Metanogen adalah biokatalis, yang memiliki potensi untuk berkontribusi pada solusi untuk masalah energi masa depan dengan memproduksi metana sebagai pembawa energi yang dapat disimpan. Kelompok metanogen Archaea yang sangat beragam ditandai oleh kemampuan produksi metana.
Pengertian
Metanogen adalah mikroorganisme, terutama dari kelompok Archaea, yang dapat tumbuh dan menghasilkan metana dalam kondisi anaerob.
Archaea Metanogen adalah mikroorganisme prokariotik yang hidup di lingkungan yang sangat anaerob dan memperoleh energi melalui produksi gas alam, metana (CH4). Berkat karakteristik ini, jenis organisme ini memiliki kepentingan ekologis yang besar, karena ia campur tangan dalam degradasi bahan organik di alam, dan dalam siklus karbon.
Metanogen adalah kelompok heterogen secara filogenetik di mana faktor umum yang menyatukan mereka adalah produksi gas metana dan kofaktor uniknya.
Metana gas yang mudah terbakar dianggap sebagai pengganti yang cocok untuk minyak fosil di masa depan, yang akan habis selama dekade berikutnya (Ren et al. 2008). Metana dapat digunakan sebagai pembawa energi yang dapat disimpan, sebagai bahan bakar untuk kendaraan, untuk produksi listrik, atau sebagai bahan kimia dasar untuk sintesis dan banyak negara telah mengembangkan jaringan gas alam dengan baik (Ren et al. 2008). Dalam hal transisi yang diperlukan dari proses kimia ke proses biologis, bakteri metanotropik dapat menggunakan metana sebagai sumber karbon dan energi untuk menghasilkan biomassa, enzim, PHB atau metanol (Strong et al. 2015; Ge et al. 2014).
Metanasi biologis adalah proses industri utama yang melibatkan metanogen. Archaea ini menggunakan CO2 dan H2 dan / atau molekul organik kecil, seperti asetat, format, dan metilamin dan mengubahnya menjadi metana. Meskipun produksi elektrokimia metana masih lebih hemat energi daripada produksi biologis [di bawah 0,3 kWh / meter kubik metana (0,16 MPa, Bär et al. 2015)], konversi biologis mungkin menguntungkan karena toleransi yang lebih tinggi terhadap kotoran ( H2S dan NH3) dalam aliran educt, terutama jika aliran gas limbah kaya CO2 harus digunakan (Bär et al. 2015).
Terlepas dari itu, penelitian sedang berlangsung untuk meningkatkan efisiensi energi dari proses biologis, sehingga mungkin menjadi cara yang lebih disukai dari produksi metana di masa depan (Bär et al. 2015).
Metanasi biologis terjadi secara alami di rawa-rawa, sistem pencernaan hewan, ladang minyak, dan lingkungan lainnya (Garcia et al. 2000) dan sudah umum digunakan pada tanaman air limbah dan tanaman biogas. Aplikasi baru untuk metanogen seperti electromethanogenesis sedang meningkat, namun, masih ada banyak penelitian dasar, seperti karakterisasi strain dan pengembangan alat genetik dasar, terjadi tentang kelompok methanogen yang sangat beragam dan unik (Blasco-Gómez et al. 2017).
Ciri Metanogen
Metanogen adalah coccoid (berbentuk bola) atau basil (berbentuk batang). Ada lebih dari 50 spesies metanogen yang dideskripsikan, yang tidak membentuk kelompok monofiletik, meskipun semua metanogen yang diketahui milik Archaea.
Metanogen sebagian besar organisme anaerob yang tidak dapat berfungsi di bawah kondisi aerob, tetapi baru-baru ini spesies (Candidatus Methanothrix paradoxum) telah diidentifikasi yang dapat berfungsi dalam mikrosit anoksik dalam lingkungan aerob.
Metanogen sangat sensitif terhadap keberadaan oksigen bahkan pada tingkat jejak. Biasanya, mereka tidak dapat mempertahankan tekanan oksigen untuk waktu yang lama. Namun, Methanosarcina barkeri memiliki kemampuan luar biasa dalam memiliki enzim superoksida dismutase (SOD), dan dapat bertahan lebih lama daripada yang lain di hadapan O2.
Beberapa metanogen, yang disebut hidrogenotropik, menggunakan karbon dioksida (CO2) sebagai sumber karbon, dan hidrogen sebagai zat pereduksi.
Reduksi karbon dioksida menjadi metana di hadapan hidrogen dapat dinyatakan sebagai berikut:
CO2 + 4 H2 → CH4 + 2H2O
Beberapa CO2 bereaksi dengan hidrogen untuk menghasilkan metana, yang menciptakan gradien elektrokimia melintasi membran sel, yang digunakan untuk menghasilkan ATP melalui chemiosmosis. Sebaliknya, tanaman dan ganggang menggunakan air sebagai agen pereduksi mereka.
