Metanogenesi e riscaldamento globale

 

La metanogenesi (produzione di metano) è un'antica via metabolica svolta esclusivamente da un gruppo di Archaea (archeobatteri) anaerobici noti come metanogeni. Gli studi geologici suggeriscono che i metanogeni si sono evoluti più di 2,5 miliardi di anni fa, prima che l'ossigeno diventasse abbondante nell'atmosfera terrestre. I metanogeni sono onnipresenti nei suoli, anche in ambienti desertici asciutti. Tuttavia, la loro attività, che produce poca energia, è limitata ad ambienti a bassa ossidoriduzione creati dall'esaurimento degli accettori di elettroni più energeticamente favorevoli. 

I tassi di produzione di metano nel suolo sono più alti quando i suoli sono saturi (poiché l'ossigeno si diffonde 10.000 volte più lentamente nell'acqua rispetto all'aria) o ricchi di materia organica labile che può alimentare la domanda biologica di ossigeno dalla respirazione eterotrofica. Ciò porta a condizioni anossiche e alle condizioni redox basse necessarie per la metanogenesi. Pertanto, a scala di ecosistema, la presenza persistente e la profondità della falda freatica controllano il volume del suolo in cui può verificarsi la produzione di metano. Tuttavia, anche in un suolo insaturo o povero di sostanza organica, le condizioni anossiche possono svilupparsi su una scala molto piccola (μm) in cui vivono i metanogeni. Questo spiega come la produzione di metano possa avvenire in suoli ricchi di ossigeno con un potenziale redox alto, anche se a tassi inferiori rispetto ai suoli anossici. 

La produzione di metano è sensibile a una serie complessa di fasi di decomposizione anaerobica, anche se i metanogeni stessi utilizzano solo il più semplice dei substrati. I substrati per la produzione di metano includono H₂/CO₂ (idrogenotrofico), in cui H₂, formiato, alcol o CO sono usati come donatori di elettroni, cioè come riducenti; acetato (acetoclastico), dove viene ridotto il gruppo metile dell’acetato; e, più raramente, composti metilati (metilotrofici), in cui i metanogeni riducono anche il gruppo metilico da metanolo, dimetilsolfuro, mono-, di- e trimetilammine. I metanogeni nel suolo producono metano attraverso due vie principali: 

Sia l'acetato che l'idrogeno sono sottoprodotti della fermentazione anaerobica; quindi, la metanogenesi dipende da una catena alimentare complessa. La maggior parte dei detriti vegetali è costituita da polimeri scarsamente solubili, come cellulosa, lignina, lipidi e proteine. Questo materiale deve essere prima scomposto in unità solubili o monomeri, di solito da enzimi extracellulari, prima che possa essere metabolizzato dai microbi del suolo. I monomeri devono quindi essere fatti fermentare per produrre i substrati metanogenici, principalmente idrogeno e acetato. Le radici delle piante rilasciano anche composti di carbonio che i microbi possono decomporre anaerobicamente per produrre acetato. La produzione di metano dipende quindi dalla decomposizione anaerobica e dalla fermentazione per fornire i substrati, piuttosto che direttamente dalla quantità o dalla qualità della materia organica.

L'energetica della metanogenesi idrogenotrofica sembra in teoria essere relativamente favorevole, ma, in pratica, i tassi di crescita e le rese cellulari sono inferiori a quanto previsto da considerazioni termodinamiche. Ciò è in parte dovuto al fatto che la crescita autotrofica richiede l'uso di parte del substrato per l'assimilazione del C, inclusa una quantità significativa di ATP. L'energia della metanogenesi acetoclastica è meno favorevole di quella della metanogenesi idrogenotrofica, risultando in tassi di crescita ancora più lenti e rese cellulari inferiori. In generale, è stato anche riportato che l'aumento della salinità inibisce i metanogeni idrogenotrofici, ma migliora la metanogenesi acetoclastica.

In presenza di ioni nitrato o ioni solfato, i metanogeni sono superati dai batteri che respirano più accettori di elettroni che producono energia. Ad esempio, i riduttori di Fe(III) interferiscono con il metabolismo dei metanogeni competendo per il carbonio organico e sopprimono la metanogenesi poiché la riduzione di ferro produce più energia libera rispetto alla metanogenesi. Anche i batteri riduttori di solfato sono un gruppo che interagisce strettamente con i metanogeni nelle sacche anaerobiche dei sedimenti. L'interazione è competitiva per i substrati, e dipende dalla presenza di solfato e salinità dell'ambiente. La metanogenesi è influenzata da vari fattori ambientali e favorita da condizioni fortemente riduttive. Tuttavia, negli habitat anaerobici impoveriti di solfato, in particolare nei sedimenti d'acqua dolce e, a una certa profondità, nei sedimenti marini, i metanogeni svolgono un ruolo centrale come scavenger (spazzini) di H₂ e nella mineralizzazione terminale dell'acetato. In quanto tali, contribuiscono in modo significativo al ciclo del carbonio. 

La metanogenesi eseguita dagli Archaea anaerobici rappresenta la più grande fonte biogenica di metano sulla Terra. Questo processo è una componente chiave del ciclo globale del carbonio e svolge un ruolo importante nei cambiamenti climatici, a causa dell'alto potenziale di riscaldamento del metano. 

I previsti aumenti della temperatura e le variazioni delle precipitazioni dovute al cambiamento climatico altereranno la produzione di metano nel suolo, il che potrebbe avere effetti di feedback sul cambiamento climatico. Tuttavia, questi feedback sono difficili da prevedere. I tassi di metanogenesi aumenteranno a temperature più elevate, come è generalmente vero per i processi microbici del suolo, ma l'entità dell'aumento è incerta. I climi più caldi potrebbero portare a stagioni di crescita più lunghe, aumentando la produttività delle piante e quindi maggiori emissioni di metano dovute all'aumento dell'apporto di materia organica. Inoltre, poiché la produzione di metano richiede condizioni anossiche, i cambiamenti nei modelli di precipitazione che alterano l'estensione della terra allagata cambierebbero notevolmente le emissioni di metano del suolo. L'essiccazione del suolo a causa della riduzione delle precipitazioni rallenterebbe la produzione di metano e aumenterebbe l'ossidazione aerobica del metano, riducendo così le emissioni. L'aumento dell'intensità e della frequenza delle precipitazioni già verificatesi in alcune regioni del mondo potrebbe invece aumentare l'estensione delle zone umide, aumentando così le emissioni globali di metano nell'atmosfera. 

Con lo scioglimento del permafrost (il suolo perennemente ghiacciato), anche l'estensione delle zone umide e la produzione di metano possono aumentare. Negli ultimi anni, gli scienziati del clima hanno avvertito che lo scongelamento del permafrost in Siberia e in Canada potrebbe essere una "bomba a orologeria a metano" che esplode lentamente. Il riscaldamento delle temperature nelle regioni artiche sta rilasciando enormi quantità di metano, solo parzialmente prodotto da metanogenesi recente in zone diventate umide, ma soprattutto quello fossile intrappolato negli antichi calcari. Oggi questi giacimenti metaniferi sono naturalmente sigillati verso l'alto dalle vaste estensioni di terreni congelati, impermeabili quindi ai gas. Nel territorio artico dell'emisfero boreale (dove sono la maggior parte di terre emerse del pianeta, e quindi esposte al congelamento e scongelamento), si teme la liberazione di grandi quantità di metano nell'atmosfera terrestre, che si aggiungerebbe agli altri gas che già favoriscono l'effetto serra, innescando così, in un circolo vizioso, un ulteriore aumento delle temperature medie terrestri.