Analyse des facteurs affectant la structure de la communauté microbienne
Pour étudier plus avant les relations possibles entre les facteurs environnementaux et la variance de la communauté, une analyse RDA a été créée (Fig. 7). Au total, huit facteurs environnementaux, dont les oligo-éléments Fe, Co, Ni, la température, la salinité, la profondeur, l’humidité et le RO. La profondeur et la température du réservoir ont été mesurées dans le lieu d’échantillonnage et d’autres informations ont été obtenues à partir des données géologiques des mines locales (voir tableau 2). Données représentées à la Fig. 7a a révélé que les compositions de communautés bactériennes trouvées dans cette étude étaient significativement affectées par le Fe, le Ni, l’humidité, la salinité et le RO. Toutes les communautés, autres que C4, C7, C10, sont positivement corrélées avec le RO; C4, C7 et C10 sont positivement corrélées avec le Fe, le Ni et l’humidité. Le Co est nécessaire pour la co-enzyme M méthyl-transférase, qui est une enzyme importante dans le métabolisme biochimique des méthanogènes ; par conséquent, l’effet du Co sur la communauté archéenne est plus important que celui de la communauté bactérienne. Les éléments Fe, Co et Ni, ainsi que l’humidité, semblaient être les facteurs environnementaux les plus importants suivis par le RO et la salinité dans la communauté archéenne. Il existe une corrélation positive significative entre le Co et les communautés C1, C8, C9, C10. Toutes les communautés, à l’exception de C2, C4, C6 et C5, étaient en corrélation négative avec la salinité (Fig. 7b).
La RDA (analyse de redondance) basée sur le niveau de bactéries (a) et d’archées (b) avec les facteurs environnementaux du lit de charbon et les caractéristiques du charbon. La longueur du facteur d’impact est plus longue, la contribution de l’impact est plus élevée et inversement, lorsque le facteur d’impact est plus court, la contribution de l’impact est plus légère. Lorsque le facteur environnemental est fortement incliné avec l’échantillon, il y a une corrélation positive, et lorsque le facteur environnemental et l’angle d’échantillon sont obtus, il y a une corrélation négative
Rang de charbon
Le « saut » de coalification fait référence à une série de changements physiques et chimiques sous la température et la pression du charbon au cours de l’histoire géologique. Le charbon a donc subi un processus de changement progressif à soudain. Les quatre sauts correspondent à RO de 0,6,1.3, 2,5 et 3,0%. Quelle que soit la communauté archéenne ou bactérienne considérée, le rang de charbon a une certaine influence sur la diversité et l’abondance des bactéries. Avec une augmentation du rang de charbon, tant dans les communautés archéennes que bactériennes, la diversité de la communauté montre une certaine tendance à la baisse dans l’ensemble (Fig. 8). De plus, les microorganismes peuvent avoir un impact sur la composition du charbon contrôlé par les rangs de charbon. Les charbons de rang moyen et bas contiennent de grandes quantités de substances évoluées des plantes du groupe 1, qui contient beaucoup de substances évoluées des plantes. Ici, il y a une teneur plus élevée en hydrogène, en oxygène et en azote; et les nutriments requis par les bactéries sont abondants. Dans le processus de coalification, les substances organiques génèrent beaucoup d’humidité et d’hydrocarbures liquides. Dans le même temps, les chaînes latérales d’hydrogène et d’oxygène contenues dans le charbon sont également abondantes. Ces substances liquides et solides constituent le fondement de la vie des bactéries. En conséquence, l’abondance et la diversité des bactéries productrices d’hydrogène et des méthanogènes dans le charbon de cette région sont relativement élevées. Avec l’augmentation du Ro, la teneur en chaîne latérale d’hydrogène et d’oxygène dans le charbon est considérablement réduite et les composants disponibles pour les micro-organismes sont également réduits. Par conséquent, l’abondance et la diversité des espèces des communautés bactériennes et archéennes des groupes 2 et 3 sont