淮北煤田深层地下水微生物群落特征及其水源示踪意义.pdf
《淮北煤田深层地下水微生物群落特征及其水源示踪意义.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《淮北煤田深层地下水微生物群落特征及其水源示踪意义.pdf(10页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、淮北煤田深层地下水微生物群落特征及其水源示踪意义陈家玉1,2,桂和荣2,郭艳2,李俊2(1.安徽理工大学地球与环境学院,安徽淮南232001;2.国家煤矿水害防治工程技术研究中心(宿州学院),安徽宿州234000)摘要:煤矿开采及疏水降压,打破了深层地下水的天然平衡系统,导致不同含水层微生物群落的时空变化。利用淮北煤田矿井水文孔采集深度分别为 600 和 750m 的二叠系煤系砂岩含水层(煤系)和石炭系太原组灰岩含水层(太灰)地下水样品,利用 16SrRNA 基因 V4 区测序方法,开展深层地下水微生物群落多样性测试与分析。结果表明,煤系水和太灰水样品微生物分类单元(OUTs)数目范围分别为
2、9683071 和 8203894,平均值分别为 1980.43 和 1847.81。ACE、Shannon 和Chao 值呈现煤系水太灰水、Simpson 指数呈现煤系水太灰水;太灰水和煤系水中主要优势菌门均为 Proteobacteria、Bacteroidota 和Planctomycetota,相对丰度分别介于 41.48%97.36%、0.57%48.01%和 0.13%15.29%;煤系水主要优势菌属为 Thiovirga、Hydrogenophaga 和 Flavobacterium,相对丰度分别占煤系水中总菌属的 5.98%、4.39%、3.43%。太灰水主要优势菌属为 Hyd
3、rogenophaga、Acinetobacter、Thiobacillus,相对丰度占比分别为 11.13%、4.72%和 4.40%;煤系水和太灰水含水层特有 OTU 数目分别为1759 和 4107 个;F、K+、ORP 是影响地下水微生物群落的主要环境因子,K+对太灰水菌群群落丰度的影响大于煤系水,F对煤系水和太灰水菌群群落影响相差不大;随着含水层深度的增加,F和 K+对菌群群落丰度的影响逐渐增大。淮北煤炭典型污染物 F质量浓度的升高强化了部分菌群,导致微生物群落组成发生变化。由煤田采动造成的地下水污染同时使 Thiothrix 在太灰水中得以富集。煤系水、太灰水是淮北煤田煤矿开采的主
4、要充水水源,而且具有不同的微生物群落特征,从而为煤矿涌(突)水水源识别提供了一种新的方法,为煤矿水害防治提供保障。关键词:淮北煤田;深层地下水;微生物群落;环境因子;高通量测序中图分类号:X523文献标志码:A文章编号:02539993(2023)09350310Microbial community characteristics of deep groundwater in Huaibei coalfield andits significance in water source tracingCHENJiayu1,2,GUIHerong2,GUOYan2,LIJun2(1.School
5、of Earth and Environment,Anhui University of Science and Technology,Huainan232001,China;2.National Engineering Research Center ofCoal Mine Water Hazard Controlling(Suzhou University),Suzhou234000,China)Abstract:Thenaturalbalancesystemofdeepgroundwaterisdisturbedbycoalmininganddrainagedepressurizatio
6、n,收稿日期:20220923修回日期:20221022责任编辑:王凡DOI:10.13225/ki.jccs.2022.1198基金项目:国家自然科学基金资助项目(41373095)作者简介:陈家玉(1991),女,安徽宿州人,硕士。E-mail:通讯作者:桂和荣(1963),男,安徽舒城人,教授。E-mail:引用格式:陈家玉,桂和荣,郭艳,等.淮北煤田深层地下水微生物群落特征及其水源示踪意义J.煤炭学报,2023,48(9):35033512.CHENJiayu,GUIHerong,GUOYan,et al.Microbial community characteristics of d
