芦岭煤田微生物群落结构和生物成因气的产甲烷类型研究

【目的】揭示芦岭煤田微生物群落组成,并分析其潜在的产甲烷类型及产甲烷途径。【方法】采集芦岭煤田的煤层气样品和产出水样品,分别分析样品的地球化学性质特征;利用Illumina HiSeq高通量测序技术分析产出水中的微生物群落结构;采用添加不同底物的厌氧培养实验进一步证实芦岭煤田生物成因气的产甲烷类型。【结果】该地区煤层气为生物成因和热成因的混合成因气;古菌16S rRNA基因分析表明在产出水中含有乙酸营养型、氢营养型和甲基营养型的产甲烷菌。丰度较高的细菌具有降解煤中芳香族和纤维素衍生化合物的潜力。厌氧富集培养结果表明,添加乙酸盐、甲酸盐、H2+CO2为底物的矿井水样均有明显的甲烷产生。【结论】芦岭煤田具有丰富的生物多样性,该地区同时存在三种产甲烷类型。本研究为利用微生物技术提高煤层气的采收率,实现煤层气的可持续开采提供科学依据。     

影响煤生物气化的物化特征及煤预处理的研究进展

在“双碳”目标引领下,传统化石能源将逐渐被取代。我国煤炭资源储量多、分布广,将不可开采的煤炭资源生物气化可作为天然气资源的重要补充。因此,研究生物成因煤层气的增产机理具有重要的理论和现实意义。煤生物气化的发展前景广阔,但难点在其缓慢的动力学特征。为揭示生物煤层气的生成潜力和内部因素,本文就煤的物理化学特征对生物气化的影响、煤的物化性质对生物作用的响应以及预处理煤提高其生物有效利用性进行系统论述。生物作用降解煤的内部因素和环境条件已通过室内研究查明,发现低阶煤比高阶煤更具生物气增产潜力。产甲烷微生物群落对煤的生物转化过程势必引起煤的各项物理化学性质的变化。为产甲烷菌持续提供可用底物是煤生物气化的主要限制因素,研究多以化学预处理手段提高煤生物气化的效率和产量,而超临界CO2萃取以物理方式溶解大分子网格中小分子有机物用于生物气化。生物成因煤层气的增产潜力巨大,但室内实验条件与储层环境差异明显,原位增产有待深入研究,煤层有机物生物转化的微生物学研究亦有待完善。不同煤阶、不同储层环境对生物气化影响的主控因素研究是实现煤的生物气化商业化开发的关键。     

生物成因煤层气的研究现状

煤层气是煤层中自生自储的以甲烷为主的气体,是一种新型清洁能源和优质化工原料。而生物成因煤层气是可开采的主要煤层气,关于生物成因煤层气的研究在煤层资源利用方面有着重要的意义。本文对生物成因煤层气煤地质微生物、生物煤层气增采实验方法、成气影响因素及生成机理进行了综述,并通过总结前人的研究成果,对生物成因煤层气成气基质类型、本源微生物特别是甲烷菌的代谢过程及条件、成气过程的实验模拟等未来研究方向进行了展望。     

微生物多样性及其分布的研究进展:模式与过程

生物多样性产生和维持机制长期以来是生态学研究的核心问题。人们通过实验观察和理论推导揭示了很多群落生物多样性的共有模式及其背后的生态学过程,而相关的工作主要集中在动植物等大型生物中。微生物是地球上数量最多、分布最广,以及在生态系统过程中发挥极其重要作用的生物类群,但人们对其群落多样性的认识还非常有限。将介绍目前人们对能够独立自由生活的微生物多样性分布模式的探索,总结对其背后的生物学和生态学过程的研究现状,并探讨当前面临的挑战。     

土壤微生物生物地理学研究进展

生物地理学是研究生物（包括种群、群落等不同层次）地理分布格局及成因的一门交叉学科。微生物生物地理学的研究长期滞后于宏生物地理学。鉴于土壤微生物在调控生物地球化学过程和维持生态系统功能方面的重要作用,对其空间分布格局及形成机制的认识具有十分重要的理论和实际意义。随着分子生物学技术的发展,对微生物多样性的认知日益深入。越来越多的证据表明,土壤微生物群落结构和多样性具有一定的时空分布格局,从而对微生物全球性随机分布的传统观点提出了挑战。对当前土壤微生物生物地理学研究中的一些概念性问题,如微生物物种的定义、微生物多样性的定量测度、对微生物全球性随机分布的争论等,进行了系统评述;以微生物种-面积关系和距离-衰减关系为例对当前最新的土壤微生物生物地理学研究成果进行总结,并初步探讨了土壤微生物群落的地带性分布问题;在传统生物地理学理论的指导下,提出了一个可用于验证土壤微生物空间分布格局形成和机制维持的简单研究框架。这些对今后土壤微生物生物地理学的研究有一定借鉴和指导意义。     

