l’Analisi dei fattori che influenzano la struttura della comunità microbica
Ad indagare le possibili relazioni tra fattori ambientali e comunità varianza, RDA analisi è stata creata (Fig. 7). In totale, otto fattori ambientali, tra cui oligoelementi Fe, Co, Ni, temperatura, salinità, profondità, umidità e RO. La profondità e la temperatura del serbatoio sono state misurate nel luogo di campionamento e altre informazioni sono state ottenute dai dati geologici delle miniere locali (cfr.Tabella 2). Dati mostrati in Fig. 7a ha rivelato che le composizioni di comunità batteriche trovate in questo studio erano significativamente influenzate da Fe, Ni, umidità, salinità e RO. Tutte le comunità, diverse da C4, C7, C10, sono correlate positivamente con RO; C4, C7 e C10 correlate positivamente con Fe, Ni e umidità. Co è richiesto per il co-enzima M metil-transferasi, che è un enzima importante nel metabolismo biochimico dei metanogeni ; pertanto, l’effetto della Co sulla comunità archaeal è maggiore di quello della comunità batterica. Gli elementi Fe, Co e Ni; così come l’umidità, sembravano essere i fattori ambientali più significativi seguiti da RO e salinità nella comunità archaeal. Esiste una significativa correlazione positiva tra Co e le comunità C1, C8, C9, C10. Tutte le comunità tranne C2, C4,C6 e C5 erano negativamente correlate con la salinità (Fig. 7 ter).
La RDA (redundancy analysis) basata sul livello di batteri (a) e archaea (b) con i fattori ambientali del letto di carbone e le caratteristiche del carbone. La lunghezza del fattore di impatto è più lunga, il contributo dell’impatto è più alto e, viceversa, quando il fattore di impatto è più breve, il contributo dell’impatto è più leggero. Quando il fattore ambientale è molto angolato, con l’esempio, c’è una correlazione positiva, e quando il fattore ambientale e il campione l’angolo è ottuso, non c’è una correlazione negativa
Carbone rank
Il coalification “salto” si riferisce a una serie di modificazioni chimiche e fisiche sotto la pressione e la temperatura di carbone nel corso della storia geologica. Il carbone ha quindi subito un processo di cambiamento graduale o improvviso. I quattro salti corrispondono a RO di 0.6, 1.3, 2,5 e 3,0%. Indipendentemente dall’archaeal o dalla comunità batterica in esame, il rango del carbone ha una certa influenza sulla diversità e l’abbondanza dei batteri. Con un aumento del rango di carbone, sia nella comunità archaeal che in quella batterica, la diversità della comunità mostra una certa tendenza al ribasso nel complesso (Fig. 8). Inoltre, i microrganismi possono influenzare la composizione del carbone controllato dai ranghi del carbone. I carboni di rango medio e basso contengono grandi quantità di sostanze vegetali evolute nel Gruppo 1, che contiene molte sostanze vegetali evolute. Qui, c’è più alto contenuto di idrogeno, ossigeno e azoto; e le sostanze nutritive richieste dai batteri sono abbondanti. Nel processo di coalificazione, le sostanze organiche generano molta umidità e idrocarburi liquidi. Allo stesso tempo, anche le catene laterali di idrogeno e ossigeno contenute nel carbone sono abbondanti. Queste sostanze liquide e solide forniscono il fondamento della vita per i batteri. Di conseguenza, l’abbondanza e la diversità dei batteri produttori di idrogeno e dei metanogeni nel carbone in questa regione sono relativamente alti. Con l’aumento del Ro, il contenuto della catena laterale di idrogeno e ossigeno nel carbone viene drasticamente ridotto e vengono ridotti anche i componenti disponibili per i microrganismi. Pertanto, l’abbondanza di specie e la diversità delle comunità batteriche e archaeal nel Gruppo 2 e nel gruppo 3 sono ridotte nel complesso. Finora, i ranghi del carbone del metano a carbone biogenico sono stati trovati in natura per avere una riflettività del 2,0% (C4 Hebi). Dopo RO > 2,5%, i composti organici che possono essere convertiti in piccole molecole sono stati molto rari, ma c’è stata una maggiore diversità e abbondanza nel Gruppo 4. Ipotizziamo che i nutrienti introdotti dalle acque sotterranee in questo momento siano disponibili per la riproduzione batterica. Le componenti nutritive prodotte dalle acque sotterranee in diverse regioni e in diverse stagioni possono aver contribuito alla diversità delle specie. Una ragione per la maggiore diversità della flora nel gruppo 4 può essere che C8 Jiaozuo Jiulishan area ha migliori condizioni di deflusso delle acque sotterranee e ricarica più forte. Può trasportare nutrienti per la flora, quindi la diversità e l’abbondanza sono superiori al Gruppo 2. Vale la pena notare che la diversità e l’abbondanza delle comunità archaeal sono negativamente correlate con i ranghi del carbone in una certa misura. Tuttavia, l’abbondanza di specie nelle comunità batteriche è correlata positivamente con i ranghi del carbone e la diversità mostra una tendenza al ribasso. Con l’aumento dei ranghi del carbone, alcuni gruppi batterici si sono gradualmente adattati all’ambiente di vari ranghi del carbone e possono crescere e moltiplicarsi in gran numero, e i metanogeni sono difficili da adattarsi ai ranghi del carbone.
