Análisis de factores que afectan la estructura de la comunidad microbiana
Para investigar más a fondo las posibles relaciones entre los factores ambientales y la varianza de la comunidad, se creó un análisis de CDR (Fig. 7). En total, ocho factores ambientales, incluidos los oligoelementos Fe, Co, Ni, temperatura, salinidad, profundidad, humedad y RO. La profundidad y la temperatura del yacimiento se midieron en el lugar de muestreo y se obtuvo otra información de los datos geológicos de las minas locales (véase el cuadro 2). Los datos se muestran en la Fig. 7a reveló que las composiciones de la comunidad bacteriana encontradas en este estudio se vieron significativamente afectadas por Fe, Ni, humedad, salinidad y RO. Todas las comunidades, excepto C4, C7, C10, están correlacionadas positivamente con RO; C4, C7 y C10 están correlacionadas positivamente con Fe, Ni y humedad. El co es necesario para la coenzima M metiltransferasa, que es una enzima importante en el metabolismo bioquímico de los metanógenos ; por lo tanto, el efecto del Co en la comunidad arqueal es mayor que el de la comunidad bacteriana. Los elementos Fe, Co y Ni, así como la humedad, parecían ser los factores ambientales más significativos, seguidos por el RO y la salinidad en la comunidad arqueal. Existe una correlación positiva significativa entre el Co y las comunidades C1, C8, C9 y C10. Todas las comunidades excepto C2, C4, C6 y C5 se correlacionaron negativamente con la salinidad (Fig. 7b).
El RDA (análisis de redundancia) basado en el nivel de bacterias (a) y arqueas (b) con los factores ambientales del lecho de carbón y las características del carbón. La longitud del factor de impacto es mayor, la contribución del impacto es mayor y, a la inversa, cuando el factor de impacto es más corto, la contribución del impacto es más ligera. Cuando el factor ambiental está en ángulo agudo con la muestra, hay una correlación positiva, y cuando el factor ambiental y el ángulo de la muestra son obtusos, hay una correlación negativa
Rango de carbón
El «salto» de coalificación se refiere a una serie de cambios físicos y químicos bajo la temperatura y presión del carbón durante la historia geológica. Por lo tanto, el carbón ha sufrido un proceso de cambio gradual a repentino. Los cuatro saltos corresponden a RO de 0.6, 1.3, 2.5 y 3.0%. Independientemente de la arquea o de la comunidad bacteriana en cuestión, el rango del carbón tiene una cierta influencia en la diversidad y abundancia de las bacterias. Con un aumento del rango del carbón, tanto en las comunidades arqueas como en las bacterianas, la diversidad de comunidades muestra una cierta tendencia a la baja en general (Fig. 8). Además, los microorganismos pueden afectar la composición del carbón controlado por las filas de carbón. Los carbones de rango medio y bajo contienen grandes cantidades de sustancias evolucionadas de plantas en el Grupo 1, que contiene muchas sustancias evolucionadas de plantas. Aquí, hay un mayor contenido de hidrógeno, oxígeno y nitrógeno; y los nutrientes requeridos por las bacterias son abundantes. En el proceso de coalificación, las sustancias orgánicas generan mucha humedad e hidrocarburos líquidos. Al mismo tiempo, las cadenas laterales de hidrógeno y oxígeno contenidas en el carbón también son abundantes. Estas sustancias líquidas y sólidas proporcionan la base de la vida para las bacterias. Como resultado, la abundancia y diversidad de bacterias productoras de hidrógeno y metanógenos en el carbón en esta región son relativamente altas. Con el aumento de Ro, el contenido de la cadena lateral de hidrógeno y oxígeno en el carbón se reduce drásticamente y los componentes disponibles para los microorganismos también se reducen. Por lo tanto, la abundancia y diversidad de especies de las comunidades bacterianas y arqueológicas en el Grupo 2 y el Grupo 3 se reducen en general. Hasta ahora, se ha encontrado en la Naturaleza que las filas de carbón de metano biogénico de capas de carbón tienen una reflectividad del 2,0% (C4 Hebi). Después de RO > 2,5%, los compuestos orgánicos que se pueden convertir en moléculas pequeñas han sido muy raros, pero ha habido una mayor diversidad y abundancia en el Grupo 4. Especulamos que los nutrientes introducidos por el agua subterránea en este momento están disponibles para la reproducción bacteriana. Los componentes nutritivos generados por las aguas subterráneas en diferentes regiones y estaciones pueden haber contribuido a la diversidad de especies. Una de las razones de la mayor diversidad de flora en el Grupo 4 puede ser que el área de C8 Jiaozuo Jiulishan tiene mejores condiciones de escorrentía de aguas subterráneas y una recarga más fuerte. Puede transportar nutrientes para la flora, por lo que la diversidad y abundancia son mayores que el Grupo 2. Vale la pena señalar que la diversidad y abundancia de las comunidades arqueológicas están correlacionadas negativamente con las filas del carbón hasta cierto punto. Sin embargo, la abundancia de especies en las comunidades bacterianas se correlaciona positivamente con las filas de carbón, y la diversidad muestra una tendencia descendente. Con el aumento de las filas de carbón, algunos grupos bacterianos se adaptaron gradualmente al entorno de varias filas de carbón y pueden crecer y multiplicarse en grandes cantidades, y los metanógenos son difíciles de adaptar a las filas de carbón.
