analyse af faktorer, der påvirker den mikrobielle samfundsstruktur
for yderligere at undersøge mulige forhold mellem miljøfaktorer og samfundsvarians blev RDA-analyse oprettet (Fig. 7). I alt otte miljøfaktorer, herunder sporstoffer Fe, Co, Ni, temperatur, saltholdighed, dybde, fugt og RO. Dybden og reservoirtemperaturen blev målt i prøveudtagningsstedet, og andre oplysninger blev opnået ud fra de geologiske data for lokale Miner (Se tabel 2). Data vist i Fig. 7a afslørede, at de bakterielle samfundssammensætninger, der blev fundet i denne undersøgelse, var signifikant påvirket af Fe, Ni, fugt, saltholdighed og RO. Alle samfund, bortset fra C4, C7, C10, er positivt korreleret med RO; C4, C7 og C10 positivt korreleret med Fe, Ni og fugt. Co er nødvendig for co-metyltransferase, som er en vigtig del af den biokemiske metabolisme af methanogener ; derfor er effekten af Co på arkæalt samfund større end bakteriesamfundet. Elementerne Fe, Co, og Ni; såvel som fugt, syntes at være de mest betydningsfulde miljøfaktorer efterfulgt af RO og saltholdighed i det arkaeale samfund. Der er en signifikant positiv sammenhæng mellem Co og C1, C8, C9, C10 samfund. Alle samfund undtagen C2, C4, C6 og C5 var negativt korreleret med saltholdighed (Fig. 7b).
RDA (redundansanalyse) baseret på niveauet af bakterier (A) og archaea (b) med kulbundens miljøfaktorer og kulegenskaber. Længden af påvirkningsfaktoren er længere, påvirkningens bidrag er højere, og omvendt, når påvirkningsfaktoren er kortere, er påvirkningens bidrag lettere. Når miljøfaktoren er akut vinklet med prøven, er der en positiv sammenhæng, og når miljøfaktoren og prøvevinklen er stump, er der en negativ sammenhæng
kul rang
den koalificering “jump” refererer til en række fysiske og kemiske ændringer under temperatur og tryk af kul under geologisk historie. Kul har således gennemgået en proces med gradvis til pludselig ændring. De fire Spring svarer til RO på 0,6, 1.3, 2, 5 og 3, 0%. Uanset det arkæale eller det pågældende bakteriesamfund har kulrangen en vis indflydelse på bakteriens mangfoldighed og overflod. Med en stigning i kulrang, i både arkaeal-og bakteriesamfundene, viser samfundets mangfoldighed en vis nedadgående tendens generelt (Fig. 8). Desuden kan mikroorganismer påvirke sammensætningen af det kul, der kontrolleres af kulrækkerne. Den midterste og lav rang kul indeholder store mængder af plante udviklet stoffer i gruppe 1, som indeholder en masse plante udviklet stoffer. Her er der højere indhold af brint, ilt og nitrogen; og de næringsstoffer, der kræves af bakterierne, er rigelige. I processen med koalificering genererer organiske stoffer meget fugt og flydende kulbrinter. Samtidig er sidekæderne af brint og ilt indeholdt i kul også rigelige. Disse flydende og faste stoffer giver grundlaget for livet for bakterier. Som et resultat er overflod og mangfoldighed af brintproducerende bakterier og methanogener i kul i denne region relativt høj. Med stigningen i Ro reduceres sidekædeindholdet af brint og ilt i kul drastisk, og de komponenter, der er tilgængelige for mikroorganismerne, reduceres også. Derfor reduceres artens overflod og mangfoldighed af de bakterielle og arkaeale samfund i gruppe 2 og gruppe 3 generelt. Indtil videre har kulrakkerne af biogen coalbed methan vist sig i naturen at have en reflektivitet på 2,0% (C4 Hebi). Efter RO > 2,5% har de organiske forbindelser, der kan omdannes til små molekyler, været meget sjældne, men der har været en højere mangfoldighed og overflod i gruppe 4. Vi spekulerer i, at de næringsstoffer, der introduceres af grundvand på dette tidspunkt, er tilgængelige til bakteriel reproduktion. Næringsstofkomponenterne forårsaget af grundvand i forskellige regioner og i forskellige årstider kan have bidraget til mangfoldigheden af arter. En af grundene til den højere floradiversitet i gruppe 4 kan være, at C8-området har bedre grundvandsafstrømningsforhold og stærkere genopladning. Det kan transportere næringsstoffer til floraen, så mangfoldigheden og overfloden er højere end Gruppe 2. Det er værd at bemærke, at de arkaeale samfunds mangfoldighed og overflod er negativt korreleret med kulrækker til en vis grad. Imidlertid er artens overflod i bakteriesamfundene positivt korreleret med kulrækker, og mangfoldigheden viser en nedadgående tendens. Med stigningen i kulrækker er nogle bakteriegrupper gradvist tilpasset miljøet i forskellige kulrækker og kan vokse og formere sig i stort antal, og methanogener er vanskelige at tilpasse sig kulrækker.
