В последние годы ученые наблюдают рост интереса к процессам образования метана в прибрежных зонах, которые считаются одними из крупнейших, но при этом наименее изученных источников этого парникового газа в мировом океане. Ключевым фактором в данных процессах стали открытия о способности определённых метаногенных архей выживать и активно продуцировать метан в условиях внезапного и частого контакта с кислородом. Специалисты выявили аэроустойчивые метаногены, особенно представители семейства Methanosarcinaceae, которые способны использовать метаболиты морских водорослей и морских трав для метаногенного метаболизма даже в прибрежных песчаных осадках с высокой концентрацией кислорода. Эти находки существенно меняют представления о биогеохимических циклах метана и углерода в зоне прибрежных экосистем и дают важные ориентиры для оценки их вклада в глобальное изменение климата. Традиционно считалось, что метаногены - организмы, продуцирующие метан - строго анаэробны, то есть живут и метаболизируют только в условиях отсутствия кислорода.
Включение их в модели глобального углеродного цикла основывалось на том, что активная метаногенеза возможна только в устойчиво лишённых кислорода средах, таких как болота, мангровые заросли, затопленные почвы или глубокие ила. Однако исследования последних лет показали, что даже в достаточно кислородсодержащих прибрежных песчаных осадках аэроустойчивые метаногенные археи сохраняют метаболическую активность и могут быстро возобновлять процесс образования метана после кратковременного контакта с кислородом. Морские водоросли и морские травы, известные как макрофиты, являются источником значительного количества органических и низкомолекулярных метаболитов. Разложение этих метаболитов в осадках стимулирует рост и активность лактофильных метаногенов, особенно способных метаболизировать метилированные соединения. Метаболиты морских растений, такие как триметиламин, диметилсульфид, холин и т.
д., выступают в роли субстратов для метилотрофной метаногенеза - наиболее распространённого типа метаногенного пути метаболизма этих архей. Прибрежные песчаные отложения занимают приблизительно половину всех континентальных маргинальных зон земного шара. В этих песках обнаружена устойчиво высокая концентрация растворённого метана по сравнению с атмосферой. Ранее предполагаемые источники метана включали подземные воды или выщелачивание из глубинных слоёв, а также бактериальное разложение таких соединений, как метилфосфонаты.
Новые научные данные с использованием комплексных методов, включающих мониторинг in situ, манипуляционные эксперименты экс ситу, метагеномику и культивирование штаммов, подтвержают ведущую роль именно аэроустойчивых метаногенных архей в продуцировании метана в данных условиях. Особое внимание уделялось изучению влияния присутствия макрофитов на интенсивность метаногенеза. Экспериментальные данные показали, что накопление морских водорослей и трав не только способствует увеличению метаболитов, поддерживающих метаногенез, но и значительно ускоряет и усиливает продуцирование метана в прибрежных песках. Это создает уникальную обратную связь: первичное производство органики морскими растениями стимулирует метаногенные процессы, которые в свою очередь увеличивают эмиссию парниковых газов, влияющих на глобальный климат. Изолированные учеными культурные штаммы Methanococcoides, полученные из датских и австралийских прибрежных песков, продемонстрировали быструю продукцию метана в присутствии метилированных соединений, а также удивительную устойчивость к коротким периодам оксигенации.
Геномные исследования выявили наличие генов, связанных с метилотрофным метаногенезом и многочисленными механизмами защиты от окислительного стресса, включая ферменты, способные нейтрализовать активные формы кислорода. Данное открытие отражает высокую адаптивность этих метаногенов к переменным и часто окислительным условиям окружающей среды. Уникальное сочетание физиологических и генетических особенностей этих архей, способных восстанавливаться и активно функционировать в условиях изменяющейся оксидативной среды, позволяет им эффективно конкурировать в прибрежных песках, где другие анаэробные микробы обычно подавляются кислородом или альтернативными электронными акцепторами. Ещё один важный аспект - масштаб и значимость выделения метана из таких песчаных прибрежных зон. Рассчитанные скорости выбросов метана достигают значений, сопоставимых или превышающих аналогичные процессы в других прибрежных экосистемах, таких как мангровые заросли и солончаковые луга.
При этом масштабная распространённость песчаных прибрежных линий и их высокая продуктивность только усиливают вклад этих экосистем в глобальный метановый баланс. Метаны в прибрежных водах не всегда связывают с активным метаногенезом в осадках, часто их объясняют выносом из подземных источников. Однако вместе с аргументами о недоказанности связи между концентрациями метана и радона, а также обнаруженными метагеномными и экспериментальными данными, новое исследование подтверждает локальное продуцирование метана архейными метаногенами в данном типе среды. В условиях глобального изменения климата, учитывая прогнозируемое увеличение температуры морской воды и частоту эпизодов эвтрофикации, развитие крупных цветений морских водорослей становится более вероятным. Это может привести к увеличению количества разлагающейся биомассы, которая, попадая в прибрежные пески, создаёт благоприятную среду для активизации метаногенеза с быстрым выбросом метана в атмосферу.
Таким образом, положительный обратный климатический эффект может усилиться, ставя под сомнение климатическую эффективность "голубого углерода" и мер по его использованию в качестве стратегии адаптации и смягчения. Учитывая все вышеизложенное, современные данные подтверждают необходимость переосмысления роли прибрежных песчаных зон в глобальном цикле метана. Международные климатические модели и инвентаризации парниковых газов должны учитывать механизмы аэроустойчивой метаногенеза, особенно связанную с метаболитами макрофитов. Более того, сезонность и локальные особенности экосистем требуют детального мониторинга, так как динамика роста и разложения морских растений напрямую влияет на интенсивность метаногенных процессов. Перспективы дальнейших исследований включают изучение межвидового разнообразия метаногенных архей в прибрежных песках, их взаимодействия с другими микроорганизмами, такие как сульфатредукторами, а также влияние удаления кислорода и гидродинамических условий на баланс метаногенеза и окисления метана.
Целесообразно также развивать методы in situ мониторинга потоков метана, интегрируя молекулярно-биологические и геохимические подходы. В итоге открытие аэротолерантных метаногенов в прибрежных песках и их использование продуктов разложения морских водорослей и трав значительно расширяет представление о биогеохимии метана. Это приводит к необходимости учитывать данные процессы в глобальных моделях парникового газа, чтобы обеспечивать более точные прогнозы климатических изменений и разрабатывать эффективные меры управления прибрежными экосистемами. .