农业土壤微生物基因与群落多样性研究进展

介绍了群落基因组多样性、结构多样性与功能多样性相互关系的研究方法 ,重点论述了近年来农业土壤微生物群落遗传、结构与功能多样性的研究进展。同时总结了耕作措施和养分管理对农业土壤微生物群落多样性的影响 ,提出微生物序列分析、比较基因组学和微生物芯片技术与传统研究技术结合将有助于对微生物群落结构与功能和生物与环境因素对土壤微生物群落影响的深刻理解     

城市土壤微生物多样性研究进展

城市化对生物多样性的影响是当前生态学研究的热点之一, 引起了人们的广泛关注。土壤微生物多样性是城市生物多样性的重要组成部分, 对维持城市生态系统的健康稳定具有重要意义和作用。近年来, 已有研究关注城市土壤微生物群落结构及多样性, 回答了一些关键问题, 但缺乏系统的总结与论述。基于此, 本文分析了城市化对土壤微生物特性、群落组成、功能和多样性的影响, 总结了影响城市土壤微生物多样性的主要因素, 发现城市化改变了土壤微生物组成和功能, 并且对细菌和真菌多样性的影响存在差异, 城市环境因子通过直接和间接作用共同影响土壤微生物多样性。进一步探讨了城市土壤微生物多样性的维持与保护, 并对今后城市土壤微生物研究需要关注的问题进行了展望, 包括: (1)城市化对城市绿地土壤微生物多样性的影响机制; (2)城市土壤微生物多样性变化对生态系统多功能性的影响; (3)土壤微生物多样性与人类健康的关系。以期为城市土壤生物多样性保护研究提供参考。     

降解芳烃微生物的多样性

芳烃是一类生物异源物质,自然微生物群落利用其对环境的适应性,对这类物质由陌生到适应,微生物群落的遗传背景发生了变化,降解芳烃的微生物呈现出多样性,本文系统介绍了降解芳烃微生物的特性,物种资源,环境适应,遗传背景及演变;介绍了各遗传型物种的功能基因数量,表达及调控方式,指明芳烃环境污染的生物修复主要取决于高效工程构造及代谢过程的控制。     

羊草基因型数目与氮添加对土壤微生物群落的交互影响

物种多样性(或同一物种遗传多样性)减少和氮富集都是影响陆地生态系统进程的主要因素,它们之间的交互作用是否对土壤微生物群落产生显著影响已成为研究者关心的主要科学问题。研究羊草基因型数目(1、2、4三种基因型数目组合)和氮添加(无氮添加、低氮添加和高氮添加3种水平)对土壤微生物群落的总磷脂脂肪酸(PLFA,Phospholipid Fatty Acid)含量、细菌PLFA生物标记含量、真菌PLFA生物标记含量、真菌/细菌比、以及基于每个PLFA生物标记相对含量百分比所得微生物群落的Shannon-Wiener多样性指数和Simpson优势度指数的影响。结果表明:氮添加对细菌PLFA生物标记含量,以及土壤微生物PLFA生物标记的Shannon-Wiener多样性指数和Simpson优势度指数具有显著影响(P0.05);基因型数目对所测变量无显著影响(P0.05),但基因型数目和氮添加的交互作用对细菌PLFA生物标记含量和真菌/细菌比具有显著影响(P0.05)。研究结果为全球变化背景下氮沉降及重要物种种群数量减少对土壤微生物群落的影响提供了科学数据,为合理解释群落动态变化提供了数据支持。     

微生物增产煤层气技术研究进展

微生物增产煤层气技术能够产生新的煤层气,有效缓解能源紧张问题,是煤层气开采、增产的研究热点。微生物增产煤层气技术的核心机理是煤的厌氧生物降解产甲烷。国内外研究学者通过实验室模拟研究了本源和外源微生物的降解煤产甲烷能力及影响因素。部分煤层气公司富集或分离获得了高效产甲烷菌群,并研究了微生物增产煤层气技术的现场实施方法。开发煤的预处理技术、构建新型高效菌群等可进一步提高微生物的增产煤层气能力,促进微生物增产煤层气技术的应用。     

A contribution of hydrogenotrophic methanogenesis to the biogenic coal bed methane reserves of Southern Qinshui Basin,China

