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物探与化探, 2023, 47(5): 1127-1136 doi: 10.11720/wtyht.2023.1151

地质调查·资源勘查

典型地热田环境微生物分布特征及其勘探意义

郑旭莹,1, 许科伟,1, 顾磊1, 王国建1, 李广之1, 郭嘉琪1, 邹雨1, 腾格尔2

1.中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院 无锡石油地质研究所,江苏 无锡 214126

2.中国地质调查局 油气资源调查中心,北京 100083

Distribution of microorganisms in the typical geothermal field environment and its significance for geothermal exploration

ZHENG Xu-Ying,1, XU Ke-Wei,1, GU Lei1, WANG Guo-Jian1, LI Guang-Zhi1, GUO Jia-Qi1, ZOU Yu1, BORJIGIN Tenger2

1. Wuxi Research Institute of Petroleum Geology, SINOPEC, Wuxi 214126, China

2. Oil & Gas Resources Survey, China Geological Survey, Beijing 100083, China

通讯作者: 许科伟(1982-),男,博士研究生,高级工程师,主要从事油气微生物勘探开发应用研究工作。Email:xukw.syky@sinopec.com

责任编辑: 蒋实

收稿日期: 2022-03-30   修回日期: 2023-01-30  

基金资助: 国家科技部国家重点研发计划课题“华南火成岩地区深层地热资源探测技术”(2019YFC0604902)
国家自然科学基金“页岩气改造—散失途径与保存条件”(41690133)

Received: 2022-03-30   Revised: 2023-01-30  

作者简介 About authors

郑旭莹(1993-),女,硕士研究生,2019年毕业于中国地质大学(武汉),主要从事油气微生物勘探开发应用研究工作。Email: zhengxuying.syky@sinopec.com

摘要

地热作为一种清洁能源,在近年来逐渐受到世界各国学者的广泛关注。在以往的地球化学勘探方法中,对地热资源的勘查仅限于个别地球化学指标的分析,并且对地热田微生物的研究多针对温泉露头处,尚缺乏对于复杂地形中地热资源的生态学研究。本研究通过对安徽巢湖半汤温泉地热田内的土壤地球化学以及微生物多样性进行研究,采用顶空气、土壤气、酸解烃、蚀变碳酸盐等地球化学指标的检测技术,结合微生物高通量测序技术,对隆起山地型地热田上方的微生物种群构成、时空分布特征以及这些生物信息学特征与地球化学指标的对应关系进行研究探讨。结果显示:地热田地表酸解烃甲烷最高值为43.7μL/kg,位于F2、F3断层之间,较好地反映了地热田断裂的位置;芽胞杆菌科(Bacillaceae)、嗜氢菌科(Hydrogenophilaceae)和热脱硫弧菌科(Thermodesulfovibrionaceae)在地热田区与在背景区的相对丰度差值较大,分别为0.178%、0.108%和0.060%,说明它们是地热资源的敏感细菌,并且在已知地热田上方与地球化学指标有良好的对应关系。本研究初步考察了地热田内地热微生物的多样性,探讨了微生物分布特征与地球化学指标之间的对应关系,为地热资源微生物勘探提供了技术支撑。

关键词： 地热微生物; 高通量测序; 地球化学; 多样性分析

Abstract

As a kind of clean energy, geothermal energy has attracted the attention of scholars all over the world in recent years. Previous geochemical exploration methods for geothermal resources are limited to the analysis of individual geochemical indices. Moreover, previous studies of microorganisms in geothermal fields mostly focus on hot spring outcrops, lacking ecological studies of geothermal resources in complex terrains. This study investigated the soil geochemistry and microbial diversity of the Bantang Hot Spring geothermal field in Chaohu, Anhui Province. Geochemical indices such as head-space gas, soil gas, acid-hydrolyzed hydrocarbons, and altered carbonate were detected in this study. Combined with the microbial high-throughput sequencing technology, this study analyzed the composition and spatial-temporal distribution of the microbial population above the geothermal fields in uplifted mountains and the relationship between these bioinformatics characteristics and the geochemical indices. The results indicate that the acid-hydrolyzed hydrocarbons on the surface of the geothermal field showed a maximum methane concentration of 43.7 μL/kg in the area between faults F2 and F3, adequately reflecting the fault location of the geothermal field.Bacillaceae, Hydrogenophilaceae, and Thermodesulfovibrionaceae in the geothermal field and the background area showed large relative abundance differences, which were 0.178%, 0.108%, and 0.060%, respectively. This result indicates that they are sensitive to geothermal resources and correspond well to geochemical indices above the known geothermal field. This study preliminarily investigated the diversity of geothermal microorganisms in the geothermal field and analyzed the corresponding relationships between microbial distribution characteristics and geochemical indexes, providing technical support for the microbiological exploration of geothermal resources.