Los índices de Chao1 (gris oscuro) y Shannon (gris claro) para los cuatro grupos (las muestras de carbón se dividieron en cuatro grupos según el valor de RO para la comunidad bacteriana (a) y la comunidad de arqueas (b), el Grupo 1 representa un valor inferior al 0,6%, el Grupo 2 representa el valor entre 0,8 y 1,1%, el Grupo 3 representa el valor entre 1,4 y 1,8%, el Grupo 4 representa el valor entre 2,67 y 3,15%) derivados de regiones. los percentiles 25 y 75 se indican por los bordes exteriores de las cajas, mientras que los valores máximo y mínimo se muestran por los extremos de los bigotes y la mediana por una línea horizontal dentro de cada caja
Elementos traza metálicos
Los elementos traza metálicos pueden promover el crecimiento de microorganismos dentro de un cierto rango, donde la célula mantiene la homeostasis de los elementos a través de la regulación metabólica. Los oligoelementos metálicos también pueden existir en varias enzimas, que pueden ser absorbidos y utilizados por microorganismos en el proceso de metabolismo anaeróbico, lo que influye en la estructura de la comunidad de bacterias productoras de hidrógeno y metanógenos (Tabla 3).
El Fe y el Ni tienen un mayor efecto sobre las bacterias productoras de hidrógeno que el Co . El Fe y el Ni pueden participar en la síntesis y el metabolismo de hidrogenasas y otros metaloenzimas en microorganismos. A medida que el contenido de Fe y Ni aumenta dentro de un cierto rango, también lo hace la abundancia y diversidad de las poblaciones bacterianas productoras de hidrógeno. El contenido de Fe y Ni en C7 es mucho más alto que en otras regiones, y este trabajo ha encontrado que el clostridium es una bacteria productora de hidrógeno. Este hallazgo indica que los niveles excesivos de oligoelementos pueden tener un efecto tóxico en el crecimiento de microorganismos e inhibir la actividad de las metaloenzimas. Los niveles de Fe en C4, C6 y C9 no fueron significativamente diferentes y se mantuvieron estables a 3500 mg Kg−1 (Fig. 9). La abundancia relativa de Ni en las tres áreas es C6 > C9 > C4, que corresponde al orden de abundancia (también C6 > C9 > C4), pero el orden de diversidad es C6 > C4 > C9. Se detectaron miembros de los géneros: Clostridium, Klebsiella, Enterobacter y Citrobacter en las comunidades C4, C6 y C9, incluidas las de mayor abundancia y diversidad que las de otras regiones.
Contenido de oligoelementos metálicos de Fe, Co y Ni en muestras de carbón
En la comunidad arqueal, la influencia del Fe, el Co y el Ni en los metanógenos es aún más importante. El co es un elemento clave en la síntesis de la coenzima metanogénica F430 , y el contenido de Co en los tres primeros es C8 > C7 > C10, siendo la especie y abundancia de metanógeno C8 > C7 > C10. El contenido de Co se correlaciona positivamente con la abundancia y diversidad de metanógenos hasta cierto punto. Aunque el contenido de Fe en C7 es mucho mayor que el de otras regiones, no afecta la distribución de metanógenos en la región. Solo hay unos pocos tipos de metanógenos que pueden contener Fe-en estudios anteriores, solo se descubrió una especie, llamada Methanothermobacter. La presencia de hidrogenasa monoferrica en metanógenos de M. marburgensis cataliza la reacción reversible de metenil-H4MPT+ y H2 para generar metileno-H4MPT y H+; produciendo metano a partir de CO2 y H2 . Los metanógenos que usan metabolismo hidrogenotrófico también pueden contener enzimas similares. Además, también se especula que una gran proporción de metanógenos metilotróficos albergan tales enzimas, excepto el Metanocúleo y las Metanobacterias. Se especula que puede haber una metaloenzima asociados con la Fe en la metilotrófica los metanógenos.
