INT J COAL GEOL: 深部煤层构造抬升后地表淡水环境对原位微生物群落及其产甲烷活动影响的模拟

近日，中国地质大学（武汉）资源学院硕士生李跃国同学，在伏海蛟副教授的指导下，在国际地学TOP期刊《International Journal of Coal Geology》上，以《Effects of simulated surface freshwater environment on in situ microorganisms and their methanogenesis after tectonic uplift of a deep coal seam》为题第一作者发表了学术论文，探究了构造抬升背景下深部煤层中本源菌群受到激活，逐渐大量形成次生生物气的地质过程。

前人研究认为，地表淡水携带的微生物对次生生物气的形成具有重要作用，深部煤层经构造抬升后接受地表淡水的补给，高矿化度卤水受到稀释，水介质环境有利于微生物生存及其产甲烷活动。然而，关于次生生物气的形成机制，仍有许多问题亟待解决，1）深部高矿化度煤层水中的本源菌群对次生生物气的贡献被忽略；2）当地表淡水补给后，矿化度降低，这些微生物能否被激活（即，仍具有产甲烷潜力）？

论文选取了准噶尔盆地南缘米泉地区罕见的极高矿化度煤层水样与低煤阶煤样，开展了一系列模拟地表淡水环境下的微生物厌氧发酵产气实验，研究了高矿化度煤层水中本源菌群的产气潜力，剖析了本源菌群在模拟地表淡水介质条件培养过程中的演替规律，揭示了本源菌群对环境的适应在代谢调控机制方面的体现，还原了深部煤层中本源菌群在构造抬升背景下形成次生生物气的地质过程。

产气模拟实验表明，在持续的低矿化度环境条件培养下，高矿化度煤层水中本源菌群具有较好的产气能力（最大增幅为220.81%）（图1），表明在漫长的地质历史时期，深部煤层中的本源菌群对次生生物气藏的形成应当具有较大程度的贡献。

图1 未经低矿化环境培养前样品的阶段产甲烷量(a)与累计产甲烷量(b)；低矿化度条件连续培养四代后样品的阶段产甲烷量(c)与累计产甲烷量(d)

在培养过程中，微生物群落呈现多种水解菌协同降解的状态；产酸发酵菌群与产氢产乙酸菌群的丰度随培养过程整体呈现逐渐增加的趋势。与此同时，甲烷杆菌属Methanobacterium丰度的增加表明低矿化度的培养环境促进了煤厌氧发酵产生物气，提高了发酵性能，培养过程中产气高峰提前，产气量与甲烷浓度的增加则是更为直观的佐证（图2）。

图2 基于属水平的不同培养世代微生物群落结构组成

低矿化度的环境条件促进煤厌氧发酵产气的原因在于微生物群落结构得到了优化，即，使得水解菌群、产酸菌群、产氢产乙酸菌群与产甲烷菌群形成有效耦合的配置关系。从更深层次的基因功能层面来看，低矿化度的环境条件提高了微生物中与代谢相关基因功能的丰度，增强了微生物的物质代谢能力（图3）。

图3 不同培养世代菌群基因功能丰度差异比例图

最后，论文基于微生物群落结构演替规律、基因功能变化以及产气模拟实验结果，结合地质演化过程，还原了构造抬升背景下深部煤层中本源菌群受到激活，逐渐大量形成次生生物气的地质过程，可进一步划分为3个阶段：1）煤层抬升，地表水补给，水动力场逐渐活跃，矿化度降低，营养物质得到补充；2）微生物群落的丰度和多样性逐渐增加，物质代谢能力得到了提高；3）微生物将煤岩有机物转化为次生生物气（图4）。

图4 构造抬升背景下深部煤层中本源菌群形成次生生物气的地质模式

  该研究通过开展厌氧发酵产气模拟实验，探讨了原始深部煤层环境中产甲烷菌群的产气潜力与地质意义，修正了国际上关于次生生物气相关定义的不足。

该论文第一作者为硕士研究生李跃国同学，通讯作者为伏海蛟副教授。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.coal.2022.104014

作者简介：

李跃国，资源学院2019级硕士研究生，以第一作者发表1篇SCI二区论文、1篇中文核心论文，以第二作者发表1篇SCI一区论文，曾获国家励志奖学金等多项奖励。

李跃国同学2015年考入我院资源勘查工程专业，学习成绩优异，2017年9月获得周口店野外地质实践“优秀实习生”，2018年10月获得通山-咸宁野外地质实践“优秀实习生”。作为学院第一批本科生导师制的受益者，大二下学期进入吴立群老师课题组参与科研训练。2019年进入盆地矿产系攻读硕士学位，在导师伏海蛟副教授的指导下，作为骨干成员参与导师主持的国家自然科学基金青年科学基金项目“准南米泉地区低煤阶煤次生生物气藏形成机制研究”、国家自然科学基金面上项目“准南地区中低阶煤煤层气差异富集的本源菌群驱动机制研究”等重大课题。