Chao1 s (grigio scuro) e Shannon (grigio chiaro) indice per i quattro gruppi (Carbone campioni sono stati divisi in quattro gruppi in base al valore di RO per la comunità batterica (a) e archaea comunità (b), Gruppo 1 rappresenta un valore inferiore a 0,6%, Gruppo 2, che rappresenta il valore tra 0,8 e 1,1%, Gruppo 3, che rappresenta il valore tra l ‘1,4 e l’ 1,8%, Gruppo 4, che rappresenta il valore tra 2.67 e 3.15%) derivato dalle regioni. 25 ° e il 75 ° percentile sono indicati dai bordi esterni delle finestre, mentre i valori massimi e minimi sono indicati dalle estremità dei baffi e la mediana da una linea orizzontale all’interno di ogni scatola
Traccia di elementi in metallo
tracce di metallo elementi in grado di promuovere la crescita di microrganismi all’interno di un determinato intervallo, in cui la cellula mantiene l’omeostasi degli elementi attraverso regolazione metabolica. Gli elementi metallici in traccia possono anche esistere in vari enzimi, che possono essere assorbiti e utilizzati dai microrganismi nel processo di metabolismo anaerobico, che ha un’influenza sulla struttura comunitaria dei batteri produttori di idrogeno e dei metanogeni (Tabella 3).
Fe e Ni hanno un effetto maggiore sui batteri produttori di idrogeno rispetto alla Co . Fe e Ni possono partecipare alla sintesi e al metabolismo delle idrogenasi e di altri metalloenzimi nei microrganismi. Man mano che il contenuto di Fe e Ni aumenta entro un certo intervallo, aumenta anche l’abbondanza e la diversità delle popolazioni batteriche produttrici di idrogeno. Il contenuto di Fe e Ni in C7 è molto più alto di quello in altre regioni e questo lavoro ha scoperto che i clostridium sono batteri produttori di idrogeno. Questo risultato indica che livelli eccessivi di oligoelementi possono avere un effetto tossico sulla crescita di microrganismi e inibire l’attività dei metalloenzimi. I livelli di Fe in C4, C6 e C9 non erano significativamente diversi e erano stabili a 3500 mg Kg-1 (Fig. 9). L’abbondanza relativa di Ni nelle tre aree è C6 > C9 > C4, che corrisponde all’ordine di abbondanza (anche C6 > C9 > C4), ma l’ordine di diversità è C6 > C4 > C9. Membri dei generi: Clostridium, Klebsiella, Enterobacter e Citrobacter sono stati rilevati nelle comunità C4, C6 e C9; compresi quelli a più alte abbondanze e livelli di diversità rispetto ad altre regioni.
Il contenuto di elementi metallici in tracce di Fe, Co, Ni nei campioni di carbone
Nella comunità archaeal, l’influenza di Fe, Co e Ni sui metanogeni è ancora più importante. Il Co è un elemento chiave nella sintesi del coenzima metanogenico F430 e il contenuto di Co nei primi tre è C8 > C7 > C10, le specie di metanogeno e l’abbondanza sono C8 > C7 > C10. Il contenuto di Co è positivamente correlato all’abbondanza e alla diversità dei metanogeni in una certa misura. Sebbene il contenuto di Fe in C7 sia molto più alto di quello di altre regioni, non influisce sulla distribuzione dei metanogeni nella regione. Ci sono solo pochi tipi di metanogeni che possono contenere Fe-in studi precedenti, è stata scoperta solo una specie, chiamata Methanothermobacter. La presenza di idrogenasi monoferrica nei metanogeni di M. marburgensis catalizza la reazione reversibile di metenil-H4MPT + e H2 per generare metilene-H4MPT e H+; producendo metano da CO2 e H2 . I metanogeni che utilizzano il metabolismo idrogenotrofico possono anche contenere enzimi simili. Inoltre, una grande percentuale di metanogeni metilotrofici è anche ipotizzata di ospitare tali enzimi ad eccezione del metanoculleo e dei metanobatteri. Si ipotizza che ci possa essere un metalloenzima associato a Fe nei metanogeni metilotrofici.
