Количественный состав метана: Описать качественный и количественный состав веществ ch4. Качественный и количественный состав органических веществ

Содержание

Горение смеси метан-кислород в среде перегретого водяного пара атмосферного давления

Том 326 № 12 (2015)

Актуальность работы обусловлена необходимостью создания высокоэффективных энергоблоков по одному из направлений, предусматривающему разработку конструкции пароперегревателя и технологии перегрева водяного пара до температур выше 800 ?С сверхкритического давления перед непосредственным вводом пара в турбоустановку. Цель работы. Исследование влияния соотношения расходных энтальпийных характеристик горючей смеси (Ch5+O2) по составу, близкому к стехиометрии, и слабо перегретого водяного пара атмосферного давления на температуру реагирующих сред (продуктов сгорания в среде водяного пара), а также на качественный и количественный состав парогазовой смеси в диапазоне расходных характеристик стабильного и устойчивого горения.

Методы исследования. В работе используются отработанные методики измерений всех параметров процесса в автоматизированном режиме сбора и обработки первичной информации: температуры, давления, расхода, состава газовой конденсированной фазы. Применяется проточный метод измерения концентрации продуктовых компонентов в режиме реального времени с погрешностью ±5 %. Результаты. Выявлено, что с повышением численного значения отношения горючей смеси к спутно подаваемому водяному пару происходит постепенное повышение роли реакции неполного окисления метана. Также имеется область, где будет происходить доминирующее влияние реакции полного окислении метана при незначительной паровой конверсии метана. Это обстоятельство может свидетельствовать об уменьшении доли водорода в продуктах горения на выходе из пароперегревателя (камеры сгорания). Термодинамический анализ горения метана и кислорода в среде водяного пара необходимо проводить с учетом возможного влияния процесса паровой конверсии метана в широком интервале температур, но в большей степени при температуре более 700 ?С.
Паровая конверсия метана имеет место не только в непосредственной области смешения водяного пара на границе поверхности факела с продуктами сгорания, но и за фронтом пламени в объеме камеры сгорания.

Ключевые слова:

метан-кислородные смеси, горение, водяной пар, паровая конверсия, метан, теплоэлектростанции

Авторы:

Николай Алексеевич Прибатурин

Олег Ошеревич Мильман

Александр Романович Богомолов

Сергей Александрович Шевырёв

Сергей Сейфудинович Азиханов

Скачать bulletin_tpu-2015-v326-i12-04. pdf

Гомологи качественный — Справочник химика 21

    Это качественная реакция на многоатомные спирты — этиленгликоль, глицерин и их гомологи. [c.315]

    Из числа перечисленных ниже признаков выберите тс, которые характерны для а) изомеров, б) гомологов молекулы имеют одинаковый качественный состав, различный качественный состав, одинаковый количественный состав, различный количественный состав, свойства одинаковые, свойства различные, свойства сходные, строение одинаковое, строение различное, строение сходное. 

[c.190]


    Линейные зависимости. В практике хроматографического качественного анализа широко применяются линейные зависимости между логарифмом относительных удерживаемых объемов или индексом удерживания и числом атомов углерода в молекуле веществ, относящихся к одному гомологическому ряду, либо температурой кипения гомологов. В общем виде зависимость может быть записана следующим образом  [c. 117]

    Каждому циклу нефтегазообразования свойственна своя нефтематеринская порода со специфическим для данного цикла составом ОВ. Эта специфика наследуется нефтью. Каждому циклу соответствует свой генотип нефти. Поэтому в основе прогнозирования качественного состава углеводородных флюидов должен лежать прежде всего генотип нефти, связанный с определенным циклом нефтегазообразования. В зависимости от специфики ОВ (гумусовой или сапропелевой его основы) и термобарических условий материнской породой будет генерироваться преимущественно газ или нефть. С гумусовым типом ОВ даже при относительно низкой температуре могут быть связаны преимущественно чисто газовые скопления УВ в основном сухого метанового газа. Примесь сапропелевого материала (при сапропелево-гумусовом типе ОВ) приведет к генерации не только метана, но и его гомологов. 

[c.182]

    Качественное исследование кинетики сорбции индивидуальных жидких углеводородов от н-пентана до н-гептадекана [212] на кристаллических цеолитах СаА при различных температурах показало, что несмотря на то, что рассматриваемые гомологи имеют один и тот же не критический диаметр молекул, наблюдается сложная поли-модальная зависимость сорбционных свойств — скорости сорбции, энергии активации, теплот сорбции н-парафинов от длины молекулы. Представляет интерес сравнение данных по жидкофазной адсорбции н-алканов на цеолите СаА из их растворов в изооктане и из масляных фракций. 

