Méthanogenèse

La méthanogenèse ou biométhanisation est la formation de méthane par des microbes appelés méthanogènes . Les organismes capables de produire du méthane n’ont été identifiés que dans le domaine Archaea , un groupe phylogénétiquement distinct des eucaryotes et des bactéries , bien que beaucoup vivent en étroite association avec des bactéries anaérobies. La production de méthane est une forme importante et répandue du métabolisme microbien . En milieu anoxique , c’est la dernière étape de la décomposition de la biomasse. La méthanogenèse est responsable de quantités importantes d’accumulations de gaz naturel , le reste étant thermogénique. ^{[1] [2] [3]}

Biochimie

Cycle de méthanogenèse, montrant les intermédiaires.

La méthanogenèse chez les microbes est une forme de respiration anaérobie . ^[4] Les méthanogènes n’utilisent pas d’oxygène pour respirer ; en effet, l’oxygène interdit la croissance des méthanogènes. L’ accepteur d’électrons terminal dans la méthanogénèse n’est pas l’oxygène, mais le monoxyde de carbone. Les deux voies les mieux décrites impliquent l’utilisation d’ acide acétique ou de dioxyde de carbone inorganique selon un donneur d’électrons terminal plus dépressif :

CO ₂ + 4 H ₂ → CH ₄ + 2 H ₂ O CH ₃ COOH → CH ₄ + CO ₂

Pendant la respiration anaérobie des glucides, H ₂ et l’acétate se forment dans un rapport de 2:1 ou moins, donc H ₂ ne contribue qu’à c. 33 % à la méthanogenèse, l’acétate contribuant pour la plus grande proportion. Dans certaines circonstances, par exemple dans le rumen , où l’acétate est largement absorbé dans la circulation sanguine de l’hôte, la contribution de H ₂ à la méthanogénèse est plus importante. ^[5]

Cependant, en fonction du pH et de la température, il a été démontré que la méthanogenèse utilise le carbone d’autres petits composés organiques, tels que l’acide formique (formiate), le méthanol , les Méthylamines , le tétraméthylammonium , le sulfure de diméthyle et le méthanethiol . Le catabolisme des composés méthyliques est médié par les méthyl transférases pour donner la méthyl coenzyme M. ^[4]

Mécanisme proposé

La biochimie de la méthanogenèse implique les coenzymes et cofacteurs suivants : F420 , coenzyme B , coenzyme M , méthanofurane et Méthanoptérine .

Le mécanisme de conversion du CH₃La liaison –S dans le méthane implique un complexe ternaire de méthyl coenzyme M et de coenzyme B s’insérant dans un canal terminé par le site axial sur le nickel du cofacteur F430. Un mécanisme proposé invoque le transfert d’électrons de Ni (I) (pour donner Ni (II)), qui initie la formation de CH₄. Le couplage du radical thiyle de la coenzyme M (RS ^. ) avec la coenzyme HS B libère un proton et re-réduit Ni(II) par un électron, régénérant Ni(I). ^[6]

Méthanogenèse inverse

Certains organismes peuvent oxyder le méthane, inversant fonctionnellement le processus de méthanogenèse, également appelé oxydation anaérobie du méthane (AOM). Des organismes exécutant l’AOM ont été trouvés dans de multiples environnements marins et d’eau douce, notamment des suintements de méthane, des évents hydrothermaux, des sédiments côtiers et des zones de transition sulfate-méthane. ^[7] Ces organismes peuvent accomplir une méthanogenèse inverse en utilisant une protéine contenant du nickel similaire à la méthyl-coenzyme M réductase utilisée par les archées méthanogènes. ^[8] La méthanogenèse inverse se produit selon la réaction :

ALORS²⁻
₄+ _CH4 → HCO⁻
₃+ HS ⁻ + H ₂ O ^[9]

Importance dans le cycle du carbone

La méthanogenèse est la dernière étape de la décomposition de la matière organique. Au cours du processus de désintégration, les accepteurs d’électrons (tels que l’oxygène , le fer Ferrique , le sulfate et le nitrate ) s’épuisent, tandis que l’hydrogène (H ₂ ) et le dioxyde de carbone s’accumulent. Les matières organiques légères produites par la fermentation s’accumulent également. Au cours des stades avancés de la désintégration organique, tous les accepteurs d’électrons s’épuisent, à l’exception du dioxyde de carbone. Le dioxyde de carbone est un produit de la plupart des processus cataboliques, il n’est donc pas épuisé comme les autres accepteurs d’électrons potentiels.

Seules la méthanogenèse et la fermentation peuvent se produire en l’absence d’accepteurs d’électrons autres que le carbone. La fermentation ne permet que la décomposition de composés organiques plus gros et produit de petits composés organiques. La méthanogenèse élimine efficacement les produits semi-finaux de la décomposition : l’hydrogène, les petites matières organiques et le dioxyde de carbone. Sans méthanogenèse, une grande quantité de carbone (sous forme de produits de fermentation) s’accumulerait dans les milieux anaérobies.

