木里地区水合物轻烃微渗漏微生物群落及烃氧化菌响应特征研究
褚厚娟, 郝纯, 邓诗财, 麻婷婷, 梅海
盎亿泰地质微生物技术(北京)有限公司,北京 102200

作者简介: 褚厚娟(1989-),女,硕士研究生,主要从事地质微生物相关技术研究和开发工作。Email:houjuan.chu@aee-t.com

摘要

为了研究水合物轻烃微渗漏对近地表微生物群落的影响作用,采用二代测序技术,对木里冻土区见水合物钻孔DK1、DK9和无水合物孔DK6附近土壤中的微生物群落进行了研究。相对于无水合物钻孔DK6,水合物钻孔的微生物群落结构发生了改变,尤其是烃氧化微生物在水合物钻孔具有明显的数量优势;水合物钻孔DK1以烷烃氧化菌为优势烃氧化菌群,水合物钻孔DK9以甲烷氧化菌为优势烃氧化菌群,这与DK1和DK9的水合物气体组分差异表现一致,无水合物钻孔DK9则无明显优势烃氧化菌群。以丁醇为唯一碳源的选择培养也得到了一批常见的烃氧化菌,这些可培养烃氧化菌可用于水合物相关烃类微渗漏的指示。上述以烃氧化菌群为代表的微生物群落及可培养烃氧化菌对木里天然气水合物响应特征的研究说明了基于轻烃微渗漏模型的微生物勘探技术应用于木里天然气水合物勘探具有可行性。

关键词: 水合物; 微渗漏; 微生物群落; 烃氧化菌
中图分类号:P632 文献标志码:A 文章编号:1000-8918(2017)06-1037-07
A study of gas hydrate light hydrocarbon microseepage microbial communities and response characteristics of hydrocarbon oxidizing microorganism in Muli area
CHU Hou-Juan, HAO Chun, DENG Shi-Cai, MA Ting-Ting, MEI Hai
Beijing Angyitai Geological Microorganism Technology Co.,Ltd., Beijing 102200,China
Abstract

Next generation sequencing was used in the study of near-surface microbial communities located in gas hydrate well DK1, DK9 and dry well DK6, Muli permafrost zone, to discover the influence of light hydrocarbon microseepage on near-surface microbial community. Compared with dry well DK6, microbial communities in gas hydrate wells changed, especially the hydrocarbon oxidizing microorganisms showed more abundance in gas hydrate well. Furthermore, the predominant hydrocarbon oxidizing microorganisms in gas hydrate well DK1 were alkane oxidizing, and those in well DK9 were methane oxidizing, in accordance with the different gas components in the gas hydrate wells. On the other hand, there were no predominant oxidizing microorganisms in dry well DK6. Besides, selective culture using butanol as the only carbon source also got a number of popular hydrocarbon oxidizing microorganisms, which could be used as the indicators of light hydrocarbon microseepage related to gas hydrate. Above all, the microbial communities, especially both uncultured and cultured hydrocarbon oxidizing microorganisms, showed detectable response to the gas hydrate underground, confirming the feasibility of microseepage based microbial exploration technology used in Muli permafrost gas hydrate survey.

Keyword: gas hydrate; microseepage; microbial community; hydrocarbon oxidizing microorganism
0 引言

天然气水合物由气体分子与水组成, 水分子通过氢键连接成多面体笼, 笼中则是气体分子, 如N2、CO2、H2S, 轻烃等, 以CH4为主, 所以天然气水合物也称为甲烷水合物。地质研究和勘探经验表明, 天然气水合物藏主要见于大洋海底和陆上永冻土带[1]。陆上永冻土带的天然气水合物矿藏主要受气源条件、水源条件、冻土条件、温压条件等因素的控制。