Chao1 ‘ s (mørkegrå) og Shannons (lysegrå) indeks for de fire grupper (kulprøver blev opdelt i fire grupper i henhold til værdien af RO for bakteriesamfundet (A) og archaea-samfundet (b), gruppe 1 repræsenterer en værdi mindre end 0,6%, gruppe 2 repræsenterer værdien mellem 0,8 og 1,1%, gruppe 3 repræsenterer værdien mellem 1,4 og 1,8%, gruppe 4 repræsenterer værdien mellem 2,67 og 3,15%) afledt af regioner. 25. og 75. percentiler er angivet med kassernes ydre kanter, mens maksimums – og minimumsværdierne vises ved enderne af knurhårene og medianen med en vandret linje inden for hver kasse
Spormetalelementer
Spormetalelementer kan fremme væksten af mikroorganismer inden for et bestemt interval, hvor cellen opretholder homeostase af elementerne gennem metabolisk regulering. Spormetalelementer kan også eksistere i forskellige former, som kan absorberes og anvendes af mikroorganismer i processen med anaerob metabolisme, hvilket har indflydelse på samfundsstrukturen af hydrogenproducerende bakterier og methanogener (tabel 3).
Fe og Ni har en større effekt på hydrogenproducerende bakterier end Co . Fe og Ni kan deltage i syntesen og metabolismen af hydrogenaser og andre metalloensymer i mikroorganismer. Da indholdet af Fe og Ni stiger inden for et bestemt interval, gør det også overflod og mangfoldighed af brintproducerende bakteriepopulationer. Indholdet af Fe og Ni i C7 er meget højere end i andre regioner, og dette arbejde har vist, at Clostridium er hydrogenproducerende bakterier. Dette fund indikerer, at for store niveauer af sporstoffer kan have en toksisk virkning på væksten af mikroorganismer og hæmme aktiviteten af metalloensymer. Niveauerne af Fe i C4, C6 og C9 var ikke signifikant forskellige og var stabile ved 3500 mg Kg−1 (Fig. 9). Den relative overflod af Ni i de tre områder er C6 > C9 > C4, hvilket svarer til overflodrækkefølge (også C6 > C9 > C4), men rækkefølgen af mangfoldighed er C6 > C4 > C9. Medlemmer af slægter: Clostridium, Klebsiella, Enterobacter og Citrobacter blev påvist i C4 -, C6-og C9-samfundene; inklusive dem med højere overflod og niveauer af mangfoldighed end fra andre regioner.
indholdet af Spormetalelementer i Fe, Co, Ni i kulprøver
i det arkaeale samfund er indflydelsen fra Fe, Co og Ni på methanogener endnu vigtigere. Co er et nøgleelement i syntesen af methanogen Coen F430, og Co-indholdet i de tre øverste er C8 > C7 > C10, methanogenarter og overflod er C8 > C7 > C10. Indholdet af Co er positivt korreleret med overflod og mangfoldighed af methanogener til en vis grad. Selvom indholdet af Fe i C7 er meget højere end i andre regioner, påvirker det ikke fordelingen af methanogener i regionen. Der er kun få typer methanogener, der kan indeholde Fe—i tidligere undersøgelser blev kun en art, der hedder Methanothermobacter, opdaget. Tilstedeværelsen af monoferrisk hydrogenase i methanogener af M. marburgensis katalyserer den reversible reaktion af methenyl-H4MPT+ og H2 for at generere methylen-H4MPT og H+; producerer methan fra CO2 og H2 . Methanogener, der anvender hydrogenotrofisk metabolisme, kan også indeholde lignende stoffer. Derudover spekuleres en stor del af methylotrofe methanogener også i at huse sådanne stoffer undtagen Methanoculleus og Methanobakterier. Det spekuleres i, at der kan være et metalloensym forbundet med Fe i de methylotrofe methanogener.
