجشؤ). تنبعث من البقرة المتوسطة حوالي 250 لترًا من الميثان يوميًا. ^[10] وبهذه الطريقة، تساهم المجترات بحوالي 25٪ من انبعاثات الميثان من صنع الإنسان . إحدى طرق التحكم في إنتاج الميثان في المجترات هي إطعامهم 3-nitrooxypropanol . ^[11]

ينتج بعض البشر غازات تحتوي على الميثان. في إحدى الدراسات التي أجريت على براز تسعة بالغين، احتوت خمس عينات على بكتيريا عتيقة قادرة على إنتاج الميثان. ^[12] تم العثور على نتائج مماثلة في عينات الغاز التي تم الحصول عليها من داخل المستقيم .

حتى بين البشر الذين تحتوي غازات البطن لديهم على الميثان، فإن الكمية تتراوح في حدود 10% أو أقل من إجمالي كمية الغاز. ^[13]

أشارت العديد من التجارب إلى أن أنسجة أوراق النباتات الحية تطلق غاز الميثان. ^[14] وأشارت أبحاث أخرى إلى أن النباتات لا تنتج غاز الميثان في الواقع؛ بل إنها تمتص غاز الميثان من التربة ثم تطلقه من خلال أنسجة أوراقها. ^[15]

تم رصد الميثانوجينات في بيئات التربة الخالية من الأكسجين، مما يساهم في تحلل المواد العضوية. وقد يضع البشر هذه المواد العضوية في مكبات النفايات، أو يدفنونها كرواسب في قاع البحيرات أو المحيطات كرواسب، أو كمواد عضوية متبقية من الرواسب التي تشكلت في الصخور الرسوبية. ^[16]

تشكل الميثانوجينات جزءًا ملحوظًا من المجتمعات الميكروبية في الغلاف الحيوي القاري والبحري العميق . ^{[17] [18] [19]}

يمكن أيضًا استغلال عملية تكوين الميثان بشكل مفيد، لمعالجة النفايات العضوية ، لإنتاج مركبات مفيدة، ويمكن جمع الميثان واستخدامه كغاز حيوي ، كوقود. ^[20] إنه المسار الأساسي الذي يتم من خلاله تكسير معظم المواد العضوية التي يتم التخلص منها عبر مكبات النفايات . ^[21] تستخدم بعض محطات الغاز الحيوي عملية تكوين الميثان لدمج ثاني أكسيد الكربون _مع الهيدروجين لإنتاج المزيد من الميثان. ^[22]

الميثان الجوي هو غاز دفيئة مهم ذو قدرة على التسبب في الاحتباس الحراري العالمي أكبر بمقدار 25 مرة من ثاني أكسيد الكربون (بمتوسط ​​100 عام)، ^[23] وبالتالي فإن تكوين الميثان في الماشية وتحلل المواد العضوية يساهمان بشكل كبير في الاحتباس الحراري العالمي. قد لا يكون مساهمًا صافيًا بمعنى أنه يعمل على المواد العضوية التي استهلكت ثاني أكسيد الكربون الجوي عند تكوينه، ولكن تأثيره الإجمالي هو تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى ميثان وهو غاز دفيئة أقوى بكثير.

إن وجود الميثان في الغلاف الجوي له دور في البحث العلمي عن حياة خارج كوكب الأرض . والتبرير هو أنه على مقياس زمني فلكي، فإن الميثان في الغلاف الجوي لجسم سماوي يشبه الأرض سوف يتبدد بسرعة، وأن وجوده على مثل هذا الكوكب أو القمر يشير بالتالي إلى أن شيئًا ما يجدده. إذا تم اكتشاف الميثان (باستخدام مطياف على سبيل المثال)، فقد يشير هذا إلى أن الحياة موجودة، أو كانت موجودة مؤخرًا. وقد نوقش هذا ^[24] عندما اكتشف الميثان في الغلاف الجوي للمريخ بواسطة إم جيه موما من مركز جودارد للطيران التابع لوكالة ناسا، وتم التحقق منه بواسطة مركبة مارس إكسبريس أوربيتر (2004) ^[25] وفي الغلاف الجوي لتيتان بواسطة مسبار هويجنز (2005). ^[26] وقد تعزز هذا النقاش باكتشاف "طفرات" عابرة من الميثان على المريخ بواسطة مركبة كيوريوسيتي روفر . ^[27]

يُقال إن الميثان الجوي يمكن أن يأتي من البراكين أو الشقوق الأخرى في قشرة الكوكب، وأنه بدون وجود توقيع نظيري ، قد يكون من الصعب تحديد الأصل أو المصدر. ^{[28] [29]}

في 13 أبريل 2017، أكدت وكالة ناسا أن غوص مركبة كاسيني الفضائية في 28 أكتوبر 2015 اكتشف عمودًا من غازات إنسيلادوس يحتوي على جميع المكونات اللازمة لأشكال الحياة القائمة على الميثان للتغذية عليها. أشارت النتائج السابقة، التي نُشرت في مارس 2015، إلى تفاعل الماء الساخن مع الصخور الموجودة تحت بحر إنسيلادوس؛ وقد دعم الاكتشاف الجديد هذا الاستنتاج، وأضاف أن الصخور تبدو وكأنها تتفاعل كيميائيًا. ومن خلال هذه الملاحظات، حدد العلماء أن ما يقرب من 98 في المائة من الغاز في العمود هو ماء، وحوالي 1 في المائة هي هيدروجين، والباقي عبارة عن خليط من جزيئات أخرى بما في ذلك ثاني أكسيد الكربون والميثان والأمونيا. ^[30]

• إنتاج الميثان الهوائي
• الهضم اللاهوائي
• الأكسدة اللاهوائية للميثان
• توليد الكهرباء من الميثان
• دورة الهيدروجين
• الميثانوتروفية
• موترال