我国首次陆域钻获天然气水合物的钻孔DK1位于青海省天峻县木里永冻土带[2], 位于木里煤田的聚乎更矿区。该矿区成煤于早、中侏罗世, 含煤岩系呈NWW向展布的条带状格局[3]。中侏罗组包括木里组和江仓组[4], 木里组是主要的含煤层段。钻探资料表明, 工区内的煤层上下都赋存有规模不等的油页岩, 探区内具有良好的气源条件, 下伏地层中的煤层气、油页岩均可形成有利的气源供给层, 为具有一定规模的水合物矿藏提供了丰富的气源条件。此外, 该区水源丰富, 且较发育的断裂破碎带为各地层水之间提供良好的运移通道; 地表流体矿化度适中, 有利于水合物的形成。木里冻土区的冻土层厚度稳定, 且具备形成天然气水合物的温压条件。钻探表明, 木里冻土区水合物具有埋深浅、冻土层薄、气体组分复杂、相对非均质, 以热成因煤层气为主的特征[3]

自2009年, 国土资源部宣布首次在木里冻土带钻获天然气水合物以来[2], 研究人员在木里冻土带针对天然气水合物进行了多次钻探(图 1)。多个钻孔发现水合物, 如DK1、DK3、DK7、DK9、DK12-13等, 而DK4、DK5、DK6钻孔等未发现水合物[4]。DK1钻孔是首次钻获天然气水合物的钻孔, 据钻探结果, DK1孔以粉砂岩、泥岩(含炭质泥岩)和细砂岩为主, 含煤9层; 钻孔岩芯可见水合物晶体, 水合物层厚度0.2~4.8 m, 测井响应明显[5]。DK6孔未采到水合物实物[6], 仅局部可见裂隙中冒气泡、钻孔口涌气及偶见重烃迹象等[7]。DK9孔水合物层段岩性为泥岩、细砂岩、油页岩; 岩芯顶空气研究显示, 顶空气中甲烷含量较高, 且顶空气烃类含量高的深度段与水合物及其异常层段、油气显示段具有较好的对应关系[8]

图1 木里冻土区地质与天然气水合物钻孔位置[9]

根据轻烃微渗漏理论, 油气藏上方普遍存在轻烃微渗漏现象, 即油气藏中的轻烃气体在油气藏压力的驱动下, 以微泡上浮形式沿复杂的微裂隙垂直地向上运移[10, 11]。当轻烃运移进入表层沉积物的过程中, 一部分会成为土壤中专属烃氧化菌的食物(碳源)而使这种烃氧化菌异常发育, 另一部分则被粘土矿物吸附和次生碳酸盐胶结包裹。因此, 表层土壤中异常发育的烃氧化菌与下伏油气藏具有正相关关系, 通过检测对应的烃氧化菌能够对下伏油气藏进行预测, 这在实际勘探中已经得到了验证[12, 13]。天然气水合物在其形成和演化的过程中, 与固态水合物保持动态平衡的游离态烃类气体同样会通过微裂隙垂向运移至近地表。因此, 冻土带的天然气水合物也存在与常规油气藏类似的表层土壤烃氧化菌异常。已有研究利用常规培养方法对木里三露天水合物进行了微生物研究[14], 证实了微生物异常与下伏油气藏的正相关关系。

常规平板培养方法对于微生物的研究具有很大的局限性, 土壤中可培养微生物的含量小于1%~10%, 极大多数的微生物属于不可培养微生物[15]。利用宏基因组学技术, 获得全部的微生物遗传信息, 在微生物群落水平上对环境微生物进行研究越来越受到研究者的青睐[16, 17], 宏基因组学研究的代表手段GeoChip和二代测序技术已在多个研究领域取得了进展[17, 18, 19, 20, 21]。此外, 针对木里冻土区的微生物, 除前文提到的烃氧化微生物培养研究[14]外, 已有研究通过构建甲烷功能基因mcrApmoA克隆文库对木里冻土区活动层和冻土层中的甲烷代谢微生物群落进行比较研究[22], 构建16s rRNA和真菌ITS序列文库对木里冻土区进行冻土层垂向上的微生物群落研究[23], 对不同生态类型的古菌群落进行16s rRNA文库研究[24], 针对水合物钻孔DK3和DK6岩芯的微生物脂肪酸研究[25], 以及针对多个水合物钻孔的古菌群落研究[26]

