Группа голландских ученых обнаружила, что в анаэробных условиях на дне водоема неизвестные ранее бактерии способны окислять метан, восстанавливая при этом нитраты и нитриты и выделяя во внешнюю среду молекулярный азот. Причем выяснилось, что участвуют в этом процессе представители двух совершенно разных групп — архебактерии и «настоящие» бактерии, или эубактерии.

Загадочный консорциум бактерий. Архебактерии, объединенные в кластеры, окрашены в красный цвет, неизвестные эубактерии — в зеленый (фото с сайта noorderlicht.vpro.nl)
На дне пресных водоемов нередко складываются анаэробные условия, поскольку весь имеющийся кислород расходуется бактериями, разлагающими скапливающееся там мертвое органическое вещество (например, остатки растений). В отсутствие кислорода разложение органического вещества также происходит, хотя гораздо медленнее, а его конечным продуктом нередко оказывается метан — CH4. Образуют метан особые бактерии, так называемые метаногены, относящиеся к древней группе архебактерий. Если выделившийся метан попадает в вышележащие слои водной толщи, туда, где есть кислород, он быстро окисляется метанокисляющими бактериями, или, как их еще называют, метанотрофами, — представителями «настоящих» бактерий (эубактерий).

Ученые предполагали, что возможен процесс, при котором метан окисляется и в анаэробных условиях. Например, электроны могут от метана перемещаться не к кислороду, а к нитратам и нитритам, которые будут восстанавливаться, образуя молекулярный азот. Соответствующее уравнение может быть записано так:

По сути, это реакция денитрификации — давно известная, но в совершенно ином варианте, когда в качестве доноров электронов (восстановителя) выступают разные органические вещества или сера, а не метан. И вот наконец большой группе нидерландских исследователей из Института изучения водных ресурсов и Королевского института морских исследований удалось доказать, что предполагаемый процесс действительно протекает в природе.

Для этого из канала, загрязненного стоками сельскохозяйственного производства, взяли литровую пробу донных осадков и использовали ее как затравку для обогатительной культуры. Условия на дне канала вполне подходили для анаэробного окисления метана: кислород отсутствовал, метан был в изобилии, а кроме того, было довольно много нитратов.

По сути, это реакция денитрификации — давно известная, но в совершенно ином варианте, когда в качестве доноров электронов (восстановителя) выступают разные органические вещества или сера, а не метан. И вот наконец большой группе нидерландских исследователей из Института изучения водных ресурсов и Королевского института морских исследований удалось доказать, что предполагаемый процесс действительно протекает в природе.

Для этого из канала, загрязненного стоками сельскохозяйственного производства, взяли литровую пробу донных осадков и использовали ее как затравку для обогатительной культуры. Условия на дне канала вполне подходили для анаэробного окисления метана: кислород отсутствовал, метан был в изобилии, а кроме того, было довольно много нитратов.

Трансформация соединений азота и углерода в загрязненном водоеме. Пунктирная линия — это раздел между анаэробной зоной (донные отложения) и аэробной (водная толща). Метан (CH4), образующийся на дне (1), частично окисляется анаэробно (2), взаимодействуя с нитритами (NO2–) и нитратами (NO3–). Часть метана проходит выше и окисляется аэробно (3). В левой части рисунка показано образование нитритов и нитратов (4) и обычная денитрификация (5). Рисунок из статьи Thauer, Shima, 2006. Nature. V. 440. P. 878-879
В лаборатории в культуру (поддерживающуюся в строго анаэробных условиях) всё время подавали метан, а культуральную среду постепенно замещали неорганической, в которой присутствовали нитраты, бикарбонат и необходимые микроэлементы. Спустя 16 месяцев концентрацию нитрата в поступающей свежей среде довели до 6 мМ (миллимолей), но в самой культуре она оставалась весьма невысокой (около 0,1 мМ), что указывало на интенсивное использование этого вещества бактериями.

На рисунке видно, как в культуре в течение суток содержание метана уменьшается, а молекулярного азота возрастет (a), а также как расходуются при этом нитрат и нитрит (b). Опыт проведен в течение 20 часов c культурой, которую выращивали уже 16 месяцев. Концентрации веществ — в микромолях; нитрата — в миллимолях. Рис. из статьи в Nature

Доказать потребление метана методически было сложнее, но и это удалось, когда в культуру перестали подавать метан, нитриты и нитраты. На рисунке хорошо видно, как при этом падала концентрация потребляемых веществ и как возрастало содержание молекулярного азота. Гораздо труднее было решить вопрос о том, какие же именно бактерии осуществляют анаэробное окисление метана. Выделить их в чистую культуру не удавалось (с чем нередко сталкиваются микробиологи), однако, опираясь на последовательность генов 16S рибосомальной РНК и используя метод флюоресцентной in situ гибридизации (FISH), авторы работы выяснили, что изученный процесс осуществляет консорциум из двух разных бактерий.

Одна из них — эубактерия, близкая тем, что были взяты из анаэробной зоны японского озера Бива, где происходит интенсивная денитрификация (на эту бактерию приходится более 80% клеток). Другая — из группы архебактерий, близка к некоторым описанным формам из сильно загрязненных водоемов (на нее приходится 10-20% клеток). Наличие архебактерий подтверждено и присутствием так называемых «биомаркеров» — специфических веществ, свойственных только определенной группе организмов. Пока неизвестно, каково же «разделение труда» между двумя столь разными микроорганизмами.

Источник: Ashna A. Raghoebarsing, Arjan Pol, Katinka T. van de Pas-Schoonen, Alfons J. P. Smolders, Katharina F. Ettwig, W. Irene C. Rijpstra, Stefan Schouten, Jaap S. Sinninghe Damsté, Huub J. M. Op den Camp, Mike S. M. Jetten, Marc Strous. A microbial consortium couples anaerobic methane oxidation to denitrification // Nature. 2006. V. 440. P. 918-921.

Автор: Гиляров А.М.,
доктор биологических наук
Москва