ΜΕΘΑΝΙΟΤΡΟΦΑ ΒΑΚΤΗΡΙΑ

Παρουσίαση με θέμα: "ΜΕΘΑΝΙΟΤΡΟΦΑ ΒΑΚΤΗΡΙΑ"— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 ΜΕΘΑΝΙΟΤΡΟΦΑ ΒΑΚΤΗΡΙΑ

2 ΒΙΟΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΗ ΣΗΜΑΣΙΑ
ΟΞΕΙΔΩΝΟΥΝ ΤΟ CH4 ΠΟΥ ΕΙΝΑΙ ΤΟ ΠΙΟ ΣΗΜΑΝΤΙΚΟ ΑΕΡΙΟ ΤΟΥ ΘΕΡΜΟΚΗΠΙΟΥ ΑΠΟΙΚΟΔΟΜΟΥΝ ΤΟΞΙΚΕΣ ΧΗΜΙΚΕΣ ΟΥΣΙΕΣ (ΒΙΟΕΞΥΓΙΑΝΣΗ) ΠΕΡΙΕΧΟΥΝ ΤΟ ΕΝΖΥΜΟ ΜΟΝΟΞΥΓΕΝΑΣΗ ΤΟΥ ΜΕΘΑΝΙΟΥ (ΜΜΟ) ΠΟΥ ΔΙΝΕΙ ΤΗ ΔΥΝΑΤΟΤΗΤΑ ΓΙΑ ΤΗΝ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΧΗΜΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ ΜΕ ΕΜΠΟΡΙΚΗ ΑΞΙΑ ΕΊΝΑΙ ΦΥΣΙΟΛΟΓΙΚΑ ΚΑΙ ΦΥΛΟΓΕΝΕΤΙΚΑ ΜΟΝΑΔΙΚΑ (ΑΜΕΣΗ ΣΧΕΣΗ ΜΕΤΑΞΥ ΦΥΣΙΟΛΟΓΙΑΣ ΚΑΙ ΦΥΛΟΓΕΝΕΣΗΣ - ΒΙΟΛΟΓΙΚΟ ΕΝΔΙΑΦΕΡΟΝ)

3 Bacillus methanicus ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΔΡΟΜΗ
ΤΟ 1906 Ο SÖHNGEN ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΕ OΤΙ ΤΟ CH4 ΠΑΡΑΓΕΤΑΙ ΣΕ ΜΕΓΑΛΕΣ ΠΟΣΟΤΗΤΕΣ ΚΑΙ ΥΠΕΘΕΣΕ ΟΤΙ Η ΜΙΚΡΗ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΗ ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΣΗ ΑΥΤΟΥ ΤΟΥ ΑΕΡΙΟΥ ΕΙΝΑΙ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑ ΤΗΣ ΟΞΕΙΔΩΣΗΣ ΤΟΥ ΑΠΟ ΜΙΚΡΟΒΙΑ ΑΠΟΜΟΝΩΣΕ ΤΟ ΠΡΩΤΟ ΜΕΘΑΝΙΟΤΡΟΦΟ Bacillus methanicus

4 ΜΕΘΑΝΙΟΤΡΟΦΑ ΒΑΚΤΗΡΙΑ
αερόβια, αρνητικά κατά Gram βακτήρια που χρησιμοποιούν το μεθάνιο σαν μοναδική πηγή άνθρακα και ενέργειας. απαντούν στο έδαφος, ιζήματα, θερμές πηγές, θαλασσινό νερό, ριζόσφαιρα κ.α. 9 γένη (Methylococcus, Methylomonas, Methylomicrobium, Methylobacter, Methylocaldum, Methylosphaera, Methylocystis, Methanomonas και Methylosinus) που διαχωρίζονται σε 3 διακριτούς τύπους με βάση τις διαφορές τους στη δομή των ενδοκυτταρικών μεμβρανών και στα αναβολικά μονοπάτια. Τύπος Ι: Methylomonas, Methylomicrobium, Methylobacter, Methylocaldum, Methylosphaera (α-πρωτεοβακτήρια) Τύπος ΙΙ: Methylocystis, Methanomonas και Methylosinus (γ-πρωτεοβακτήρια) Τύπος Χ: Methylococcus

5 IMS: Εσωτερικό Σύστημα Μεμβρανών
Methylococcus capsulatus (τύπου Χ) Methylomonas methanica (τύπου Ι) IMS: Εσωτερικό Σύστημα Μεμβρανών Εντοπίζεται η μεμβρανοσυνδεόμενη μονοξυγενάση του μεθανίου Methanomonas methanooxidans (τύπου ΙΙ)

6 C1 ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ Είναι τα μεταβολικά μονοπάτια που περιλαμβάνουν την οξείδωση/ αναγωγή οργανικών ενώσεων με ένα άτομο άνθρακα και λειτουργούν έτσι ώστε να παράγουν C1 ενδιάμεσες ενώσεις που χρησιμοποιούνται σε διάφορες αναβολικές διεργασίες και για την παραγωγή ενέργειας. Μεθανιότροφα: Αφορά την οξείδωση του μεθανίου προς φορμαλδεΰδη η οποία στη συνέχεια είτε οξειδώνεται προς CO2 είτε εισέρχεται σε κάποια από τις αναβολικές πορείες του μονοπατιού της σερίνης ή του μονοπατιού της μονοφωσφορικής ριβουλόζης (RuMP).