Grundvandsforhold
grundvand giver direkte eller indirekte et økologisk grundlag for vækst og metabolisme af ekstremofiler i kulsømmen. På den ene side leverer grundvandsopladning store mængder næringsstoffer til bakterielle og arkæale samfund; på den anden side påvirker grundvandets miljøforhold (eh, pH, saltholdighed, ionsammensætning og sporstoffer) direkte mikrobiel vækst og metabolisk aktivitet. Grundvandets miljøforhold er direkte relateret til brugen og nedbrydningen af kul, og mikroorganismerne i kulsømmen viser forskellige samfundsstrukturer og funktionelle egenskaber.
mikrobielle næringssubstrater opløses generelt. Afstrømningsområdet i mineområdet kan tillade overlevelse af kulsømme. Reservoirer med høj permeabilitet har en positiv indvirkning på væksten og reproduktionen af hydrogenproducerende bakterier og methanogener, mens metamorfisme har en signifikant negativ indvirkning på kulpermeabilitet i kulreservoirer . I områder med Biogen CBM er C2 -, C4 -, C6-og C7-samfundene alle veldokumenterede. Disse samfund hører til den lave og mellemstore kulrang, kulens porøsitet er relativt højere end kul med høj rang, grundvand kan give næringsstoffer til mikroberne i kulsømmen i tide. Det nuværende CBM-udviklingsområde inden for Pulverflodbassinet i USA. er hovedsageligt koncentreret i grundvandsafstrømningsområdet. De gasstabile isotopdata fra en lav CBM-brønd i C6-mineområdet bekræftede også tilstedeværelsen af biogenetisk CBM i området. Imidlertid, gasstabile isotopdata fra en anden dyb CBM-brønd indikerede, at CBM hovedsageligt er termogen. Disse resultater viser, at når dybden af begravelsen øges, vil afstrømningsforholdene svækkes, og det vil være vanskeligt at transportere næringsstoffer til mikroorganismen, hvilket vil resultere i et fald i samfundets overflod og mangfoldighed. Tag og gulv af nr. 2 kulsøm i C2-området har relativt stabile lag af mudsten og lersten, hvilket gør det vanskeligt for de brintproducerende bakterier og methanogener i kulsømmen at opnå flydende næringsstoffer og begrænser deres vækst og stofskifte og derfor deres samfundsdiversitet og overflod. Bemærk, at Chao1-indekset i dette område er 240, og Shannon-indekset er 1,38 i bakteriesamfundet. Chao1-indekset for methanogener er 82, Shannon-indekset er 0,56. Sandsten sprængte akvifertag i C4-området i nr. 21 kul søm har bedre genoplade betingelser og fylder kul søm med vand. Det er muligt, at det mikrobielle samfund oplever kumulative virkninger fra den tilstrækkelige tilgængelighed af forskellige næringsstoffer, hvilket påvirker transporten sammenlignet med overflod og mangfoldighed af mikroorganismesamfundet i C2-området, hvilket er meget forbedret. På dette område er Chao1-indekset for hydrogenproducerende bakterier 148, Shannon-indekset er 1,52; Chao1-indekset for methanogener er 368, og Shannon-indekset er 2,35. Sandsten sprækket akvifer af C6-området er en direkte vandfyldt akvifer af No. 3 kul søm. Frakturudvikling inden for laget og moderat akveositet spiller også en aktiv rolle i samfundets overflod og mangfoldighed. Her er Chao1-indekset for hydrogenproducerende bakterier 472, Shannon-indekset er 1,56; Chao1-indekset for methanogener er 384 og Shannon-indekset er 1,08. Dette er også tilfældet i C7-området, No. 5-kulsømmen har en direkte brudt akvifer med gode genopladningsforhold, overflodsindekset for de hydrogenproducerende bakterier er 458, Shannon-indekset er 1,98; Chao1-indekset for methanogener er 256, og Shannon-indekset er 2,47. Derfor er artsdiversiteten af hydrogenproducerende bakterier og methanogener i C4, C6 og C7 højere end i C2.
