Analyse av faktorer som påvirker den mikrobielle samfunnet struktur
for ytterligere å undersøke mulige sammenhenger mellom miljøfaktorer og samfunnet varians, rda analyse ble opprettet(Fig. 7). Totalt åtte miljøfaktorer, inkludert sporstoffer Fe, Co, Ni, temperatur, saltholdighet, dybde, fuktighet og RO. Dybde og reservoartemperatur ble målt i prøvetakingsstedet og annen informasjon ble hentet fra geologiske data fra lokale gruver (Se Tabell 2). Data vist I Fig. 7a viste at bakterielle fellesskapssammensetninger funnet i denne studien var signifikant påvirket Av Fe, Ni, fuktighet, saltholdighet og RO. Alle samfunn, unntatt C4, C7, C10, er positivt korrelert MED RO; C4, C7 og C10 positivt korrelert med Fe, Ni og fuktighet. Co er nødvendig for koenzym m metyltransferase, som er et viktig enzym i den biokjemiske metabolismen av metanogener ; derfor er Effekten Av Co på arkaeal samfunn større enn for bakteriell samfunn. Elementene Fe, Co, Og Ni; samt fuktighet, syntes å være de viktigste miljøfaktorene etterfulgt AV RO og saltholdighet i archaeal samfunnet. Det er en signifikant positiv korrelasjon Mellom Co og c1, C8, C9, C10-samfunnene. Alle samfunn unntatt C2, C4, C6 og C5 var negativt korrelert med saltholdighet (Fig. 7b).
rda (redundans analyse) basert på nivået av bakterier (a) og archaea (b) med kull seng miljøfaktorer og kull egenskaper. Lengden på slagfaktoren er lengre, bidraget av virkningen er høyere, og omvendt, når slagfaktoren er kortere, er bidraget av virkningen lettere. Når miljøfaktoren er akutt vinklet med prøven, er det en positiv korrelasjon, og når miljøfaktoren og prøvevinkelen er stump, er det en negativ korrelasjon
Coal rank
coalification «jump» refererer til en rekke fysiske og kjemiske endringer under temperatur og trykk av kull under geologisk historie. Kull har dermed gjennomgått en prosess med gradvis til plutselig endring. De fire hoppene tilsvarer RO på 0,6, 1.3, 2,5 og 3,0%. Uavhengig av archaeal eller det bakterielle samfunnet som vurderes, har kullrangen en viss innflytelse på bakteriens mangfold og overflod. Med en økning av kull rang, i både archaeal og bakterielle samfunn, viser mangfoldet av samfunnet en viss nedadgående trend generelt (Fig. 8). Videre kan mikroorganismer påvirke sammensetningen av kullet kontrollert av kullranger. Middels og lav rang kull inneholder store mengder planteutviklede stoffer I Gruppe 1, som inneholder mye planteutviklede stoffer. Her er det høyere innhold av hydrogen, oksygen og nitrogen; og næringsstoffene som kreves av bakteriene er rikelig. I prosessen med kullifisering genererer organiske stoffer mye fuktighet og flytende hydrokarboner. Samtidig er sidekjedene av hydrogen og oksygen inneholdt i kull også rikelig. Disse flytende og faste stoffene gir grunnlaget for livet for bakterier. Som et resultat er overflod og mangfold av hydrogenproducerende bakterier og metanogener i kull i denne regionen relativt høye. Med økningen Av Ro reduseres sidekjedeinnholdet av hydrogen og oksygen i kull drastisk, og komponentene som er tilgjengelige for mikroorganismer, reduseres også. Derfor reduseres artsoverflod og mangfold av bakterielle og archaeal samfunn i Gruppe 2 Og gruppe 3 samlet. Så langt har kullranger av biogen coalbed metan blitt funnet I Naturen for å ha en reflektivitet på 2 ,0% (C4 Hebi). ETTER RO > 2,5% har de organiske forbindelsene som kan omdannes til små molekyler vært svært sjeldne, men det har vært et høyere mangfold og overflod I Gruppe 4. Vi spekulerer på at næringsstoffene introdusert av grunnvann på dette tidspunktet er tilgjengelige for bakteriell reproduksjon. Grunnvannets næringsstoffer i ulike regioner og i ulike årstider kan ha bidratt til artsmangfold. En årsak til høyere flora mangfold I Gruppe 4 kan være At C8 Jiaozuo Jiulishan området har bedre grunnvann avrenning forhold og sterkere lade. Det kan transportere næringsstoffer til floraen, så mangfoldet og overflod er høyere Enn Gruppe 2. Det er verdt å merke seg at mangfoldet og overflod av arkaealsamfunnene er negativt korrelert med kullranger til en viss grad. Arten overflod i bakteriesamfunnene er imidlertid positivt korrelert med kullranger, og mangfoldet viser en nedadgående trend. Med økningen av kullranger, er enkelte bakteriegrupper gradvis tilpasset miljøet i ulike kullranger og kan vokse og formere seg i store mengder, og metanogener er vanskelige å tilpasse seg kullranger.