The activity of methanogens and related bacteria which inhabit the coal beds is essential for stimulating new biogenic coal bed methane (CBM) production from the coal matrix. In this study, the microbial community structure and methanogenesis were investigated in Southern Qinshui Basin in China, and the composition and stable isotopic ratios of CBM were also determined. Although geochemical analysis suggested a mainly thermogenic origin for CBM, the microbial community structure and activities strongly implied the presence of methanogens in situ. 454 pyrosequencing analysis combined with methyl coenzyme-M reductase (mcrA) gene clone library analysis revealed that the archaeal communities in the water samples from both coal seams were similar, with the dominance of hydrogenotrophic methanogen Methanobacterium. The activity and potential of these populations to produce methane were confirmed by the observation of methane production in enrichments supplemented with H₂ + CO₂ and formate, and the only archaea successfully propagated in the tested water samples was from the genus Methanobacterium. 454 pyrosequencing analysis also recovered the diverse bacterial communities in the water samples, which have the potential to play a role in the coal biodegradation fueling methanogens. These results suggest that the biogenic CBM was generated by coal degradation via the hydrogenotrophic methanogens and related bacteria, which also contribute to the huge CBM reserves in Southern Qinshui Basin, China.     

Diversity and assembly patterns of activated sludge microbial communities: A review

Understanding diversity and assembly patterns of microbial communities in activated sludge (AS) is pivotal for addressing fundamental ecological questions and wastewater treatment engineering. Recent applications of molecular methods especially high-throughput sequencing (HTS) have led to the explosion of information about AS community diversity, including the identification of uncultured taxa, and characterization of low-abundance but environmentally important populations such as antibiotic resistant bacteria and pathogens. Those progresses have facilitated the leverage of ecological theories in describing AS community assembly. The lognormal species abundance curve has been applied to estimate AS microbial richness. Taxa-area and taxa-time relationships (TAR and TTR) have been observed for AS microbial communities. Core AS microbial communities have been identified. Meanwhile, the roles of both deterministic and stochastic processes in shaping AS community structures have been examined. Nonetheless, it remains challenging to define tempo-spatial scales for reliable identification of community turnover, and find tight links between AS microbial structure and wastewater treatment plant (WWTP) functions. To solve those issues, we expect that future research will focus on identifying active functional populations in AS using omics- methods integrated with stable-isotope probing (SIP) with the development of bioinformatics tools. Developing mathematic models to understand AS community structures and utilize information on AS community to predict the performance of WWTPs will also be vital for advancing knowledge of AS microbial ecology and environmental engineering.     

Dilution/extinction of community phenotypic characters to estimate relative structural diversity in mixed communities

Recent interest in microbial diversity has led to increased emphasis on the development of appropriate techniques. Structural diversity encompasses the number and distribution of separate or interacting biological entities responsible for a given function within the overall set of functions of a community. This study evaluated an approach for estimating the relative degree of structural diversity in heterotrophic microbial communities by dilution to extinction of community phenotypic traits. Serial dilutions of environmental samples (rhizosphere, stream) were tested for community phenotypic traits (i.e. carbon source respiration). The non-linear relationship between the number of positive responses (i.e. functional richness or R) and inoculum density in each sample dilution (I) fit the simple rectangular hyperbola model, allowing estimation of the maximal richness (R(max)) and the inoculum density at half-maximal richness (K(I)). The later term appears to be useful in assessing relative structural diversity as evidenced by significantly higher values for communities with higher predicted species diversity. The examination of community functional characteristics across a series of dilutions, particularly in conjunction with other techniques, may be a useful approach for the study of microbial diversity and related ecological parameters such as niche width and metabolic redundancy.     

微生物分子生态学研究方法的新进展

环境中微生物的群落结构及多样性和微生物的功能及代谢机理是微生物生态学的研究热点,长期以来,由于受到研究技术的限制,对微生物的群落结构和多样性的认识还不全面,微生物的功能及代谢机理方面了解也很少.随着高通量测序、基因芯片等新技术的不断更新,微生物分子生态学的研究方法和研究途径也在不断变化.高通量测序技术改变了微生物多样性、宏基因组学和宏转录组学的研究方法,GeoChip高密度覆盖海量已知功能的基因探针于单张芯片,能快速确定微生物和已知功能基因的存在与否.总结和比较了目前最新的研究手段,并归纳了这些方法的适用性和优缺点.     