Condiciones de las aguas subterráneas
Las aguas subterráneas proporcionan directa o indirectamente una base ecológica para el crecimiento y metabolismo de los extremófilos en la veta de carbón. Por un lado, la recarga de aguas subterráneas suministra grandes cantidades de nutrientes para las comunidades bacterianas y arqueológicas; por otro lado, las condiciones ambientales de las aguas subterráneas (Eh, pH, salinidad, composición de iones y oligoelementos) afectan directamente el crecimiento microbiano y la actividad enzimática metabólica. Las condiciones ambientales de las aguas subterráneas están directamente relacionadas con el uso y la degradación del carbón, y los microorganismos ubicados en la veta de carbón muestran diferentes estructuras comunitarias y características funcionales.
Los sustratos de nutrientes microbianos generalmente se disuelven. La zona de escorrentía en el área minera permite la supervivencia de las vetas de carbón. Los depósitos de alta permeabilidad tienen un impacto positivo en el crecimiento y la reproducción de bacterias productoras de hidrógeno y metanógenos, mientras que el metamorfismo tiene un impacto negativo significativo en la permeabilidad del carbón en los depósitos de carbón . En áreas con MBC biogénico, las comunidades C2, C4, C6 y C7 han sido bien documentadas. Estas comunidades pertenecen al rango de carbón bajo y medio, la porosidad del carbón es relativamente más alta que el carbón de alto rango, el agua subterránea puede proporcionar nutrientes a los microbios en la veta de carbón a tiempo. La actual zona de desarrollo de CBM dentro de la Cuenca del Río Powder en los Estados Unidos. se concentra principalmente en la zona de escorrentía de aguas subterráneas. Los datos de isótopos estables de gas de un pozo de CBM poco profundo en el área minera de C6 también confirmaron la presencia de CBM biogenético en el área. Sin embargo, los datos de isótopos estables de gas de otro pozo de CBM profundo indicaron que el CBM es principalmente termogénico. Estos resultados muestran que a medida que aumenta la profundidad del entierro, las condiciones de escorrentía se debilitarán y será difícil transportar nutrientes para el microorganismo, lo que resultará en una disminución de la abundancia y diversidad de la comunidad. El techo y el suelo del No. 2 la veta de carbón en el área C2 tiene capas relativamente estables de roca de barro y arcilla, lo que dificulta que las bacterias productoras de hidrógeno y los metanógenos en la veta de carbón obtengan nutrientes líquidos, y limita su crecimiento y metabolismo y, por lo tanto, su diversidad y abundancia en la comunidad. Nótese que en esta área el índice Chao1 es 240 y el índice de Shannon es 1,38 en la comunidad bacteriana. El índice Chao1 de metanógenos es 82, el índice de Shannon es 0,56. El techo del acuífero fisurado de arenisca en el área C4 del No. 21 la veta de carbón tiene mejores condiciones de recarga y llena la veta de carbón con agua. Es posible que la comunidad microbiana experimente efectos acumulativos de la disponibilidad suficiente de diferentes nutrientes, lo que afecta el transporte, en comparación con la abundancia y diversidad de la comunidad de microorganismos en el área C2, que ha mejorado mucho. En esta área, el índice Chao1 de bacterias productoras de hidrógeno es 148, el índice de Shannon es 1,52, el índice Chao1 de metanógenos es 368 y el índice de Shannon es 2,35. El acuífero fisurado de arenisca del área C6 es un acuífero lleno de agua directa de veta de carbón No. 3. El desarrollo de fracturas dentro de la capa y la aqueosidad moderada también juegan un papel activo en la abundancia y diversidad de la comunidad. Aquí, el índice Chao1 de bacterias productoras de hidrógeno es 472, el índice de Shannon es 1,56, el índice Chao1 de metanógenos es 384 y el índice de Shannon es 1,08. Este es también el caso en el área C7, la veta de carbón No. 5 tiene un acuífero directamente fracturado con buenas condiciones de recarga, el índice de abundancia de las bacterias productoras de hidrógeno es 458, el índice de Shannon es 1.98; y el índice Chao1 de los metanógenos es 256 y el índice de Shannon es 2,47. Por lo tanto, la diversidad de especies de bacterias productoras de hidrógeno y metanógenos en C4, C6 y C7 es mayor que en C2.