Occurrence naturelle

Chez les ruminants

Test des moutons australiens pour la production de méthane expiré (2001), CSIRO

La fermentation entérique se produit dans l’intestin de certains animaux, en particulier les ruminants. Dans le rumen , les organismes anaérobies, y compris les méthanogènes, digèrent la cellulose sous des formes nutritives pour l’animal. Sans ces micro-organismes, les animaux tels que les bovins ne pourraient pas consommer d’herbes. Les produits utiles de la méthanogenèse sont absorbés par l’intestin, mais le méthane est libéré de l’animal principalement par les éructations (éructations). Une vache moyenne émet environ 250 litres de méthane par jour. ^[10] Ainsi, les ruminants contribuent à environ 25 % des émissions anthropiques de méthane . Une méthode de contrôle de la production de méthane chez les ruminants consiste à les nourrir avec du 3-nitrooxypropanol . ^[11]

Chez l’homme

Certains humains produisent des flatulences qui contiennent du méthane. Dans une étude des matières fécales de neuf adultes, cinq des échantillons contenaient des archées capables de produire du méthane. ^[12] Des résultats similaires sont trouvés dans des échantillons de gaz obtenus à l’intérieur du rectum .

Même parmi les humains dont les flatulences contiennent du méthane, la quantité est de l’ordre de 10 % ou moins de la quantité totale de gaz. ^[13]

Dans les plantes

De nombreuses expériences ont suggéré que les tissus foliaires des plantes vivantes émettent du méthane. ^[14] D’autres recherches ont indiqué que les usines ne génèrent pas réellement de méthane ; ils absorbent simplement le méthane du sol et l’émettent ensuite à travers leurs tissus foliaires. ^[15]

Dans les sols

Les méthanogènes sont observés dans les environnements de sols anoxiques, contribuant à la dégradation de la matière organique. Cette matière organique peut être placée par les humains dans les décharges, enfouie sous forme de sédiments au fond des lacs ou des océans sous forme de sédiments et sous forme de matière organique résiduelle provenant de sédiments qui se sont formés en roches sédimentaires. ^[16]

Dans la croûte terrestre

Les méthanogènes sont une partie notable des communautés microbiennes de la biosphère profonde continentale et marine . ^{[17] [18] [19]}

Rôle dans le réchauffement climatique

Le méthane atmosphérique est un gaz à effet de serre important avec un potentiel de réchauffement global 25 fois supérieur au dioxyde de carbone (moyenne sur 100 ans), ^[20] et la méthanogénèse chez le bétail et la décomposition de la matière organique est donc un contributeur considérable au réchauffement climatique. Il ne s’agit peut-être pas d’un contributeur net dans le sens où il fonctionne sur des matières organiques qui ont utilisé le dioxyde de carbone atmosphérique lors de sa création, mais son effet global est de convertir le dioxyde de carbone en méthane qui est un gaz à effet de serre beaucoup plus puissant.

La méthanogenèse peut également être exploitée avec profit, pour traiter les Déchets organiques , pour produire des composés utiles, et le méthane peut être collecté et utilisé comme biogaz , un carburant. ^[21] C’est la principale voie par laquelle la plupart des matières organiques éliminées via les décharges sont décomposées. ^[22]

Vie extraterrestre

La présence de méthane atmosphérique a un rôle dans la recherche scientifique de la Vie extraterrestre . La justification est que le méthane dans l’atmosphère finira par se dissiper, à moins que quelque chose ne le reconstitue. Si du méthane est détecté (en utilisant un spectromètre par exemple), cela peut indiquer que la vie est, ou était récemment, présente. Cela a été débattu ^[23] lorsque le méthane a été découvert dans l’atmosphère martienne par MJ Mumma du Goddard Flight Center de la NASA, et vérifié par le Mars Express Orbiter (2004) ^[24] et dans l’atmosphère de Titan par la Sonde Huygens (2005). ^[25]Ce débat a été approfondi avec la découverte de “transitoires”, “pics de méthane” sur Mars par le Curiosity Rover . ^[26]

Il est également avancé que le méthane atmosphérique peut provenir de volcans ou d’autres fissures de la croûte terrestre et que sans signature isotopique , l’origine ou la source peut être difficile à identifier. ^{[27] [28]}

Le 13 avril 2017, la NASA a confirmé que la plongée du vaisseau spatial orbiteur Cassini le 28 octobre 2015 a découvert le panache d’ Encelade qui contient tous les ingrédients pour que les formes de vie basées sur la méthanogénèse se nourrissent. Les résultats précédents, publiés en mars 2015, suggéraient que l’eau chaude interagissait avec la roche sous la mer ; les nouvelles découvertes appuient cette conclusion et ajoutent que la roche semble réagir chimiquement. À partir de ces observations, les scientifiques ont déterminé que près de 98 % du gaz dans le panache est de l’eau, environ 1 % est de l’hydrogène et le reste est un mélange d’autres molécules, notamment du dioxyde de carbone, du méthane et de l’ammoniac. ^[29]

Voir également

• Production aérobie de méthane
• Digestion anaérobique
• Oxydation anaérobie du méthane
• Électrométhanogenèse
• Cycle de l’hydrogène
• Méthanotrophe
• Motral

Références

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