不同森林恢复类型对土壤微生物群落的影响

为了评价不同森林恢复类型与方式对南方红壤丘陵区退化生态系统土壤微生物群落的影响,借助氯仿熏蒸法、平板涂抹法和BIOLOG检测法,比较研究了4种森林恢复类型土壤微生物的群落特征．结果表明,4种森林恢复类型土壤微生物生物量碳、细菌数量差异显著,2项指标均以天然次生林土壤最高,人工林次之,荒地最差;碳源平均颜色变化率(AWCD法)和微生物代谢多样性指数(丰富度和多样性)在5种植被类型的土壤中也有明显差异,其趋势与微生物量碳、细菌数量基本相同;天然次生林土壤微生物群落利用碳源的整体能力和功能多样性比人工林和荒地强．相关分析表明,0～20和20～40cm土壤微生物的代谢多样性与根系生物量紧密相关(r=0．933,P<0．05;r=0．925,P<0．05)．自然恢复更有利于改善土壤微生物的结构和功能．     

寺河矿煤地质产甲烷微生物菌群的保藏和产甲烷性能

【背景】煤地质产甲烷微生物菌群可以代谢煤基质产生甲烷,对于实现煤层气资源的再利用具有重要意义。【目的】检测产甲烷菌群在保藏过程中群落结构的动态变化以及在产气实验中甲烷气的生成情况,以验证保藏方法的可行性,同时为煤层气的微生物增产奠定基础。【方法】分别于不同温度条件下比较3种菌种保藏方法,即甘油/L-半胱氨酸法、富营养法和煤基-基础盐法。通过产气实验检测不同保藏条件下产甲烷菌群的活力。同时,采用454高通量测序技术测定16S r RNA基因序列,分析25°C条件下煤基-基础盐菌种保藏过程中微生物群落结构的变化。【结果】比较了9组菌种保藏方法,发现菌种最佳保藏条件为25°C的煤基-基础盐保藏。在该条件下保藏的产甲烷菌群活性最高,甲烷生成量最大。以无烟煤为碳源进行产气实验时甲烷生成量为12%-25%,而以褐煤为碳源时甲烷生成量可达24%-73%。在25°C的煤基-基础盐菌种保藏条件下,保藏初期细菌的主要优势菌为假单胞菌属(Pseudomonas),而古菌的主要优势菌为甲烷八叠球菌属(Methanosarcina)。随着保藏时间的增加,细菌的群落结构变化显著,发酵细菌及产氢产乙酸细菌成为优势细菌,古菌的群落结构则相对稳定。【结论】菌种保藏的最佳条件为25°C的煤基-基础盐,保藏的产甲烷菌群能长期维持在较高的活性状态,具有较好的产甲烷能力。     

基因芯片技术在环境微生物群落研究中的应用

基因芯片技术作为一种快速、敏感、高通量的检测技术,近几年来在环境微生物群落研究中的应用越来越广泛并且得到充分的发展.它不仅可以研究环境微生物群落的微生物分布、种类、功能、动力学变化,还能分析环境污染等环境因素改变对其微生物生态的影响.本文按照基因芯片探针的设计方法,将环境样品群落研究基因芯片分为系统寡核苷酸芯片、功能基因芯片、群落基因组芯片、宏基因组芯片,并简要综述了该技术在活性污泥、土壤、水等环境样品微生物群落研究上的应用,最后,本文展望了该技术的研究方向和在寻找不同环境微生物群落之间差异微生物、差异基因或差异表达基因研究中的应用前景.     

土壤微生物多样性研究方法

概述了研究土壤微生物多样性的主要方法．传统上,土壤微生物群落的分析依赖于培养技术,使用各种培养基最大限度地培养各种微生物群体,但仍只能培养和分离出一小部分土壤微生物群落．使用Biolog分析、磷脂脂肪酸分析和核酸分析等方法,可研究和表征那些现在还不能够被培养的土壤微生物。从而获取关于土壤微生物群落多样性的更多和更完整的信息．     

Analysis of diurnal and vertical microbial diversity of a hypersaline microbial mat

Microbial mats are prokaryotic communities that provide model systems to analyze microbial diversity and ecophysiological interactions. Community diversity of microbial mat samples was assessed at 8:00 a.m. and 3:00 p.m. in a combined analysis consisting of 16S rRNA-denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE) and phospholipid fatty acid (PLFA) profiles. The divergence index determined from PLFA and DGGE data showed that depth-related differences have a greater influence on diversity than temporal variations. Shannon and Simpson indices yielded similar values in all samples, which suggested the stable maintenance of a structurally diverse microbial community. The increased diversity observed at 3:00 p.m. between 2.5 and 4 mm can be explained mainly by diversification of anaerobic microorganisms, especially sulfate-reducing bacteria. In the afternoon sampling, the diversity index reflected a higher diversity between 4 and 5.5 mm depth, which suggested an increase in the diversity of strict anaerobes and fermenters. The results are consistent with the conclusion that hypersaline microbial mats are characterized by high degree of diversity that shifts in response to the photobiological adaptations and metabolic status of the microbial community. Electronic supplementary material The online version of this article (doi:) contains supplementary material, which is available to authorized users. Dedicated to the memory of David C. White.