7 Μονοπάτια οξείδωσης μεθανίου
Μονοφωσφορικό μονοπάτι της ριβουλόζης για την αφομοίωση της φορμαλδεΐδης έχουν κεντρικά στοιβαγμένες ενδοκυτταροπλασματικές μεμβράνες. Μονοπάτι της σερίνης έχουν περιφερικές ενδοκυτταροπλασματικές μεμβράνες.

8 1 2 3γ 3α 3β 4

9 1. Οξείδωση του μεθανίου Το μεθάνιο οξειδώνεται προς μεθανόλη μέσω προσβολής του δεσμού C-H από μοριακό οξυγόνο και δημιουργείται ένας δεσμός C-O-. Η αντίδραση αυτή καταλύεται από το ένζυμο μονοοξυγενάση του μεθανίου (ΜΜΟ). Το ένζυμο αυτό στα περισσότερα μεθανιότροφα είναι μεμβρανοσυνδεόμενο και ο μηχανισμός κατάλυσης περιλαμβάνει τη μεταφορά ενός ζεύγους ηλεκτρονίων μέσω του κυτοχρώματος c. Σε μερικά μεθανιότροφα, απουσία χαλκού το ένζυμο είναι διαλυτό στον περιπλασμικό χώρο και η μεταφορά των ηλεκτρονίων γίνεται μέσω του NADH.

10 1 3β 2 3α 3γ 4

11 2. Οξείδωση της μεθανόλης
Το άτομο C οξειδώνεται περαιτέρω με απομάκρυνση ενός ζεύγους ηλεκτρονίων οπότε και παράγεται φορμαλδεΰδη. Η απομάκρυνση των 2e- επιτυγχάνεται μέσω του ενζύμου αφυδρογονάση της μεθανόλης (MDH) το οποίο περιέχει το συνένζυμο PQQ (Pyrroloquinoline quinone) και τα ηλεκτρόνια μεταφέρονται αρχικά στο κυτόχρωμα cL το οποίο στη συνέχεια οξειδώνεται από το κυτόχρωμα cH. Η μεταφορά των ηλεκτρονίων γίνεται στον περιπλασμικό χώρο.

12 1 3β 2 3α 3γ 4

13 3α. Εισαγωγή της HCHO στο μονοπάτι της σερίνης
1. Υδροξυμεθυλάση της σερίνης 2. Τρανσαμινάση 3. ΟΗ-πυροσταφυλική αναγωγάση 4. Γλυκερινική κινάση 5. Φωσφογλυκερινική μουτάση & ενολάση 6. ΡΕΡ καρβοξυλάση 7. Μαλεϊκή αφυδρογονάση 8. Συνθετάση του μαλεΰλ-CoA 9. Λυάση του μαλεΰλ-CoA Η αφομοίωση της HCHO με αυτό τον τρόπο γίνεται στα μεθανότροφα τύπου ΙΙ.

14 1 3β 2 3α 3γ 4

15 3β. Εισαγωγή της HCHO στο μονοπάτι της RuMP
1. Συνθετάση της 6-Ρ-εξουλόζης (HPS) 2. Ισομεράση της 6-Ρ-εξουλόζης (HPI) 3. Φωσφοφρουκτοκινάση 4. Αλδολάση της 1,6 διφωσφορικής φρουκτόζης Τα HPS και HPI απαντούν μόνο στα τύπου Ι και Χ.

16 1 3β 2 3α 3γ 4

17 3γ. Οξείδωση της φορμαλδεΰδης
Η φορμαλδεΰδη μπορεί να οξειδωθεί σε μυρμιγκικό οξύ μεταφέροντας ένα ζεύγος ηλεκτρονίων σε συμπαράγοντες όπως η ανηγμένη γλουταθειόνη και τα κυτοχρώματα. Η παραπάνω αντίδραση καταλύεται από ποικίλα ενζυμικά συστήματα όπως η ΝΑD εξαρτώμενη αλδεϋδική αφυδρογονάση (FADH) 4. Οξείδωση του μυρμιγκικού Το μυρμιγκικό στη συνέχεια οξειδώνεται σε CO2 από τη ΝAD εξαρτώμενη μυρμιγκική αφυδρογονάση.

18 Ο ΡΟΛΟΣ ΤΩΝ ΣΤΕΡΟΛΩΝ Τα μόνα βακτήρια τα οποία στις μεμβράνες τους περιέχουν υψηλό ποσοστό στερολών και έχουν την ικανότητα για τη βιοσύνθεση τους. Οι στερόλες ανήκουν στα τριτερπένια και η βιοσύνθεσή τους από τα μεθανιότροφα γίνεται μέσω του μονοπατιού του ισοπρενίου. Ενδιάμεσες ενώσεις της μεταβολικής αυτής πορείας όπως η λανοστερόλη ανιχνεύονται στα μεθανιότροφα. Οι στερόλες των μεθανιότροφων είναι μεθυλιωμένες, τα περισσότερα της οικογένειας Methylococceae βιοσυνθέτουν μεθυλο-στερόλες. Στο Methylococcus capsulatus αποτελούν το 0.2% του ξηρού του βάρους.