Condizioni delle acque sotterranee
Le acque sotterranee forniscono, direttamente o indirettamente, una base ecologica per la crescita e il metabolismo degli estremofili nel bacino carbonifero. Da un lato, la ricarica delle acque sotterranee fornisce grandi quantità di nutrienti per le comunità batteriche e archaeal; d’altra parte, le condizioni ambientali delle acque sotterranee (Eh, pH, salinità, composizione ionica e oligoelementi) influenzano direttamente la crescita microbica e l’attività enzimatica metabolica. Le condizioni ambientali delle acque sotterranee sono direttamente correlate all’uso e al degrado del carbone e i microrganismi situati nella cucitura del carbone mostrano diverse strutture comunitarie e caratteristiche funzionali.
I substrati nutritivi microbici sono generalmente disciolti. La zona di deflusso nell’area mineraria può consentire la sopravvivenza delle giunture di carbone. I serbatoi ad alta permeabilità hanno un impatto positivo sulla crescita e sulla riproduzione di batteri produttori di idrogeno e metanogeni, mentre il metamorfismo ha un impatto negativo significativo sulla permeabilità del carbone nei serbatoi di carbone . Nelle aree con CBM biogenico, le comunità C2, C4, C6 e C7 sono state tutte ben documentate. Queste comunità appartengono al rango di carbone basso e medio, la porosità del carbone è relativamente superiore al carbone di alto rango, le acque sotterranee possono fornire nutrienti ai microbi nella linea di carbone nel tempo. L’attuale zona di sviluppo CBM all’interno del bacino del Powder River negli Stati Uniti si concentra principalmente nella zona di deflusso delle acque sotterranee. I dati isotopici stabili del gas provenienti da un pozzo CBM poco profondo nell’area mineraria C6 hanno anche confermato la presenza di CBM biogenetico nell’area. Tuttavia, i dati dell’isotopo stabile del gas da un altro CBM profondo hanno indicato bene che il CBM è principalmente termogenico. Questi risultati mostrano che con l’aumentare della profondità della sepoltura, le condizioni di deflusso si indeboliranno e sarà difficile trasportare nutrienti per il microrganismo, il che si tradurrà in una diminuzione dell’abbondanza e della diversità della comunità. Il tetto e il pavimento del No. 2 coal seam nell’area C2 hanno strati relativamente stabili di roccia fangosa e argillosa, il che rende difficile per i batteri produttori di idrogeno e i metanogeni nella coal seam ottenere nutrienti liquidi e limita la loro crescita e il metabolismo e, quindi, la loro diversità e abbondanza nella comunità. Si noti che in quest’area l’indice Chao1 è 240 e l’indice Shannon è 1.38 nella comunità dei batteri. L’indice Chao1 dei metanogeni è 82, l’indice di Shannon è 0,56. Il tetto falda arenaria fessurato nella zona C4 del No. 21 la cucitura del carbone ha migliori condizioni di ricarica e riempie la cucitura del carbone con acqua. È possibile che la comunità microbica abbia effetti cumulativi dalla sufficiente disponibilità di diversi nutrienti, che influisce sul trasporto, rispetto all’abbondanza e alla diversità della comunità di microrganismi nell’area C2, che è notevolmente migliorata. In quest’area, l’indice Chao1 dei batteri produttori di idrogeno è 148, l’indice di Shannon è 1,52; l’indice Chao1 dei metanogeni è 368 e l’indice di Shannon è 2,35. La falda acquifera fessurata di arenaria dell’area C6 è una falda acquifera piena d’acqua diretta di No. 3 coal seam. Anche lo sviluppo di fratture all’interno dello strato e l’acqueosità moderata svolgono un ruolo attivo nell’abbondanza e nella diversità della comunità. Qui, l’indice Chao1 dei batteri produttori di idrogeno è 472, l’indice di Shannon è 1,56; l’indice Chao1 dei metanogeni è 384 e l’indice di Shannon è 1,08. Questo è anche il caso nell’area C7, la cucitura del carbone n. 5 ha una falda acquifera direttamente fratturata con buone condizioni di ricarica, l’indice di abbondanza dei batteri produttori di idrogeno è 458, l’indice di Shannon è 1,98; e l’indice Chao1 dei metanogeni è 256 e l’indice di Shannon è 2.47. Pertanto, la diversità delle specie di batteri produttori di idrogeno e metanogeni in C4, C6 e C7 è superiore a quella in C2.
