Diversitatea bacteriilor producătoare de hidrogen și a metanogenilor în cadrul unei cusături de cărbune in situ

analiza factorilor care afectează structura comunității microbiene

pentru a investiga în continuare posibilele relații dintre factorii de mediu și varianța comunității, a fost creată analiza ADR (Fig. 7). În total, opt factori de mediu, inclusiv oligoelemente Fe, Co, Ni, temperatură, salinitate, adâncime, umiditate și RO. Adâncimea și temperatura rezervorului au fost măsurate în locul de eșantionare și alte informații au fost obținute din datele geologice ale minelor locale (a se vedea tabelul 2). Datele prezentate în Fig. 7a a arătat că compozițiile comunității bacteriene găsite în acest studiu au fost afectate în mod semnificativ de Fe, Ni, umiditate, salinitate și RO. Toate comunitățile, altele decât C4, C7, C10, sunt corelate pozitiv cu RO; C4, C7 și C10 corelate pozitiv cu Fe, Ni și umiditate. Co este necesar pentru coenzima m metil-transferază, care este o enzimă importantă în metabolismul biochimic al metanogenilor ; prin urmare, efectul Co asupra comunității arheale este mai mare decât cel al comunității bacteriene. Elementele Fe, Co și Ni; precum și umiditatea, păreau a fi cei mai importanți factori de mediu urmați DE RO și salinitate în comunitatea arhaică. Există o corelație pozitivă semnificativă între Co și comunitățile C1, C8, C9, C10. Toate comunitățile, cu excepția C2, C4, C6 și C5, au fost corelate negativ cu salinitatea (Fig. 7b).

Tabelul 2 informațiile de mediu și eșantioanele de cărbune

cărbune rang

coalificarea „salt” se referă la o serie de schimbări fizice și chimice sub temperatura și presiunea cărbunelui în timpul istoriei geologice. Cărbunele a suferit astfel un proces de schimbare treptată până la bruscă. Cele patru salturi corespund RO de 0,6, 1.3, 2,5 și 3,0%. Indiferent de comunitatea arheală sau bacteriană în cauză, rangul de cărbune are o anumită influență asupra diversității și abundenței bacteriilor. Cu o creștere a rangului cărbunelui, atât în comunitățile arhaice, cât și în cele bacteriene, diversitatea comunității arată o anumită tendință descendentă în general (Fig. 8). Mai mult, microorganismele pot afecta compoziția cărbunelui controlat de rândurile de cărbune. Cărbunii de rang mediu și scăzut conțin cantități mari de substanțe evoluate din plante din grupa 1, care conține o mulțime de substanțe evoluate din plante. Aici, există un conținut mai mare de hidrogen, oxigen și azot; iar nutrienții necesari bacteriilor sunt abundenți. În procesul de coalificare, substanțele organice generează multă umiditate și hidrocarburi lichide. În același timp, lanțurile laterale de hidrogen și oxigen conținute în cărbune sunt, de asemenea, abundente. Aceste substanțe lichide și solide oferă fundamentul vieții bacteriilor. Ca urmare, abundența și diversitatea bacteriilor producătoare de hidrogen și a metanogenilor din cărbune în această regiune sunt relativ ridicate. Odată cu creșterea Ro, conținutul lanțului lateral de hidrogen și oxigen din cărbune este redus drastic, iar componentele disponibile microorganismelor sunt, de asemenea, reduse. Prin urmare, abundența speciilor și diversitatea comunităților bacteriene și arhaice din Grupa 2 și grupa 3 sunt reduse în general. Până în prezent, s-a constatat că în natură rândurile de cărbune de metan Biogen au o reflectivitate de 2,0% (C4 Hebi). După RO > 2,5%, compușii organici care pot fi transformați în molecule mici au fost foarte rare, dar a existat o diversitate și abundență mai mare în Grupa 4. Speculăm că nutrienții introduși de apele subterane în acest moment sunt disponibili pentru reproducerea bacteriană. Componentele nutritive aduse de apele subterane în diferite regiuni și în diferite anotimpuri ar fi putut contribui la diversitatea speciilor. Un motiv pentru diversitatea mai mare a florei din Grupa 4 poate fi faptul că zona C8 Jiaozuo Jiulishan are condiții mai bune de scurgere a apelor subterane și o reîncărcare mai puternică. Poate transporta substanțe nutritive pentru floră, astfel încât diversitatea și abundența sunt mai mari decât Grupa 2. Este demn de remarcat faptul că diversitatea și abundența comunităților arhaice sunt corelate negativ cu rândurile de cărbune într-o anumită măsură. Cu toate acestea, abundența speciilor în comunitățile bacteriene este corelată pozitiv cu rândurile de cărbune, iar diversitatea arată o tendință descendentă. Odată cu creșterea rangurilor de cărbune, unele grupuri bacteriene s-au adaptat treptat la mediul diferitelor grade de cărbune și pot crește și se pot multiplica în număr mare, iar metanogenii sunt dificil de adaptat la rândurile de cărbune.

