a mikrobiális közösség szerkezetét befolyásoló tényezők elemzése
a környezeti tényezők és a közösségi variancia közötti lehetséges összefüggések további vizsgálata érdekében RDA-elemzést készítettek (ábra. 7). Összesen nyolc környezeti tényező, köztük Fe, Co, Ni, hőmérséklet, sótartalom, mélység, nedvesség és RO nyomelemek. A mélységet és a tartály hőmérsékletét a mintavételi helyen mértük, és egyéb információkat a helyi bányák geológiai adataiból nyertünk (lásd 2.táblázat). Ábrán látható adatok. A 7a kimutatta, hogy az ebben a vizsgálatban talált baktériumközösségi összetételeket jelentősen befolyásolta a Fe, a Ni, a nedvesség, a sótartalom és a RO. A C4, C7, C10 kivételével minden közösség pozitív korrelációban van RO-val; a C4, C7 és C10 pozitív korrelációban van FE-vel, Ni-vel és nedvességgel. Co szükséges az M-metil-transzferáz koenzimhez, amely fontos enzim a metanogének biokémiai metabolizmusában ; ezért a Co hatása az archeális közösségre nagyobb, mint a bakteriális közösségé. A fe, Co és Ni elemek, valamint a nedvesség a legjelentősebb környezeti tényezők, amelyeket a RO és a sótartalom követ az archeális közösségben. Jelentős pozitív korreláció van a Co és a C1, C8, C9, C10 közösségek között. A C2, C4, C6 és C5 kivételével minden közösség negatívan korrelált a sótartalommal (ábra. 7b).
az RDA (redundancia analízis) az (A) és az archaea (b) baktériumok szintjén alapul, a szénágy környezeti tényezőivel és a szén jellemzőivel. A hatástényező hossza hosszabb, a hatás hozzájárulása nagyobb, és fordítva, ha a hatástényező rövidebb, a hatás hozzájárulása könnyebb. Ha a környezeti tényező akut szögben van a mintával, pozitív korreláció van, és ha a környezeti tényező és a minta szöge tompa, negatív korreláció van
Coal rank
a coalification “ugrás” egy sor fizikai és kémiai változásra utal a szén hőmérséklete és nyomása alatt a geológiai történelem során. A szén tehát fokozatosan hirtelen változáson ment keresztül. A négy ugrás 0,6, 1 RO-nak felel meg.3, 2,5 és 3,0%. Függetlenül attól, hogy az archeális vagy a baktériumközösséget figyelembe vesszük, a szén rangja bizonyos mértékben befolyásolja a baktériumok sokféleségét és bőségét. A szén rangjának növekedésével mind az archeális, mind a bakteriális közösségekben a közösség sokfélesége összességében bizonyos csökkenő tendenciát mutat (ábra. 8). Ezenkívül a mikroorganizmusok befolyásolhatják a szén rangok által ellenőrzött szén összetételét. A középső és az alacsony rangú szén nagy mennyiségben tartalmaz növényi eredetű anyagokat az 1. csoportba, amely sok növényi eredetű anyagot tartalmaz. Itt magasabb a hidrogén, az oxigén és a nitrogén tartalma; és a baktériumok által igényelt tápanyagok bőségesek. A koalifikáció során a szerves anyagok sok nedvességet és folyékony szénhidrogéneket termelnek. Ugyanakkor a szénben lévő hidrogén és oxigén oldalláncai is bőségesek. Ezek a folyékony és szilárd anyagok biztosítják a baktériumok életének alapját. Ennek eredményeként a hidrogéntermelő baktériumok és metanogének bősége és sokfélesége a szénben ebben a régióban viszonylag magas. A Ro növekedésével a szénben lévő hidrogén és oxigén oldallánc tartalma drasztikusan csökken, és a mikroorganizmusok számára rendelkezésre álló komponensek is csökkennek. Ezért a 2.