Las condiciones ambientales de las aguas subterráneas afectarán directamente al crecimiento y metabolismo de los microorganismos. El valor de pH de las aguas subterráneas de lecho de carbón es generalmente neutro, pero el valor de pH varía entre 6,5 y 8,4 en acuíferos fracturados de arenisca en la veta de carbón del área C4 No.21 y la salinidad es de 1,0 g L−1. En la capa acuífera directa del No. 3 veta de carbón en el área C6, el pH oscila entre 6,8 y 8,0, y la salinidad es de 0,7 g L-1. El valor de pH de las aguas subterráneas del área C7 es de 6,1 a 7,3, y la salinidad es de 1,25 g L–1. El valor de pH en C4, C6 y C7 es cercano a neutro y el grado de mineralización es bajo, donde la comunidad de microorganismos tiene mejor crecimiento, mayor abundancia y mayor diversidad. Además, la salinidad de las aguas subterráneas y la composición de iones están estrechamente relacionadas con el entorno de reducción anaeróbica de la veta de carbón. Por ejemplo, SO42− se utiliza para evaluar las condiciones cerradas de las aguas subterráneas, y HCO3− es el producto de la reacción de desulfuración anaeróbica de SO42−, por lo que el alto HCO3− se puede usar como un signo de buen sellado y fuerte reducción de las aguas subterráneas de lecho de carbón . La química del agua en el área C4 es HCO3 * SO4-Ca * Mg, la química del agua en el área C7 es similar al área C4, HCO3·SO4–Ca·Na, y proporciona un entorno anaeróbico relativamente cerrado. En este caso, el índice Chao1 de bacterias productoras de hidrógeno en C4 es 148, el índice de Shannon es 1,52; el índice Chao1 de metanógenos es 368, el índice de Shannon es 2,35. El índice Chao1 de bacterias productoras de hidrógeno en C7 es de 458, el índice de Shannon es de 1,98, el índice Chao1 es de 256 y el índice de Shannon es de 2,47. En C6, la química del agua es SO4·HCO3–K·Na, y SO42− es dominante, mientras que el índice Chao1 de bacterias productoras de hidrógeno en C6 es 472, el índice de Shannon es 1.56, el índice Chao1 de metanógenos es 384 y el índice de Shannon es 1.08. Los datos muestran que la diversidad en C6 es ligeramente inferior a la de C4 y C7.
Se detectaron algunas bacterias productoras de hidrógeno y metanógenos en áreas C8 y C9 en el área donde no se encontró biometano. También es de destacar que las condiciones de las aguas subterráneas de estas dos áreas son similares a las de las áreas de metano biogénico mencionadas anteriormente, que se encuentran en la zona de escorrentía de aguas subterráneas y la recarga de aguas subterráneas es más capaz de transportar algo de materia orgánica a la veta de carbón, de modo que un gran número de bacterias crecen y se multiplican, lo que es una de las razones de la mayor abundancia y diversidad de especies de C8 y C9.
Temperatura
La temperatura y los oligoelementos metálicos influyen en la abundancia y diversidad de las comunidades microbianas al cambiar directamente el crecimiento y el metabolismo de los microorganismos y su entorno metabólico. Por lo tanto, desde un punto de vista microbiológico, la temperatura óptima es uno de los factores más importantes que influyen en el crecimiento y el metabolismo de los microorganismos. La Figura 5b muestra que la temperatura ejerce una influencia relativamente débil en la abundancia y diversidad de metanógenos, a pesar de que las bacterias productoras de hidrógeno existen dentro de una estrecha amplitud ecológica y son sensibles al cambio de temperatura. Esta variable se correlaciona con la abundancia y diversidad de especies, y los resultados de este estudio muestran que la temperatura de la veta de carbón (es decir, entre 25 y 27 °C) se correlaciona positivamente con la abundancia de la población bacteriana. A C8, la temperatura fue de 27,2 °C, la temperatura más alta registrada en este estudio. El índice Chao1 de bacterias productoras de hidrógeno fue de 510 y el índice de Shannon de 2,61, también el más alto entre las muestras (C1-C8). La temperatura más baja, 24,9 ° C, se encontró en C1, donde el índice Chao1 de la comunidad bacteriana fue el más bajo. La abundancia y diversidad de especies microbianas aumenta con la temperatura en C3 > C6 > C2 > C7 > C5 > C4. Las anomalías de gradiente geotérmico en C9 y C10 causaron temperaturas mucho más altas; las temperaturas ambiente en C9 y C10 fueron de 34,60 ° C y 40,10 °C, respectivamente. El índice Chao1 de bacterias productoras de hidrógeno en C9 fue de 176, y el índice de Shannon fue de 1,28; el índice Chao1 es de 237, el índice de Shannon es de 1,58. En comparación con las ocho primeras zonas, la abundancia y la diversidad han disminuido ligeramente. Aquí, tanto las bacterias productoras de hidrógeno como los metanógenos pueden crecer y reproducirse a temperatura ambiente.