grundvand miljøforhold vil direkte påvirke vækst og metabolisme af mikroorganismer. PH-værdien af kul-seng grundvand er generelt neutral, men pH−værdien varierer mellem 6,5 og 8,4 i sandsten brudt akvifer i C4 område No. 21 kul søm og saltholdigheden er 1,0 g L-1. I det direkte akviferlag af nr. 3 kulsøm i C6-området ligger pH mellem pH 6,8 til 8,0, og saltholdigheden er 0,7 g L−1. Grundvandets pH-værdi for C7-området er 6,1−7,3, og saltholdigheden er 1,25 g L-1. PH-værdien i C4, C6 og C7 er tæt på neutral, og graden af mineralisering er lav, hvor mikroorganismesamfundet har bedre vækst, højere overflod og højere mangfoldighed. Derudover er grundvandets saltholdighed og ionsammensætning tæt forbundet med det anaerobe reduktionsmiljø i kulsømmen. For eksempel bruges SO42− til at evaluere de lukkede forhold for grundvand, og HCO3− er produktet af den anaerobe afsvovlingsreaktion af SO42−, så høj HCO3− kan bruges som et tegn på god forsegling og stærk reduktion af kulbund grundvand . Vandkemien i C4–området er HCO3·SO4–Ca·Mg, vandkemien i C7-området svarer til C4-området, HCO3·SO4-Ca·Na, og giver et relativt lukket anaerobt miljø. I dette tilfælde er Chao1-indekset for hydrogenproducerende bakterier i C4 148, Shannon-indekset er 1,52; Chao1-indekset for methanogener er 368, Shannon-indekset er 2,35. Chao1-indekset for hydrogenproducerende bakterier i C7 er 458, Shannon-indekset er 1,98, Chao1-indekset er 256, og Shannon-indekset er 2,47. I C6 er vandkemien SO4 * HCO3-K * Na, og SO42-er dominerende, mens Chao1-indekset for hydrogenproducerende bakterier i C6 er 472, Shannon-indekset er 1,56, Chao1-indekset for methanogener er 384, og Shannon-indekset er 1,08. Data viser, at mangfoldigheden i C6 er lidt lavere end C4 og C7.
nogle hydrogenproducerende bakterier og methanogener blev påvist i C8-og C9-områder i det område, hvor der ikke blev fundet biomethan. Det var også bemærkelsesværdigt, at grundvandsforholdene i disse to områder ligner dem i de ovennævnte biogene metanområder, som er placeret i grundvandsafstrømningsområdet, og grundvandsopladningen er mere i stand til at transportere noget organisk materiale ind i kulsømmen, så et stort antal bakterier vokser og formere sig, hvilket er en af grundene til den højere Art overflod og mangfoldighed af C8 og C9.
temperatur
temperatur og spormetalelementer påvirker overflod og mangfoldighed af mikrobielle samfund ved direkte at ændre både vækst og metabolisme af mikroorganismer og deres metaboliske miljø. Fra et mikrobiologisk synspunkt er optimal temperatur således en af de vigtigste faktorer, der påvirker mikroorganismens vækst og metabolisme. Figur 5b viser, at temperaturen udøver en relativt svag indflydelse på overflod og mangfoldighed af methanogener, selvom hydrogenproducerende bakterier findes inden for en smal økologisk amplitude og er følsomme over for temperaturændringer. Denne variabel er korreleret med artens overflod og mangfoldighed, og resultaterne af denne undersøgelse viser, at temperaturen på kulsømmen (dvs.mellem 25 og 27 liter C) er positivt korreleret med bakteriepopulation overflod. Ved C8 var temperaturen 27,2 liter C, den højeste temperatur registreret i denne undersøgelse. Chao1-indekset for hydrogenproducerende bakterier var 510, og Shannon–indekset var 2,61, også det højeste blandt prøver (C1-C8). Den laveste temperatur, 24,9 liter C, blev fundet ved C1, hvor Chao1-indekset for bakteriesamfundet var det laveste. Overflod og mangfoldighed af mikrobielle arter stiger med temperatur i C3 > C6 > C2 > C7 > C5 > C4. Geotermiske gradientanomalier ved C9 og C10 forårsagede meget højere temperaturer; omgivelsestemperaturerne ved C9 og C10 var henholdsvis 34,60 liter C og 40,10 liter C. Chao1-indekset for hydrogenproducerende bakterier i C9 var 176, og Shannon-indekset var 1,28; Chao1-indekset er 237, Shannons indeks er 1,58. Sammenlignet med de første otte områder er overflod og mangfoldighed lidt faldet. Her kan både hydrogenproducerende bakterier og methanogener vokse og reproducere ved omgivelsestemperaturen.