[c.285]

    Попутные газы являются ценным сырьем для промышленного нефтехимического синтеза. Как видно из табл. 24, качественно они не отличаются по составу от природных газов, однако количественное отличие весьма существенное. Содержание метана в них может не превышать 25—30%, зато значительно больше его гомологов — этана, пропана, бутана и высших углеводородов. Эти газы относят поэтому к жирным, или богатым газам. [c.149]

    Для развивающегося понятия изомерии опорными понятиями служат понятия о качественном и количественном составе веществ, аллотропии и химическом строении. Поэтому это понятие может быть изучено в самом начале курса. Гомология рассматривается позже, в процессе ознакомления с предельными углеводородами. [c.246]

    Изучение изомерии и гомологии осуществляется в такой последовательности.

Сначала сообщается факт, что имеются вещества с одинаковым количественным и качественным составом, но различающиеся по свойствам (бутан, изобутан). Поиск причин этого явления привел к предположению, что различие может объясняться разным строением молекул веществ. Эти вещества были названы изомерами. В дальнейшем многочисленные факты и данные рентгеноструктурного анализа подтвердили их существование. Формулируется определение понятия. [c.247]


    Уже давно масс-спектрометр рассматривается как отличный детектор для газовой хроматографии. Полученные с его помощью спектры, подобно ИКД, дают такую информацию о качественном составе пробы, какую не могут дать иные газохроматографические детекторы. Различие между МСД и ИКД состоит в том, что первый обладает большей чувствительностью по сравнению с ИКД, кроме того, он разрушает пробу, дает информацию о массе, а не о функциональных группах и различает скорее гомологи, чем изомеры. 
[c.91]

    Таким образом, анализ материалов по газовой составляющей нефтей и конденсатов Западной Сибири позволяет выделить два основных фактора, контролирующих ее качественный состав и содержлиио. Во-первых, наличие сухого, с легким и.с.у. газа в залежах с пластовой температурой ниже 70 °С указывает на его биохимическое происхождение. Во-вторых, в зоне повышенной температуры (> 70 °С) количество газа в нефти и его состав определяются степенью окисленности исходного ОВ на стадии седиментогенеза и диагенеза. Нефти, образовавшиеся из ОВ, накопление которого протекало в восстановительной обстановке, имеют сравнительно низкие газонасыщенность и величины отношений С /С, п/ф, 6/5, /и-ксилол/о-ксилол, 2 ксилолов/этилбензол. В них повышено содержание метана, эти нефти тяжелые, сернистые. Нефти из окисленного ОВ содержат в своем составе значительно больше газа. При соответствующих термобарических условиях они способны образовывать газоконденсатные системы. Эти нефти имеют низкие плотность и сернистость, вь Сокие выход светлых фракций, содержание парафина и отношение п/ф. Среди н-алканов в них часто преобладают гомологи С —С с нечетным числом атомов С. В бензинах велики отношения б7 , /и-ксилол/о-ксилол, 2 ксилолов/этилбензол.

В газах этих нефтей и газоконденсатов повышено отношение С /С и понижено содержание метана относительно его высших гомологов. [c.122]

    Увеличение длины боковой цепи в олефине, содержащем двойную связь на конце молекулы, понижает предельную температуру. Следовательно, радикалы, образовавшиеся из высших гомологов ряда алкенов-1, распадаются легче низших гомологов. Радикалы, образовавшиеся из двузаме-щенного мономера—изобутилена, особенно нестабильны. Качественно радикалы по их стабильности располагаются в том порядке, который был установлен при высокотемпературной термической деполимеризации полимеров моно- и дизамещенных мономеров (гл. 1). 

[c.83]

    Система индексов удерживания имеет многие преимущества. Легко определить индекс, исходя из характеристик удерживания м-алка-нов. Индекс удерживания почти так же просто рассчитать, как и значение г он дает некоторое качественное представление о характеристиках удерживания. Если известны значения / нескольких неизвестных соединений, то их можно отнести к тому или иному гомологическому ряду. Например, высший гомолог в примере [c.572]

    Обычно для иллюстрации падения ориентирующего эффекта заместителя по мере его удаления от бензольного кольца приводится выход лишь одного из изомеров, что дает лишь очень приблизительную качественную оценку эффекта. Представляется более целесообразным использовать для такой оценки величину lis- По данным работы Ин.го ьда и сотр. [79] мы рассчитали значения lis Д 1я нитрования ароматических гомологов со все более удаляющейся от ядра четвертичной аммониевой группой. Результаты приведены в табл. 24. 