7、eep groundwater inhuaibeicoalfieldanditssignificanceinwatersourcetracingJ.JournalofChinaCoalSociety,2023,48(9):35033512.第48卷第9期煤炭学报Vol.48No.92023年9月JOURNALOFCHINACOALSOCIETYSep.2023leadingtotemporalandspatialchangesinmicrobialcommunitiesindifferentaquifers.Herein,groundwatersamplesofPermiancoalmeasu
8、ressandstoneaquiferandCarboniferousTaiyuanFormationlimestoneaquiferwithdepthsof600and750marecollectedfromtheminehydrologicalholesinHuaibeicoalfield,and16SrRNAgeneV4regionsequencingmethodisusedtotestandanalyzethemicrobialcommunitydiversityofdeepgroundwater.Theoperationaltaxonomicunits(OTUs)numbersofc
9、oalmeasurewaterandTaiyuanlimestonewatersamplesrangefrom9683071and8203894,respectively,withtheaveragevaluesbeing1980.43and1847.81respectively.ACE,ShannonandChaovaluesshowthatcoalmeasurewaterTaiyuanlimestonewater.SimpsonindexshowsthatcoalmeasurewaterTaiyuanlimestonewater,regardingthediversityofmicrobi
10、alcommunitycomposi-tioningroundwater.MaindominantbacteriaphyluminTaiyuanlimestonewaterandcoalmeasurewaterareProteobac-teria,Bacteroidota and Planctomycetota;their relative abundance ranging 41.48%97.36%,0.57%48.01%,0.13%15.29%,respectively.MaindominantbacteriageneraincoalmeasurewaterareThiovirga,Hyd
11、rogenophaga,andFla-vobacterium;theirrelativeabundanceaccountingfor5.98%,4.39%and3.43%,respectivelyofthetotalbacteriainthecoalmeasurewater.Hydrogenopaga,AcinetobacterandThiobacillusarethemaindominantbacteriagenerainTaiyuanlimestonewater,theirrelativeabundancebeing11.13%,4.72%and4.40%respectively.Uniq
12、ueOTUsincoalmeasureandTaiyuanlimestoneaquifersnumber1759and4107,respectively.F,K+andORParethemainenvironmentalfactorsaf-fectingthebacterialcommunityingroundwater.K+impactstheabundanceofthebacterialcommunityintheTaiyuanlimestonewatertoagreaterextentthanthatofcoalmeasurewater.Contrarily,Faffectsthebac