现有研究对木里冻土区微生物的关注点主要为冻土层相关的甲烷代谢菌或古菌, 对水合物钻孔的研究也以岩芯微生物或古菌为主; 此外, 目前广泛应用的油气微生物勘探技术的检测对象为烃氧化细菌, 现阶段针对冻土带天然气水合物钻孔表层土壤的微生物群落尤其是细菌群落研究较少。为了更全面、客观地了解木里冻土区天然气水合物矿藏上方的微生物群落特征, 以及表层微生物群落对天然气水合物的响应, 验证烃氧化微生物勘探技术应用于天然气水合物勘探的可靠性, 本研究利用二代测序技术, 对木里冻土区天然气水合物钻孔土壤微生物群落进行研究。选取天然气水合物钻孔DK1、DK9和无水合物钻孔DK6上方表层土壤样品, 分别从微生物群落水平和烃氧化菌水平研究微生物对木里地区水合物矿藏轻烃微渗漏的响应, 力图能够对木里地区水合物矿藏的勘探研究提供依据和参考。

1 材料与方法
1.1 样品采集

分别以水合物钻孔DK1、DK9和无水合物钻孔DK6(图1)为中心, 在钻孔位周边设置6个采样点(样品自编号分别为:DK1-1、DK1-2、DK1-3、DK1-4、DK1-5、DK1-6, DK9-1、DK9-2、DK9-3、DK9-4、DK9-5、DK9-6, DK6-1、DK6-2、DK6-3、DK6-4、DK6-5、DK6-6)。野外采样时, 采集表层20 cm深度冻土样品, 并尽量避免草甸和冰冻层的干扰。样铲采集获得100 g土样后装入密实袋, 并记录样品深度、岩性、地貌等基本信息。考虑到冻土状态和当地施工条件, 当天采样结束后, 在驻地集中冷冻保存并使用干冰保持冷冻运输至实验室, -20℃保存。

1.2 实验检测

样品送达实验室后, 利用FastDNA® SPIN Kit for Soil(MP, USA)试剂盒进行土壤微生物DNA的提取。提取得到的DNA经真空干燥处理后, 送往上海美吉生物公司进行二代测序:选择16S rRNA引物对515f(5'-GTG CCA GCM GCC GCG GTA A-3')和806r(5'-GGA CTA CHV GGG TWT CTA AT-3')为PCR(polymerase chain reaction, 聚合酶链式反应)扩增引物, 随后利用AxyPrepDNA凝胶回收试剂盒(AXYGEN)切胶回收PCR 产物, 得到DNA产物; 利用Nanodrop 2000(Thermo Fisher, USA)对得到的DNA定量后进行等摩尔混合, 利用Miseq测序平台进行二代测序。

另外, 选择水合物钻孔DK1的6个样品, 采用以丁醇为单一碳源的固体培养基进行选择培养, 37℃, 7天, 平板上生长得到若干菌落, 挑取获得的菌落进行PCR扩增, 扩增引物为16S rRNA基因引物27F和907R。PCR扩增得到的产物送往上海美吉生物公司进行测序, 获得序列与NCBI(National Center for Biotechnology Information)数据库进行BLAST(Basic Local Alignment Search Tool), 对所得菌落的16s rRNA基因遗传信息进行比对鉴定。

1.3 数据分析

数据质控:Miseq测序得到的PE reads首先根据overlap关系, 将成对的reads拼接成一条序列, 同时对reads的质量和拼接的效果进行质控过滤, 按照barcode标签序列识别并区分样品获得有效数据。