[c.147]

    Наиболее полно азотистые основания извлекаются из углеводородных фракций 25%-ным водным раствором серной кислоты. В составе выделенных таким образом смесей азотистых соединений преобладают гомологи пиридина и хинолинов. В ультрафиолетовом свете пиридины люминесцируют на силикагеле синим, а хинолины— белым цветом, что может служить качественной характеристикой их присутствия [4]. [c. 83]

    По-видимому, те же рассуждения можно отнести и к другим, более сложным, гомологам циклопентана, что находит подтверждение в приведенных выше экспериментальных данных. Очевидно, что с усложнением строения углеводорода появляются и другие факторы (в частности, реакция конфигурационной изомеризации ди- и полиалкилциклопентанов), осложняющие интерпретацию конечных результатов. Однако приведенные выше данные (см. с. 148) показывают безусловную качественную общность наблюдаемого эффекта сдвига селективности гидрогенолиза в сторону более экранированных связей пятичленного цикла. [c.151]

    Низшие алканы нитруют в газовой фазе (в динамической системе) при 150—500 °С. По некоторым данным, энергия активации нитрования метана составляет около 52 ккал1моль для пропана и бутана она значительно меньше. У высших гомологов метана значения энергии активации приблизительно одинаковы. Эти данные позволили сделать качественные выводы о нитровании низших алканов (С —С ) в газовой фазе.[c.297]

    Методом ультрафиолетовой и инфракрасной спектроскопии во фракции 180—200° С было качественно идентифицировано 24 типа арсэматических углеводородов состава Сэ—Сю, а также обнаружены индан и его метилированные гомологи. [c.189]

    Качественное и количественное определение в нефтях (фракция 200—250° С) адамантанов стало значительно более надежным после разработки специального метода — гидрокрекинга, в процессе которого углеводороды неадамантановой структуры претерпевают деструкцию, в то время как адамантан и его гомологи остаются неизмененными [18]. [c.102]

    Наращивание углеродной цепи на один атом углерода ведет к уве личению состава на группу СНз- Такое количественное изменение состава приводит к новому соединению, обладающему несколько иными свойствами, т. е. уже качественно отличающемуся от исходного соединения однако общий характер соединений сохраняется. Так, кроме углеводородов метана (СН4), этана (СгНб), пропана (СзНа) существуют бутан (С4Н10), пентан (С5Н12) и т. д. Таким образом, в огромном многообразии органических веществ могут быть выделены ряды однотипных соединений, в которых каждый последующий член отличается от предыдущего на группу СН2. Такие ряды называют гомологическими рядами, их члены по отношению друг к другу являются гомологами, а существование таких рядов называется явлением гомологии. [c.553]


    Как и в других гомологических рядах, в ряду метана проявляется всеобщий закон природы — закон перехода количественных изменений в качественные. Изменение состава молекулы на группу СН2 каждый раз приводит к новому веществу, которое хотя и имеет много общего с соседними членами ряда, но вместе с тем по некоторым свойствам отличается от них. Различие гомологов ясно проявляется в их физических свойствах. Низшие члены ряда предельных углеводородов (от СН4 до С4Н10) — газы средние члены (от С5Н12 до 16h44) при температуре до 20 °С — жидкости, остальные при обычных условиях находятся в твердом состоянии. Во всех случаях температуры кипения и затвердевания тем выще, чем больше молекулярная масса углеводорода.[c.562]

    Понятия организация и самоорганизация имеют очень широкое распространение во многих отраслях знания и обычно характеризуются как общенаучные понятия. Применительно к химии оба они до недавнего времени не имели существенного значения в химии безраздельно господствовало понятие структура , которое было введено в середине XIX в. для характеристики (наряду с понятием состав ) главного фактора, определяющего свойства и реакционную способность молекул реагента. Теперь понятие организация прочно вошло в познавательные средства химии потому, что с его помощью можно характеризовать не только свойства молекул как дореакционных систем, но и свойства реакционных систем, т. е. совокупности реагирующих и качественно изменяющихся молекул. Поэтому понятия структура молекулы и организация кинетической системы следует рассматривать как понятия-гомологи. [c.190]