és 3. csoportba tartozó bakteriális és archeális közösségek fajbősége és sokfélesége összességében csökken. Eddig a biogén széntartalmú metán szénsorai a természetben 2,0% – os visszaverő képességgel rendelkeznek (C4 Hebi). Ro > 2,5% után a kis molekulákká alakítható szerves vegyületek nagyon ritkák voltak, de a 4.csoportban nagyobb volt a sokféleség és a bőség. Feltételezzük, hogy a talajvíz által bevezetett tápanyagok ebben az időben rendelkezésre állnak a baktériumok szaporodásához. A különböző régiókban és évszakokban a felszín alatti vizek által előidézett tápanyag-összetevők hozzájárulhattak a fajok sokféleségéhez. A 4-es csoport magasabb flóradiverzitásának egyik oka az lehet, hogy a C8 Jiaozuo Jiulishan területén jobb talajvíz-lefolyási feltételek és erősebb Feltöltés van. Képes tápanyagokat szállítani a növényvilág számára, így a sokféleség és a bőség magasabb, mint a 2.csoport. Érdemes megjegyezni, hogy az archeális közösségek sokfélesége és bősége bizonyos mértékig negatívan korrelál a szén rangsorával. A baktériumközösségek fajbősége azonban pozitívan korrelál a szén rangsorával, és a sokféleség csökkenő tendenciát mutat. A szén rangok emelkedésével egyes baktériumcsoportok fokozatosan alkalmazkodtak a különböző szén rangok környezetéhez, és nagy számban növekedhetnek és szaporodhatnak, és a metanogének nehezen alkalmazkodnak a szén rangokhoz.
a Chao1 (sötétszürke) és Shannon (világosszürke) indexe a négy csoportra (a Szénmintákat négy csoportra osztották a baktériumközösség (a) és az archaea közösség (b) RO értéke szerint, az 1.csoport 0,6% – nál kisebb értéket képvisel, a 2. csoport 0,8 és 1,1% közötti értéket képvisel, a 3. csoport 1,4 és 1,8% közötti értéket képvisel, a 4. csoport 2,67 és 3,15% közötti értéket képvisel). A 25. és 75. percentiliseket a dobozok külső szélei jelzik, míg a maximális és minimális értékeket a bajusz végei, a mediánt pedig egy vízszintes vonal jelzi az egyes dobozokon belül
Nyomfém elemek
a Nyomfém elemek elősegíthetik a mikroorganizmusok növekedését egy bizonyos tartományon belül, ahol a sejt metabolikus szabályozás révén fenntartja az elemek homeosztázisát. A fém nyomelemei különböző enzimekben is létezhetnek, amelyeket a mikroorganizmusok felszívhatnak és felhasználhatnak az anaerob metabolizmus folyamatában, ami hatással van a hidrogént termelő baktériumok és metanogének közösségi szerkezetére (3.táblázat).
a Fe és a Ni nagyobb hatással van a hidrogéntermelő baktériumokra, mint a Co . A Fe és a Ni részt vehet a hidrogénázok és más metalloenzimek szintézisében és metabolizmusában a mikroorganizmusokban. Ahogy a Fe és a Ni tartalma egy bizonyos tartományon belül növekszik, úgy növekszik a hidrogéntermelő baktériumpopulációk bősége és sokfélesége is. A C7 Fe és Ni tartalma sokkal magasabb, mint más régiókban, és ez a munka megállapította, hogy a Clostridium hidrogéntermelő baktériumok. Ez a megállapítás azt jelzi, hogy a nyomelemek túlzott szintje mérgező hatással lehet a mikroorganizmusok növekedésére és gátolhatja a metalloenzimek aktivitását. A C4, C6 és C9 Fe−szintjei nem különböztek szignifikánsan, és 3500 mg Kg-1-nél stabilak voltak (ábra. 9). A ni relatív bősége a három területen C6 > C9 > C4, ami megfelel a bőség sorrendjének (szintén C6 > C9 > C4), de a sokféleség sorrendje C6 > C4 > C9. A Clostridium, a Klebsiella, az Enterobacter és a Citrobacter nemzetségek tagjait a C4, C6 és C9 közösségekben mutatták ki; beleértve azokat is, amelyek nagyobb bőséggel és sokféleséggel rendelkeznek, mint más régiók.