globalement réduites. Jusqu’à présent, les rangs de charbon de méthane de houille biogénique ont une réflectivité de 2,0% (C4 Hebi) dans la nature. Après RO > 2,5%, les composés organiques qui peuvent être convertis en petites molécules ont été très rares, mais il y a eu une diversité et une abondance plus élevées dans le groupe 4. Nous supposons que les nutriments introduits par les eaux souterraines à ce moment sont disponibles pour la reproduction bactérienne. Les éléments nutritifs apportés par les eaux souterraines dans différentes régions et à différentes saisons peuvent avoir contribué à la diversité des espèces. L’une des raisons de la diversité florale plus élevée du groupe 4 peut être que la zone C8 de Jiaozuo Jiulishan présente de meilleures conditions de ruissellement des eaux souterraines et une recharge plus forte. Il peut transporter des nutriments pour la flore, de sorte que la diversité et l’abondance sont supérieures au groupe 2. Il convient de noter que la diversité et l’abondance des communautés archéologiques sont négativement corrélées avec les rangs de charbon dans une certaine mesure. Cependant, l’abondance des espèces dans les communautés bactériennes est positivement corrélée avec les rangs de charbon, et la diversité montre une tendance à la baisse. Avec l’augmentation des rangs de charbon, certains groupes bactériens se sont progressivement adaptés à l’environnement de divers rangs de charbon et peuvent se développer et se multiplier en grand nombre, et les méthanogènes sont difficiles à adapter aux rangs de charbon.
Indice de Chao1 (gris foncé) et de Shannon (gris clair) pour les quatre groupes (Les échantillons de charbon ont été divisés en quatre groupes selon la valeur de RO pour la communauté bactérienne (a) et la communauté d’archées (b), Le Groupe 1 représente une valeur inférieure à 0,6%, le Groupe 2 représente la valeur entre 0,8 et 1,1%, le Groupe 3 représente la valeur entre 1,4 et 1,8%, le Groupe 4 représente la valeur entre 2,67 et 3,15%) provenant de régions. les 25e et 75e centiles sont indiqués par les bords extérieurs des boîtes, tandis que les valeurs maximale et minimale sont indiquées par les extrémités des moustaches et la médiane par une ligne horizontale à l’intérieur de chaque boîte
Oligo-éléments métalliques
Les oligo-éléments métalliques peuvent favoriser la croissance de micro-organismes dans une certaine plage, où la cellule maintient l’homéostasie des éléments grâce à la régulation métabolique. Des oligo-éléments métalliques peuvent également exister dans diverses enzymes, qui peuvent être absorbées et utilisées par des microorganismes dans le processus de métabolisme anaérobie, ce qui a une influence sur la structure communautaire des bactéries productrices d’hydrogène et des méthanogènes (tableau 3).
Le Fe et le Ni ont un effet plus important sur les bactéries productrices d’hydrogène que le Co. Le Fe et le Ni peuvent participer à la synthèse et au métabolisme des hydrogénases et autres métalloenzymes chez les microorganismes. À mesure que la teneur en Fe et en Ni augmente dans une certaine plage, l’abondance et la diversité des populations bactériennes productrices d’hydrogène augmentent également. La teneur en Fe et en Ni en C7 est beaucoup plus élevée que dans d’autres régions, et ces travaux ont révélé que les Clostridium sont des bactéries productrices d’hydrogène. Cette découverte indique que des niveaux excessifs d’oligo-éléments peuvent avoir un effet toxique sur la croissance des micro-organismes et inhiber l’activité des métalloenzymes. Les niveaux de Fe en C4, C6 et C9 n’étaient pas significativement différents et étaient stables à 3500 mg Kg-1 (Fig. 9). L’abondance relative de Ni dans les trois zones est C6 > C9 > C4, ce qui correspond à l’ordre d’abondance (également C6 > C9 > C4), mais l’ordre de diversité est C6 > C4 > C9. Des membres de genres : Clostridium, Klebsiella, Enterobacter et Citrobacter ont été détectés dans les communautés C4, C6 et C9; y compris celles dont l’abondance et les niveaux de diversité sont plus élevés que dans les autres régions.