Le condizioni ambientali delle acque sotterranee influenzeranno direttamente la crescita e il metabolismo dei microrganismi. Il valore del pH delle acque sotterranee del letto di carbone è generalmente neutro, ma il valore del pH varia tra 6,5 e 8,4 nella falda acquifera fratturata in arenaria nell’area C4 No. 21 coal seam e la salinità è 1,0 g L−1. Nello strato acquifero diretto del No. 3 cucitura di carbone nell’area C6, il pH varia tra pH 6,8 a 8,0 e la salinità è 0,7 g L−1. Il valore del pH delle acque sotterranee dell’area C7 è 6,1-7,3 e la salinità è 1,25 g L−1. Il valore del pH in C4, C6 e C7 è vicino al neutro e il grado di mineralizzazione è basso, dove la comunità di microrganismi ha una crescita migliore, una maggiore abbondanza e una maggiore diversità. Inoltre, la salinità delle acque sotterranee e la composizione ionica sono strettamente correlate all’ambiente di riduzione anaerobica della linea di carbone. Ad esempio, SO42− viene utilizzato per valutare le condizioni chiuse delle acque sotterranee e HCO3− è il prodotto della reazione di desolforazione anaerobica di SO42−, quindi HCO3 alto− può essere utilizzato come segno di buona tenuta e forte riduzione delle acque sotterranee del letto di carbone . La chimica dell’acqua nell’area C4 è HCO3·SO4–Ca·Mg, la chimica dell’acqua nell’area C7 è simile all’area C4, HCO3·SO4–Ca·Na e fornisce un ambiente anaerobico relativamente chiuso. In questo caso, l’indice Chao1 dei batteri produttori di idrogeno in C4 è 148, l’indice di Shannon è 1,52; l’indice Chao1 dei metanogeni è 368, l’indice di Shannon è 2,35. L’indice Chao1 dei batteri produttori di idrogeno in C7 è 458, l’indice di Shannon è 1,98, l’indice Chao1 è 256 e l’indice di Shannon è 2,47. In C6, la chimica dell’acqua è SO4 * HCO3·K * Na, e SO42− è dominante, mentre l’indice Chao1 dei batteri produttori di idrogeno in C6 è 472, l’indice di Shannon è 1,56, l’indice Chao1 dei metanogeni è 384 e l’indice di Shannon è 1,08. I dati mostrano che la diversità in C6 è leggermente inferiore a C4 e C7.
Alcuni batteri produttori di idrogeno e metanogeni sono stati rilevati nelle aree C8 e C9 nell’area in cui non è stato trovato biometano. E ‘ stato inoltre rilevato che le acque sotterranee condizioni di queste due aree sono simili a quelli sopra menzionati biogene metano aree, che si trova nel deflusso delle acque sotterranee e la zona di ricarica della falda è più in grado di trasportare la materia organica nel carbone cucitura, in modo che un gran numero di batteri crescono e si moltiplicano, che è una delle ragioni per l’aumento di abbondanza di specie e la diversità di C8 e C9.
Temperatura
La temperatura e gli elementi metallici in traccia influenzano l’abbondanza e la diversità delle comunità microbiche modificando direttamente sia la crescita che il metabolismo dei microrganismi e il loro ambiente metabolico. Pertanto, da un punto di vista microbiologico, la temperatura ottimale è uno dei fattori più importanti che influenza la crescita e il metabolismo dei microrganismi. La figura 5b mostra che la temperatura esercita un’influenza relativamente debole sull’abbondanza e sulla diversità dei metanogeni, anche se i batteri produttori di idrogeno esistono in una ristretta ampiezza ecologica e sono sensibili al cambiamento di temperatura. Questa variabile è correlata con l’abbondanza e la diversità delle specie e i risultati di questo studio mostrano che la temperatura della cucitura del carbone (cioè tra 25 e 27 °C) è correlata positivamente con l’abbondanza della popolazione batterica. A C8, la temperatura era di 27,2 °C, la temperatura più alta registrata in questo studio. L’indice Chao1 dei batteri produttori di idrogeno era 510 e l’indice di Shannon era 2.61, anche il più alto tra i campioni (C1–C8). La temperatura più bassa, 24,9 °C, è stata trovata a C1, dove l’indice Chao1 della comunità batterica era il più basso. L’abbondanza e la diversità delle specie microbiche aumenta con la temperatura in C3 > C6 > C2 > C7 > C5 > C4. Le anomalie del gradiente geotermico a C9 e C10 hanno causato temperature molto più elevate; le temperature ambientali a C9 e C10 erano rispettivamente di 34,60 °C e 40,10 °C. L’indice Chao1 dei batteri produttori di idrogeno in C9 era 176 e l’indice di Shannon era 1,28; l’indice Chao1 è 237, l’indice di Shannon è 1,58. Rispetto alle prime otto aree, l’abbondanza e la diversità sono leggermente diminuite. Qui, sia i batteri produttori di idrogeno che i metanogeni possono crescere e riprodursi a temperatura ambiente.