    В табл. 4 сопоставлены свойства гомологов метана с нормальной цепью. Из приведенных данных видно, что метан, этан, пропан и бутан при обычных условиях представляют собой газы они почти не имеют запаха. Пентан и следующие за ним углеводороды (вплоть до С16Н34) — жидкости с характерным бензиновым запахом и различной, постепенно снижающейся летучестью. Высшие предельные углеводороды — твердые нелетучие вещества, не имеющие запаха. Эта закономерность в изменении свойств по мере усложнения количественного состава в гомологических рядах углеводородов была открыта К- Шорлеммером. Ф. Энгельс отметил ее как один из наиболее ярких примеров проявления закона диалектики о переходе количественных изменений в качественные. [c.50]

    Идентификация неизвестного соединения по параметрам удерживания на одной неподвижной фазе часто оказывается ненадежной из-за случайного наложения хроматографических зон гомологов и изомеров, принадлежащих к различным гомологическим рядам. Поэтому в практике качественного газохроматографического анализа прибегают к исследованию характеристирс удерживания веществ неподвижными фазами различной условной хроматографической полярности. Совокупность данных по удерживанию вещества на нескольких (трех-четырех) колонках с различными неподвижными фазами позволяет проводить групповую классификацию, а в некоторых случаях и однозначно идентифицировать неизвестное соединение.[c.290]

    Неоднократно обсуждался вопрос об изменении состава изопреноидов из-за разной термической устойчивости высших и низших гомологов, в том числе фитана и пристана. В экспериментах Г.И. Сафоновой по моделированию процессов катагенеза нефтей было прямо отмечено, что происходящие изменения не затрагивают величину отношения п/ф 32]. Ал.А. Петров [25] приводит результаты анализа продуктов, образовавшихся в ходе термической деструкции асфальтенов. При крекинге асфальтенов (350 °С) выход УВ достигал 5-10 %. Ал.А. Петров отмечает качественное сохранение отношения п/ф при небольшой степени деструкции асфальтенов. Но даже если новообразованные УВ будут иметь иное отношение п/ф и если допустить возможность полного разложения содержащихся в нефти, например, 5 % асфальтенов (это почти на порядок больше, чем в среднем по нефтям Западной Сибири), то все равно количество новообразованных УВ будет недостаточным для того, чтобы существенно изменить величину п/ф исходной нефти.[c.12]

    Возможности масс-спектрометрического метода при установлении структуры алициклических углеводородов весьма ограничены. Массовое число пика М+ позволяет легко определять степень цикличности. Однако качественные картины распада этих соединений довольно близки. Основные пики в их масс-спектрах возникают в результате отрыва алкильных заместителей (распад А-1), выброса нейтральных молекул олефинов, как правило, из цикла (распад В), сложного расщепления циклической части, часто сопровождающегося водородными перегруппировками. В низкомолекулярных областях масс-спектров таких соединений присутствуют интенсивные пики ионов, которые являются характеристичными для ненасыщенных углеводородов. Например, моноциклическим углеводородам свойственны пики ионов [ h3n-i]+ miz 41, 55, 69 и т.д.), а бициклическим — [С Н2 -з]+ miz 39, 53, 67 и т.д.), интенсивности которых используются в характеристических суммах при структурногрупповом анализе парафино-нафтеновых фракций нефтей [25J. Основные первичные акты расщепления М+- происходят, очевидно, у центров разветвления, т. е. у С-атомов, несущих заместители или находящихся в месте сочленения циклов. Очень частыми для нафтеновых углеводородов являются реакции расщепления колец с выбросом нейтральных молекул С Н2п, что приводит к так называемым псевдомолекулярным ионам, обладающим массой, равной молекулярным массам низших гомологов. [c.33]

    Изучалась растворимость и солюбилизация 15 углеводородов в воде и растворах у-глобулина, сывороточного альбумина человека (ЧСА), лизоцима. В качестве углеводородов использовали гомологи алифатического ряда — гептан, октан, нонан, декан, додекан, тридекан, тетрадекан, пентадекан и ароматического — бензол, толуол, /г-ксилол, этилбензол, изопропилбензол, а также сквалан (С24Н44(СНз)д) и циклогексан. Результаты исследований представлены в табл. 12. Прежде всего необходимо отметить, что для всех изученных белков величина связывания зависит от молекулярного объема углеводорода (в случае лизоцима зависимость выражена нечетко). Увеличение длины цепи нормального парафина или алкильной группы у бензольного ядра приводит к значительному уменьшению солюбилизации, что согласуется с результатами работы [105]. Качественный характер зависимости величины связывания углеводородов от молекулярного объема аналогичен для ароматических и парафиновых углеводородов. Однако, как хорошо видно из табл. 12, связывание углеводородов ароматического ряда существенно меньше связывания парафинов при равных объемах молекул. [c.39]