La teneur en éléments métalliques traces de Fe, Co, Ni dans des échantillons de charbon
Dans la communauté archéenne, l’influence du Fe, du Co et du Ni sur les méthanogènes est encore plus importante. Le Co est un élément clé dans la synthèse de la coenzyme méthanogène F430, et la teneur en Co dans les trois premiers est C8 > C7 > C10, l’espèce et l’abondance du méthanogène étant C8 > C7 > C10. La teneur en Co est positivement corrélée à l’abondance et à la diversité des méthanogènes dans une certaine mesure. Bien que la teneur en Fe en C7 soit beaucoup plus élevée que celle des autres régions, elle n’affecte pas la distribution des méthanogènes dans la région. Il n’y a que peu de types de méthanogènes pouvant contenir du Fe — dans des études précédentes, une seule espèce, nommée Methanothermobacter, a été découverte. La présence d’hydrogénase monoferrique dans les méthanogènes de M. marburgensis catalyse la réaction réversible des méthényl-H4MPT+ et H2 pour générer du méthylène-H4MPT et H+; produisant du méthane à partir de CO2 et H2. Les méthanogènes utilisant le métabolisme hydrogénotrophe peuvent également contenir des enzymes similaires. En outre, une grande proportion de méthanogènes méthylotrophes sont également spéculés pour abriter de telles enzymes, à l’exception des Méthanoculleus et des Méthanobactéries. On suppose qu’il peut y avoir une métalloenzyme associée au Fe dans les méthanogènes méthylotrophes.
Conditions des eaux souterraines
Les eaux souterraines fournissent directement ou indirectement une base écologique pour la croissance et le métabolisme des extrémophiles dans la veine de charbon. D’une part, la recharge des eaux souterraines fournit de grandes quantités de nutriments aux communautés bactériennes et archéennes; d’autre part, les conditions environnementales des eaux souterraines (Eh, pH, salinité, composition ionique et oligo-éléments) affectent directement la croissance microbienne et l’activité enzymatique métabolique. Les conditions environnementales des eaux souterraines sont directement liées à l’utilisation et à la dégradation du charbon, et les microorganismes situés dans le filon de charbon présentent des structures communautaires et des caractéristiques fonctionnelles différentes.
Les substrats nutritifs microbiens sont généralement dissous. La zone de ruissellement dans la zone minière peut permettre la survie des veines de charbon. Les réservoirs à haute perméabilité ont un impact positif sur la croissance et la reproduction des bactéries productrices d’hydrogène et des méthanogènes, tandis que le métamorphisme a un impact négatif significatif sur la perméabilité du charbon dans les réservoirs de charbon. Dans les zones à MBC biogène, les communautés C2, C4, C6 et C7 ont toutes été bien documentées. Ces communautés appartiennent au rang de charbon bas et moyen, la porosité du charbon est relativement plus élevée que celle du charbon de haut rang, les eaux souterraines peuvent fournir des nutriments aux microbes dans le filon de charbon à temps. La zone de développement de la MBC actuelle dans le bassin de la rivière Powder aux États-Unis. est principalement concentré dans la zone de ruissellement des eaux souterraines. Les données sur les isotopes stables du gaz provenant d’un puits de MBC peu profond dans la zone minière C6 ont également confirmé la présence de MBC biogénétique dans la zone. Cependant, les données sur les isotopes stables du gaz provenant d’un autre puits CBM profond indiquent que le CBM est principalement thermogénique. Ces résultats montrent qu’à mesure que la profondeur de l’enfouissement augmente, les conditions de ruissellement s’affaibliront et il sera difficile de transporter les nutriments pour le microorganisme, ce qui entraînera une diminution de l’abondance et de la diversité de la communauté. Le toit et le plancher du No. 2 le filon de charbon de la zone C2 comporte des couches relativement stables de mudstone et de roche argileuse, ce qui rend difficile l’obtention de nutriments liquides par les bactéries productrices d’hydrogène et les méthanogènes du filon de