Arquea metanógena

Arqueas metanógenas
Methanopyrus
Clasificación científica
Dominio:	Archaea
Filo:	Euryarchaeota
Géneros
Clase Methanobacteria     Orden Methanobacteriales         Sin clasificar             Candidatus Methanoregula             Methanocalculus         Familia Methanobacteriaceae             Methanobacterium             Methanobrevibacter             Methanosphaera             Methanothermobacter         Familia Methanothermaceae             Methanothermus Clase Methanococci     Orden Methanococcales         Familia Methanocaldococcaceae             Methanocaldococcus             Methanotorris         Familia Methanococcaceae             Methanococcus             Methanothermococcus Clase Methanomicrobia     Orden Methanomicrobiales         Familia Methanocorpusculaceae             Methanocorpusculum         Familia Methanomicrobiaceae             Methanoculleus             Methanofollis             Methanogenium             Methanolacinia             Methanomicrobium             Methanoplanus         Familia Methanospirillaceae             Methanospirillum     Orden Methanosarcinales         Familia Methanosaetaceae             Methanosaeta         Familia Methanosarcinaceae             Methanimicrococcus             Methanococcoides             Methanohalobium             Methanohalophilus             Methanolobus             Methanomethylovorans             Methanosalsum             Methanosarcina Clase Methanopyri     Orden Methanopyrales         Familia Methanopyraceae             Methanopyrus

Las arqueas metanógenas son microorganismos procariontes que viven en medios estrictamente anaerobios y que obtienen energía mediante la producción de gas natural, el metano (CH₄). Gracias a esta característica, este tipo de organismo tiene una gran importancia ecológica, ya que interviene en la degradación de la materia orgánica en la naturaleza, y en el ciclo del carbono.^[1]

Las metanógenas son un grupo filogenéticamente heterogéneo en donde el factor común que las une es la producción de gas metano y sus cofactores únicos.^[2]

Historia

El padre Carlo Campi notó que en lago Maggiore aparecían burbujas provenientes del fondoformación biológica del metano a partir de simples compuestos de carbono.^[3]

Tappeiner (1882) logró probar de modo más adecuado el origen del metano a partir de microorganismos, identificando en diferentes lugares (como intestinos de animales) a seres anaerobios con características similares (productores de metano) que sólo reacionan en medios sin tratamientos específicos. Posteriormente se identificarían como los metanógenos que hoy conocemos.

Los experimentos de Popoff, Tappeiner, y Hoppe-Seyler en la utilización de celulosa para los cultivos de los microorganismos recolectados, demostraron que es posible la formación de metano, CO₂, hidrógeno y ácidos en el interior de los intestinos de animales herbívoros.^[3]

En 1936, año que marcó el principio de la era moderna en el estudio de la metanogénesis, H.A Barrer informó de sus experimentos con metanógenos y brindó las bases científicas para el estudio de la fisiología de la metanogénesis. Una importante aportación de este científico fue el desarrollo de un proceso adecuado para crear un medio de cultivo apropiado para el crecimiento de los metanógenos.

En la década de los cincuenta comenzó la era definitiva en el examen de la conversión del grupo metil a metano, en los laboratorios Baker. Diez años después se extendió exhaustivamente el estudio de la fisiología de las células de los metanógenos y las enzimas que intervienen en la metanogénesis. En los setenta el estudio de la metanogénesis logró relevantes descubrimientos en las coenzimas y condiciones atmosféricas para la adecuada producción de metanógenos. Así como identificación de las archeabacterias y con ellas la filogenia de los metanógenos.^[3]

Filogenia y diversidad

De acuerdo al análisis filogenético del ARN ribosómico 16S, las metanógenas están clasificadas en el grupo de los procariontes, y en el subgrupo de las arqueas. Esto se puede confirmar al ver que las metanógenas son microorganismos unicelulares sin núcleo definido y su pared celular no es de peptidoglucano como la de las bacterias, sino de pseudomureína.

Más específicamente, dentro del dominio Archaea, existen cuatro filos diferentes: el filo Crenarchaeota, formado por especies marinas y por hipertermófilos, el filo Korarchaeota constituido hasta donde sabemos por termófilos, el filo Nanoarchaeota que comprende un sola especie y el filo Euryarchaeota, donde justamente se encuentran las metanógenas y los halófilos extremos.