a fe, Co, Ni nyomelem-tartalma a szénmintákban
az archeális közösségben a fe, Co és Ni hatása a metanogénekre még fontosabb. A Co az F430 metanogén koenzim szintézisének kulcsfontosságú eleme, és az első három Co-tartalma C8 > C7 > C10, a metanogén fajok és a bőség C8 > C7 > C10. A Co-tartalom bizonyos mértékig pozitívan korrelál a metanogének bőségével és sokféleségével. Bár a Fe tartalma a C7-ben sokkal magasabb, mint más régióké, ez nem befolyásolja a metanogének eloszlását a régióban. A metanogéneknek csak néhány típusa tartalmazhat Fe-t-a korábbi vizsgálatokban csak egy fajt fedeztek fel, methanothermobacter néven. A monoferric hidrogénáz jelenléte az M. marburgensis metanogénjeiben katalizálja a metenil-H4MPT+ és H2 reverzibilis reakcióját metilén-H4MPT és H + előállítása céljából; metán előállítása CO2-ből és H2-ből . A hidrogénotróf anyagcserét alkalmazó metanogének hasonló enzimeket is tartalmazhatnak. Ezen túlmenően a metilotróf metanogének nagy hányadáról is feltételezik, hogy ilyen enzimeket hordoznak, kivéve a Metanoculleust és a Metanobaktériumokat. Feltételezik, hogy a Metilotróf metanogénekben a Fe-hez társuló metalloenzim lehet.
felszín alatti vizek állapota
a felszín alatti vizek közvetlenül vagy közvetve ökológiai alapot nyújtanak az extremofilek növekedéséhez és anyagcseréjéhez a szénvarrásban. Egyrészt a felszín alatti vizek feltöltése nagy mennyiségű tápanyagot szolgáltat a bakteriális és archeális közösségek számára; másrészt a felszín alatti vizek környezeti feltételei (Eh, pH, sótartalom, ionösszetétel és nyomelemek) közvetlenül befolyásolják a mikrobák növekedését és a metabolikus enzimaktivitást. A talajvíz környezeti feltételei közvetlenül kapcsolódnak a szén felhasználásához és lebomlásához, és a szénvarrásban található mikroorganizmusok különböző közösségi struktúrákat és funkcionális jellemzőket mutatnak.
a mikrobiális tápanyag-szubsztrátok általában feloldódnak. A bányászati terület lefolyási zónája lehetővé teszi a szénvarratok túlélését. A nagy áteresztőképességű tározók pozitív hatással vannak a hidrogéntermelő baktériumok és metanogének növekedésére és szaporodására, míg a metamorfizmus jelentős negatív hatással van a széntározók szénáteresztőképességére . A biogén CBM-Mel rendelkező területeken a C2, C4, C6 és C7 közösségeket jól dokumentálták. Ezek a közösségek az alacsony és közepes szén ranghoz tartoznak, a szén porozitása viszonylag magasabb, mint a magas rangú szén, a talajvíz időben képes tápanyagokat szolgáltatni a szénvarrásban lévő mikrobáknak. A jelenlegi CBM fejlesztési zóna a Powder River medencében az Egyesült Államokban. főleg a talajvíz lefolyási zónájában koncentrálódik. A C6 bányászati területen található sekély CBM kút gázstabil izotóp adatai szintén megerősítették a biogenetikai CBM jelenlétét a területen. Egy másik mély CBM gázstabil izotóp adatai azonban jól jelezték, hogy a CBM főleg termogén. Ezek az eredmények azt mutatják, hogy a temetés mélységének növekedésével a lefolyási körülmények gyengülnek, és nehéz lesz a tápanyagok szállítása a mikroorganizmus számára, ami a közösség bőségének és sokszínűségének csökkenéséhez vezet. A tető és a padló a No. 2 a C2 területen lévő szénvarrás viszonylag stabil iszap-és agyagkőzetrétegekkel rendelkezik, ami megnehezíti a szénvarrásban lévő hidrogéntermelő baktériumok és metanogének számára a folyékony tápanyagok megszerzését, és korlátozza növekedésüket és anyagcseréjüket, ezért közösségi sokféleségüket és bőségüket. Vegye figyelembe, hogy ezen a területen a Chao1 index 240, a Shannon index pedig 1,38 a baktériumok közösségében. A metanogének Chao1 indexe 82, a Shannon index 0,56. A homokkő repedezett víztartó tető a C4 területén. 