elementele de urme metalice

elementele de urme metalice pot promova creșterea microorganismelor într-un anumit interval, unde celula menține homeostazia elementelor prin reglarea metabolică. Elementele de urme metalice pot exista, de asemenea, în diferite enzime, care pot fi absorbite și utilizate de microorganisme în procesul metabolismului anaerob, care are o influență asupra structurii comunitare a bacteriilor producătoare de hidrogen și a metanogenilor (Tabelul 3).

Tabelul 3 rolul Fe, Co și Ni în reacție și transformare în metabolismul anaerob

Fe și Ni au un efect mai mare asupra bacteriilor producătoare de hidrogen decât Co . Fe și Ni pot participa la sinteza și metabolismul hidrogenazelor și al altor metaloenzime din microorganisme. Pe măsură ce conținutul de Fe și Ni crește într-un anumit interval, la fel și abundența și diversitatea populațiilor bacteriene producătoare de hidrogen. Conținutul de Fe și Ni în C7 este mult mai mare decât cel din alte regiuni, iar această lucrare a constatat că Clostridium sunt bacterii producătoare de hidrogen. Această constatare indică faptul că nivelurile excesive ale oligoelementelor pot avea un efect toxic asupra creșterii microorganismelor și pot inhiba activitatea metaloenzimelor. Nivelurile de Fe în C4, C6 și C9 nu au fost semnificativ diferite și au fost stabile la 3500 mg Kg−1 (Fig. 9). Abundența relativă a Ni în cele trei zone este C6 > C9 > C4, care corespunde ordinii abundenței (de asemenea C6 > C9 > C4), dar ordinea diversității este C6 > C4 > C9. Membrii genurilor: Clostridium, Klebsiella, Enterobacter și Citrobacter au fost detectați în comunitățile C4, C6 și C9; inclusiv cele cu abundențe și niveluri de diversitate mai mari decât din alte regiuni.

în comunitatea arheală, influența Fe, Co și Ni asupra metanogenilor este și mai importantă. Co este un element cheie în sinteza coenzimei metanogene F430 , iar conținutul de Co din primele trei este C8 > C7 > C10, speciile metanogene și abundența fiind C8 > C7 > C10. Conținutul de Co este corelat pozitiv cu abundența și diversitatea metanogenilor într-o anumită măsură. Deși conținutul de Fe în C7 este mult mai mare decât cel al altor regiuni, nu afectează distribuția metanogenilor în regiune. Există doar câteva tipuri de metanogeni care pot conține Fe—în studiile anterioare, a fost descoperită o singură specie, numită Methanothermobacter. Prezența hidrogenazei monoferice în metanogenii M. marburgensis catalizează reacția reversibilă a metenil-H4MPT + și H2 pentru a genera metilen-H4MPT și H+; producând metan din CO2 și H2 . Metanogenii care utilizează metabolismul hidrogenotrofic pot conține, de asemenea, enzime similare. În plus, o proporție mare de metanogeni metilotrofici sunt, de asemenea, speculați despre adăpostirea unor astfel de enzime, cu excepția Metanoculleusului și a Metanobacteriilor. Se speculează că poate exista o metaloenzimă asociată cu Fe în metanogenii metilotrofici.