Metanogen kekurangan peptidoglikan, polimer yang ditemukan di dinding sel Bakteri tetapi tidak pada Archaea.
Beberapa metanogen memiliki dinding sel yang tersusun dari pseudopeptidoglikan.
Metanogen lain tidak, tetapi memiliki setidaknya satu susunan paracrystalline (S-layer) yang terdiri dari protein yang cocok bersama seperti teka-teki gambar.
Contoh Metanogen
Metanogen adalah archaea yang menghasilkan gas metana sebagai produk sampingan metabolisme di area dengan kandungan oksigen rendah. Mereka ditemukan di usus manusia, lahan basah, sumber air panas atau lubang panas bumi.
Contohnya termasuk strain Metanogen ini adalah:
- Methanobacterium bryantii
- Methanobacterium formicum
- Methanobrevibacter arboriphilicus
- Methanobrevibacter gottschalkii
- Methanobrevibacter ruminantium
- Methanobrevibacter smithii
- Methanocalculus chunghsingensis
- Methanococcoides burtonii
- Methanococcus aeolicus
- Methanococcus deltae
- Methanococcus jannaschii
- Methanococcus maripaludis
- Methanococcus vannielii
- Methanocorpusculum labreanum
- Methanoculleus bourgensis
- Methanoculleus marisnigri
- Methanofollis liminatans
- Methanogenium cariaci
- Methanogenium frigidum
- Methanogenium organophilum
- Methanogenium wolfei
- Methanomicrobium mobile
- Methanopyrus kandleri
- Methanoregula boonei
- Methanosaeta concilii
- Methanosaeta thermophila
- Methanosarcina acetivorans
- Methanosarcina barkeri
- Methanosarcina mazei
- Methanosphaera stadtmanae
- Methanospirillium hungatei
- Methanothermobacter defluvii
- Methanothermobacter thermautotrophicus
- Methanothermobacter thermoflexus
- Methanothermobacter wolfei
- Methanothrix sochngenii
Habitat
Metanogen biasanya tumbuh subur di lingkungan di mana semua akseptor elektron selain CO2 (seperti oksigen, nitrat, besi besi (Fe (III)), dan sulfat) telah terkuras. Dalam batuan basaltik yang dalam di dekat pertengahan samudera, mereka dapat memperoleh hidrogen dari reaksi serpentinisasi olivin seperti yang diamati di bidang hidrotermal Kota Hilang.
Kerusakan termal air dan radiolisis air adalah kemungkinan sumber hidrogen lainnya.
Metanogen telah ditemukan di beberapa lingkungan ekstrem di Bumi – terkubur di bawah kilometer es di Greenland dan hidup di tanah gurun yang panas dan kering. Mereka dikenal sebagai archaebacteria paling umum di habitat bawah tanah yang dalam. Mikroba hidup yang menghasilkan metana ditemukan dalam sampel inti es gletser yang diambil dari sekitar tiga kilometer di bawah Greenland oleh para peneliti dari University of California, Berkeley. Mereka juga menemukan metabolisme konstan yang mampu memperbaiki kerusakan makromolekul, pada suhu 145 hingga –40 ° C.
Studi lain juga menemukan metanogen di lingkungan yang keras di Bumi. Para peneliti mempelajari lusinan sampel tanah dan uap dari lima lingkungan gurun yang berbeda di Utah, Idaho, dan California di Amerika Serikat, serta di Kanada dan Chili. Dari jumlah tersebut, lima sampel tanah dan tiga sampel uap dari sekitar Stasiun Penelitian Gurun Mars di Utah ditemukan memiliki tanda-tanda metanogen yang layak.
Beberapa ilmuwan telah mengusulkan bahwa keberadaan metana di atmosfer Mars mungkin merupakan indikasi metanogen asli di planet itu. Pada Juni 2019, penjelajah Curiosity NASA mendeteksi metana, yang umumnya dihasilkan oleh mikroba bawah tanah seperti methanogen, yang menandakan kemungkinan kehidupan di Mars.
Terkait erat dengan metanogen adalah pengoksidasi metana anaerob, yang memanfaatkan metana sebagai substrat dalam hubungannya dengan pengurangan sulfat dan nitrat. Sebagian besar methanogen adalah produsen autotrofik, tetapi yang mengoksidasi CH3COO− digolongkan sebagai kemotrof.
Peranan
Metanogen memainkan peran ekologis yang vital dalam lingkungan anaerob untuk menghilangkan kelebihan hidrogen dan produk fermentasi yang telah diproduksi oleh bentuk lain dari respirasi anaerob.
Metanogen adalah agen utama remineralisasi karbon organik dalam sedimen batas benua dan sedimen air lainnya dengan laju sedimentasi dan bahan organik sedimen tinggi. Di bawah kondisi tekanan dan suhu yang tepat, metana biogenik dapat terakumulasi dalam endapan besar metana klatrat, yang menyumbang sebagian besar karbon organik dalam sedimen margin kontinental dan mewakili reservoir kunci dari gas rumah kaca yang potensial.