21 a szénvarrás jobb feltöltési feltételekkel rendelkezik, és vízzel tölti fel a szénvarrást. Lehetséges, hogy a mikrobiális közösség kumulatív hatásokat tapasztal a különböző tápanyagok megfelelő rendelkezésre állásából, ami befolyásolja a szállítást, összehasonlítva a mikroorganizmus közösség bőségével és sokféleségével a C2 területen, ami jelentősen javult. Ezen a területen a hidrogént termelő baktériumok Chao1 indexe 148, a Shannon index 1,52; a metanogének Chao1 indexe 368, a Shannon index pedig 2,35. A C6 terület homokkő repedezett víztartója a 3. számú szénvarrás közvetlen vízzel töltött víztartója. A rétegen belüli törésfejlődés és a mérsékelt akveozitás szintén aktív szerepet játszik a közösség bőségében és sokszínűségében. Itt a hidrogént termelő baktériumok Chao1 indexe 472, a Shannon index 1,56; a metanogének Chao1 indexe 384, a Shannon index pedig 1,08. Ez a helyzet a C7 területen is, az 5. számú szénvarrás közvetlenül törött víztartóval rendelkezik, jó feltöltési feltételekkel, a hidrogént termelő baktériumok bőség indexe 458, a Shannon index 1,98; a metanogének Chao1 indexe 256, a Shannon index pedig 2,47. Ezért a hidrogéntermelő baktériumok és metanogének fajok sokfélesége a C4-ben, C6-ban és C7-ben magasabb, mint a C2-ben.
a felszín alatti vizek környezeti feltételei közvetlenül befolyásolják a mikroorganizmusok növekedését és anyagcseréjét. A szénágyas talajvíz pH-értéke általában semleges, de a pH−érték 6,5 és 8,4 között változik a homokkő törött víztartóban a C4 21.számú szénvarrás területén, a sótartalom pedig 1,0 g L-1. A nem közvetlen víztartó rétegében. 3 szénvarrás a C6 területen, a pH 6,8-8,0 pH között mozog, a sótartalom pedig 0,7 g L−1. A C7 terület talajvíz pH-értéke 6,1−7,3, sótartalma 1,25 g L-1. A C4, C6 és C7 pH-értéke közel semleges, és a mineralizáció mértéke alacsony, ahol a mikroorganizmus közösség jobb növekedést, nagyobb bőséget és nagyobb sokféleséget mutat. Ezenkívül a talajvíz sótartalma és ionösszetétele szorosan összefügg a szénvarrás anaerob redukciós környezetével. Például az SO42-et-a felszín alatti vizek zárt körülményeinek értékelésére használják, a HCO3 pedig az SO42 anaerob kéntelenítési reakciójának terméke, így a magas HCO3− a szénmedencés talajvíz jó lezárásának és erős csökkentésének jeleként használható . A C4 területen a vízkémia HCO3 * SO4-Ca * Mg, a C7 területen a vízkémia hasonló a C4 területhez, HCO3·SO4–Ca·Na, és viszonylag zárt anaerob környezetet biztosít. Ebben az esetben a hidrogéntermelő baktériumok Chao1 indexe a C4-ben 148, a Shannon index 1,52; a metanogének Chao1 indexe 368, a Shannon index 2,35. A hidrogéntermelő baktériumok Chao1 indexe a C7 – ben 458, a Shannon index 1,98, a Chao1 index 256, a Shannon index pedig 2,47. A C6-ban a vízkémia SO4 * HCO3-K * Na, és az SO42− domináns, míg a hidrogéntermelő baktériumok Chao1 indexe a C6-ban 472, a Shannon index 1,56, a metanogének Chao1 indexe 384, a Shannon index pedig 1,08. Az adatok azt mutatják, hogy a C6 sokfélesége valamivel alacsonyabb, mint a C4 és a C7.
