煤化程度对煤中本源微生物群落结构差异性的控制机理

Microbially Enhanced Coalbed Methane (MECBM) plays an important role in increasing coalbed methane resources, permeability and desorption, which has become a research hotspot in coalbed methane exploitation. Microbial community is the key to MECBM. Microbial community structures of coals with different coal ranks are significantly different, and the influence mechanism of coal rank on the differences of microbial community structures requires to be studied urgently. This study takes coals with different coal ranks (from lignite to anthracite) as the research objects. Microbial community structures are identified using the high-throughput sequencing method, and functional groups are characterized by the measurements of FTIR, XPS and 13C NMR. Based on the quantitative theory I, mathematical models between functional groups and microbial community composition are established, and the effects of functional groups on microbial community structures are quantitatively analyzed. The response characteristics of microbial community to the evolution of functional groups are elucidated. Taking functional groups as the entry point, the control mechanism of coal rank on the differences of microbial community structures is revealed. The research provides the basis to optimize the microbial community structure for the application of MECBM in coal seams with different coal ranks.

微生物增产煤层气具有增加煤层气资源量、增加渗透率、增加解吸的重要意义，已成为煤层气开发的研究热点。微生物群落是微生物增产煤层气的关键，不同煤化程度煤中本源微生物群落结构存在显著差异，煤化程度对其差异性的影响机理亟待探究。本项目以不同煤化程度煤（褐煤到无烟煤）为研究对象，通过高通量测序技术鉴定煤中微生物群落组成，利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线光子能谱（XPS）、13C核磁共振（13C NMR）测试表征煤基团类型，基于数量化理论I构建煤基团类型与微生物群落组成的数学模型，定量分析煤基团对微生物群落结构的影响，阐明微生物群落对煤基团演化的响应特征，以煤基团为切入点，揭示煤化程度对微生物群落结构差异性的控制机理，从而为微生物增产煤层气在不同煤化程度煤层中的应用提供优化微生物群落结构的依据。

微生物增产煤层气是近年来煤层气增产措施研究领域的热点问题之一，其本质为微生物降解煤生成生物甲烷，微生物群落是微生物增产煤层气的关键，对微生物群落结构的研究有助于阐明生物甲烷生成机制。前期研究主要集中在某一特定煤化程度煤中微生物群落结构，对不同煤化程度煤中微生物群落结构的对比研究欠缺。本项目以不同煤化程度煤（褐煤到无烟煤）为研究对象，鉴定煤中微生物群落结构，表征煤基团类型，阐明煤化作用对微生物群落结构差异性的控制机理，取得了以下主要结论：（1）煤化程度增加，细菌群落、古菌群落多样性均下降；（2）褐煤、低阶烟煤、高阶烟煤、无烟煤的共有优势细菌在门水平上为厚壁菌门、变形菌门，在纲水平上为梭菌纲、芽孢杆菌纲、γ-变形菌纲，在目水平上为梭菌目、芽孢杆菌目，在科水平上为梭菌科，在属水平上为Clostridium_sensu_stricto；共有优势古菌在门水平上为广古菌门，在纲水平上为甲烷微菌纲、甲烷杆菌纲，在目水平上为甲烷八叠球菌目、甲烷微菌目、甲烷杆菌目，在科水平上为甲烷八叠球菌科、甲烷杆菌科、Methanotrichaceae，在属水平上为甲烷发菌属、甲烷杆菌属；不同煤化程度煤中细菌、古菌在门、纲、目、科、属水平上的共有优势菌显著低于非共有优势菌，表明煤中细菌群落结构、古菌群落结构均具有显著差异性；（3）不同煤化程度煤的碳类型、煤表面结构元素赋存形态、煤的官能团特征表明：煤化程度增加，经过第一次、第二次、第三次煤化作用跃变，煤芳香木质素衍生结构缩合形成高级芳香族化合物结构，芳香碳含量增加，脂肪碳含量降低，煤中氧、硫、氮等杂环原子减少；（4）不同煤化程度煤基团不同，微生物对不同煤化程度煤的利用度存在差异，使不同煤化程度煤具有不同的生物利用度，导致细菌、古菌在门、纲、目、科、属水平上群落结构的显著差异性。该研究可为微生物增产煤层气在不同煤化程度煤层中的实际应用提供优化微生物群落结构的依据。

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