charbon, et limite leur croissance et leur métabolisme et, par conséquent, leur diversité et leur abondance communautaires. Notez que dans cette zone, l’indice Chao1 est de 240 et l’indice de Shannon est de 1,38 dans la communauté bactérienne. L’indice Chao1 des méthanogènes est de 82, l’indice de Shannon est de 0,56. Le toit aquifère fissuré en grès dans la zone C4 du No. 21 le filon de charbon a de meilleures conditions de recharge et remplit le filon de charbon d’eau. Il est possible que la communauté microbienne subisse des effets cumulatifs de la disponibilité suffisante de différents nutriments, ce qui affecte le transport, par rapport à l’abondance et à la diversité de la communauté de micro-organismes dans la zone C2, qui s’est considérablement améliorée. Dans ce domaine, l’indice Chao1 des bactéries productrices d’hydrogène est de 148, l’indice de Shannon est de 1,52; l’indice Chao1 des méthanogènes est de 368 et l’indice de Shannon est de 2,35. L’aquifère fissuré en grès de la zone C6 est un aquifère directement rempli d’eau de la veine de charbon No 3. Le développement de fractures au sein de la couche et l’aqueosité modérée jouent également un rôle actif dans l’abondance et la diversité de la communauté. Ici, l’indice Chao1 des bactéries productrices d’hydrogène est de 472, l’indice de Shannon est de 1,56; l’indice Chao1 des méthanogènes est de 384 et l’indice de Shannon est de 1,08. C’est également le cas dans la zone C7, la veine de charbon n ° 5 a un aquifère directement fracturé avec de bonnes conditions de recharge, l’indice d’abondance des bactéries productrices d’hydrogène est de 458, l’indice de Shannon est de 1,98; et l’indice Chao1 des méthanogènes est de 256 et l’indice de Shannon est de 2,47. Par conséquent, la diversité des espèces de bactéries productrices d’hydrogène et de méthanogènes en C4, C6 et C7 est plus élevée que celle en C2.
Les conditions environnementales des eaux souterraines affecteront directement la croissance et le métabolisme des micro-organismes. La valeur du pH des eaux souterraines des lits de charbon est généralement neutre, mais la valeur du pH varie entre 6,5 et 8,4 dans l’aquifère fracturé en grès dans la veine de charbon de la zone C4 No 21 et la salinité est de 1,0 g L−1. Dans la couche aquifère directe du No. 3 filon de charbon dans la zone C6, le pH varie entre 6,8 et 8,0 et la salinité est de 0,7 g L-1. La valeur du pH des eaux souterraines de la zone C7 est de 6,1 à 7,3 et la salinité est de 1,25 g L−1. La valeur du pH en C4, C6 et C7 est proche de neutre et le degré de minéralisation est faible, où la communauté de micro-organismes a une meilleure croissance, une abondance plus élevée et une diversité plus élevée. De plus, la salinité des eaux souterraines et la composition en ions sont étroitement liées à l’environnement de réduction anaérobie du filon de charbon. Par exemple, le SO42- est utilisé pour évaluer les conditions fermées des eaux souterraines, et le HCO3 − est le produit de la réaction de désulfuration anaérobie du SO42−, de sorte que le HCO3− élevé peut être utilisé comme signe d’une bonne étanchéité et d’une forte réduction des eaux souterraines du lit de charbon. La chimie de l’eau dans la zone C4 est HCO3 · SO4–Ca · Mg, la chimie de l’eau dans la zone C7 est similaire à la zone C4, HCO3 · SO4–Ca · Na, et fournit un environnement anaérobie relativement fermé. Dans ce cas, l’indice Chao1 des bactéries productrices d’hydrogène en C4 est de 148, l’indice de Shannon est de 1,52; l’indice Chao1 des méthanogènes est de 368, l’indice de Shannon est de 2,35. L’indice Chao1 des bactéries productrices d’hydrogène en C7 est de 458, l’indice de Shannon est de 1,98, l’indice de Chao1 est de 256 et l’indice de Shannon est de 2,47. En C6, la chimie de l’eau est SO4 · HCO3–K · Na et SO42 − est dominante, tandis que l’indice Chao1 des bactéries productrices d’hydrogène en C6 est 472, l’indice de Shannon est 1,56, l’indice Chao1 des méthanogènes est 384 et l’indice de Shannon est 1,08. Les données montrent que la diversité en C6 est légèrement inférieure à celle en C4 et en C7.