Chao1s (mørkegrå) og Shannons (lysegrå) indeks for de fire gruppene (Kullprøver ble delt inn i fire grupper i henhold til VERDIEN AV RO for bakteriesamfunnet (a) og archaea-fellesskapet (b), Gruppe 1 representerer en verdi mindre enn 0,6%, Gruppe 2 representerer verdien mellom 0,8 og 1,1%, Gruppe 3 representerer verdien mellom 1,4 og 1,8%, Gruppe 4 representerer verdien mellom 2,67 og 3,15%) avledet fra regioner. 25. og 75. persentiler er indikert av de ytre kantene av boksene mens maksimums-og minimumsverdiene er vist ved endene av whiskers og medianen med en horisontal linje i hver boks
Spormetallelementer
Spormetallelementer kan fremme veksten av mikroorganismer innenfor et bestemt område, hvor cellen opprettholder homeostase av elementene gjennom metabolsk regulering. Spormetallelementer kan også eksistere i forskjellige enzymer, som kan absorberes og brukes av mikroorganismer i prosessen med anaerob metabolisme, som har innflytelse på samfunnsstrukturen av hydrogenproducerende bakterier og metanogener (Tabell 3).
Fe og Ni har større effekt på hydrogenproducerende bakterier enn Co . Fe og Ni kan delta i syntese og metabolisme av hydrogenaser og andre metalloenzymer i mikroorganismer. Som Innholdet Av Fe og Ni øker innenfor et visst område, så gjør overflod og mangfold av hydrogen-produserende bakteriepopulasjoner. Innholdet Av Fe og Ni I C7 er mye høyere enn i andre regioner, og dette arbeidet har funnet Ut At Clostridium er hydrogenproducerende bakterier. Dette funnet indikerer at overdreven nivåer av sporelementene kan ha en toksisk effekt på veksten av mikroorganismer og hemme aktiviteten til metalloenzymer. Nivåer Av Fe I C4, C6 og C9 var ikke signifikant forskjellige og var stabile ved 3500 mg Kg-1 (Fig. 9). Den relative overflod Av Ni i de tre områdene Er C6 > C9 > C4, som tilsvarer overflod rekkefølge (Også C6 > C9 > C4), men rekkefølgen av mangfold Er C6 > C4 > C9. Medlemmer av slekter: Clostridium, Klebsiella, Enterobacter og Citrobacter ble påvist I c4, C6 og C9 samfunn; inkludert de med høyere overflod og nivåer av mangfold enn fra andre regioner.
spormetallelementene innholdet Av Fe, Co, Ni i kullprøver
i det archaeal samfunnet er innflytelsen Fra Fe, Co og Ni på metanogenene enda viktigere. Co er et nøkkelelement i syntesen av metanogent koenzym F430, Og co-innholdet i de tre øverste er C8 > C7 > C10, metanogenarter og overflod Er C8 > C7 > C10. Innhold Av Co er positivt korrelert til overflod og mangfold av metanogener til en viss grad. Selv Om Innholdet Av Fe I C7 er mye høyere enn for andre regioner, påvirker det ikke fordelingen av metanogener i regionen. Det er bare få typer metanogener som kan inneholde Fe – i tidligere studier ble det bare oppdaget En art, Kalt Methanothermobacter. Tilstedeværelsen av monoferrisk hydrogenase i metanogener Av M. marburgensis katalyserer den reversible reaksjonen av metenyl-H4MPT+ Og H2 for å generere metylen-H4MPT og H+; produserer metan FRA CO2 og H2 . Metanogener som bruker hydrogenotrofisk metabolisme kan også inneholde lignende enzymer. I tillegg spekuleres en stor andel metylotrofiske metanogener også på å huse slike enzymer unntatt Metanokulleus og Metanobakterier. Det spekuleres i at det kan være et metalloenzym assosiert med Fe i metylotrofiske metanogener.