Condițiile apelor subterane

apele subterane oferă direct sau indirect o bază ecologică pentru creșterea și metabolismul extremofililor în cusătura de cărbune. Pe de o parte, reîncărcarea apelor subterane furnizează cantități mari de nutrienți pentru comunitățile bacteriene și arhaice; pe de altă parte, condițiile de mediu ale apelor subterane (Eh, pH, salinitate, compoziția ionilor și oligoelemente) afectează în mod direct creșterea microbiană și activitatea enzimelor metabolice. Condițiile de mediu ale apelor subterane sunt direct legate de utilizarea și degradarea cărbunelui, iar microorganismele situate în cusătura de cărbune prezintă diferite structuri comunitare și caracteristici funcționale.

substraturile nutritive microbiene sunt în general dizolvate. Zona de scurgere din zona minieră poate permite supraviețuirea cusăturilor de cărbune. Rezervoarele cu permeabilitate ridicată au un impact pozitiv asupra creșterii și reproducerii bacteriilor producătoare de hidrogen și a metanogenilor, în timp ce metamorfismul are un impact negativ semnificativ asupra permeabilității cărbunelui în rezervoarele de cărbune . În zonele cu CBM biogene, comunitățile C2, C4, C6 și C7 au fost bine documentate. Aceste comunități aparțin rangului scăzut și mediu de cărbune, porozitatea cărbunelui este relativ mai mare decât cărbunele de rang înalt, apele subterane pot furniza nutrienți microbilor din cusătura de cărbune în timp. Zona actuală de dezvoltare CBM din bazinul râului Powder din SUA. este concentrată în principal în zona de scurgere a apelor subterane. Datele izotopilor stabili de gaz dintr-un puț CBM superficial din zona minieră C6 au confirmat, de asemenea, prezența CBM biogenetic în zonă. Cu toate acestea, datele izotopilor stabili de gaz dintr-un alt CBM adânc au indicat că CBM este în principal termogen. Aceste rezultate arată că, pe măsură ce adâncimea înmormântării crește, condițiile de scurgere vor slăbi și va fi dificil să se transporte nutrienți pentru microorganism, ceea ce va duce la o scădere a abundenței și diversității comunității. Acoperișul și podeaua nr. 2 cusătura de cărbune din zona C2 are straturi relativ stabile de piatră de noroi și rocă de argilă, ceea ce îngreunează bacteriile producătoare de hidrogen și metanogenii din cusătura de cărbune să obțină substanțe nutritive lichide și limitează creșterea și metabolismul acestora și, prin urmare, diversitatea și abundența comunității lor. Rețineți că în acest domeniu indicele Chao1 este de 240, iar indicele Shannon este de 1,38 în comunitatea bacteriilor. Indicele Chao1 al metanogenilor este de 82, indicele Shannon este de 0,56. Acoperisul acvifer fisurat din gresie in zona C4 din zona nr. 21 cusătura de cărbune are condiții mai bune de reîncărcare și umple cusătura de cărbune cu apă. Este posibil ca comunitatea microbiană să experimenteze efecte cumulative din disponibilitatea suficientă a diferiților nutrienți, ceea ce afectează transportul, în comparație cu abundența și diversitatea comunității de microorganisme din zona C2, care s-a îmbunătățit mult. În acest domeniu, indicele Chao1 al bacteriilor producătoare de hidrogen este de 148, indicele Shannon este de 1,52; indicele Chao1 al metanogenilor este de 368, iar indicele Shannon este de 2,35. Acviferul fisurat din gresie din zona C6 este un acvifer direct umplut cu apă al cusăturii de cărbune nr.3. Dezvoltarea fracturilor în cadrul stratului și acveozitatea moderată joacă, de asemenea, un rol activ în abundența și diversitatea comunității. Aici, indicele Chao1 al bacteriilor producătoare de hidrogen este de 472, indicele Shannon este de 1,56; indicele Chao1 al metanogenilor este de 384, iar indicele Shannon este de 1,08. Acesta este și cazul în zona C7, cusătura de cărbune nr. 5 are un acvifer fracturat direct, cu condiții bune de reîncărcare, indicele de abundență al bacteriilor producătoare de hidrogen este de 458, indicele Shannon este de 1,98; iar indicele Chao1 al metanogenilor este 256, iar indicele Shannon este 2,47. Prin urmare, diversitatea speciilor de bacterii producătoare de hidrogen și metanogeni în C4, C6 și C7 este mai mare decât cea din C2.