19 Ο ΡΟΛΟΣ ΤΩΝ ΣΤΕΡΟΛΩΝ

20 Ο ΡΟΛΟΣ ΤΩΝ ΣΤΕΡΟΛΩΝ Μειώνουν τη ρευστότητα των λιπιδίων της μεμβράνης όταν ο οργανισμός βρεθεί σε υψηλές θερμοκρασίες. Methylococcus capsulatus (45 οC). Η σύνθεση όμως στερολών από ψυχρόφιλα μεθανιότροφα όπως το Methylosphaera hansonii (10-13 οC) δηλώνει ότι η ικανότητα για βιοσύνθεση των στερολών δεν οφείλεται σε προσαρμογή στη θερμοκρασία. Κατά συνέπεια στα βακτήρια αυτά η ύπαρξη στερολών στη μεμβράνη ίσως να εξυπηρετεί άλλες λειτουργίες όπως για παράδειγμα η προστασία των μεμβρανών από τοξικά ενδιάμεσα του C1 μεταβολισμού. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την εκτίμηση της μικροβιακής ποικιλότητας και ως βιο-δείκτες.

21 ΜΕΘΥΛΟΤΡΟΦΑ-ΜΕΘΑΝΙΟΤΡΟΦΑ ΔΙΑΦΟΡΕΣ
Τα μεθανιότροφα βακτήρια είναι μια κατηγορία των μεθυλότροφων. Για τα μεθανιότροφα το μεθάνιο είναι η μόνη πηγή C και ενέργειας, ενώ τα μεθυλότροφα χρησιμοποιούν διάφορες οργανικές ενώσεις με ένα μονάχα άτομο C όπως μεθανόλη, μεθυλαμίνες, χλωρομεθάνιο κ.α. Τα μεθυλότροφα που δεν χρησιμοποιούν μεθάνιο δεν εμφανίζουν χαρακτηριστικούς σχηματισμούς εσωτερικών μεμβρανών.

22 ΜΕΘΥΛΟΤΡΟΦΑ-ΜΕΘΑΝΙΟΤΡΟΦΑ ΔΙΑΦΟΡΕΣ
Τα μεθυλότροφα μπορεί να είναι είτε G+ είτε G- ενώ τα μεθανιότροφα εμφανίζονται να είναι G-. Τα μεθυλότροφα αφομοιώνουν την φορμαλδεΰδη κυρίως μέσω του μονοπατιού RuMP. Η οξείδωση της φορμαλδεΰδης στα μεθυλότροφα δεν γίνεται μέσω μυρμιγκικού αλλά μέσω ενός κυκλικού μονοπατιού που ακολουθεί αυτό του RuMP.

23 Φορμαλδεΰδη 6 Ρ Φρουκτόζη 6 Ρ Γλυκόζη 6 Ρ Γλυκονικό 6 Ρ Ριβουλόζη CO2 NAD+ NADH RuMP

24 ΟΙΚΟΛΟΓΙΑ ΜΕΘΑΝΙΟΤΡΟΦΩΝ ΒΑΚΤΗΡΙΩΝ
ΜΙΚΡΟΒΙΟΛΟΓΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ ΜΕΘΟΔΟΙ ΜΟΡΙΑΚΗΣ ΒΙΟΛΟΓΙΑΣ ΟΙ ΔΙΑΦΟΡΕΤΙΚΟΙ ΤΡΟΠΟΙ ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΗΣ ΑΛΛΗΛΟΣΥΜΠΛΗΡΩΝΟΝΤΑΙ

25 ΑΠΟΜΟΝΩΣΗ ΚΑΙ ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ
ΛΙΜΝΕΣ ΩΚΕΑΝΟΙ ΧΩΜΑ ΛΑΣΠΗ ΒΙΟΛΟΓΙΚΟΥ ΚΑΘΑΡΙΣΜΟΥ ΕΡΗΜΟΙ ΣΤΑΣΙΜΑ ΝΕΡΑ ΓΕΝΙΚΑ ΣΕ ΟΠΟΙΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΥΠΑΡΧΕΙ ΜΕΘΑΝΙΟ ΓΙΑ ΝΑ ΟΞΕΙΔΩΣΟΥΝ

26 ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ ΠΟΥ ΕΠΗΡΕΑΖΟΥΝ ΤΟΝ ΑΝΤΑΓΩΝΙΣΜΟ ΜΕΤΑΞΥ ΤΩΝ ΜΕΘΑΝΙΟΤΡΟΦΩΝ Ι –ΙΙ ΤΥΠΟΥ
Ι ΤΥΠΟΣ ΥΨΗΛΗ ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΣΗ ΟΞΥΓΟΝΟΥ ΧΑΜΗΛΗ ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΣΗ ΜΕΘΑΝΙΟΥ ΙΙ ΤΥΠΟΣ ΧΑΜΗΛΗ ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΣΗ ΟΞΥΓΟΝΟΥ ΥΨΗΛΗ ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΣΗ ΜΕΘΑΝΙΟΥ

27 ΦΥΣΙΚΟΧΗΜΙΚΕΣ ΣΥΝΘΗΚΕΣ
ΡΗ ΟΥΔΕΤΕΡΟΦΙΛΑ (ΜΕΡΙΚΩΣ ΠΡΟΣΑΡΜΟΣΜΕΝΑ ΣΕ ΟΞΙΝΑ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΑ) ΔΕΝ ΠΑΡΑΤΗΡΗΤΑΙ ΑΥΞΗΣΗ ΣΕ ΡΗ<5 ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ ΜΕΣΟΦΙΛΑ (ΜΕ ΕΞΑΙΡΕΣΕΙΣ) ΑΡΙΣΤΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ 25ºC