13、terialcommunityinthecoalmeasurewaterandTaiyuanlimestonewaterissimilar.Astheaquiferdepthincreases,sodoestheinfluenceofFandK+on the microbial community abundance.The increase of F concentration of typical pollutants in Huaibei Coalstrengthenssomebacterialcommunities,resultinginchangesinmicrobialcommun
14、itycomposition.Thegroundwaterpol-lutioncausedbycoalminingalsoenrichesThiothrixintheashwater.HuaibeicoalmeasurewaterandTaihuilimestonewaterarethemainwaterfillingsourcesforcoalmininginHuaibeicoalfield.Knowledgeofthedeepundergroundofthecoalfieldandhowdifferentwatermicrobialcommunitychange,hasbeenimprov
15、edbythiswork,therebyprovidinganewmethodforidentifyingthewatersourceofcoalminegushing(outburst),andaguaranteeforthepreventionandcontrolofwaterdisastersincoalmines.Key words:Huaibeicoalfield;deepgroundwater;microbialcommunity;environmentalfactor;highthroughputse-quencing由于煤矿资源长期无限制的开采,导致资源枯竭,灾害频发1。而水资
16、源和水环境问题反过来制约煤化工产业发展2。煤矿区地下水由于温度、氧化还原电位以及复杂的水文地质条件形成独特的微生物种群结构1,3。此外,煤炭开采的过程中,必然伴随着地下水生境的改变,进而引发微生物的繁殖与变异4。因此,探索煤矿区地下水微生物群落结构成为了解矿区污染、治理污染,从而实现水资源保护与工业稳步发展的必要手段。在开采扰动影响下,煤矿区的水文地质结构由原来相对稳态的系统转变为非稳态且复杂水力联系的系统,包括含水层、导水通道和采空区等多个方面,使煤矿区地下水动力条件、生化环境发生重大变化3。研究利用 16SrRNA 基因高通量测序技术,旨在从遗传的水平上分析采煤区地下水微生物群落组成及特征
17、,克服了绝大多数微生物不可培养的缺陷,从而更反映出地下水微生物的真实情况5-6。已有对于地下水微生物多样性的研究多集中于浅层水体7-8,而实际深层地下水微生物所处的环境更加复杂。笔者选取淮北煤田许疃矿、任楼矿、桃园矿、恒源矿和界沟矿煤系砂岩水和太原组灰岩水深层含水层利用矿井水文孔进行取样。本研究利用高通量测序技术调查深层地下水的微生物群落结构特征及其与环境变量的关系,以期了解煤矿区深层地下水微生物群落,从而为矿区地下水管理、水害防治等提供基础数据。煤矿五大灾害(突水、瓦斯突出、自燃、冒顶、煤尘),水害位居其首,水害所造成的人员伤亡仅次于瓦斯灾害,但所造成的经济损失远大于瓦斯灾害。煤矿水害防治中
18、,矿井涌水或突水水源的精准识别是煤矿的一项常规性且十分重要的工作,目前所用的手段是水位、水量、水化学等物理化学识别方法9。在淮北煤田,二叠系煤系砂岩裂隙水(简称“煤系水”)、石炭系太原组灰岩水(简称“太灰水”)都是煤矿开采的主要充水水源,研究两含水层地下水微生物群落特征及3504煤炭学报2023年第48卷其空间分布规律,可以为煤矿涌(突)水水源识别提供一种新的方法。1材料与方法1.1水文地质背景淮北煤田位于安徽省淮北平原的西北部,为新生界松散层覆盖的全隐蔽煤田。在东经 114.92118.17,北纬 32.4234.58,面积约 11350km2(图 1)。在地貌单元上属华北大平原的一部分,除
19、濉溪、肖县和宿州市北部符离集徐州一带为震旦、寒武、奥陶系等基岩裸露的剥蚀低山、残丘和山间谷地外,其余地区皆为黄、淮河冲积平原。其低山、残丘海拔高程宿黄板肖青相高大 辛 家 杨五 沟 断 层宿 东 向 斜刘土李 家 断 层夹 沟 断 层丰010 kmNT8T9C1C2C3C4C5C6C7C8C10C9C11C12C13C14T1T2T3T4T5T6T7T10T11T12T13T14T15T16T17T18T19T20T21O3桥固镇裂断宿北断裂涡断裂丰涡断裂斜向河闸西向斜肖西断层楼断层桥断层西断层龙山断层柳孜集断层长营断层断层殷童亭背斜柳断层南坪断层宿南背斜西寺坡断裂南坪向斜大刘家断层南向斜EK