Keywords： geothermal microorganism; high-throughput sequencing; geochemistry; diversity analysis

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本文引用格式

郑旭莹, 许科伟, 顾磊, 王国建, 李广之, 郭嘉琪, 邹雨, 腾格尔. 典型地热田环境微生物分布特征及其勘探意义[J]. 物探与化探, 2023, 47(5): 1127-1136 doi:10.11720/wtyht.2023.1151

ZHENG Xu-Ying, XU Ke-Wei, GU Lei, WANG Guo-Jian, LI Guang-Zhi, GUO Jia-Qi, ZOU Yu, BORJIGIN Tenger. Distribution of microorganisms in the typical geothermal field environment and its significance for geothermal exploration[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2023, 47(5): 1127-1136 doi:10.11720/wtyht.2023.1151

0 引言

地热作为一种洁净的能源资源,越来越受到世界各国的重视。在目前技术下的可采集深度内,富含可经济开发和利用的地热流体的区域,一般称之为地热田。常规的地球化学勘探方法通过测量各种天然介质如岩石、疏松覆盖物、水系沉积物、水、空气或生物体的地球化学性质,发现与之相关的地球化学异常,从而追踪深部的地热资源,圈定地热田范围[1]。在以往的地球化学勘探实践中,研究人员通过分析地下水的主要离子成分、样品中稀有气体成分等研究方法,对地热田热源的性质有所了解,也在一定程度上辅助了地热田的开采工作[2]。

在近年的研究中,Sasaki等[3]在日本富山县东部地热区,采用地热井水中Na/K温标,估算了该深部温度分布范围。Barberi等[4]在加勒比板块的两个高温地热田区,开展了土壤气二氧化碳测量,研究认为地表土壤二氧化碳气体高值异常对于深部裂隙型热储具有较好的反映能力。然而在勘探开发过程中,由于地热水开采污染、现代外来冲积物质干扰以及部分地热田良好的封盖条件,导致与地热田有关的元素向地表扩散的强度受到一定抑制,不能达到可探测浓度。随着微生物勘探技术的发展,微生物逐步开始在能源勘探领域展开应用[5⇓-7]。这项技术也引起中国资源勘探者的重视,从20世纪90年代中至今已在大庆油田、准噶尔盆地、松辽盆地、柴达木盆地、塔里木盆地和四川盆地等勘探区块开展了应用研究,取得了良好的验证与预测效果[8⇓⇓-11]。在过去的60年间,国内外学者对指示菌的形态与分类、生理特征、酶学特性、代谢途径、生态分布以及环境因素对微生物生长发育的影响等开展了大量的基础性研究[12⇓-14]。同样在地热资源的勘探发展中,研究者发现由于热泉或地热田的存在,导致了该处环境下生长的微生物种群结构与其他区域具有显著的差异,这些特殊的微生物种群可以作为地热存在的标志[15⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓-23]。已有文献报道,研究人员成功分离出一株高温碱性蛋白酶产生菌株H-1,经初步鉴定为芽孢杆菌(Bacillus),该菌株只在温泉出露区域检测到,或可用作地热标志微生物[24-25]。在实际地热的勘探开发中,微生物的应用尚未见报道。而对于复杂地形类型中如隆起山地型地热田,其上方是否也有特殊的微生物生长,尚不得而知。

本研究通过高通量测序技术对巢湖半汤温泉以及含山昭关温泉地热田和周围非地热区域的微生物群落多样性进行研究,考察隆起山地型地热田内的微生物群落特征,结合酸解烃、顶空气、土壤蚀变碳酸盐和微量元素检测,分析了研究区的土壤地球化学特征,以期能够发现各项指标与地热田之间的相关性,寻找潜在的特征性地热微生物,为微生物技术应用于地热勘探提供理论和实践依据。

1 工区地质概况

半汤温泉与昭关温泉都位于滁河断裂带,滁河断裂发育在扬子板块内部,郯庐大断裂东侧,在空间上属郯庐大断裂的重要组成部分[26]。滁河断裂总体走向NE50°~60°,断裂主体部分在安徽境内,长约170 km,宽约5 km,自北东向南西经江苏省浦口镇、亭子山,安徽省和县香泉、石杨及含山县昭关、清溪北、巢湖市半汤, 过巢湖南延至庐江县郯庐断裂带消失[27]。半汤温泉与昭关温泉处在滁河断裂带南端,构造上处于下扬子台坳的北部,位于汤山背斜轴部断裂构造发育带,分布在丘陵与冲积平原的交接地带,有30多处泉点分布在受滁河断裂控制的伴生断层上[28]。昭关温泉受NE向滁河断裂带的控制,出露于该断裂东南一侧的寒武系观音台组白云岩及白云质灰岩NW向次级断裂构造破碎带中,成群出露[29]。半汤地热田位于汤山背斜南西倾伏端,背斜核部由震旦系、寒武系、奥陶系碳酸盐岩类地层组成,南、东、西(背斜两翼)三面则分布着志留系砂质页岩、泥岩等极弱含水层,自然形成一个封闭式储水构造。昭关地热田出露地层岩性为震旦系、寒武系碳酸盐岩,志留系、白垩系砂岩、泥岩以及第四系黏土[30]。