Grunnvannsbetingelser
Grunnvann gir direkte Eller indirekte et økologisk grunnlag for vekst og metabolisme av ekstremofiler i kullsømmen. På den ene siden leverer grunnvannoppladning store mengder næringsstoffer til bakterielle og arkeologiske samfunn; på den annen side påvirker grunnvannets miljøforhold (Eh, pH, saltholdighet, ionkomposisjon og sporstoffer) direkte mikrobiell vekst og metabolsk enzymaktivitet. Grunnvann miljøforhold er direkte relatert til bruk og nedbrytning av kull, og mikroorganismer som ligger i kullsømmen viser forskjellige samfunnsstrukturer og funksjonelle egenskaper.
Mikrobielle næringssubstrater er generelt oppløst. Avrenning sone i gruveområdet kan tillater overlevelse av kull sømmer. Høy permeabilitet reservoarer har en positiv innvirkning på vekst og reproduksjon av hydrogen-produserende bakterier og metanogener, mens metamorfose har en betydelig negativ innvirkning på kull permeabilitet i kull reservoarer . I områder med biogene CBM, c2, C4, C6 Og C7 samfunn har alle blitt godt dokumentert. Disse samfunnene tilhører lav og middels kull rang, porøsiteten av kull er relativt høyere enn høy rang kull, grunnvann kan gi næringsstoffer til mikrober i kullsømmen i tide. DEN nåværende CBM utviklingssonen i Powder River Basin I USA er hovedsakelig konsentrert i grunnvannsavløpssonen. Gassstabile isotopdata fra en grunne CBM-brønn i C6-gruveområdet bekreftet også tilstedeværelsen av biogenetisk CBM i området. Imidlertid indikerte gassstabile isotopdata fra en annen dyp CBM-brønn at CBM hovedsakelig er termogen. Disse resultatene viser at etter hvert som begravelsesdybden øker, vil avrenningsforholdene svekkes, og det vil være vanskelig å transportere næringsstoffer til mikroorganismen, noe som vil resultere i en nedgang i overflod og mangfold i samfunnet. Taket og gulvet Av No. 2 kullsøm I C2-området har relativt stabile lag av mudstein og leireberg, noe som gjør det vanskelig for hydrogenproducerende bakterier og metanogener i kullsømmen å skaffe flytende næringsstoffer, og begrenser deres vekst og metabolisme og derfor deres samfunns mangfold og overflod. Merk at I Dette området Er Chao1-indeksen 240 og Shannon-indeksen 1,38 i bakteriesamfunnet. Chao1-indeksen for metanogener er 82, Shannon-indeksen er 0,56. Sandstein fissured akvifer taket I C4 område Av No. 21 kullsøm har bedre oppladningsforhold og fyller kullsømmen med vann. Det er mulig at det mikrobielle samfunnet opplever kumulative effekter fra tilstrekkelig tilgjengelighet av forskjellige næringsstoffer, noe som påvirker transport, sammenlignet med overflod og mangfold av mikroorganismesamfunnet I C2-området, som har blitt sterkt forbedret. I dette området Er Chao1-indeksen for hydrogenproducerende bakterier 148, Shannon-indeksen er 1,52; Chao1-indeksen for metanogener er 368, Og Shannon-indeksen er 2,35. Sandstein fissured akvifer Av C6 området er en direkte vannfylt akvifer Av no. 3 kull søm. Brudd utvikling i laget og moderat aqueosity spiller også en aktiv rolle i overflod og mangfold av samfunnet. Her Er Chao1-indeksen for hydrogenproducerende bakterier 472, Shannon-indeksen er 1,56; Chao1-indeksen for metanogener er 384 og Shannon-indeksen er 1,08. Dette er også tilfellet I C7-området, No. 5-kullsømmen har en direkte brukket akvifer med gode oppladningsbetingelser, overflodindeksen for de hydrogenproducerende bakteriene er 458, Shannon-indeksen er 1,98; Og Chao1-indeksen for metanogenene er 256 og Shannon-indeksen er 2,47. Derfor er artsmangfoldet av hydrogenproduserende bakterier og metanogener i C4, C6 Og C7 høyere enn i C2.
