典型煤层水微生物产甲烷潜力及其群落结构研究

内蒙古自治区二连盆地、海拉尔盆地是我国重要的煤层气产区,其中生物成因煤层气是煤层气的重要来源,但复杂物质转化产甲烷相关微生物群落结构及功能尚不清楚。【目的】研究煤层水中的微生物代谢挥发性脂肪酸产甲烷的生理特征及群落特征。【方法】以内蒙古自治区二连盆地和海拉尔盆地的四口煤层气井水作为接种物,分别添加乙酸钠、丙酸钠和丁酸钠厌氧培养;定期监测挥发性脂肪酸降解过程中甲烷和底物的变化趋势,应用高通量测序技术,分析原始煤层气井水及稳定期产甲烷菌液的微生物群落结构。【结果】除海拉尔盆地H303煤层气井微生物不能代谢丙酸外,其他样品均具备代谢乙酸、丙酸和丁酸产生甲烷的能力,其生理生态参数存在显著差异,产甲烷延滞期依次是乙酸<丁酸<丙酸;最大比产甲烷速率和底物转化效率依次是丙酸<乙酸<丁酸。富集培养后,古菌群落结构与煤层气井水的来源显著相关,二连盆地优势古菌为氢营养型产甲烷古菌Methanocalculus(相对丰度13.5%–63.4%)和复合营养型产甲烷古菌Methanosarcina(7.9%–51.3%),海拉尔盆地的优势古菌为氢营养型产甲烷古菌Methanobacterium(24.3%–57.4%)和复合营养型产甲烷古菌Methanosarcina(29.6%–66.5%);细菌群落则与底物类型显著相关,硫酸盐还原菌Desulfovibrio(12.0%–41.0%)、互营丙酸氧化菌Syntrophobacter(39.6%–75.5%)和互营丁酸菌Syntrophomonas(8.5%–21.9%)分别在乙酸钠、丙酸钠和丁酸钠处理组显著富集。【结论】煤层气井水微生物可降解挥发性脂肪酸(乙酸、丙酸和丁酸)并具有产甲烷潜力;乙酸可能被古菌直接代谢产甲烷,而丙酸和丁酸通过互营细菌和产甲烷古菌代谢产甲烷。Desulfovibrio、Syntrophobacter和Syntrophomonas分别在乙酸、丙酸和丁酸代谢过程中发挥了重要作用。这些结果为煤层气生物强化开采提供了一定的微生物资源基础。