Interazioni sintofiche microbiche
Nell’ambiente estremo della cucitura del carbone, si formano consorzi di batteri tra i microrganismi nella cucitura del carbone. Attraverso lo scambio di metaboliti e la simbiosi micro-controllata, la competizione e le allocazioni di risorse mantengono le funzioni specifiche della comunità microbica, che determina il percorso di produzione di biometano nella linea di carbone. Methanothrix, che converte l’acido acetico in metano, è il genere dominante nella comunità metanogena dell’area C1. I batteri associati con Alkalibaculum e Desulfosporosinus sono batteri omoacetogeni che utilizzano H2 come donatore di elettroni per produrre acido acetico. Sono i principali concorrenti per i metanogeni idrogenotrofici e forniscono anche un substrato metabolico per i metanogeni. I batteri produttori di idrogeno come Clostridium e Tissierella forniscono anche acido acetico, e quindi l’elevata abbondanza di batteri produttori di idrogeno fornisce un ricco substrato metabolico per Methanothrix. Insieme, i metanogeni e i batteri produttori di idrogeno sono in interazione sintofica e la via di generazione del metano in quest’area è determinata dalla decomposizione dell’acido acetico. I metanogeni in C2, C4 e C6 sono principalmente metanogeni idrogenotrofi. I batteri di fermentazione idrolitica e gli acetogeni contribuiscono entrambi alla produzione di acido acetico e H2. Producono anche enzimi, cofattori e segnali metabolici per regolare la produzione di idrogeno. Inoltre, i batteri omoacetogeni e gli acetogeni non competono in queste aree. I metanogeni idrogenotrofici possono produrre metano da CO2 e H2 prodotti nella fase precedente. Pertanto, le vie metaboliche in queste aree sono utilizzate principalmente per H2, formiato e altre sostanze.
Oltre il 99% dell’area C3 ospita metanogeni metilotrofici, come: Methanolobus. Brevibacter, Paenibacillus, Brochothrix e Lactococcus. Studi precedenti hanno dimostrato che i composti metossiaromatici (una parte importante della lignocellulosa) vengono degradati per produrre metanolo e altre sostanze . I microrganismi in questa regione possono degradare la materia lignocellulosa del carbone per fornire risorse ai metanogeni metilotrofici. Questa semplice comunità microbica non può fornire substrati sufficienti per i metanogeni che consumano H2. Il percorso di produzione di biometano in questo settore si basa sul consumo di composti metilici.
Lo stafilococco è stato rilevato anche nell’area C3. Recentemente, Staphylococcus AntiMn-1 è stato isolato dai sedimenti di acque profonde nell’area di Clarion-Clipperton con alto contenuto di manganese. Conteneva geni con elevata resistenza al manganese, che si pensa sia un adattamento all’ambiente sedimentario marino . Il contenuto di metalli pesanti nell’area C3 è relativamente alto. Può darsi che l’ambiente carbonifero possa effettivamente indurre l’espressione di geni di resistenza, che possono avere effetti antagonistici e disintossicanti sul trasporto e sulla tossicità dei metalli pesanti all’interno dei microrganismi. Lo stafilococco in questa zona può contenere geni di resistenza per adattarsi all’ambiente di cucitura del carbone in modo che possa anche partecipare al metabolismo di fermentazione del carbone. Ci sono molte diverse specie di metanogeni in C7, e i batteri che producono idrogeno è dominato da Clostridium, Bacillus, Citrobacter, e altri anaerobi, che forniscono substrati per metanogeni acetoclastici e anche H2, CO2, e formiato per metanogeni idrogenotrofici. Inoltre, l’accumulo di acido acetico riduce i batteri che riducono il solfato, tra cui Desulfosporosinus e Desulfitobacterium. Gli SRB hanno una maggiore affinità per l’acido acetico rispetto ai metanogeni acetoclastici, ma non competono con i metanogeni metilotrofici per determinati substrati, come il metanolo. Pertanto, i metabolismi sia dei batteri che riducono il solfato che dei metanogeni possono procedere simultaneamente in quest’area . Il metabolismo in C7 è stato dominato dai metanogeni metilotrofici, seguiti dalla fermentazione dell’acido acetico e quindi dalla riduzione dell’anidride carbonica.