néhány hidrogéntermelő baktériumot és metanogént mutattak ki a C8 és C9 területeken azon a területen, ahol nem találtak biometánt. Figyelemre méltó az is, hogy e két terület talajvízviszonyai hasonlóak a fent említett biogén metánterületekéhez, amelyek a talajvíz lefolyási zónájában helyezkednek el, és a talajvíz feltöltése jobban képes bizonyos szerves anyagok szállítására a szénvarrásba, így nagyszámú baktérium nő és szaporodik, ami az egyik oka a C8 és C9 fajok nagyobb bőségének és sokféleségének.
hőmérséklet
a hőmérséklet és a nyomelemek befolyásolják a mikrobiális közösségek bőségét és sokféleségét azáltal, hogy közvetlenül megváltoztatják a mikroorganizmusok növekedését és anyagcseréjét, valamint metabolikus környezetüket. Így mikrobiológiai szempontból az optimális hőmérséklet az egyik legfontosabb tényező, amely befolyásolja a mikroorganizmusok növekedését és anyagcseréjét. Az 5B ábra azt mutatja, hogy a hőmérséklet viszonylag gyenge hatást gyakorol a metanogének bőségére és sokféleségére, annak ellenére, hogy a hidrogéntermelő baktériumok szűk ökológiai amplitúdón belül léteznek, és érzékenyek a hőmérsékletváltozásra. Ez a változó korrelál a fajok bőségével és sokféleségével, és a tanulmány eredményei azt mutatják, hogy a szénvarrás hőmérséklete (azaz 25 és 27 C között) pozitívan korrelál a baktériumpopuláció bőségével. C8-nál a hőmérséklet 27,2 C volt, ez a legmagasabb hőmérséklet, amelyet ebben a vizsgálatban regisztráltak. A hidrogént termelő baktériumok Chao1 indexe 510, a Shannon index pedig 2,61 volt, ami szintén a legmagasabb a minták között (C1-C8). A legalacsonyabb hőmérsékletet, 24,9 kb C-t a C1-nél találták, ahol a baktériumközösség Chao1 indexe volt a legalacsonyabb. A mikrobiális fajok bősége és sokfélesége a C3 > C6 > C2 > C7 > C5 > C4 hőmérsékletével növekszik. A geotermikus gradiens anomáliák a C9 és a C10-nél sokkal magasabb hőmérsékletet okoztak; a környezeti hőmérséklet a C9 és a C10-nél 34,60 C, illetve 40,10 C volt. A hidrogéntermelő baktériumok Chao1 indexe a C9-ben 176, a Shannon index 1,28 volt; a Chao1 index 237, Shannon indexe 1,58. Az első nyolc területhez képest a bőség és a sokféleség kissé csökkent. Itt mind a hidrogéntermelő baktériumok, mind a metanogének növekedhetnek és szaporodhatnak a környezeti hőmérsékleten.