Grunnvann miljøforhold vil direkte påvirke vekst og metabolisme av mikroorganismer. PH-verdien av kull-seng grunnvann er generelt nøytral, men pH-verdien varierer mellom 6,5 og 8,4 i sandstein brukket akvifer I C4 område no. 21 kull søm og saltholdighet er 1,0 g L-1. I det direkte akvifer laget Av No. 3 kullsøm I C6-området, ph varierer mellom pH 6,8 til 8,0, og saltholdigheten er 0,7 g L−1. Grunnvannets pH-verdi For C7-området er 6,1-7,3, og saltholdigheten er 1,25 G L-1. PH-verdien I C4, C6 Og C7 er nær nøytral og graden av mineralisering er lav, hvor mikroorganismesamfunnet har bedre vekst, høyere overflod og høyere mangfold. I tillegg er grunnvannets saltholdighet og ionblanding nært knyttet til det anaerobe reduksjonsmiljøet i kullsømmen. FOR EKSEMPEL, SO42-brukes til å evaluere de lukkede forholdene til grunnvann, OG HCO3-er produktet av den anaerobe avsvovlingsreaksjonen AV SO42 -, så høy HCO3-kan brukes som et tegn på god tetting og sterk reduksjon av kullvann grunnvann . Vannkjemien I C4-området er HCO3·SO4–Ca·Mg, vannkjemien I C7–området ligner C4-området, HCO3·SO4-Ca·Na, og gir et relativt lukket anaerobt miljø. I Dette tilfellet Er Chao1-indeksen for hydrogenproducerende bakterier I C4 148, Shannon-indeksen er 1,52; Chao1-indeksen for metanogener er 368, Shannon-indeksen er 2,35. Chao1-indeksen for hydrogenproducerende bakterier I C7 er 458, Shannon-indeksen er 1,98, Chao1-indeksen er 256, Og Shannon-indeksen er 2,47. I C6 er vannkjemien SO4 * HCO3-K * Na, OG SO42− er dominerende, Mens Chao1-indeksen for hydrogenproducerende bakterier I C6 er 472, Shannon-indeksen er 1,56, Chao1-indeksen for metanogener er 384, Og Shannon-indeksen er 1,08. Data viser at mangfoldet I C6 er noe lavere Enn C4 og C7.
noen hydrogenproducerende bakterier og metanogener ble påvist I C8-og C9-områder i området der det ikke ble funnet biometan. Det var også bemerkelsesverdig at grunnvannsforholdene i disse to områdene ligner de i de ovennevnte biogene metanområdene, som ligger i grunnvannsavløpssonen, og grunnvannsoppladningen er mer i stand til å transportere noe organisk materiale inn i kullsømmen, slik at et stort antall bakterier vokser og multipliserer, noe som er en av årsakene til den høyere arten overflod Og mangfold Av C8 Og C9.
Temperatur
Temperatur og spormetallelementer påvirker overflod og mangfold av mikrobielle samfunn ved direkte å endre både vekst og metabolisme av mikroorganismer og deres metabolske miljø. Således, fra et mikrobiologisk synspunkt, er optimal temperatur en av de viktigste faktorene som påvirker mikroorganismenes vekst og metabolisme. Figur 5b viser at temperaturen utøver en relativt svak innflytelse på overflod og mangfold av metanogener, selv om hydrogenproduserende bakterier eksisterer innenfor en smal økologisk amplitude og er følsomme for temperaturendringer. Denne variabelen er korrelert med artsoverflod og mangfold, og resultatene av denne studien viser at temperaturen på kullsømmen (dvs. mellom 25 Og 27 °C) er positivt korrelert med bakteriell populasjonsoverflod. Ved C8 var temperaturen 27,2 °C, den høyeste temperaturen registrert i denne studien. Chao1-indeksen for hydrogenproducerende bakterier var 510 og Shannon-indeksen var 2,61, også den høyeste blant prøver (C1-C8). Den laveste temperaturen, 24,9 °C, ble funnet Ved C1, hvor Chao1-indeksen for bakteriesamfunn var den laveste. Overflod og mangfold av mikrobielle arter øker med temperaturen I C3 > C6 > C2 > C7 > C5 > C4. Geotermiske gradientavvik ved C9 og C10 forårsaket mye høyere temperaturer; omgivelsestemperaturene Ved C9 og C10 var henholdsvis 34,60 °C og 40,10 °C. Chao1-indeksen for hydrogenproducerende bakterier I C9 var 176, Og Shannon-indeksen var 1,28; Chao1-indeksen er 237, Shannons indeks er 1,58. Sammenlignet med de første åtte områdene, er overflod og mangfold noe redusert. Her kan både hydrogenproducerende bakterier og metanogener vokse og reprodusere ved omgivelsestemperaturen.
