Метан является одним из ключевых парниковых газов, оказывающих значительное влияние на изменение климата Земли. До недавнего времени считалось, что его производство в океанских экосистемах характерно преимущественно для анаэробных условий, где метаногены - микроорганизмы из древнейших форм жизни - активно преобразуют органические вещества в отсутствие кислорода. Однако новые данные указывают на то, что метаногенез может происходить и в прибрежных зонах, где условия переменно насыщены кислородом. В этом контексте ключевой ролью обладают аэротолерантные метаногенные археи, способные функционировать даже при наличии кислорода, что противоречит прежним представлениям о строжайшем анаэробном образе жизни этих организмов. Особое внимание уделяется метаногенам из семейства Methanosarcinaceae, а также влиянию метаболитов из морских водорослей и морской травы (макрофитов) на стимулирование метанового производства в таких экосистемах.
Прибрежные песчаные отложения занимают около половины континентальных окраин Земли, однако долгое время оставались недостаточно изученными в плане их вклада в глобальные метановые выбросы. Характерной чертой этих зон является высокая проницаемость осадков, частая аэрация и сложные процессы взаимодействия между морской водой и осадком, что улучшает перемешивание веществ и обеспечивает периодические резкие колебания окислительно-восстановительных условий. Ранее считалось, что метаногены не способны конкурировать за ресурсы с аэробными и факультативно анаэробными бактериями в подобных условиях из-за их чувствительности к кислороду. Однако результаты новейших исследований показывают, что в таких динамичных и насыщенных кислородом поверхностных слоях песчаных осадков присутствуют и активно функционируют аэротолерантные метаногенные археи. Изучение концентраций метана в прибрежных водах Австралии и Дании выявило значительное превышение насыщения метаном в поверхностных водах по сравнению с атмосферным уровнем.
Особенно высокие концентрации наблюдались рядом с скоплениями морских водорослей и морской травы, что свидетельствует о тесной связи между наличием макрофитов и активностью метаногенеза. Такие массовые накопления органического вещества не только создают среду с замедленным проникновением кислорода в осадки, но и обеспечивают микроорганизмов метаболитами, выступающими в качестве субстратов для метаногенного дыхания. Ключевым открытием стало то, что метаногенез в этих поверхностных слоях преимущественно осуществляется через использование метильных соединений - таких как триметиламин (ТМА), диметилсульфид (ДМС), метиламин и холин - которые являются продуктами разложения осмолитов, характерных для морских водорослей и морской травы. Эти соединения служат ценными субстратами для метаногенов, так как метаногенез на их основе способен протекать в присутствии альтернативных электронных акцепторов, включая сульфаты, что позволяет метаногенам успешно конкурировать в условиях, которые считаются неблагоприятными для классического ацетокластического или гидрогенотрофного метаногенеза. Эксперименты с инкубацией образцов песчаных осадков с добавлением метаболитов макрофитов продемонстрировали значительное стимулирование образования метана.
При этом было подтверждено, что микробные сообщества, ответственные за метаногенез, локализованы преимущественно в осадках, а не в приповерхностных водах. Использование специфического ингибитора метаногенного фермента метил-КоМ редуктазы полностью подавляло образование метана, что подтверждало, что именно археи являются основными продуцентами метана в этих зонах, а не бактерии или фотосинтетические микроорганизмы. Особый интерес представляет способность выделенных культур метаногенов из рода Methanococcoides к быстрому восстановлению метаногенной активности после экспозиции кислородом. Несмотря на известную чувствительность многих метаногенов к кислороду, эти штаммы способны переживать кратковременные периоды насыщения кислородом и восстанавливать метаногенез в течение нескольких часов. Этот факт позволяет предположить наличие адаптационных механизмов и систем антиоксидантной защиты, таких как F420H2-зависимая оксидаза, супероксидредуктаза и каталаза-пероксидаза, обеспечивающих защиту от оксидативного стресса.
Наличие данных систем подтверждается геномным анализом выделенных штаммов, который выявил ключевые гены, участвующие в детоксикации кислорода и сохранении функциональной активности метаногенов в аэротолерантных условиях. Метагеномный профиль песчаных осадков характеризуется присутствием генов, кодирующих метил-КоМ редуктазу (mcrA), причем изначально их доля в микробном сообществе невысока, однако при стимуляции метаболитами макрофитов отмечается значительный рост их численности. Особую роль играют представители семейства Methanosarcinaceae. Более того, геномные и метагеномные данные свидетельствуют о широкой распространенности аэротолерантных метаногенов в прибрежных песках как в Австралии, так и в Европе, что подтверждает глобальный масштаб данного феномена. Экологические и климатические последствия этих открытий весьма значительны.
Прибрежные мелководные зоны, особенно песчаные отложения, могут быть гораздо более активными источниками метана, чем ранее предполагалось. Высокая частота аэрации и турбулентного течения поверхностных вод способствует быстрому выносу образующегося метана в атмосферу, минуя процессы окисления метана в толще воды. Накопление энергии и биомассы в макрофитах, а также сезонные и климатические колебания воздействия на их рост и разложение, оказывают непосредственное влияние на объемы метановых выбросов. Учитывая увеличение эвтрофикации прибрежных зон и рост частоты и масштабов цветения водорослей в результате изменения климата и антропогенных воздействий, вероятно, наблюдаются тенденции к увеличению метановых выбросов из таких экосистем. Это ставит перед научным сообществом задачу более точного учета метаногенеза в прибрежных песчаных осадках при моделировании парниковых газов и климатических процессов.
Также важно отметить, что традиционные оценки "голубого углерода" - углеродного поглощения и хранения в морских растительных экосистемах - могут быть переоценены, если не учитывать компенсирующее воздействие метановых выбросов. Таким образом, подходы к использованию макрофитов для смягчения изменения климата должны включать оценку потенциальных парниковых газов, таких как метан, в общем балансе углерода. В целом, выявление аэротолерантных метаногенов и их использование метаболитов морских растений для производства метана в приповерхностных песчаных осадках расширяет понимание биогеохимических циклов метана в океанских и прибрежных системах. Эти данные открывают новые направления для исследований, связанных с выявлением факторов, регулирующих метаногенную активность, ролей микробных сообществ и их взаимодействий с макрофитами, а также стратегий адаптации в изменяющемся климатическом контексте. Они подчеркивают необходимость комплексного рассмотрения взаимосвязей между биологической продуктивностью, микробиологией и гидродинамическими процессами при оценке углеродного баланса и парниковых газов в прибрежных экосистемах.
.