2 数据采集及实验方法

2.1 样品采集

将半汤温泉作为试验区部署一条穿过地热田的地表地球化学剖面(A—A’,图1)。剖面线全长5.2 km,设置采样点间距200 m,共计23个采样点,在本文中分别用1~23表示,其中地热区样品为11、12、13、14、15、16,共计6个,背景区样品为1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、17、18、19、20、21、22、23,共计17个。用麻花钻将60 cm深度的土样采集后快速装入已灭菌的密封袋中,低温运输至实验室,-20 ℃保存,以待后续测试研究。此外,为了分析不同来源的地热田微生物群落结构特征差异,Beta多样性分析中加入了与实验室前期采集的含山地区的昭关温泉6个样品的对比,其中Z4、Z5、Z6为地热田上方样品,Z1、Z2、Z3为背景区样品。

图1

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图1   半汤地热田地质及化探剖面示意

Fig.1   Geological and geochemical exploration profile of Bantang geothermal field


2.2 样品DNA提取

每个样品称取1 g土壤,用Fast DNA SPIN (MP Biomedicals,Santa Ana,CA)土壤试剂盒提取土壤总DNA,具体操作步骤参考试剂盒说明书。通过微量紫外分光光度计(Nano Drop ND-1000UV)测定DNA浓度和纯度(OD260/OD280和OD260/OD230)。此外,用1.2%的琼脂糖凝胶电泳分离5 μL的DNA用以检测其完整性。

2.3 实验方法

2.3.1 高通量测序

利用通用引物,对提取到的DNA进行扩增细菌16S rRNA基因的V4-V5区基因片段,通用引物分别为515F(5’-GTGCCAGCMGCCGCGG-3’)和907R(5’-CCGTCAATTCMTTTRAGTTT-3’)[31]。为区别不同的样品,用含有特异碱基的序列来标定用于焦磷酸测序的通用引物。PCR反应体系为50 μL,扩增条件为:94 ℃变性5 min;94 ℃变性45 s,55 ℃退火45 s,72 ℃延伸1 min,共进行30个循环;72 ℃延伸10 min。获得不同样品的扩增产物后,等摩尔混合到一个试管中,通过凝胶回收的方法,纯化PCR产物,并且测定其纯度。高通量测序是运用双末端测序(Paired-End sequencing)的方法实现,由上海昂朴生物科技有限公司在Illumina HiSeq测序平台完成。

将得到的测序结果进行信息学解析,对微生物物种的OTU(Operational Taxonomic Units)进行聚类分析和Beta Diversity分析(Beta多样性),其中包括半汤温泉的16个样品和昭关温泉的6个样品。对不同样品的OTU聚类和注释结果进行综合统计,生成微生物在门水平上和纲水平上的群落结构分布图,这种对每个样品注释到各分类水平上的序列数进行统计的方法,能够更加快捷、全面地了解每个样品的OTU聚类情况和注释情况,并且通过Beta多样性分析,得到半汤温泉和昭关温泉区域样品中独有的种属和共有的种属,生成多元统计分析图,结合微生物群落结构热图,解析半汤温泉及周边环境微生物群落结构特征 [32]。此外,通过统计微生物相对丰度,生成主要类群微生物相对丰度分布图。

2.3.2 酸解烃检测

称取样品50 g至于磨口烧瓶中,进行脱气,抽真空至接近-0.1 MPa,停止抽真空后15 min真空度降低不得超过0.01 MPa。加入50 mL氢氧化钾溶液,置于40 ℃水浴锅中,缓慢滴加盐酸溶液,至不再产生气泡时,停止加酸平衡20 min。使用玻璃注射器抽取脱出气体,以排水集气法注入盛过饱和氯化钠溶液的密封瓶内进行气相色谱分析检测[33]。检测工作由无锡石油地质研究所实验测试中心完成,所用仪器为GC-2010气相色谱仪(日本岛津公司生产,配AOC5000 自动进样器、FID检测器)。

2.3.3 顶空气检测

土壤样品取样时迅速装入300 mL预先加入100 mL过饱和氯化钠溶液的密封瓶中,剩余50 mL空间,立即密封,倒置到达气液固相平衡。震荡30 min,用注射器向密封瓶注入适量过饱和氯化钠溶液,使瓶内为正压。使用玻璃注射器抽取脱出气体,以排水集气法注入盛过饱和氯化钠溶液的密封瓶内进行气相色谱分析检测[34]。检测工作由无锡石油地质研究所实验测试中心完成,所用仪器为安捷伦7890A气相色谱仪和7697顶空自动进样仪(色谱柱PLOT-Q:30 m×0.53 mm×40 μm)。