Actualmente, se conocen cerca de sesenta especies diferentes de metanógenas, y a pesar de constituir un grupo filogenético coherente, este grupo no es homogéneo. Existen grandes diferencias fisiológicas y morfológicas entre ellas. Por este motivo se han hecho cuatro subdivisiones, formando las siguientes clases: Methanobacteria, Methanococci, Methanomicrobia y Methanopyri. Estas clases se subdividen en órdenes y familias. De la misma forma, las familias se dividen en géneros, y después en especies.^[2]

Lo interesante, es que en cada familia y hasta en cada género, encontramos organismos con morfología diferente, por ejemplo, dentro de la familia Methanomicrobiaceae, hay metanogenas en forma de cocos, de espiral y de bastón. De la misma forma, dichos microorganismos, se encuentran en diferentes ambientes, y por ende, tienen metabolismos diferentes, al reducir sustratos diferentes para obtener metano.

Metanogénesis

Artículo principal: Metanogénesis

La característica que identifica a las metanógenas es su metabolismo productor de metano (CH₄). La generación de este hidrocarburo no es realmente el objetivo de dichas arqueas, en realidad la función de este proceso metabólico es la obtención de energía en forma de ATP, o de moléculas destinadas para la biosíntesis.^[4] Generalmente esta reacción se realiza a partir de dióxido de carbono (CO₂) y de hidrógeno (H₂), donde el CO₂ es un aceptor de electrones que es reducido gracias a los electrones suministrados por H₂. Puede considerarse, por tanto, una respiración anaeróbica.^[5] De forma simplificada, la reacción de este proceso, puede ser escrita de la siguiente manera:^[3]

CO₂ + 4H₂ → CH₄ + 2H₂O

Pero existen otras formas de realizar la metanogénesis según los sustratos que se encuentren en el medio, por ejemplo se puede efectuar a partir de formato (HCOO ^- ), de monóxido de carbono (CO), de piruvato (CH₃COOCOH), de metanol (CH₃OH), de acetato (CH₃COO ^- ), entre otros. Dado que se utilizan compuestos orgánicos, pueden considerarse fermentaciones, como en el caso del ácido acético:^[5]

CH₃COOH → CH₄ + CO₂

Estas diversas reacciones, no suceden espontáneamente, por el contrario, la flecha de la reacción es en realidad, un especie de resumen de múltiples reacciones que tienen lugar dentro de las metanógenas. Y para que estas reacciones se realicen, necesitan ciertas coenzimas exclusivas de las metanógenas, que se dividen en dos tipos, el primero contiene a los portadores C1 que transportan los carbonos desde el sustrato inicial hasta el metano. En este tipo de portadores encontramos al metanofurano, a la tetrahidrometanopterina, coenzima M (CoM). El otro tipo de coenzimas exclusivas son las coenzimas redox que subministran los electrones necesarios para la reducción de CO₂ a CH₄ y que intervienen en las diferentes etapas de la metanogénesis las cuales son el factor 420 (F420), la coenzima B (CoB), el complejo enzimático metil-reductasa así como la coenzima F430.

Ecología

Hábitats

Estos organismos se encuentran ampliamente distribuidos por todo el mundo, en lugares mucho más cercanos a nosotros de los que imaginamos.

Sedimentos acuosos. En los sedimentos en el fondo de lagos, ríos y charcas, donde organismos anaerobios aprovechan los desechos de organismos aerobios. Primero bacterias fermentativas sintetizan enzimas hidrolíticas, catalizando la degradación de polímeros complejos en monómeros. Después fermentan los productos solubles a H₂ y CO₂, mediante la transferencia interespecie de H₂ (bacterias acetogénicas productoras de H₂ catalizan la oxidación de alcoholes y ácidos grasos) obteniendo H₂, CO₂ y ácidos grasos que finalmente las metanógenas ocupan para producir metano.