Des bactéries productrices d’hydrogène et des méthanogènes ont été détectés dans les zones C8 et C9 de la zone où aucun biométhane n’a été trouvé. Il a également été noté que les conditions des eaux souterraines de ces deux zones sont similaires à celles des zones de méthane biogénique susmentionnées, qui sont situées dans la zone de ruissellement des eaux souterraines et que la recharge des eaux souterraines est plus capable de transporter une partie de la matière organique dans la veine de charbon, de sorte qu’un grand nombre de bactéries se développent et se multiplient, ce qui est l’une des raisons de l’abondance et de la diversité plus élevées des espèces en C8 et en C9.
Température
La température et les oligo-éléments métalliques influencent l’abondance et la diversité des communautés microbiennes en modifiant directement à la fois la croissance et le métabolisme des micro-organismes et leur environnement métabolique. Ainsi, d’un point de vue microbiologique, la température optimale est l’un des facteurs les plus importants qui influencent la croissance et le métabolisme des micro-organismes. La figure 5b montre que la température exerce une influence relativement faible sur l’abondance et la diversité des méthanogènes, même si les bactéries productrices d’hydrogène existent dans une amplitude écologique étroite et sont sensibles aux changements de température. Cette variable est corrélée à l’abondance et à la diversité des espèces, et les résultats de cette étude montrent que la température du filon de charbon (c.-à-d. entre 25 et 27 °C) est positivement corrélée à l’abondance des populations bactériennes. À C8, la température était de 27,2 ° C, la température la plus élevée enregistrée dans cette étude. L’indice Chao1 des bactéries productrices d’hydrogène était de 510 et l’indice de Shannon était de 2,61, également le plus élevé parmi les échantillons (C1-C8). La température la plus basse, 24,9 ° C, a été trouvée à C1, où l’indice Chao1 de la communauté bactérienne était le plus bas. L’abondance et la diversité des espèces microbiennes augmentent avec la température en C3 > C6 > C2 > C7 > C5 > C4. Les anomalies de gradient géothermique à C9 et C10 ont provoqué des températures beaucoup plus élevées; les températures ambiantes à C9 et C10 étaient respectivement de 34,60 ° C et de 40,10 °C. L’indice Chao1 des bactéries productrices d’hydrogène en C9 était de 176 et l’indice de Shannon était de 1,28; l’indice Chao1 est de 237, l’indice de Shannon est de 1,58. Par rapport aux huit premières zones, l’abondance et la diversité ont légèrement diminué. Ici, les bactéries productrices d’hydrogène et les méthanogènes peuvent se développer et se reproduire à la température ambiante.