2.3.4 土壤蚀变碳酸盐检测

称取2 g样品放入500 ℃的氧化炉中,恒温通氧氧化1 h。冷却后将样品放入600 ℃恒温密封分解炉中1 h,分解出的气体接气相色谱进行测定[35]。检测工作由无锡石油地质研究所实验测试中心完成,采用HP5890Ⅱ型色谱仪,由外标法进行定量,使用Wasson KC5色谱柱 (50 m×0.53 mm内径×10 μm),用氦气(纯度为99.999%) 作载气。

2.3.5 微量元素检测

称取50 mg样品置于恒温250 ℃的热释炉中热释6 min,30 s取出捕获器放入热释炉中进行捕获,按照标准曲线测定吸光值[36]。检测工作由无锡石油地质研究所实验测试中心完成,所用仪器为意大利MilestoneDMA-80测汞仪。

2.3.6 土壤气检测

将取样器插入土壤中,通过大气采样器抽取土壤中的气体,接入测氡仪后启动仪器,静置15 min后即可读取观测值;用捕汞管富集形成汞齐,将捕汞管接入测汞仪进行进样分析。检测工作由无锡石油地质研究所实验测试中心完成,所用仪器为意大利MilestoneDMA-80测汞仪以及FD216型测氡仪。

3 实验结果与综合研究

3.1 常规地球化学特征

半汤温泉地热田A—A’剖面顶空气(甲烷、二氧化碳、氢气、氦气)、土壤气(汞、氡气)、酸解烃甲烷、蚀变碳酸盐及微量元素S、Hg的浓度分布特征如图2所示。

图2

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图2   半汤温泉A-A’剖面上方地球化学指标异常特征

Fig.2   Abnormal characteristics of geochemical indices over A-A’profile in Bantang hot spring


半汤温泉地热田剖面蚀变碳酸盐平均含量为1.71%,最高浓度值为12.50%,最高浓度值主要分布于地热田F3断层与F2断层之间,且在空间分布上受F3、F5断层控制明显,F3、F5断层交汇部位的高浓度碳酸盐显示含有大量HCO3-、Ca2+离子的地下水沿断层上升运移到近地表,沉积碳酸盐。碳酸盐指标在半汤温泉地热田剖面显示了较好的地球化学效应。

微量元素S、Hg的异常均出现在F3断层、F2断层与F5断层交汇部位上,最高值分别达到1.12%和0.48×10-6,不同指标的异常特征表现出了高度一致。

剖面中酸解烃甲烷平均值为7.74 μL/kg,最大值为43.7μL/kg,最大值分布于地热田F3 、F2断层与断层F5交汇部位上。半汤地热田含水岩组岩性主要为粉砂岩、灰岩、白云质灰岩、白云岩等碳酸盐类,水质类型为HCO3-Ca·Mg型、SO4-Ca型,反映存在水—岩相互作用,矿化度达1 948.1 mg/L。当地热田热水通过断层与微裂隙上渗运移到近地表时,因温度的变化部分溶解在热水中的碳酸盐类将沉淀在地表土壤中,泉华的形成就是泉水中大量的矿物质在流出地表时由于温度压力的变化而沉淀出来。地热田研究表明,甲烷也是常见的地热田伴生气体之一,地热田中甲烷通过垂向微渗漏至地表,被地表土壤碳酸盐矿物吸附形成化学吸附态烃类,通过酸解破坏碳酸盐矿物晶格释放出化学吸附的甲烷,可以指示地下热储[37]。

壤气氡在F2、F3断层交汇部位有明显的异常高值,指示地热田区域效果较好。壤气汞在F2、F3交汇部位温泉附近有弱幅度异常,可能由于该部位水系发育,影响了壤气汞的吸附性。

顶空氢气在剖面上多数样点未检出,无法反映剖面上地热地球化学特征。顶空氦气平均浓度为5.43×10-6,接近于大气平均值5.24×10-6。顶空轻烃样品经检测,烃类以甲烷为主,含量占99%以上,超过3/4的样品未检出乙烷及重烃成分,检测样品甲烷平均浓度为24.53 μL/L,最高浓度为196 μL/L,最高浓度点分布于F2、F3断层之间,且在半汤温泉地热田东部也检测到顶空甲烷异常点,甲烷浓度达到57.5 μL /L,可能为F1断层的显示。在半汤温泉地热田F3断层西部有2个化探采样点出现异常,顶空甲烷浓度分别为39.1 μL/L和48.8 μL/L。从半汤温泉地热田顶空甲烷剖面可以看出,顶空甲烷较好地反映了热水最有利部位及断裂的位置。