Mikrobielle syntrofiske interaksjoner
i det ekstreme miljøet i kullsømmen dannes konsortier av bakterier blant mikroorganismer i kullsømmen. Gjennom utveksling av metabolitter og mikromiljøstyrt symbiose opprettholder konkurranse-og ressursallokeringer de spesifikke funksjonene i det mikrobielle samfunnet, som bestemmer biometanproduksjonsveien i kullsømmen. Metanothrix, som omdanner eddiksyre til metan, er den dominerende slekten i metanogen-fellesskapet I C1-området. Bakteriene assosiert Med Alkalibaculum og Desulfosporosinus er homoacetogene bakterier som bruker H2 som elektrondonor for å produsere eddiksyre. De er de viktigste konkurrentene for hydrogenotrofe metanogener og gir også metabolsk substrat for metanogener. Hydrogenproducerende bakterier som Clostridium og Tissierella gir også eddiksyre, og dermed gir den høye mengden av hydrogenproducerende bakterier et rikt metabolsk substrat For Metanothrix. Sammen er metanogenene og de hydrogenproducerende bakteriene i syntrofisk interaksjon, og metangenerasjonsveien i dette området bestemmes av dekomponering av eddiksyre. Metanogenene I C2, C4 og C6 er hovedsakelig hydrogenotrofe metanogener. Hydrolytiske fermenteringsbakterier og acetogener bidrar begge til produksjon av eddiksyre og H2. De produserer også enzymer, kofaktorer og metabolske signaler for å regulere hydrogenproduksjonen. Videre konkurrerer homoacetogene bakterier og acetogener ikke i disse områdene. Hydrogenotrofe metanogener kan produsere metan FRA CO2 Og H2 produsert i forrige trinn. Derfor brukes metabolske veier i disse områdene hovedsakelig For H2, format og andre stoffer.
Mer enn 99% Av C3-området havner metylotrofe metanogener, som: Metanolobus. Brevibacter, Paenibacillus, Brochothrix og Lactococcus. Tidligere studier viste at metoksyaromatiske forbindelser (en viktig del av lignocellulose), nedbrytes for å produsere metanol og andre stoffer . Mikroorganismer i denne regionen kan nedbryte lignocelluloselignende materie av kull for å gi ressurser til metylotrofiske metanogener. Dette enkle mikrobielle samfunnet kan ikke gi tilstrekkelige substrater for metanogener som forbruker H2. Biometanproduksjonsveien i dette området er basert på forbruket av metylforbindelser.
Staphylococcus Ble også påvist I C3-området. Nylig Ble Staphylococcus AntiMn-1 isolert fra dybhavssedimenter i Clarion-Clipperton-området med høyt manganinnhold. Den inneholdt gener med høy resistens mot mangan, som antas å være en tilpasning til det marine sedimentære miljøet . Tungmetallinnholdet I C3-området er relativt høyt. Det kan være at kullsømmiljøet effektivt kan indusere uttrykk for resistensgener, som kan ha antagonistiske og avgiftende effekter på transport og toksisitet av tungmetaller i mikroorganismer. Staphylococcus i dette området kan inneholde resistensgener for å tilpasse seg kullsømmiljøet slik at det også kan delta i fermenteringsmetabolismen av kull. Det er mange forskjellige arter av metanogener I C7, og de hydrogenproduserende bakteriene domineres av Clostridium, Bacillus, Citrobacter og andre anaerober, som gir substrater for acetoklastiske metanogener og Også H2, CO2 og format for hydrogenotrofiske metanogener. Videre reduserer akkumulerende eddiksyre sulfatreduserende bakterier, inkludert Desulfosporosinus og Desulfitobacterium. SRB har en sterkere affinitet for eddiksyre enn acetoklastiske metanogener, men de konkurrerer ikke med metylotrofiske metanogener for visse substrater, som metanol. Dermed kan metabolismen av både sulfatreduserende bakterier og metanogener fortsette samtidig i dette området . Metabolisme I C7 ble dominert av metylotrofe metanogener, etterfulgt av eddiksyrefermentering og deretter reduksjon av karbondioksid.