condițiile de mediu ale apelor subterane vor afecta în mod direct creșterea și metabolismul microorganismelor. Valoarea pH-ului apelor subterane din stratul de cărbune este în general neutră, dar valoarea pH−ului variază între 6,5 și 8,4 în acviferul fracturat din gresie în zona C4 nr.21 cusătura de cărbune, iar salinitatea este de 1,0 g L-1. În stratul acvifer direct al No. 3 cusătură de cărbune în zona C6, pH−ul variază între pH 6,8 și 8,0, iar salinitatea este de 0,7 g L-1. Valoarea pH–ului apelor subterane din zona C7 este de 6,1−7,3, iar salinitatea este de 1,25 g L-1. Valoarea pH-ului în C4, C6 și C7 este aproape de neutru, iar gradul de mineralizare este scăzut, unde comunitatea de microorganisme are o creștere mai bună, o abundență mai mare și o diversitate mai mare. În plus, salinitatea apelor subterane și compoziția ionică sunt strâns legate de mediul de reducere anaerobă a cusăturii de cărbune. De exemplu, SO42− este utilizat pentru a evalua condițiile închise ale apelor subterane, iar HCO3− este produsul reacției de desulfurare anaerobă a SO42−, astfel încât HCO3 ridicat− poate fi utilizat ca semn de etanșare bună și reducere puternică a apelor subterane din patul de cărbune . Chimia apei din zona C4 este HCO3 * SO4·Ca * Mg, chimia apei din zona C7 este similară cu zona C4, HCO3·SO4–Ca·Na și oferă un mediu anaerob relativ închis. În acest caz, indicele Chao1 al bacteriilor producătoare de hidrogen în C4 este de 148, indicele Shannon este de 1,52; indicele Chao1 al metanogenilor este de 368, indicele Shannon este de 2,35. Indicele Chao1 al bacteriilor producătoare de hidrogen din C7 este de 458, indicele Shannon este de 1,98, indicele Chao1 este de 256, iar indicele Shannon este de 2,47. În C6, chimia apei este SO4 * HCO3-K * Na, iar SO42-este dominantă, în timp ce indicele Chao1 al bacteriilor producătoare de hidrogen în C6 este 472, indicele Shannon este 1,56, indicele Chao1 al metanogenilor este 384, iar indicele Shannon este 1,08. Datele arată că diversitatea în C6 este ușor mai mică decât C4 și C7.

unele bacterii producătoare de hidrogen și metanogeni au fost detectate în zonele C8 și C9 din zona în care nu a fost găsit biometan. De asemenea, a fost de remarcat faptul că condițiile de apă subterană din aceste două zone sunt similare cu cele din zonele de metan Biogen menționate mai sus, care sunt situate în zona de scurgere a apelor subterane, iar reîncărcarea apelor subterane este mai capabilă să transporte o parte din materia organică în cusătura de cărbune, astfel încât un număr mare de bacterii să crească și să se înmulțească, ceea ce este unul dintre motivele abundenței și diversității mai mari a speciilor C8 și C9.

temperatura

temperatura și oligoelementele influențează abundența și diversitatea comunităților microbiene prin schimbarea directă atât a creșterii, cât și a metabolismului microorganismelor și a mediului lor metabolic. Astfel, din punct de vedere microbiologic, temperatura optimă este unul dintre cei mai importanți factori care influențează creșterea și metabolismul microorganismelor. Figura 5b arată că temperatura exercită o influență relativ slabă asupra abundenței și diversității metanogenilor, chiar dacă bacteriile producătoare de hidrogen există într-o amplitudine ecologică îngustă și sunt sensibile la schimbările de temperatură. Această variabilă este corelată cu abundența și diversitatea speciilor, iar rezultatele acestui studiu arată că temperatura cusăturii cărbunelui (adică între 25 și 27 C) este corelată pozitiv cu abundența populației bacteriene. La C8, temperatura a fost de 27,2 CTC, cea mai ridicată temperatură înregistrată în acest studiu. Indicele Chao1 al bacteriilor producătoare de hidrogen a fost de 510, iar indicele Shannon a fost de 2,61, de asemenea cel mai mare dintre probe (C1-C8). Cea mai scăzută temperatură, 24,9 c, a fost găsită la C1, unde indicele Chao1 al comunității bacteriene a fost cel mai scăzut. Abundența și diversitatea speciilor microbiene crește odată cu temperatura în C3 > C6 > C2 > C7 > C5 > C4. Anomaliile de gradient geotermal la C9 și C10 au provocat temperaturi mult mai ridicate; temperaturile ambientale la C9 și C10 au fost de 34,60 CTF, respectiv 40,10 CTF. Indicele Chao1 al bacteriilor producătoare de hidrogen din C9 a fost de 176, iar indicele Shannon a fost de 1,28; indicele Chao1 este de 237, indicele Shannon este de 1,58. Comparativ cu primele opt zone, abundența și diversitatea au scăzut ușor. Aici, atât bacteriile producătoare de hidrogen, cât și metanogenii pot crește și se pot reproduce la temperatura ambiantă.