Interacciones sintróficas microbianas
En el entorno extremo de la veta de carbón, se forman consorcios de bacterias entre los microorganismos en la veta de carbón. Mediante el intercambio de metabolitos y la simbiosis controlada microambientalmente, la competencia y la asignación de recursos mantienen las funciones específicas de la comunidad microbiana, que determina la ruta de producción de biometano en la veta de carbón. Methanothrix, que convierte el ácido acético en metano, es el género dominante en la comunidad de metanógenos del área C1. Las bacterias asociadas con Alkalibaculum y Desulfosporosinus son bacterias homoacetogénicas que utilizan H2 como donante de electrones para producir ácido acético. Son los principales competidores de los metanógenos hidrogenotróficos y también proporcionan sustrato metabólico para los metanógenos. Las bacterias productoras de hidrógeno como Clostridium y Tissierella también proporcionan ácido acético, y por lo tanto la alta abundancia de bacterias productoras de hidrógeno proporciona un rico sustrato metabólico para Methanothrix. Juntos, los metanógenos y las bacterias productoras de hidrógeno están en interacción sintrófica y la vía de generación de metano en esta área está determinada por la descomposición del ácido acético. Los metanógenos en C2, C4 y C6 son principalmente metanógenos hidrogenotróficos. Las bacterias de fermentación hidrolítica y los acetógenos contribuyen a la producción de ácido acético y H2. También producen enzimas, cofactores y señales metabólicas para regular la producción de hidrógeno. Además, las bacterias homoacetógenas y los acetógenos no compiten en estas áreas. Los metanógenos hidrogenotróficos pueden producir metano a partir de CO2 y H2 producidos en la etapa anterior. Por lo tanto, las vías metabólicas en estas áreas se utilizan principalmente para H2, formiato y otras sustancias.
Más del 99% del área C3 alberga metanógenos metilotróficos, como: Metanolobus. Brevibacter, Paenibacillus, Brochothrix y Lactococcus. Estudios anteriores demostraron que los compuestos metoxiaromáticos (una parte importante de la lignocelulosa) se degradan para producir metanol y otras sustancias . Los microorganismos de esta región pueden degradar la materia lignocelulosa del carbón para proporcionar recursos a los metanógenos metilotróficos. Esta simple comunidad microbiana no puede proporcionar suficientes sustratos para los metanógenos que consumen H2. La vía de producción de biometano en esta área se basa en el consumo de compuestos metílicos.
También se detectó estafilococo en el área C3. Recientemente, se aisló Staphylococcus AntiMn-1 de sedimentos de aguas profundas en la zona Clarion-Clipperton con alto contenido de manganeso. Contenía genes con alta resistencia al manganeso, que se cree que es una adaptación al entorno sedimentario marino . El contenido de metales pesados en el área C3 es relativamente alto. Es posible que el entorno de la veta de carbón pueda inducir eficazmente la expresión de genes de resistencia, que pueden tener efectos antagónicos y desintoxicantes en el transporte y la toxicidad de metales pesados dentro de los microorganismos. El estafilococo en esta área puede contener genes de resistencia para adaptarse al entorno de la veta de carbón, de modo que también pueda participar en el metabolismo de fermentación del carbón. Hay muchas especies diferentes de metanógenos en C7, y las bacterias productoras de hidrógeno están dominadas por Clostridium, Bacillus, Citrobacter y otros anaerobios, que proporcionan sustratos para metanógenos acetoclásticos y también H2, CO2 y formiato para metanógenos hidrogenotróficos. Además, la acumulación de ácido acético reduce las bacterias reductoras de sulfato, incluyendo Desulfosporosinus y Desulfitobacterium. Los SRB tienen una afinidad más fuerte por el ácido acético que los metanógenos acetoclásticos, pero no compiten con los metanógenos metilotróficos para ciertos sustratos, como el metanol. Por lo tanto, los metabolismos de las bacterias reductoras de sulfato y los metanógenos pueden proceder simultáneamente en esta área . El metabolismo en C7 estuvo dominado por metanógenos metilotróficos, seguido de fermentación de ácido acético y luego reducción de dióxido de carbono.