28 Η ΑΜΜΩΝΙΑ ΕΙΝΑΙ ΑΝΑΣΤΟΛΕΑΣ ΤΟΥ ΕΝΖΥΜΟΥ ΜΟΝΟΟΞΥΓΕΝΑΣΗ ΤΟΥ ΜΕΘΑΝΙΟΥ (ΜΜΟ) ΠΟΥ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΖΕΙ ΤΑ ΜΕΘΑΝΟΤΡΟΦΑ ΒΑΚΤΗΡΙΑ Η ΧΡΗΣΗ ΑΖΩΤΟΥΧΩΝ ΛΙΠΑΣΜΑΤΩΝ ΠΕΡΙΟΡΙΖΕΙ ΤΗΝ ΟΞΕΙΔΩΣΗ ΤΟΥ ΜΕΘΑΝΙΟΥ ΣΕ ΑΓΡΟΤΙΚΕΣ ΠΕΡΙΟΧΕΣ

29 Ο ρόλος των μεθανότροφων βακτηρίων στο βιοχημικό «κύκλο του άνθρακα»

30

31  Το μεθάνιο (CH4 ) είναι το αφθονότερο οργανικό αέριο στην ατμόσφαιρα Το CH4 απορροφά στο υπέρυθρο φάσμα ακτινοβολίας ( nm) και συμβάλλει στο φαινόμενο του θερμοκηπίου αναλογικά με το CO2 26 φορές περισσότερο (greenhouse gas). H μείωση των εκπομπών CH4 στην ατμόσφαιρα είναι διπλά ευεργετική γιατί ταυτόχρονα διασώζει τις οξειδωτικές ρίζες και έτσι αυξάνει την παραγωγή του όζοντος. Από τα 520 Tg CH4, που εκπέμπονται στην ατμόσφαιρα ετησίως, το 90% οξειδώνεται φωτοχημικά (ΟΗ). Επομένως μια μείωση της τάξης του 10% ή 40 Tg/year, μπορεί να σταθεροποιήσει τη συγκέντρωση του στην ατμόσφαιρα.    

32  Τα μεθανιότροφα βακτήρια είναι παρόντα στα περισσότερα οικοσυστήματα (αερόβιες συνθήκες) - όπως άλλωστε και τα μεθανογενή (αναερόβιες συνθήκες) - και ρυθμίζουν την οξείδωση του μεθανίου και κατ’ επέκταση την εισαγωγή του στις τροφικές αλυσίδες των διαφόρων οργανισμών. Η μείωση επομένως της εκπομπής του μεθανίου στην ατμόσφαιρα οφείλεται στη δράση των μεθανιότροφων βακτηρίων αλλά και σε συγκεκριμένους παράγοντες, βιοτικούς και αβιοτικούς, που εισέρχονται σε κάθε οικοσύστημα. 

33 Ο κύκλος του μεθανίου Φωτοχημική οξείδωση (90%)

34

35 Υδροβιότοποι (tundra and wet lands)
Βρίσκονται τόσο στις πολικές >500Ν, όσο και στην τροπική ζώνη. Παρουσιάζουν μεγάλες διαφορές στα επίπεδα οργανικών ιζημάτων την οξύτητα και την βιοαποικοδόμηση. Θεωρούνται από τις μεγαλύτερες πηγές μεθανίου (66Tg για τις τροπικές και 38 Tg για τις πολικές περιοχές) Το ύψος της στάθμης του νερού όσο αυξάνεται μειώνει την κατανάλωση του μεθανίου από τα μεθανιοτροφικά και ευνοεί τη δράση των μεθανογενών βακτηρίων (αναερόβιες συνθήκες). Η παρουσία αυξημένης βλάστησης φυτών και δέντρων στα τροπικά οικοσυστήματα ευνοεί την παράκαμψη της μεταβολικής οδού των μεθανιοτροφικών και τη μεταφορά του μεθανίου στην ατμόσφαιρα. Τέλος οι αζωτούχες ενώσεις όπως γνωρίζουμε δρουν ανταγωνιστικά ως προς τις ΜΜOs

36 Ορυζώνες (rice paddies)
Bali Η παραγωγή μεθανίου παρουσιάζει μεγάλη ετήσια διακύμανση (4 μόνο μήνες υψηλή στάθμη νερών) αλλά γενικά η οξείδωση του μεθανίου εδώ είναι πολύ μεγαλύτερη: από 575 Tg/year μόνο 100 Tg/year μεταφέρονται στην ατμόσφαιρα

37 Οι λόγοι που ευνοούν τη δράση των μεθανιότροφων βακτηρίων στους ορυζώνες είναι οι εξής:
Η μεταφορά του μεθανίου, στην ατμόσφαιρα, συμβαίνει μόνο κατά την περίοδο της πλήρους ανάπτυξης των φυτών, διαμέσου του ριζικού συστήματος, των διακυτταρικών χώρων, του αεροεκχύματος και των πόρων στην επιφάνεια των φύλλων. Το ριζικό σύστημα των συγκεκριμένων φυτών είναι ελάχιστα διαπερατό από το μεθάνιο. Στους ορυζώνες η στάθμη του νερού είναι υψηλή μόνο 3-4 μήνες το χρόνο, Πάντως η λίπανση των εδαφών με αμμωνία και νιτρικά μειώνει την οξείδωση του μεθανίου.