正常情况大气二氧化碳(CO2)浓度为0.039%,而半汤温泉地热田地表CO2浓度超过0.1%,高达0.115%,是大气的近3倍,呈明显高浓度异常,CO2浓度在地热井东、西两侧呈明显高浓度异常,异常高值分别分布于热田西北部边界F3断层西侧和F2断层东侧,异常空间上呈环绕热泉分布。热泉正上方CO2浓度明显低于热泉边缘,从地热田边界至地热田外围CO2浓度呈降低变化趋势。CO2在半汤温泉地热田剖面显示了很好的地球化学效应。

地球化学分析结果圈定了半汤温泉地热田的大致范围,为研究地热田上方微生物种群和群落结构的指示性提供了依据。通过半汤地热田地表地球化学特征来看,隆起山地型地热田地表地球化学指标主要受断层控制,以破碎带处地球化学异常最为显著。

3.2 微生物地球化学特征

3.2.1 半汤地热区微生物群落结构

对高通量测序结果的系统发育学分析,所有样品6 507个细菌OTU共划分为22个门(图3),其中优势细菌包括酸杆菌(Acidobacteria)、放线菌(Actinobacteria)、绿弯菌(Chloroflexi)和厚壁菌(Firmicutes)。与同类研究进行比较,董海良等[38]通过高通量测序结合环境条件来综合评价西藏和腾冲中低温温泉微生物群落地理分布特征及控制因素,结果显示中温温泉中适合产水菌门(Aquificae)和泉古菌门(Crenarchaeota),然而低温温泉(22~60 ℃)更适合异常球菌—栖热菌门(Deinococcus-Thermus)、蓝细菌门(Cyanobacteria)和绿弯菌门(Chloroflexi);极端嗜热微生物热脱硫杆菌门(Thermodesulfobacteria)与温度呈正相关,其他几种耐热微生物如异常球菌—栖热菌门(Deinococcus-Thermus)、蓝细菌门(Cyanobacteria)和绿弯菌门(Chloroflexi)与温度均为负相关关系。Guo等[39]研究了青藏高原东部地热带3个典型热场低温—高温温泉的水化学特征和微生物群落组成,结果显示中高温(55~70 ℃)温泉的优势菌为产水菌门(Aquificae)和泉古菌门(Crenarchaeota)。由此可见,前人研究的出露温泉的微生物与本研究地热田上方的微生物还是呈现一定程度的差异,而地热田区域与周边背景区样品微生物物种在门水平上未呈现显著性差异。

图3

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图3   地热田及周边样品微生物群落分布(门水平)

Fig.3   Microbial community map of different sources (Phylum level)


在纲的水平上,地热田地区土壤微生物的序列属66个纲,其中最优势的纲为放线菌(Actinobacteria),其次为酸杆菌(Acidobacteria)和厚壁菌(Firmicutes)(图4)。通过比较,地热田及周边样品也均无显著性差异,表明从大的分类尺度上,地热田的存在以及造成的周围生态环境的变化并没有使总群落发生明显演替,需要对关键种属进行进一步地解析。

图4

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图4   地热田及周边样品微生物群落分布(纲水平)

Fig.4   Microbial community map of different sources (Class level)


3.2.2 不同来源地热区微生物群落发育多样性解析

为了进一步厘清隆起山地型地热田上方微生物群落结构特征,将本次采集的半汤样品和已知的昭关样品进行比较,对两个地区样品中微生物物种采用Beta多样性分析(图5)。本研究采用多元统计分析方法得出,半汤区温泉上方的样品12、13、14呈现组内相互聚集,背景区样品较为分散,说明了地热区微生物群落特征较为一致,同时有别于背景区;同样,在昭关区地热区上方样品Z4、Z5、Z6呈现较强的相似性,聚类特征十分明显,而背景样品则较为分散。因此推测通过地热田及其周围环境的长期驯化,经过长期的演替,土壤中的微生物在科水平上形成了独特的群落结构。

图5

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图5   不同来源样品微生物群落Beta多样性分析

Fig.5   Beta diversity analysis of microbial community of soil samples from different sources


多元统计分析结合生态学群落组间差异的Metastats算法,发现半汤温泉地热区样品中相对丰度排名前五的微生物相对丰度显著高于对照,按相对丰度排序为芽孢杆菌科(Bacillaceae)、嗜氢菌科(Hydrogenophilaceae)、热脱硫弧菌科(Thermodesulfovibrionaceae)、消化链球菌科(Peptostreptococcaceae)、梭菌科(Clostridiaceae),其中芽胞杆菌科(Bacillaceae)在地热田上方的相对丰度均值约为0.210%,与背景区差值约为0.178%;嗜氢菌科(Hydrogenophilaceae)在地热田上方的相对丰度均值约为0.110%,与背景区差值约为0.108%;热脱硫弧菌科(Thermodesulfovibrionaceae)在地热田上方的相对丰度均值约为0.060%,与背景区差值约为0.057%,这3类菌种在地热田上方与背景区上方的相对丰度均值之间差值较大,可能具有很强的地热资源指示意义(表1)。