Habitats marinos. Se presentan del mismo modo que en los sedimentos acuosos pero con especies halerantes y halofóbicas. Otro tipo se encuentra sobre todo en fuentes ricas en sulfato, como las chimeneas marinas. Las metanógenas generan metano a partir de aminas metilaldeidas y thioles. Las diferentes reacciones no son hechas por una sola especie, sino la interacción de varios microorganismos, muchos de ello inestudiados aún.

Animales rumiantes. Polímeros (como la celulosa) que se encuentran en el rumen de los rumiantes (vaca, ñu, oveja, etc) son fermentados por bacterias a cadenas más cortas, como ácidos grasos, H₂ y CO₂, que las metanógenas ocupan, desechando metano. Esto le sirve al animal para tener acetato, propanato y burato como fuente de energía. Los gases, dióxido de carbono y metano, son desechados por el animal mediante eructos y en los excrementos.

Termitas. Algunas termitas, como las Xylophagous spp. tienen densas poblaciones de distintos procariontes en su sistema digestivo para poder digerir los polímeros complejos de la madera. Las metanógenas no están directamente en los estómagos de las termitas, sino dentro de alguna bacteria o protozoario que a su vez está dentro de la termita.

Otros animales. Se encuentran en alguna parte del tracto digestivo de muchos herbívoros, como el caballo o nosotros. En el humano los polímeros indigeribles, provenientes de alimentos como el frijol, van al colon, donde son fermentados por otro consorcio de microorganismos, que incluye metanógenas. Esto ocurre en alrededor del 30-40% de la población humana, y el metano es expulsado mediante flatulencias.

La metanogénesis y el ciclo del carbono

La conversión de CO₂ en CH₄ por las metanógenas hace que el ciclo del carbono, las metanógenas y la metanogénesis estén íntimamente ligados.

Las metanógenas son parte importante del ciclo del carbono, ya que retornan este a la atmósfera desde condiciones anaeróbicas, en vez de que se acumule gradualmente en los lechos acuosos y atmósfera. Debido a las relaciones simbióticas que mantienen con organismos tales como el ganado y termitas, otra gran cantidad de metano es liberado.

En el caso del metano producido en fondos marinos o lechos de lagos, la mayoría (alrededor del 90%) es consumido por las arqueas metanotrópicas, en una serie de reacciones de oxidación de 2-electrones. Dichas arqueas se encuentran por lo general en el límite entre medios anaerobios y aerobios y son organismos quimioheterótrofos. Oxidan el CH₄ y producen CO₂, pero no generan H₂ por lo cual no se trata del proceso inverso de la metanogénesis.

En algunos hábitat, no todo el metano es consumido y alcanza la atmósfera. Esto se da principalmente en sedimentos pantanosos y en sembradíos de arróz. El metano puede difundirse fuera de los sedimentos y alcanzar la atmósfera antes de oxidarse, ser transportado directamente en burbujas o salir del sistema anaeróbico a través del sistema vascular de las plantas.

El metano producido por metanógenas en el interior de los sistemas digestivos de algunos mamíferos, como los rumiantes y los seres humanos, se libera directamente a la atmósfera en forma de gases intestinales expulsados mediante eructos u evacuaciones. Un proceso de simbiosis similar se da en las termitas, sin embargo no se sabe con certeza cuanto metano liberan, ya que solo digieren por este medio una fracción del carbono, por lo cual, los valores estimados para su producción de metano no son del todo certeros.

El metano atmosférico eventualmente alcanza la estratosfera, donde reacciona con radicales libres, comúnmente hidroxiles, formando CH₃, mismo que puede participar en reacciones que lleven a la formación de ozono o por el contrario a su destrucción. Su interacción con el radical cloro que provoca el agotamiento del ozono. La oxidación del metano en la estratosfera puede ser también una fuente importante de agua que forma nubes de hielo a una altura de 85 km.

Impacto global

El metano es un gas invernadero importante. Aunque su concentración atmosférica actual, 1,7 ppm (por volumen) es considerablemente menor que el índice de dióxido de carbono, cada molécula de metano se considera treinta veces más efectiva, debido a su mayor absorción infrarroja, como gas invernadero que el dióxido de carbono. Lo que lo hace el segundo gas invernadero más importante, contribuyendo con un calentamiento del 25% de lo que el dióxido de carbono hace.