38 Λίμνες – ωκεανοί – αλατούχες λίμνες
Στις λίμνες με γλυκά νερά το μεγαλύτερο ποσοστό του παραγόμενου μεθανίου καταναλώνεται είτε μεταφερόμενο από το υπολίμνιο στο παραλίμνιο όπου και υπάρχει οξυγόνο είτε κατά τη θερινή περίοδο διάστρωσης του βυθού. Μόνο 5Tg/year είναι η συνεισφορά τους στο ατμοσφαιρικό μεθάνιο

39 Λίμνες – ωκεανοί – αλατούχες λίμνες
Στους ωκεανούς, που έχουν μικρή συνεισφορά στο ατμοσφαιρικό οξυγόνο (1.9% της συνολικής παραγωγής), εικάζεται ότι υπάρχουν πηγές μεθανίου οι οποίες δεν έχουν ακόμη προσδιοριστεί με ακρίβεια. Πέρα από τα φερόμενα ιζήματα η απόθεση οργανικού υλικού είναι μικρή και ο οργανικός άνθρακας οξειδώνεται πριν φτάσει στο βυθό. Ψυχρές και υδροθερμικές διαρροές αερίων μιγμάτων διαμορφώνουν ιδιαίτερα περιβάλλοντα και οικοσυστήματα για τα μεθανιότροφα βακτήρια.

40 Λίμνες – ωκεανοί – αλατούχες λίμνες
Στις αλατούχες αλκαλικές λίμνες, όπως και σε λίμνες με σημαντική απόθεση θειούχων ενώσεων, η οξείδωση του μεθανίου λαμβάνει χώρα μέσα από αναερόβια βιοχημικά μονοπάτια.

41 Τα χερσαία εδάφη και ιζήματα λειτουργούν ως βιοφίλτρα για την είσοδο και έξοδο του ατμοσφαιρικού μεθανίου καθώς και των ανοξικών ιζημάτων, ενώ η ανάπτυξη των μεθανιοτροφικών ρυθμίζεται από την παρουσία του οξυγόνου και του αζώτου στο έδαφος (μέση τιμή αποθήκευσης ατμοσφαιρικού μεθανίου 20 Tg/year). Οι έρημοι αποτελούν επίσης (καταβόθρες) του ατμοσφαιρικού μεθανίου μέσω της βακτηριακής οξείδωσης παρά το μικρό ποσοστό συμμετοχής τους (7Tg/year). Landfills (λιβάδια) : συνεισφέρουν στο ατμοσφαιρικό μεθάνιο (30-70 Tg/year), αν και χαρακτηρίζονται από τους μεγαλύτερους ρυθμούς οξείδωσης του μεθανίου.

42 Ψυχρή διαρροή υγρού και αερίου μίγματος, που περιέχει μεθάνιο

43 Σχισμή σταθερής εκροής μαύρου αέριου μίγματος που δημιουργεί υδροθερμικές μάζες (hydrothermal plumes), κινούμενες έως και 300 μέτρα πάνω από την επιφάνεια του βυθού.

44

45

46 Συμβιωτικά Μεθανιότροφα Βακτήρια

47 CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O (ΔGo = -778 kJ/mol CH4)
Τι είναι τα συμβιωτικά μεθανιότροφα βακτήρια; Μεθανιότροφα βακτήρια που αλληλεπιδρούν με άλλους οργανισμούς. Ενδοσυμβίωση (τα μεθανιότροφα βακτήρια ζουν μέσα στα κύτταρα του ξενιστή). Προσφέρουν στον ξενιστή σημαντικό ποσοστό του διατροφικού τους C & ενέργειας χρησιμοποιώντας πηγές μη κατάλληλες για τον ξενιστή. Ο ξενιστής διευκολύνει την πρόσβαση του συμβιωτικού βακτηρίου στο απαραίτητο υπόστρωμα (CH4). Παίζουν σημαντικό ρόλο στο παγκόσμιο κύκλο ενέργειας καθώς οξειδώνουν CH4, το οποίο παράγεται από χημικές διαδικασίες σε φυσικά περιβάλλοντα όπως υγρότοπους, στο έντερο των μηρυκαστικών ζώων & διαφόρων φυτών. CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O (ΔGo = -778 kJ/mol CH4)

48 Συμβίωση μεταξύ μεθανιοτροφικών βακτηρίων & ελασματοβραγχιωτών στον Κόλπο του Μεξικού.
Ενδοσυμβιωτικές σχέσεις των μεθανιότροφων (& χημειοαυτοτροφικών) βακτηρίων αποτελεί την βάση πολλών ασπόνδυλων κοινωνιών. Κοινωνίες που βρίσκονται βαθιά μέσα στη θάλασσα σε υδροθερμικούς αεραγωγούς.

49 Υδροθερμικοί αεραγωγοί
Θερμοπίδακας στο βυθό της θάλασσας. Βγάζει συνεχώς ζεστό, πλούσια σε μέταλλα νερό που βοηθάει στην ανάπτυξη & διατήρηση μιας ποικιλόμορφης κοινότητας οργανισμών. Ατλαντικό & Ειρηνικό Ωκεανό. Βρίσκονται σε βάθος ~2,100 μέτρα. Η θερμοκρασία μπορεί να φτάσει τους 400°C.