表1   半汤地热田微生物相对丰度排列

Table 1  A list of microbial relative abundances of Bantang geothermal field

排名菌种名称地热田上方
丰度均值/%		背景区丰
度均值/%		差值/%
1芽孢杆菌科(Bacillaceae)0.2103537890.0320490.178305
2嗜氢菌科(Hydrogenophilaceae)0.1102718070.0022180.108054
3热脱硫弧菌科(Thermodesulfovibrionaceae)0.0602910760.0029380.057353
4消化链球菌科(Peptostreptococcaceae)0.0418199030.0005290.041291
5梭菌科(Clostridiaceae)0.0420825630.0027360.039347
6动球菌科(Planococcaceae)0.022551160.0013320.021219
7地杆菌科(Geobacteraceae)0.018786690.0051470.01364
8类芽孢杆菌科(Paenibacillaceae)0.0272198130.0179020.009318
9黄单胞菌科(Xanthomonadaceae)0.0159096080.0075940.008316
10脱硫叶菌科(Desulfobulbaceae)0.0057234840.0011010.004622

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为了探究此类微生物是否具有区别地热区与背景区的作用,将排名前五的微生物相对丰度值与采样剖面点位一一对应。从微生物相对丰度分布来看,芽胞杆菌科(Bacillaceae)、嗜氢菌科(Hydrogenophilaceae)和热脱硫弧菌科(Thermodesulfovibrionaceae)确实属于地热敏感性菌种,并与地热田有着很好的对应关系(图6)。在地热资源地球化学勘探中,可利用这样的对应关系圈定地热田区域,为地热资源勘探提供可靠依据。

图6

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图6   半汤地热田剖面地热指示微生物相对丰度分布

Fig.6   Distribution of relative abundances of microorganisms in geothermal indication of Bantang geothermal field


4 结论

本研究在安徽巢湖半汤温泉地热田及周边设计了剖面进行生物地理学研究,以地热田区和背景区的土壤样品作为研究对象,通过高通量测序技术分析地热微生物群落结构,结合不同的地球化学指标,并与同为隆起山地型的昭关地热田进行比较,研究地热田土壤微生物的多样性和土壤地球化学指标,以及该地区微生物与地热田的相关性。

研究结果显示,半汤温泉F2断层、F3断层处顶空甲烷、壤气氡、酸解烃甲烷以及蚀变碳酸盐等化探异常明显,从半汤温泉地热田剖面可以看出,这些指标较好地反映了热水最有利部位及断裂的位置。由于地热田资源造成周围生态环境区别于非地热田生境,因此该地区土壤中微生物群落结构不同于其他生境中的群落结构。从半汤地热田剖面指示微生物相对丰度分布可以看出芽胞杆菌科(Bacillaceae)、嗜氢菌科(Hydrogenophilaceae)和热脱硫弧菌科(Thermodesulfovibrionaceae)与隆起山地型地热田有着很好的对应关系。地热田指示微生物的丰度与地球化学场高值位置响应关系较好,对地热资源的分布具有一定指示作用,但由于不同构造区域微生物群落结构有一定差异,需要后续研究中进一步探究不同构造区域地热田微生物的指示作用。

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Sasaki K, Ueda A, Zhang J, et al.

Geochemical study of hot springs associated with new geothermal exploration in the eastern part of Toyama Prefecture,Japan

[J]. Procedia Earth and Planetary Science, 2013, 7:766-769.

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Barberi F, Carapezza M L, Cioni R, et al.

New geochemical investigations in Platanares and Azacualpa geothermal sites (Honduras)

[J]. Journal of Volcanology and Geothermal Research, 2013, 257:113-134.

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McDonald I R, Murrell J C.

The particulate methane monooxygenase gene pmoA and its use as a functional gene probe for methanotrophs

[J]. FEMS Microbiology Letters, 1997, 156(2):205-210.

PMID:9513266      [本文引用: 1]

The particulate methane monooxygenase gene pmoA, encoding the 27 kDa polypeptide of the membrane-bound particulate methane monooxygenase, was amplified by PCR from DNA isolated from a blanket peat bog and from enrichment cultures established, from the same environment, using methane as sole carbon and energy source. The resulting 525 bp PCR products were cloned and a representative number of clones were sequenced. Phylogenetic analysis of the derived amino acid sequences of the pmoA clones retrieved directly from environmental DNA samples revealed that they form a distinct cluster within representative PmoA sequences from type II methanotrophs and may originate from a novel group of acidophilic methanotrophs. The study also demonstrated the utility of the pmoA gene as a phylogenetic marker for identifying methanotroph-specific DNA sequences in the environment.