20、PC2+3C1+2ZQbAr向斜逆断层背斜岩浆岩矿井煤系水采样点太灰水取样点第三系白垩系二叠系中上石炭统下中奥陶统寒武系青白口系太古界震旦系正断层图1采样点分布Fig.1Distributionmapofsamplingpoints第9期陈家玉等:淮北煤田深层地下水微生物群落特征及其水源示踪意义3505一般为+80+408m,平原区海拔高程一般为+20+50m,地势总体上呈现西北高而东南略低的微倾斜,坡降万分之一左右。淮北煤田地下水自上而下分为4 个含水层,分别为松散第四含水层(简称“四含”)、二叠系煤系砂岩含水层(简称“煤系”)、石炭系太原群灰岩含水层(简称“太灰”)和奥陶系灰岩含水层(简称
21、“奥灰”)10-11。这 4 个含水层地层主要由黏土、砂岩、石灰岩和白云岩组成(图 2)。煤系水与太灰水之间通过导水断层、岩溶陷落柱等沟通形成水力联系12。约250 m约600 m约750 m一含二含三含四含1 500 m奥灰水煤系水煤系水地面+25 m太灰水松散层黏土防水层白云石煤层石灰石砂岩图2含水层剖面示意Fig.2AquiferprofileofHuaibeicoalfield1.2样本采集地下水样品于 2021 年 11 月、2022 年 1 月和2022 年 3 月于许疃矿、任楼矿、桃园矿、恒源矿和界沟矿 5 个矿区采集深度分别为 600m 和 750m 的煤系和太灰水样。水样被储
22、存在 4L 无菌塑料瓶中,用干冰保存 24h 之内运输至实验室并过滤。电导率(EC)、溶解氧(DO)、pH、总溶解固体(TDS)、氧化还原电位(ORP)等理化指标在现场使用校准的 HACHHQd 和 ST300D(OhausShanghai,China)便携式分析仪测试。阳离子 Na+、K+、Ca2+、Mg2+和阴离子 Cl、F、NO3、SO42使用离子色谱仪(ThermoFisherICS-600-900)测试。总有机碳(TOC)质量分数通过总有机碳分析仪(TOC-VWP,Shimadzu,Tokyo,Japan)测试。HCO3采用酸碱滴定法测定。TDS 通过主要离子质量浓度总和减去一半的
23、HCO3质量浓度计算得出。所有样品阴阳离子平衡在 5%以内。1.3DNA 提取、PCR 扩增及测序地下水(4L)通过预先灭菌的 0.22m 滤膜过滤以收集生物量,然后滤膜使用干冰保存送至广东美格生物工程有限公司完成地下水 16SrRNA 测序工作。使用PowerWaterDNA分离试剂盒提取基因组 DNA。利用 1%琼脂糖凝胶电泳检测 DNA 的完整度和纯度,同时利用 NanoDropOne 检测 DNA 的浓度和纯度。使用通用细菌引物 515F(5-GTGCCAGCMGCCGCGGTAA-3)和 806R(5-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3)13-15对微生物16SrRNA基因
24、的V4区域进行扩增,扩增条件为:94 预变性 5min,94 变性 30s,52退火30s,72 延伸 30s,72 修复延伸 10min。PCR扩增及产物电泳检测则以基因组DNA为模板,根据测序区域的选择,使用带 barcode的引物及Pre-mixTaq(TaKaRa)进行。并在IlluminaMiseq平台上进行测序。1.4数据分析为了研究样品物种组成及多样性信息,对所有样品拼接过滤后的 cleantags 进行聚类,选取 97%的相似性生成微生物分类单元(OperationalTaxonomicUnits,OTUs),同时去除嵌合体,并按最小样本序列数抽平。使用RDP16S分类器获得了
25、单个OTU的分类注释15。选取 OTU 的代表性序列,与数据库进行比对获得物种注释信息。2结果与分析2.1含水层理化性质表 1 列出了含水层各参数的理化性质统计。煤系水中主要阴阳离子分别为 Na+和 HCO3,平均质量浓度分别为 658.64mg/L 和 910.25mg/L。太灰水中主要阴阳离子分别为 Na+和 SO42,平均质量浓度分别为 283.96mg/L 和 644.29mg/L。煤系水主要水化学类 型 为 NaCl 型,太 灰 水 主 要 水 化 学 类 型 为CaNaSO4型。煤系水中主要的污染物包括 TDS、Na+、F、Cl,其平均值分别是我国地下水质量标准(GB/T14848
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 淮北 煤田 深层 地下水 微生物 群落 特征 及其 水源 意义
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。