OTU获得:在97%的相似性水平下, 将所有序列按照相似性划分OTU(Operational Taxonomic Units)。一个OTU对应一个分类单元, 利用RDP classifier贝叶斯算法对97%相似水平的OTU代表序列进行分类学分析, 研究其系统发生关系。

多样性分析:通过多样性分析中的Chao1指数和Shannon指数反映微生物群落的丰度和多样性。Chao1指数越高, 微生物群落丰度越大, 计算公式为:

Schao1=Sobs+n1(n1-1)2(n2+1),

其中:Schao1=估计的OTU数, Sobs=实际测量OTU数目, n1=只有一条序列的OTU数目, n2=只有两条序列的OTU数目。Shannon指数越大, 微生物群落多样性越高, 计算公式为:

其中:Sobs=实际测量OTU数目, ni=含有i条序列的OTU数目, N=所有的序列数。

聚类分析:聚类分析(Cluster Analysis), 样品间两两比较计算beta多样性距离, 算法为Bray Curtis, 计算公式为:

其中:SA, i=A样品中第i个OTU所含序列数目, SB, i=B样品中第i个OTU所含序列数目。得出计算结果后用R语言(R version 3.3.1)画图构建成树, 聚类在一起的树枝分枝代表样品间的相似性, 聚类分枝越接近的样品, 微生物群落间的相似性越高。

2 微生物响应特征
2.1 多样性特征

对3个钻孔表层土壤样品中测序得到的OTU序列进行多样性分析(表1), 结果显示除样品DK1-1测得的序列数较少外, 木里地区样品测得的序列片段数量大, 大多数样品测得序列数量超过了 20 000 条, DK1-5的序列数甚至超过了60 000, 指示了该地区较高的微生物量。通过计算Chao1指数和Shannon指数, 对研究区的微生物丰度和多样性进行评估, 计算结果显示, 3个钻孔的Chao1指数和Shannon指数不存在显著差异, 即3个钻孔的微生物丰度和多样性无显著差异。

表1 木里地区水合物钻孔表层土壤中的微生物多样性

进一步进行Venn图分析(图2), 对测序得到的3个钻孔共有或独有的OTU种类进行统计, 3个钻孔共有851种OTU, DK1和DK6共有176种, DK1和DK9共有106种, DK9和DK6共有142 种, 而水合物钻孔DK1和DK9分别独有278和431种OTU, 无水合物钻孔DK6则只有93种。水合物钻孔独有的OTU种类远大于无水合物钻孔, 即该部分OTU所对应的微生物种群在水合物钻孔的表层土壤中特异发育。

图2 木里地区水合物钻孔表层土壤中的微生物统计Veen

2.2 聚类特征

进一步对水合物钻孔DK1、DK9和无水合物钻孔DK6样品测得的OTU进行聚类分析(Cluster Analysis), 结果显示(图3), 3个钻孔的微生物群落差异明显, 分别聚类。水合物钻孔DK9的6个样品与其他两个钻孔的区分最明显, 所有6个样品首先聚类到一起, 单独成树, 与DK1孔和DK6孔表现出明显差异。DK1和DK6孔的样品间差异较大, 即表现出了一定的非均质性, 如DK1-1、DK1-2各自独自成枝, DK6-4和DK6-5单独聚类到一起。但是, DK1和DK6孔的其他样品也表现出了聚类规律, 分别聚类成枝, DK1和DK6孔的微生物群落也存在一定差异。

图3 木里地区水合物钻孔表层土壤中的微生物群落聚类分析(Cluster)