interacțiuni sintrofice microbiene

în mediul extrem al cusăturii de cărbune, se formează consorții de bacterii printre microorganismele din cusătura de cărbune. Prin schimbul de metaboliți și simbioză controlată de micro-mediu, concurența și alocările de resurse mențin funcțiile specifice ale comunității microbiene, care determină calea de producție a biometanului în cusătura de cărbune. Methanothrix, care transformă acidul acetic în metan, este genul dominant în comunitatea metanogenă din zona C1. Bacteriile asociate cu Alkalibaculum și Desulfosporosinus sunt bacterii homoacetogene care utilizează H2 ca donator de electroni pentru a produce acid acetic. Aceștia sunt principalii concurenți pentru metanogenii hidrogenotrofici și oferă, de asemenea, substrat metabolic pentru metanogeni. Bacteriile producătoare de hidrogen, cum ar fi Clostridium și Tissierella, furnizează, de asemenea, acid acetic și, prin urmare, abundența ridicată a bacteriilor producătoare de hidrogen oferă un substrat metabolic bogat pentru Metanotrix. Împreună, metanogenii și bacteriile producătoare de hidrogen sunt în interacțiune sintrofică, iar calea de generare a metanului în această zonă este determinată de descompunerea acidului acetic. Metanogenii din C2, C4 și C6 sunt în principal metanogeni hidrogenotrofici. Bacteriile de fermentație hidrolitică și acetogeni contribuie la producerea acidului acetic și a H2. De asemenea, produc enzime, cofactori și semnale metabolice pentru a regla producția de hidrogen. În plus, bacteriile homoacetogene și acetogeni nu concurează în aceste domenii. Metanogenii hidrogenotrofici pot produce metan din CO2 și H2 produse în etapa anterioară. Prin urmare, căile metabolice din aceste zone sunt utilizate în principal pentru H2, formiat și alte substanțe.

mai mult de 99% din zona C3 adăpostește metanogeni metilotrofici, cum ar fi: Metanolobus. Brevibacter, Paenibacillus, Brochothrix și Lactococcus. Studiile anterioare au arătat că compușii metoxiaromatici (o parte importantă a lignocelulozei) sunt degradați pentru a produce metanol și alte substanțe . Microorganismele din această regiune pot degrada Materia lignoceluloză a cărbunelui pentru a furniza resurse metanogenilor metilotrofici. Această comunitate microbiană simplă nu poate oferi substraturi suficiente pentru metanogenii care consumă H2. Calea de producție a biometanului în această zonă se bazează pe consumul de compuși metilici.

stafilococul a fost detectat și în zona C3. Recent, stafilococul AntiMn-1 a fost izolat din sedimentele de adâncime din zona Clarion-Clipperton cu conținut ridicat de mangan. Acesta conținea gene cu rezistență ridicată la mangan, despre care se crede că este o adaptare la mediul sedimentar marin . Conținutul de metale grele din zona C3 este relativ ridicat. Este posibil ca mediul cusăturii de cărbune să poată induce în mod eficient expresia genelor de rezistență, care pot avea efecte antagoniste și detoxifiante asupra transportului și toxicității metalelor grele în microorganisme. Stafilococul din această zonă poate conține gene de rezistență pentru a se adapta la mediul cusăturii de cărbune, astfel încât să poată participa și la metabolismul fermentației cărbunelui. Există multe specii diferite de metanogeni în C7, iar bacteriile producătoare de hidrogen sunt dominate de Clostridium, Bacillus, Citrobacter și alți anaerobi, care furnizează substraturi pentru metanogeni acetoclastici și, de asemenea, H2, CO2, și format pentru metanogeni hidrogenotrofici. Mai mult, acumularea de acid acetic reduce bacteriile reducătoare de sulfat, inclusiv Desulfosporosinus și Desulfitobacterium. SRB au o afinitate mai puternică pentru acidul acetic decât metanogenii acetoclastici, dar nu concurează cu metanogenii metilotrofici pentru anumite substraturi, cum ar fi metanolul. Astfel, metabolismul atât al bacteriilor care reduc sulfatul, cât și al metanogenilor poate avea loc simultan în această zonă . Metabolismul în C7 a fost dominat de metanogeni metilotrofici, urmată de fermentarea acidului acetic și apoi reducerea dioxidului de carbon.