煤层生物甲烷产生和氧化过程及其微生物学特征研究

摘要

煤层气是煤化过程中由地质作用或微生物降解作用产生的非常规天然气;中国煤层气储量为3.0-3.7×1013m3，其中生物成因煤层气占比15-30％。煤炭富含碳氢化合物，生物可降解性低，同时碳氢化合物厌氧降解过程需要多种微生物类群参与，导致煤炭降解微生物研究进展缓慢;甲烷氧化菌广泛存在煤层，针对煤层甲烷氧化的研究仍然很少。 二连盆地和海拉尔盆地的煤层气已被证实含生物成因煤层气，生物成因煤层气可能持续产生。本文通过高通量测序检测二连盆地和海拉尔地区原位煤层水微生物，结合煤炭、乙丙丁酸、产甲烷前体物模拟降解实验，揭示煤层水代谢功能和煤炭降解过程中关键微生物类群，最后进行煤层水甲烷厌氧氧化的验证实验，获取主要实验结论如下: (1)二连盆地和海拉尔盆地原始煤层水中，优势古菌都是氢营养的产甲烷古菌Methanobacterium(相对丰度6.6-98.2％)，平均相对丰度达61.6‰煤层水的优势细菌是好氧甲烷氧化菌Methylomonas或/和Methylobacter(相对丰度6.0-38.1％)，平均相对丰度20.3％。 (2)煤炭驯化的油泥沙菌群降解褐煤僻o=0.3％）和烟煤(Ro=1.5％），不能降解无烟煤(Ro=3.0％）;35℃和55℃培养352天后，2g褐煤分别产生甲烷103.89±20.92μmol和50.91±32.94μmol，2g烟煤分别产生甲烷35.60±22.73μmol/g和81.33±30.64mol。微生物群落结构特征与培养温度显著相关，煤炭成熟度仅对中温菌群结构造成显著影响。35℃培养体系优势古菌为Methanosaeta(相对丰度16.2-36.1％)和Methanosarcina(相对丰度25.5-41.1％)，优势细菌为ClostridiumⅪ(相对丰度7.8-70.4％)和Entero bacteriaceae(相对丰度9.03-31.1％);55℃培养体系总的优势古菌是Methanothermobacter(相对丰度72.5-82.8％)，优势细菌是Clostridia(相对丰度5.1-34.9％)、Thermoanaerobacteraceae(相对丰度5.3-13.4％)。 (3)二连盆地和海拉尔地区煤层水微生物具备代谢乙丙丁酸产生甲烷的能力，代谢乙丙丁酸的最大比产甲烷速率分别为0.14-0.29天-1、0.08-0.13天J和0.19-0.42天-1。富集培养后，古菌的群落结构与煤层水来源显著相关，二连盆地的样品中优势古菌为Methanosarcina(相对丰度7.9-51.25％)、Methanocalculus(相对丰度13.53-63.43％)，海拉尔的样品的优势古菌为Methanosarcina(相对丰度29.7-66.5％)和Methanobacterium(相对丰度24.28-57.36％);而细菌群落结构与底物种类显著相关，Desulfovibrio(相对丰度35.0-39.2％)、Syntrophobacter(相对丰度38.13-75.45％)和Syntrophomonas(相对丰度4.16-21.13％)分别在以乙酸、丙酸和丁酸降解产甲烷体系中显著富集，可能在三种挥发性脂肪酸代谢中发挥重要作用。 (4)二连盆地煤层水的产甲烷途径代谢底物类型显著相关。添加醇类化合物和氢气/二氧化碳、甲酸处理组的优势古菌是氢营养产甲烷古菌Methanobacterium或/和Methanocorpusculum(相对丰度4.9-91.7％)，平均相对丰度是80.6％;甲基类化合物处理组优势古菌存在显著差异，二甲胺、甲醇、甲醇/氢气处理组中优势古菌是Methanolobus(相对丰度15.7-32.9％)，二甲基硫处理组中的优势古菌是Methanomethylovorans(相对丰度35.2％)。 (5)原始煤层水微生物具备厌氧氧化甲烷能力，硝酸盐和硫酸盐为电子受体条件下，代谢速率为0.068±0.013μmol·day-1·ml-1和0.077±0.040μmol·day-1·ml-1。相对于空白对照组，硝酸盐处理组中Bacteroidetes(相对丰度20.8％)、Ectothiorhodospiraceae(相对丰度27.5％)和Rhodobacter(相对丰度13.1％）显著富集，硫酸盐处理组中ClostridialesⅪ（相对丰度15.2％）、Bacteroidales(相对丰度8.8％)和Desulfarculus(相对丰度6.9％)被显著富集。