Rasheed M A, Hasan S Z, Rao P, et al.

Application of geo-microbial prospecting method for finding oil and gas reservoirs

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张春林, 庞雄奇, 梅海.

烃类微渗漏与宏渗漏的识别及镇巴长岭—龙王沟地区勘探实践

[J]. 天然气地球科学, 2009, 20(5):794-800.

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Zhang C L, Pang X Q, Mei H.

Identification of microseepage from macroseepage and exploration practice in Changling-Longwanggou area of Zhenba block

[J]. Natural Gas Geoscience, 2009, 20(5):794-800.

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Zhang Y, Deng C P, Shen B, et al.

Syntrophic interactions within a butane-oxidizing bacterial consortium isolated from Puguang gas field in China

[J]. Microb.Ecol. 2016, 72:538-548.

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王万春, 刘文汇, 王国仓, 等.

沉积有机质微生物降解与生物气源岩识别——以柴达木盆地三湖坳陷第四系为例

[J]. 石油学报, 2016, 37(3):318-327.

DOI:10.7623/syxb201603004      [本文引用: 1]

生物气的主要组分甲烷是不同微生物菌群协同降解复杂有机质的终端产物,研究生物气生成过程中微生物对沉积有机质降解的生物标志化合物特征,对柴达木盆地东部生物气气源层识别具有重要意义。柴达木盆地三湖坳陷涩北一号气区第四系沉积物饱和烃生物标志化合物的研究发现,一些泥岩层内饱和烃组分遭受微生物降解,使部分正构烷烃和无环类异戊二烯烷烃消失,色谱不可分辨的复杂有机混合物显著升高。微生物降解作用明显的泥岩,降解参数升高,可溶有机质含量与烃转化率也显著升高,反映第四系部分泥岩层中高的可溶有机质含量与烃含量,是微生物活动和降解原始沉积有机质的产物。在微生物降解作用明显的泥岩中,检测到了丰富的产甲烷菌特殊生物标志化合物2,6,10,15,19-五甲基二十烷等,表明降解程度高的泥岩中,不仅厌氧降解细菌活动强烈,产甲烷菌活动也很强烈,是生物气的优质烃源岩。因此可以得出:可溶有机质含量,特别是其中烃含量以及微生物降解参数,是评价生物气气源岩的重要依据。

Wang W C, Liu W H, Wang G C, et al.

Biodegradation of depositional organic matter and identification of bio-genic gas source rocks:An example from the Sanhu depression of Qaidam Basin

[J]. Acta Petrolei Sinica, 2016, 37(3) :318-327.

[本文引用: 1]

丁力, 杨迪生, 吴宇兵.

微生物地球化学勘探技术在准噶尔盆地的应用

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Ding L, Yang D S, Wu Y B.

Application of microbial geochemical exploration technologies in the Junggar Basin

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Li X X, Mbadinga S M, Liu J F.

Microbiota and their affiliation with physiochemical characteristics of different subsurface petroleum reservoirs

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闫亮, 贾宝迁, 季苗, 等.

塔里木盆地新和地区低幅度构造油气微生物特征及有利目标区预测

[J]. 石油实验地质, 2020, 42(6):1001-1008.

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Yan L, Jia B Q, Ji M, et al.

Microbial characteristics of low-amplitude structures and prediction of favorable target areas in Xinhe area,Tarim Basin

,[J]. Petroleum Geology & Experiment, 2020, 42(6):1001-1008.

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Lundberg D, Derek S, Mieczkowski P.

Practical innovations for high-throughput amplicon sequencing

[J]. Nature Methods, 2013, 10:999-1002.

DOI:10.1038/nmeth.2634      PMID:23995388      [本文引用: 1]

We describe improvements for sequencing 16S ribosomal RNA (rRNA) amplicons, a cornerstone technique in metagenomics. Through unique tagging of template molecules before PCR, amplicon sequences can be mapped to their original templates to correct amplification bias and sequencing error with software we provide. PCR clamps block amplification of contaminating sequences from a eukaryotic host, thereby substantially enriching microbial sequences without introducing bias.

Mohammed R, Lakshmi M, Kalpana M.

The microbial activity in development of hydrocarbon microseepage:An indicator for oil and gas exploration

[J]. Geosciences Journal, 2013, 17(3):329-338.

DOI:10.1007/s12303-013-0026-y      URL     [本文引用: 1]

何晴, 王尚, 邓晔.

分子生物学技术在热泉地质微生物学研究中的应用

[J]. 微生物学报, 2019, 59(6):996-1011.

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He Q, Wang S, Deng Y.

Molecular biological technologies applied in geo-microbiology of terrestrial geothermal environments

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Shekhar S K, Godheja J, Modi D R.