El metano atmosférico a lo largo de los años puede medirse mediante burbujas de hielo en los polos a diferentes profundidades. A partir de esto se ha determinado su incremento en 1% por año. Del mismo modo se sabe que se mantenía relativamente constante a 0,8 ppm de 1600 a 1850, cuando empezó a incrementarse hasta el 1,7 pmm actual.

El punto obvio es que el metano atmosférico se encuentra en una concentración no vista desde hace 160.000 años. Semejante variable puede asociarse de inmediato con la actividad humana, como es fácil hacer en estos tiempos. Sin embargo, contrario a lo que el pensamiento común dictaría, esto no se debe directamente a nuestras actividades industriales, sino al inocente e inadvertido metabolismo de las metanógenas.

El rumen del ganado, los sembradíos de arroz son de los hábitats donde el metano producto de la metanogénesis es liberado a la atmósfera. Habitats que corresponden a parte importante de la fuente de alimento humana, y que por consiguiente han aumentado su cantidad conforme los requisitos de la población mundial. A lo cual se suma producido por desechos enterrados.

Aunque su producción sea biogénica, en última instancia es causada por el ser humano. Si al total de emisiones quitamos aquellas que directa o indirectamente son causadas por nosotros, nos encontramos con que el total antropogénico se estima en 302-715x10¹² g/año. Producto de procesos y desperdicios industriales, ganado, sembradíos de arroz y quema de biomasa, principalmente.

El cambio climático es un tema controvertido, complejo y relacionado con intereses científicos, políticos, económicos y sociales de toda la humanidad, por lo que su discusión es un proceso lento (demasiado lento) y complicado. Sin embargo, podrían tomarse medidas respecto a las emisiones de metano. Un primer paso sería empezar por el ganado, donde ya se han logrado modestos decrementos al tratarlos con antibióticos ionopóricos. De igual modo, puede ser que adoptar ciertas prácticas en el manejo de cultivos de arroz reduzca sus emisiones de metano.

Se trata de un asunto serio en el cual desafortunadamente impera la ignorancia. Las metanogénesis ha existido desde etapas tempranas de la vida y el metano es parte importante del ciclo del carbono al evitar que el CO₂ quede atrapado en los sedimentos y el ciclo se detenga. Afortunadamente se está investigando al respecto y existen proyectos para reducir la producción de metano en los cultivos de arroz y los ranchos de ganado.

Biotecnología

Resulta irónico que por un lado los hidrocarburos que utilizamos como fuente de energía estén agotándose y por el otro un gas útil para el mismo propósito se esté produciendo y liberando a la atmósfera en concentraciones potencialmente peligrosas. La idea de utilizar a las metanógenas para producir metano no es nueva. Ya existen "colectores de metano" que utilizan el estiércol de vacas y chivos para extraer metano y utilizarlo como combustible. En los basureros urbanos de materia orgánica y en los lodos de purificadoras de aguas negras es común encontrar metanógenas, por lo que existen algunos sistemas para captar el metano y aprovecharlo. Desafortunadamente utilizar a estas archeas ha resultado más difícil de lo que parecía, por lo que más investigación es necesaria.

Referencias

1. ↑ Joseph W. Lengeler (1999). Biology of the Prokaryotes. Stuttgart: Thieme. p. 796. ISBN 0632053577. 
2. ↑ ^{a b} Boone, DR (2001). «Class I. Methanobacteria class. nov.». En DR Boone and RW Castenholz, eds.. Bergey's Manual of Systematic Bacteriology Volume 1: The Archaea and the deeply branching and phototrophic Bacteria (2nd edición). New York: Springer Verlag. pp. p. 169. ISBN 978-0387987712. 
3. ↑ Error en la cita: El elemento <ref> no es válido; pues no hay una referencia con texto llamada ferry1993
4. ↑ Thauer, R. K. and Shima, S. 2006. "Biogeochemistry: Methane and microbes". Nature, 440: 878-879
5. ↑ ^{a b} Stanier, R. Y., Doudoroff, M. & Adelberg, E. A. 1977. Microbiología, 2ª edición. Ed. Aguilar, 932 pp. ISBN 84-03-20256-3