目录

声明

摘要

第一章引言

1．1研究背景

1．2国内外研究进展

1．2．1生物成因煤层气的地球化学特征

1．2．3生物成因煤层气形成过程

1．3研究目的及意义

1．4研究内容

2．1研究目的

2．2实验材料

2．2．1 样品来源

2．2．2主要试剂

2．2．3主要仪器设备

2．3实验方法

2．3．1 DNA提取

2．3．2微生物群落高通量测序及测序数据处理

2．4实验结果与讨论

2．4．1煤层水理化性质

2．4．2古菌群落结构

2．4．3细菌群落结构

2．5本章小结

3．1实验目的

3．2实验材料

3．2．1样品来源

3．2．2主要仪器和试剂

3．3实验方法

3．3．1技术路线

3．3．2无机盐培养基配制

3．3．3富集培养实验

3．3．4甲烷含量测定

3．3．5 DNA提取

3．3．6测序数据分析

3．4实验结果与讨论

3．4．1不同成熟度煤炭降解产甲烷特征

3．4．2古菌群落结构

3．4．3细菌群落结构

3．5本章小结

4．1实验目的

4．2实验材料

4．2．1样品来源

4．2．2主要仪器和试剂

4．3实验方法

4．3．1技术路线

4．3．2富集培养

4．3．3甲烷含量测定

4．3．4挥发性脂肪酸测定

4．3．5 DNA提取

4．3．6高通量测序及测序数据处理

4．4实验结论与讨论

4．4．1 煤层水微生物降级挥发性脂肪酸产甲烷特征

4．4．2古菌群落结构与演替趋势

4．4．3细菌群落结构与演替趋势

4．5本章小结

第五章煤层水产甲烷途径研究

5．1实验目的

5．2实验材料

5．2．1样品来源

5．2．2主要仪器设备和试剂

5．3实验方法

5．3．1技术路线

5．3．2富集培养

5．3．3甲烷测定

5．4实验结论与讨论

5．4．1甲烷前体物产甲烷特征

5．4．2古菌群落结构

5．4．3细菌群落结构

5．5本章小结

第六章煤层水甲烷氧化潜力与微生物群落结构

6．1实验目的

6．2实验材料

6．2．1样品来源

6．2．2主要仪器设备和试剂

6．3．1主要仪器

6．3．2主要试剂

6．3实验方法

6．3．1技术路线

6．3．2富集培养

6．3．3甲烷含量测定

6．3．3阴离子含量测定

6．3．3 DNA提取

6．3．4高通量测序及测序数据处理

6．4实验结论与讨论

6．4．1煤层水降解甲烷特征

6．4．2古菌群落变化趋势

6．4．3细菌群落结构变化

6．4本章小结

第七章全文总结、工作不足与展望

7．1全文总结

7．1．1 原始煤层水微生物群落结构分析

7．1．2煤炭生物降解产甲烷研究

7．1．3挥发性脂肪酸降解实验

7．1．4煤层水产甲烷途径研究

7．1．5煤层水甲烷氧化潜力与微生物群落结构

7．2工作不足与展望

7．2．1 煤炭降解过程关键微生物研究

7．2．2甲烷氧化菌研究

参考文献

致谢

作者简历