Interactions syntrophiques microbiennes
Dans l’environnement extrême du filon de charbon, des consortiums de bactéries se forment parmi les microorganismes du filon de charbon. Grâce à l’échange de métabolites et à une symbiose contrôlée par des micro-environnements, la compétition et l’allocation des ressources maintiennent les fonctions spécifiques de la communauté microbienne, qui détermine la voie de production de biométhane dans la veine de charbon. Methanothrix, qui convertit l’acide acétique en méthane, est le genre dominant dans la communauté méthanogène de la zone C1. Les bactéries associées à l’Alcalibaculum et au Desulfosporosinus sont des bactéries homoacétogènes qui utilisent H2 comme donneur d’électrons pour produire de l’acide acétique. Ils sont les principaux concurrents des méthanogènes hydrogénotrophes et fournissent également un substrat métabolique pour les méthanogènes. Les bactéries productrices d’hydrogène telles que Clostridium et Tissierella fournissent également de l’acide acétique, et la forte abondance de bactéries productrices d’hydrogène fournit donc un substrat métabolique riche pour Methanothrix. Ensemble, les méthanogènes et les bactéries productrices d’hydrogène sont en interaction syntrophique et la voie de génération de méthane dans cette zone est déterminée par la décomposition de l’acide acétique. Les méthanogènes en C2, C4 et C6 sont principalement des méthanogènes hydrogénotrophes. Les bactéries de fermentation hydrolytiques et les acétogènes contribuent tous deux à la production d’acide acétique et d’H2. Ils produisent également des enzymes, des cofacteurs et des signaux métaboliques pour réguler la production d’hydrogène. De plus, les bactéries homoacétogènes et les acétogènes ne sont pas en concurrence dans ces zones. Les méthanogènes hydrogénotrophes peuvent produire du méthane à partir de CO2 et de H2 produits au stade précédent. Par conséquent, les voies métaboliques dans ces zones sont principalement utilisées pour le H2, le formiate et d’autres substances.
Plus de 99% de la zone C3 abrite des méthanogènes méthylotrophes, tels que: Méthanolobus. Brevibacter, Paenibacillus, Brochothrix et Lactococcus. Des études antérieures ont montré que les composés méthoxyaromatiques (une partie importante de la lignocellulose) sont dégradés pour produire du méthanol et d’autres substances. Les microorganismes de cette région peuvent dégrader la matière lignocellulosique du charbon pour fournir des ressources aux méthanogènes méthylotrophes. Cette communauté microbienne simple ne peut pas fournir de substrats suffisants pour les méthanogènes qui consomment de l’H2. La voie de production de biométhane dans ce domaine est basée sur la consommation de composés méthyliques.
Un staphylocoque a également été détecté dans la zone C3. Récemment, Staphylococcus AntiMn-1 a été isolé dans des sédiments des grands fonds de la région de Clarion-Clipperton à haute teneur en manganèse. Il contenait des gènes à haute résistance au manganèse, qui serait une adaptation à l’environnement sédimentaire marin. La teneur en métaux lourds dans la zone C3 est relativement élevée. Il se peut que l’environnement du filon de charbon puisse induire efficacement l’expression de gènes de résistance, qui peuvent avoir des effets antagonistes et détoxifiants sur le transport et la toxicité des métaux lourds au sein des microorganismes. Le staphylocoque présent dans cette zone peut contenir des gènes de résistance pour s’adapter à l’environnement du filon de charbon de sorte qu’il puisse également participer au métabolisme de fermentation du charbon. Il existe de nombreuses espèces différentes de méthanogènes en C7, et les bactéries productrices d’hydrogène sont dominées par le Clostridium, le Bacille, le Citrobacter et d’autres anaérobies, qui fournissent des substrats pour les méthanogènes acétoclastiques et aussi H2, CO2 et formiate pour les méthanogènes hydrogénotrophes. En outre, l’accumulation d’acide acétique réduit les bactéries réductrices de sulfate, y compris Desulfosporosinus et Desulfitobacterium. Les SRB ont une affinité plus forte pour l’acide acétique que les méthanogènes acétoclastiques, mais ils ne sont pas en concurrence avec les méthanogènes méthylotrophes pour certains substrats, tels que le méthanol. Ainsi, les métabolismes des bactéries réductrices de sulfate et des méthanogènes peuvent se produire simultanément dans ce domaine. Le métabolisme en C7 était dominé par les méthanogènes méthylotrophes, suivis de la fermentation de l’acide acétique, puis de la réduction du dioxyde de carbone.