2.3 分类学特征

对测序得到的OTU进行分类学鉴定, 获得分类学信息后, 对3个钻孔的微生物群落组成信息进行统计(图4), 所有样品共检出36个门类的微生物, 以变形杆菌(Proteobacteria)和酸杆菌(Acidobacteira)两个门类为主, 占了22.2%~64.5%, 其中变形杆菌是土壤样品中普遍存在的细菌, 而酸杆菌的大量出现, 可能与木里地区普遍偏酸性的土壤和水体有关。值得注意的是, 在含有水合物的DK1和DK9孔上方, 放线菌(Actinobacteira)的含量为2.9%~13.1%, 而在无水合物钻孔DK6上方, 只占0.8%~4.2%。

图4 木里地区水合物钻孔表层土壤中的细菌门类组成

根据现有研究结果, 除专门的甲烷氧化菌如甲基单胞菌属、甲基球菌属、甲基微菌属等[27]外, 多种微生物种群具有烃氧化功能, 如假单胞菌属、不动杆菌属、黄杆菌属、棒状杆菌属、食烷菌属和节杆菌属等[28]。对木里地区水合物钻孔DK1、DK9和无水合物钻孔DK6表层微生物群落中的烃氧化相关菌属进行分析, 发现有10种与烃氧化相关的微生物类群(表2), 分别为:节杆菌属(Arthrobacter)、解环菌属(Cycloclasticus)、黄杆菌属(Flavobacterium)、甲基杆菌属(Methylobacter)、甲基帽菌属(Methylocapsa)、甲基球菌属(Methylococcus)、甲基微菌属(Methylomicrobium)、分枝杆菌属(Mycobacterium)、假单胞菌属(Pseudomonas)和球衣细胞属(Sphaerotilus)。上述烃氧化菌属在DK1、DK9和DK6孔中具有明显的差异, 水合物钻孔DK1和DK9中的烃氧化菌属量明显高于无水合物钻孔DK6, 且具有明显发育的烃氧化菌属, 无水合物钻孔DK6则不存在此规律。值得注意的是, 水合物钻孔DK1的优势菌群为烷烃(乙烷、丙烷、丁烷等)氧化相关, 如具有明显数量优势的节杆菌属(Arthrobacter)、黄杆菌属(Flavobacterium)和球衣细胞属(Sphaerotilus); 水合物钻孔DK9中的优势菌群则为甲烷氧化菌, 如甲基杆菌属(Methylobacter)和甲基帽菌属(Methylocapsa)等; 无水合物钻孔DK6则没有出现具有明显数量优势的烃氧化菌群。

表2 木里地区水合物钻孔表层土壤中检测到的烃氧化菌属
2.4 烃氧化菌分离鉴定

选择以丁醇为唯一碳源的选择性培养基对木里地区水合物样品中的烃氧化菌进行培养, 并对代表性菌株进行分离和保藏, 根据16s rRNA基因测序信息分类。测序获得的烃氧化微生物划分为以下9属:厄氏菌属(Oerskovia)(1株)、迪茨氏菌属(Dietzia)(2株)、土壤球菌属(Agrococcus)(1株)、红球菌属(Rhodococcus)(4株)、不动杆菌属(Acinetobacter)(1株)、微球菌属(Micrococcus)(1株)、糖丝菌属(Saccharothrix)(1株)、假单胞菌属(Pseudomonas)(1株)、链霉菌属(Streptomyces)(163株)。最终保存菌株11株, 分别为:链霉菌属(Streptomyces)(7株)、小单孢菌属(Micromonospora)(1株)、芽孢杆菌属(Bacillus)(1株)、厄氏菌属(Oerskovia)(1株)、放线菌属(Actinomycete)(1株)。