50 Μύδια του γένους Bathymodilus (Oικογένεια Mytilidae)
Αποτελεί ένα από τα κυρίαρχα ασπόνδυλα ζώα που κατοικούν στους βαθιά μέσα στη θάλασσα υδροθερμικούς αεραγωγούς. Ανάλογα με το είδος & την τοποθεσία που βρίσκονται, φιλοξενούν τα μεθανιότροφα βακτήρια σε εξειδικευμένα κύτταρα που λέγονται βακτηριοκύτταρα.

51 Μεθανιοτροφικά βακτήρια Άλλοι συμβιωτές οργανισμοί (S)
Φωτογραφίες από Ηλεκτρονικό Μικροσκόπιο Διέλευσης (ΗΜΔ) βραγχιακού νήματος από το Bathymodiolus μύδι αποδεικνύει την ύπαρξη ενδοσυμβιωτικών μεθανιοτροφικών βακτηρίων. Μεθανιοτροφικά βακτήρια Άλλοι συμβιωτές οργανισμοί (S) 2 μm 2 μm Won Y. J. et al., Appl. Env. Microb. (2003) 69(11), Pruski A. M. et al., Marine Biol. (2000) 136(3),

52 Φωτογραφία ΗΜΔ βραγχιακού ιστού από μύδι της παραλίας Louisiana (Oικογένεια Mytilidae).
Μεθανιότροφα βακτήρια πυρήνας πυρήνας 2μm Bacteriology Τα συμβιωτικά μεθανιότροφα βακτήρια συγκεντρώνονται κυρίως στην ακραία επιφάνεια του κυττάρου, κοντά στο εξωτερικό περιβάλλον. Σύγκριση 16S rRNAs αλληλουχιών δείχνει ότι το συγκεκριμένο ενδοσυμβιωτικό μεθανιότροφο βακτήριο δημιουργεί ξεχωριστό σύμπλεγμα. Distel D. L. et al., J. of Bacteriology (1994) 176(7):

53 Ύπαρξη ενδοσυμβιωτικού μεθανιότροφου βακτηρίου στο Μid-Atlantic Ridge μύδι (Oικογένεια Mytilidae)
Εξελικτικό φυλογενετικό δέντρο βασισμένο σε 16S rRNA αλληλουχίες των MAR mytilid συμβιωτών και μεθανιότροφων βακτηρίων τύπου Ι & Χ δείχνει ότι ο MAR-2 συμβιώτης οργανισμός δημιουργεί ξεχωριστό σύμπλεγμα. Distel D. L. et al. Proc. Natl. Acad. Sci. USA (1995) 92:

54 Riftia pachyptila Δακτυλιοσκώλικας που βρίσκεται κοντά σε υδροθερμικούς αεραγωγούς βαθιά μέσα στη θάλασσα (ανατολικά Ειρηνικού Ωκεανού). Δεν έχουν πεπτικό σωλήνα, στόμα & μάτια. Η επιβίωσή τους εξαρτάται από τα ενδοσυμβιωτικά μεθανιότροφα βακτήρια που περιέχουν μέσα στα αγγειώδη σώματά τους. Μετατρέπουν χημικές ουσίες που διαρρέονται από τους υδροθερμικούς αεραγωγούς σε θρεπτικά συστατικά για τον οργανισμό. Minic Z. & Hervé G. Eur. J. Biochem. (2004) 271,

55 Συμβίωση μεταξύ μεθανιοτροφικών βακτηρίων και βαθιά μέσα στη θάλασσα σαρκοφάγων cladorhizid σπόγγων.
Σπόγγοι που ζουν κοντά σε πηγές CH4 βαθιά μέσα στη θάλασσα (~4800m) στo N. Eιρηνικό. Ενδοκυτταρικά βακτήρια που παρατηρήθηκαν σε ιστούς του σπόγγου Cladorhiza σε συνδυασμό με την μέτρηση της δραστηριότητα αφυδρογονάσης της μεθανόλης, απέδειξαν ότι ορισμένοι ενδοσυμβιωτικοί οργανισμοί είναι μεθανιότροφοι. Ο σπόγγος εξασφαλίζει σημαντικό ποσοστό της διατροφής του με την βοήθεια των συμβιωτικών μεθανιότροφων βακτηρίων. Vacelet J. et al., Marine Ecology Progress Series (1996) 145:77-85

56 Σχέσεις των μεθανιότροφων βακτηρίων με τις ρίζες & τα ριζώματα της υδάτινης βλάστησης
Οι ρίζες πολλών διαφορετικών υδάτινων μακρόφυτων οξειδώνουν CH4 σε υψηλούς ρυθμούς. Μεγάλο ποσοστό των ρυθμών αυτών ανήκει στα μεθανιότροφα βακτήρια του ριζικού ιστού. Η δραστηριότητα της οξείδωσης του μεθανίου στις ρίζες των φυτών από τα μεθανιότροφα βακτήρια ποικίλει ανάλογα την εποχή & το είδος των φυτών. Τα φυτά αυτά της υδάτινης βλάστησης: Προωθούν την ανάπτυξη μεθανιότροφων βακτηρίων. Αποτελούν αγωγούς για το CH4 και τοποθεσίες πληθυσμών μεθανιότροφων βακτηρίων. King G. M. et al., Appl. Environ. Microbiol. (1994) 60,