Molecular technologies for assessment of bioremediation and characterization of microbial communities at pollutant-contaminated sites[G]//Bioremediation of Industrial Waste for Environmental Safety

Singapore:Springer, 2020, 18:437-474.

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Ekaterina A, Trine F, Knut R.

De novo semi-alignment of 16S rRNA gene sequences for deep phylogenetic characterization of next generation sequencing data

[J]. Microbes Environ, 2013, 28(2):211-216.

DOI:10.1264/jsme2.me12157      PMID:23603801      [本文引用: 1]

We addressed the challenges of analyzing next-generation 16S rRNA gene deep sequencing data from the uncharacterized microbial majority. This was performed using a novel de novo semi-alignment approach. The semi-alignments were based on Orthologous Tri-Nucleotides (OTNs), which are identical trinucleotides located in the same sequence region. OTNs in high error homopolymeric tracts were excluded to avoid overestimation of genetic distances. Phylogenetic information was derived assuming an exponential decay in shared OTNs between pairs of bacteria. OTN relatedness was also explored through principal component analysis (PCA). In evaluating the OTN approach we reanalyzed a dataset consisting of triplicate GS FLX titanium pyrosequencing runs for each of two experimental soil samples, in addition to analyses of the Greengenes core dataset. The conclusion from these comparisons was that the OTN approach was superior to traditional alignments both with respect to speed and accuracy. We therefore believe that our OTN-based semi-alignment approach will be a valuable contribution to future exploration of deep sequencing data.

Linhares D D C, Saia F T, Duarte R T D, et al.

Methanotrophic community detected by DNA-SIP at Bertioga's mangrove area,Southeast Brazil

[J]. Microbial Ecology, 2021, 81:954-964.

DOI:10.1007/s00248-020-01659-7      PMID:33392629      [本文引用: 1]

Methanotrophic bacteria can use methane as sole carbon and energy source. Its importance in the environment is related to the mitigation of methane emissions from soil and water to the atmosphere. Brazilian mangroves are highly productive, have potential to methane production, and it is inferred that methanotrophic community is of great importance for this ecosystem. The scope of this study was to investigate the functional and taxonomic diversity of methanotrophic bacteria present in the anthropogenic impacted sediments from Bertioga´s mangrove (SP, Brazil). Sediment sample was cultivated with methane and the microbiota actively involved in methane oxidation was identified by DNA-based stable isotope probing (DNA-SIP) using methane as a labeled substrate. After 4 days (96 h) of incubation and consumption of 0.7 mmol of methane, the most active microorganisms were related to methanotrophs Methylomonas and Methylobacter as well as to methylotrophic Methylotenera, indicating a possible association of these bacterial groups within a methane-derived food chain in the Bertioga mangrove. The abundance of genera Methylomonas, able to couple methane oxidation to nitrate reduction, may indicate that under low dissolved oxygen tensions, some aerobic methanotrophs could shift to intraerobic methane oxidation to avoid oxygen starvation.

Ning Z, He Z, Zhang S, et al.

Development of a prmA genes quantification technique and assessment of the technique's application potential for oil and gas reservoir exploration

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李清彩, 赵庆令, 安茂国, 等.

电感耦合等离子体发射光谱法测定地热水中的硫化物

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Determination of sulfide in geothermal water by inductively coupled plasma-optical emission spectrometry

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张生, 陈根文, Seward T M.

离子选择电极法测定水热气体中的硼含量及硼的气态迁移能力研究

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Zhang S, Chen G W, Seward T M.

Determination of boron content in hydrothermal vapor by ion selective electrode method:Insights into the gaseous transport of boron

[J]. Rock and Mineral Analysis, 2016, 35(4) :358-365.

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王祝, 李明礼, 邵蓓, 等.

电感耦合等离子体发射光谱法测定西藏日多温泉地热水中11种主次量元素

[J]. 岩矿测试, 2015, 34(3):302-307.

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Wang Z, Li M L, Shao B, et al.

Determination of 11 major and minor elements in geothermal water of the riduo hotsprings from tibet by inductively coupled plasma-optical emission spectrometry

[J]. Rock and Mineral Analysis, 2015, 34(3):302-307.

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姜贞贞, 刘高令, 王祝, 等.

电感耦合等离子体质谱法测定高海拔地区地热水中的微量元素

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Jiang Z Z, Liu G L, Wang Z, et al.

Determination of trace elements in thermomineral waters of a high altitude area by inductively coupled plasma-mass spectrometry

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Sagasti A J, Massini J L G, Escapa I H, et al.

Multitrophic interactions in a geothermal setting:Arthropod borings,actinomycetes,fungi and fungal-like microorganisms in a decomposing conifer wood from the Jurassic of Patagonia

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基于高通量测序技术研究页岩气区上方微生物多样性

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