3 讨论与结论

测序结果显示, 木里冻土区天然气水合物钻孔DK1、DK9和无水合物钻孔DK6样品均具有较高的微生物群落丰度和多样性(表1)。尽管天然气水合物钻孔和无水合物钻孔的微生物多样性不存在显著差异, 但水合物钻孔DK1和DK9表层土壤中出现了一些特异发育的微生物(图2), 且水合物钻孔的微生物群落聚类也与无水合物钻孔表现出了差异(图3)。水合物矿藏微渗漏到地表的轻烃在土壤总碳源中的占比很小, 烃氧化菌在土壤微生物群落中的占比也很低[29]; 而另一方面, 微生物群落对于长期环境胁迫的响应结果必然导致微生物群落达到新的稳定性[30]。因此, 天然气水合物钻孔表层土壤中的微生物群落在丰度和多样性水平上与无水合物孔没有明显差异, 但是水合物矿藏渗漏到表层的轻烃仍然引起了表层特定菌群的响应, 进而引起了微生物群落的变化。

本研究利用二代测序手段从微生物群落结构变化研究微生物群落对天然气水合物的影响, 从分类学上, 水合物钻孔DK1和DK9表层土壤中放线菌(Actinobacteira)含量高于无水合物钻孔DK6(图4), 而目前文献报道的多种烷烃氧化菌在分类上属于放线菌门(Actinobacteira), 如分枝杆菌属(Mycobacterium)、节杆菌属(Arthrobacter)、微球菌属(Micrococcus)、诺卡氏菌属(Nocardia) [31]等。进一步对烃氧化菌属的分析表明, 以烃氧化菌为代表的特定菌群在天然气水合物矿藏上方土壤特异发育(表2), 即对地下天然气水合物矿藏做出了响应, 这与利用烃氧化菌培养技术对天然气水合物矿藏进行勘察的结果具有一致性[14]

除水合物钻孔DK1、DK9和无水合物钻孔DK6之间存在差异外, 水合物钻孔DK1和DK9在微生物群落组成和聚类(图2、图3), 以及烃氧化菌属(表2)水平上也表现出了差异, 即DK1的烃氧化优势群为两个碳原子以上的烷烃(乙烷、丙烷、丁烷等)氧化相关, DK9的烃氧化优势群为甲烷氧化相关。优势功能菌群的变化是微生物群落功能对环境变化的响应, 而DK1和DK9烃氧化优势功能菌群的差异正是微生物对于渗漏到表层的烃类组分做出的响应, 这与实际钻孔研究中DK1钻孔水合物岩芯解吸气甲烷相对含量不高, 乙烷和丙烷相对含量高[32], DK9钻孔水合物岩芯顶空气甲烷含量高的结果一致[8]

高通量测序对天然气水合物微生物群落进行了原位刻画, 获得了全面的微生物群落信息, 以丁醇为唯一碳源的平板培养方法则对可培养烃氧化菌进行了鉴定, 二者得到的烃氧化微生物有对应关系, 说明以丁醇为唯一碳源的选择培养方法对水合物微渗漏同样具有响应特征。

综上, 笔者所述木里地区微生物群落和烃氧化菌对天然气水合物的响应, 基于轻烃微渗漏机制, 微生物群落和烃氧化菌的响应特征主要体现在:

1) 由于烃氧化微生物只占土壤微生物群落的一小部分, 整体而言, 水合物钻孔和无水合物钻孔样品的微生物群落丰度和多样性无显著差异。

2) 微生物群落对天然气水合物的响应主要体现在微生物群落结构的改变, 尤其是烃氧化微生物在天然气水合物钻孔比无水合物钻孔具有明显的数量优势。

3) 烃氧化优势菌群在天然气水合物钻孔DK1和DK9分别为烷烃氧化菌和甲烷氧化菌, 体现了对DK1、DK9孔岩芯解吸气组分差异的响应; 无水合物钻孔DK6则没有明显的优势烃氧化菌。

4) 以丁醇为唯一碳源的选择培养法能够筛选出一批对天然气水合物具有响应的烷烃氧化菌。

基于微生物群落和烃氧化菌对天然气水合物的响应, 可以认为微生物群落尤其是烃氧化菌群的检测应用于天然气水合物勘探具有一定的有效性, 具有进一步的应用和推广价值。

(本文编辑:王萌)

The authors have declared that no competing interests exist.

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