mikrobiális szintrofikus kölcsönhatások
a szénvarrás szélsőséges környezetében baktériumok konzorciumai alakulnak ki a szénvarrás mikroorganizmusai között. A metabolitok cseréje és a mikrokörnyezetileg ellenőrzött szimbiózis révén a verseny és az erőforrások elosztása fenntartja a mikrobiális közösség sajátos funkcióit, amely meghatározza a biometán termelési útvonalát a szénvarrásban. A methanothrix, amely az ecetsavat metánná alakítja, a domináns nemzetség a C1 terület metanogén közösségében. Az Alkalibaculumhoz és a Desulfosporosinushoz kapcsolódó baktériumok homoacetogén baktériumok, amelyek H2-t használnak elektrondonorként ecetsav előállításához. A hidrogenotróf metanogének fő versenytársai, valamint metabolikus szubsztrátot biztosítanak a metanogének számára. A hidrogéntermelő baktériumok, mint például a Clostridium és a Tissierella szintén ecetsavat szolgáltatnak, így a hidrogéntermelő baktériumok nagy száma gazdag metabolikus szubsztrátot biztosít a Metanothrix számára. A metanogének és a hidrogént termelő baktériumok együtt szintrofikus kölcsönhatásban vannak, és a metánképződés útvonalát ezen a területen az ecetsav bomlása határozza meg. A C2-ben, C4-ben és C6-ban található metanogének főként hidrogénotróf metanogének. A hidrolitikus fermentációs baktériumok és az acetogének egyaránt hozzájárulnak az ecetsav és a H2 termeléséhez. Enzimeket, kofaktorokat és metabolikus jeleket is termelnek a hidrogéntermelés szabályozására. Ezen túlmenően a homoacetogén baktériumok és az acetogének nem versenyeznek ezeken a területeken. A hidrogenotróf metanogének metánt termelhetnek az előző szakaszban előállított CO2-ből és H2-ből. Ezért a metabolikus útvonalakat ezeken a területeken elsősorban a H2, A formiát és más anyagok esetében használják.
a C3 terület több mint 99% – a metilotróf metanogéneket tartalmaz, mint például: Metanolobusz. Brevibacter, Paenibacillus, Brochothrix és Lactococcus. Korábbi tanulmányok kimutatták, hogy a metoxiaromás vegyületek (a lignocellulóz fontos része) lebomlanak metanol és más anyagok előállítására . Ebben a régióban a mikroorganizmusok lebonthatják a szén lignocellulózszerű anyagát, hogy forrásokat biztosítsanak a metilotróf metanogének számára. Ez az egyszerű mikrobiális közösség nem képes elegendő szubsztrátot biztosítani a H2-t fogyasztó metanogének számára. A biometán előállítási útja ezen a területen a metilvegyületek fogyasztásán alapul.
Staphylococcus is kimutatható volt a C3 területen. A közelmúltban a Staphylococcus AntiMn-1-et magas mangántartalmú Clarion-Clipperton terület mélytengeri üledékeiből izolálták. A mangánnal szemben nagy ellenállású géneket tartalmazott, amelyekről úgy gondolják, hogy alkalmazkodnak a tengeri üledékes környezethez . A nehézfémtartalom a C3 területen viszonylag magas. Lehet, hogy a szénvarrás környezet hatékonyan indukálhatja a rezisztencia gének expresszióját, amelyek antagonista és méregtelenítő hatással lehetnek a nehézfémek mikroorganizmusokon belüli szállítására és toxicitására. A Staphylococcus ezen a területen rezisztencia géneket tartalmazhat a szénvarrás környezetéhez való alkalmazkodáshoz, így részt vehet a szén fermentációs anyagcseréjében is. A C7-ben sokféle metanogén létezik, és a hidrogéntermelő baktériumokat a Clostridium, a Bacillus, a Citrobacter és más anaerobok uralják, amelyek szubsztrátokat biztosítanak az acetoklasztikus metanogéneknek, valamint a H2-nek, a CO2-nek és a formiát a hidrogénotróf metanogéneknek. Ezenkívül az ecetsav felhalmozódása csökkenti a szulfát-redukáló baktériumokat, beleértve a Desulfosporosinust és a Desulfitobacteriumot. Az SRB erősebb affinitással rendelkezik az ecetsav iránt, mint az acetoklasztikus metanogének, de nem versenyeznek a metilotróf metanogénekkel bizonyos szubsztrátokért, például a metanolért. Így mind a szulfát-redukáló baktériumok, mind a metanogének metabolizmusa egyidejűleg folytatódhat ezen a területen . A C7 metabolizmusában a metilotróf metanogének domináltak, majd ecetsav fermentáció, majd szén-dioxid redukció következett.