57 Σημαντικά ποσοστά οξείδωσης παρατηρούνται στo φυτό Lemna minor στα υγρότοπους της Minnesota.
Αναπτύσσεται στην επιφάνεια της λίμνης. Φιλοξενεί ένα μεγάλο αριθμό μεθανιότροφων βακτηρίων, όπου οξειδώνουν CH4 απελευθερώνοντας Ο2 (περιορισμένο σε αυτούς τους ανοξικούς ρηχούς υγρότοπους). Hanson R. S. & Hanson T. E. Microbiol. Reviews (1996) 60(2):

58 Αποικοδόμηση χημικών τοξικών ουσιών από
μεθανότροφα βακτήρια

59 Αποικοδόμηση χημικών τοξικών ουσιών από μεθανιότροφα βακτήρια
Τα μεθανιότροφα βακτήρια μπορούν να αποικοδομήσουν αλογονωμένους υδρογονάνθρακες χαμηλού μοριακού βάρους οι οποίοι είναι ευρέως διαδεδομένοι τοξικοί ρυπαντές (π.χ. τριχλωροαιθένιο, 1,2-διχλωροαιθένιο, χλωροφόρμιο). Η χρήση των μεθανιότροφων βακτηρίων έχει κυρίως μελετηθεί στην αποικοδόμηση του τριχλωροαιθενίου (ΤCE) στο έδαφος και σε υπόγεια ύδατα.  

60 Χλωριωμένοι υδρογονάνθρακες
Ιδιότητες πολύ σταθερές ενώσεις διαλυτικές ιδιότητες δεν είναι εύφλεκτοι Χρήσεις διαλύτες ανάκτηση μετάλλων στεγνό καθάρισμα προωθητικά αέρια παρασιτοκτόνα μέσα εξαγωγής της καφεΐνης από τον καφέ αναισθητικά βιομηχανία των πλαστικών

61 TCE (τριχλωροαιθένιο)
ο πιο συχνά αντιμετωπιζόμενος ρύπος στα υπόγεια νερά χρόνος ημιζωής 300 μέρες τοξική ένωση πιθανό καρκινογόνο για τον άνθρωπο

62 Βιοαποικοδόμηση του TCE (Συν-μεταβολισμός)

63 Βιοαποικοδόμηση του TCE (Συν-μεταβολισμός)
1. To ΤCE μετατρέπεται σε εποξείδιο με τη βοήθεια της μονοοξυγενάσης του μεθανίου (ΜΜΟ). Το ένζυμο αυτό οξειδώνει το TCE με ένα οξυγόνο και ενσωματώνει το άλλο στο μόριο νερού. 2. Το εποξείδιο του TCE εκκρίνεται από το κύτταρο αλλά είναι ασταθές και έτσι σπάει αυθόρμητα σε υδατικό περιβάλλον. Τα προϊόντα της διάσπασης είναι τα εξής : CO, φορμικό οξύ, γλυοξυλικό οξύ, διχλωροξικό οξύ. 3. Τα προϊόντα αυτά χρησιμοποιούνται από μεθανιότροφα βακτήρια ως πηγές άνθρακα και ενέργειας όταν δεν υπάρχει αρκετό μεθάνιο. Υπάρχουν και άλλα ετερότροφα βακτήρια που μπορούν να μεταβολίσουν αυτές τις ουσίες. 4. Σε μεικτές καλλιέργειες το TCE ανοργανοποιείται πλήρως σε CO2 και HCl.

64 Μονοοξυγενάση του μεθανίου (διαλυτή)

65 Μονοοξυγενάση του μεθανίου (διαλυτή)
TCE+O2 TCE+O2 TCE-epoxide+H2O

66 Παράγοντες που επηρεάζουν την αποικοδόμηση του TCE
η συγκέντρωση του μεθανίου η παρουσία χαλκού οι πηγές αζώτου η διαθεσιμότητα του οξυγόνου pH θερμοκρασία η φυσιολογία του μεθανιοτροφικού στελέχους

67 ‘Ένζυμα με βιοτεχνολογικές
εφαρμογές από μεθανιότροφα και μεθυλότροφα βακτήρια

68 Βιοτεχνολογικές μέθοδοι για την αποικοδόμηση του TCE από μεθανιότροφα και μεθυλότροφα βακτήρια.
Βιοαντιδραστήρες (για την αφαίρεση χλωριωμένων υδρογονανθράκων από μολυσμένα υπόγεια ύδατα, απόβλητα) Προϋποθέσεις για την κατασκευή βιοαντιδραστήρα ανταγωνισμός μεταξύ χλωριωμένου υποστρώματος και μεθανίου για το ενεργό κέντρο της μονοοξυγενάσης μειωμένους ρυθμούς μετατροπής Παραδείγματα: Βιοαντιδραστήρες δυο-σταδίων (Ανάπτυξη κυττάρων - Προσθήκη στα μολυσμένα ύδατα)

69 Αποικοδόμηση του TCE από Methylosinus trichosporium
στέλεχος OB3b σε βιοαντιδραστήρα δυο-σταδίων Methane (Minerals + dH2O) (CH4 + O2)

70 Βιοτεχνολογικές μέθοδοι για την αποικοδόμηση του TCE από μεθανιότροφα και μεθυλότροφα βακτήρια.
Ιn situ αποικοδόμηση : ενεργοποίηση των ενδογενών μικροβιακών πληθυσμών (ρυπαντές του εδάφους) εμπλουτισμός με στελέχη μικροοργανισμών για τα οποία είναι αποδεδειγμένη η βιοαποικοδομητική τους δραστηριότητα

71 Ενεργοποίηση ενδογενών Methylosinus trichosporium OB3b με ένεση Μεθανίου
Savannah River (U.S.A.)