mikrobielle syntrofiske interaktioner
i det ekstreme miljø i kulsømmen dannes konsortier af bakterier blandt mikroorganismerne i kulsømmen. Gennem udveksling af metabolitter og mikromiljøstyret symbiose opretholder konkurrence og ressourceallokeringer de specifikke funktioner i det mikrobielle samfund, der bestemmer biomethanproduktionsvejen i kulsømmen. Methanotriks, der omdanner eddikesyre til methan, er den dominerende Slægt i methanogensamfundet i C1-området. Bakterierne forbundet med Alkalibaculum og Desulfosporosinus er homoacetogene bakterier, der bruger H2 som elektrondonor til at producere eddikesyre. De er de vigtigste konkurrenter for hydrogenotrofe methanogener og giver også metabolisk substrat til methanogener. Hydrogenproducerende bakterier som Clostridium og Tissierella giver også eddikesyre, og dermed giver den høje overflod af hydrogenproducerende bakterier et rigt metabolisk substrat for Methanotriks. Sammen er methanogener og de hydrogenproducerende bakterier i syntrofisk interaktion, og metangenerationsvejen i dette område bestemmes ved nedbrydning af eddikesyre. Methanogener i C2, C4 og C6 er hovedsageligt hydrogenotrofe methanogener. Hydrolytiske fermenteringsbakterier og acetogener bidrager begge til produktionen af eddikesyre og H2. De producerer også stoffer, cofaktorer og metaboliske signaler for at regulere brintproduktionen. Desuden konkurrerer homoacetogene bakterier og acetogener ikke på disse områder. Hydrogenotrofiske methanogener kan producere methan fra CO2 og H2 produceret i det foregående trin. Derfor anvendes metaboliske veje i disse områder hovedsageligt til H2, formiat og andre stoffer.
mere end 99% af C3-området har methylotrofiske methanogener, såsom: Methanolobus. Brevibacter, Paenibacillus, Brochotriks og Lactococcus. Tidligere undersøgelser viste, at metoksyaromatiske forbindelser (en vigtig del af lignocellulose) nedbrydes til fremstilling af methanol og andre stoffer . Mikroorganismer i denne region kan nedbryde det lignocelluloselignende stof af kul for at give ressourcer til methylotrofe methanogener. Dette enkle mikrobielle samfund kan ikke tilvejebringe tilstrækkelige substrater til methanogener, der forbruger H2. Biomethanproduktionsvejen i dette område er baseret på forbruget af methylforbindelser.
Staphylococcus blev også påvist i C3-området. For nylig blev Staphylococcus AntiMn-1 isoleret fra dybhavssedimenter i Clarion-Clipperton-området med højt manganindhold. Det indeholdt gener med høj resistens over for mangan, som menes at være en tilpasning til det marine sedimentære miljø . Tungmetalindholdet i C3-området er relativt højt. Det kan være, at kulsømmiljøet effektivt kan inducere ekspressionen af resistensgener, som kan have antagonistiske og afgiftende virkninger på transport og toksicitet af tungmetaller inden for mikroorganismer. Staphylococcus i dette område kan indeholde resistensgener til at tilpasse sig kulsømmiljøet, så det også kan deltage i fermenteringsmetabolismen af kul. Der er mange forskellige arter af methanogener i C7, og de hydrogenproducerende bakterier domineres af Clostridium, Bacillus, Citrobacter og andre anaerober, som tilvejebringer substrater til acetoklastiske methanogener og også H2, CO2 og formiat til hydrogenotrofe methanogener. Desuden reducerer akkumulerende eddikesyre sulfatreducerende bakterier, herunder Desulfosporosinus og Desulfitobacterium. SRB har en stærkere affinitet for eddikesyre end acetoklastiske methanogener, men de konkurrerer ikke med methylotrofe methanogener for visse substrater, såsom methanol. Således kan metabolismerne af både sulfatreducerende bakterier og methanogener fortsætte samtidigt i dette område . Metabolisme i C7 var domineret af methylotrofe methanogener, efterfulgt af eddikesyrefermentering og derefter reduktion af kulilte.