72 Ένεση Methylosinus trichosporium OB3b (27m βάθος)
injection

73 Ταξινομική - Βιοποικιλότητα

74 Methylococcus capsulatus
ΠΡΩΤΕΟΒΑΚΤΗΡΙΑ ΜΕΘΑΝΙΟΤΡΟΦΑ ΤΥΠΟΣ Χ Methylococcus capsulatus ΤΥΠΟΣ Ι Methylomonas Methylobacter Methylomicrobium ΤΥΠΟΣ ΙΙ Methylosinus Methylocystis

75

76

77

78 ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΒΙΟΠΟΙΚΙΛΟΤΗΤΑΣ
ΜΙΚΡΟΒΙΟΛΟΓΙΚΑ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΤΕΧΝΙΚΩΝ ΜΟΡΙΑΚΗΣ ΒΙΟΛΟΓΙΑΣ (ΜΟΡΙΑΚΗ ΟΙΚΟΛΟΓΙΑ) Ο ΑΡΙΘΜΟΣ ΤΩΝ ΜΕΘΑΝΙΟΤΡΟΦΩΝ ΠΟΥ ΕΧΟΥΝ ΑΠΟΜΟΝΩΘΕΙ ΣΕ ΚΑΘΑΡΕΣ ΚΑΛΛΙΕΡΓΕΙΕΣ ΕΙΝΑΙ ΠΟΛΥ ΜΙΚΡΟΣ ΣΥΓΚΡΙΤΙΚΑ ΜΕ ΤΟΝ ΑΡΙΘΜΟ ΑΠΌ ΜΟΡΙΑΚΕΣ ΤΕΧΝΙΚΕΣ

79 ΜΟΝΟΞΥΓΕΝΑΣΗ ΤΟΥ CH4 (MMO)
ΓΟΝΙΔΙΑ ΣΤΟΧΟΙ 16S rRNA ΜΟΝΟΞΥΓΕΝΑΣΗ ΤΟΥ CH4 (MMO)

80 ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΑ ΔΕΙΓΜΑΤΑ ΕΥΡΕΣΗ ΤΗΣ ΑΛΛΗΛΟΥΧΙΑΣ
ΦΥΛΟΓΕΝΕΣΗ ΤΑΥΤΟΠΟΙΗΣΗ ΒΙΟΠΟΙΚΙΛΟΤΗΤΑ ΑΠΟΜΟΝΩΣΗ DNA ΑΠΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΑ ΔΕΙΓΜΑΤΑ ΕΥΡΕΣΗ ΤΗΣ ΑΛΛΗΛΟΥΧΙΑΣ PCR DGGE-TGGE ΚΛΩΝΟΠΟΙΗΣΗ

81 ΤΟ ΒΑΚΤΗΡΙΟ Methylococcus capsulatus

82 Το βακτήριο αυτό περιβάλλεται από πολυσακχαριτική κάψα και είναι ανθεκτικό στην έλλειψη νερού
Υπάρχουν δεδομένα που δηλώνουν ότι τα μεθανιότροφα που ζουν στο έδαφος σε ερημικά περιβάλλοντα επιβιώνουν με τον τρόπο αυτό

83

84 ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΟΥ ΓΟΝΙΔΙΩΜΑΤΟΣ
Βρέθηκαν 51 αλληλουχίες εισδοχής (μεταθετά στοιχεία) 2 καθαροί προφάγοι (58,5-45 kb). ΜΕ ΓΕΝΕΤΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΟΙ ΠΡΟΦΑΓΟΙ ΑΥΤΟΙ ΜΠΟΡΟΥΝ ΝΑ ΓΙΝΟΥΝ ΕΡΓΑΛΕΙΑ ΓΙΑ ΤΥΧΑΙΑ ΜΕΤΑΛΛΑΞΟΓΕΝΕΣΗ ΣΤΟ M. capsulatus

85 ΤΟ M. capsulatus ΕΊΝΑΙ ΜΕΤΑΒΟΛΙΚΑ ΕΥΕΛΙΚΤΟ ΚΑΙ ΕΧΕΙ ΤΗΝ ΙΚΑΝΟΤΗΤΑ ΝΑ ΜΕΓΑΛΩΝΕΙ ΣΕ ΣΑΚΧΑΡΑ ΚΑΙ ΣΕ ΜΙΚΡΕΣ ΣΥΓΚΕΝΤΡΏΣΕΙΣ ΟΞΥΓΟΝΟΥ ΑΝΤΙΘΕΤΑ ΜΕ ΤΑ ΟΣΑ ΠΙΣΤΕΥΑΜΕ ΤΟ ΠΛΗΡΕΣ ΓΟΝΙΔΙΩΜΑ ΤΟΥ M. capsulatus ΚΑΙ ΤΟ ΗΜΙΤΕΛΕΣ ΓΟΝΙΔΙΩΜΑ ΤΟΥ Methylobacterium extorquens ΠΡΟΣΦΕΡΟΥΝ ΣΗΜΑΝΤΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΓΙΑ ΤΗ ΒΙΟΛΟΓΙΑ ΤΩΝ ΜΕΘΑΝΙΟΤΡΟΦΩΝ