    Дается анализ, особенностей видовой чувствительности и общей реактивности различных систем организма и популяции рыб при отравлении различными химическими соединениями (10 веществ ПАВ. бензол, его гомологи я др.), а также пршодятся сведения о методической разработке экспериментальных работ на рыбах по установлению предельно допустимых концентраций веществ (ПДК) Выявлена высокая чувствительность радужных форелей к отравлениям. Чувствительными показателями прн установлении ПДК веществ оказались а) оценка клинического и патологического состояния организмов и популяции рыб- б) и. ч-менение количественных и качественных показателей лейкоцитов в) изменение суммарного веса и привеса единицы ихтиомассы за период опытов. Разработана схема проведения токсикологического- эксперимента и обоснованы трехмесячные сроки проведения хронических опытов на рыбах при установлении ПДК веществ. [c.295]

    Основные научные работы посвящены синтезу и качественному анализу азотсодержащих гетероциклических соединений. Синтезировал изохинолип и фенилизохино-лин (1885), фталазин и его гомологи, Обнаружил (1877) совместно с Л. Михаэлем, что фталевый ангидрид может участвовать в реакции Перкина в качестве карбонильного компонента. Открыл (1887) способ синтеза первичных аминов взаимодействием органических галогенпроизводных с фтали-мидом калия и последующим гия- [c.122]

    Известно, что сульфолан и его гомологи получаются каталитическим гидрированием соответствующих сульфоленов [1], но крайне мало сведений о влиянии строения на скорость их гидрирования. По данным Беккера и Цудевийна [1], скорость гидрирования гомологов сульфолена уменьшается при введении заместителей в а-положение по отношению к сульфоновой группе. Исследования этих авторов носят качественный [c.182]

    Из З.З-диметплгексана над платинированным углем качественно были получены те же углеводороды, что и из 1.1-диметилциклогексана (метан, толуол, м-ксилол). Кроме того, при 300 в катализате при помощи спектров комбинационного рассеяния света удалось установить наличие 1.1-диметилциклогексана. При более высокой температуре (315—346°) 1.1-диметилциклогексан, повидимому, распадается с такой же скоростью, как и образуется, а потому и не может быть обнаружен среди продуктов реакции. Таким образом, в резу.льтате этого исследования можно считать установленным, что парафиновые углеводороды прп ароматизации их на платинированном угле первоначально образуют гомологи циклогексана, а последние уже дегидрируются до гомологов бензола. Вероятно, обе эти стадии протекают на разных активных центрах катализатора.[c.218]

    Для качественного анализа газохроматографических элюентов Уолш и Мерритт [55] недавно применили специальные классификационные реагенты на функциональные химические группы. В сочетании с данными по удерживанию эти испытания часто дают возможность идентифицировать компоненты. В табл. Х1-1 перечислены классификационные реагенты, оказавшиеся полезными, с указанием минимального обнаруживаемого анализом количества компонента и числа испытанных гомологов. [c.270]

    Ряд неаналитических применений газовой хроматографии основан на использовании корреляций между характеристиками удерживания и свойствами элюируемых веществ. Такие корреляции нашли широкое применение в аналитической хроматографии для целей качественного анализа. Известные линейные соотношения между логарифмом относительного удерживаемого объема и температурой кипения веществ (или логарифмом давления насыщенного пара) справедливы для группы гомологов (в определенных пределах), а также в ряде случаев для изомеров (например, для изопарафиноЕ с одинаковым числом углеродных атомов в молекулях) [67]. Подобные соотношения позволяют с определенной точностью вычислить температуры кипения веществ и другие характеристики [68—72]. Ряд возможностей такого рода имеется и для определения свойств неподвижных фаз [73—77]. [c.19]

    Если в органическом соединении имеется несколько кратных связей, поведение их при химических процессах зависит от их взаимного положения. В том случае, когда кратные связи разобш,ены не менее чем двумя простыми связями, они в общем ведут себя автономно, как обычные кратные связи, и их взаимное влияние изменяет свойства каждой из них только в количественном отношении, например сказывается на скоростях реакций присоединения . Если же кратные связи разобщены только одной простой связью, т. е. являются сопряженными, их взаимное влияние настолько велико, что они уже характеризуются новыми качественными отличиями. При этом следует в свою очередь различать сопряженные углерод-углерод кратные связи в соединениях типа дивинила (I) и его алкилзамещенных гомологов и сопряженные связи, в системе [c. 399]


Вклад метана в изменение климата сильно недооценен

На предстоящем в декабре саммите ООН по изменению климата должна обсуждаться проблема выброса в атмосферу Земли не только углекислого газа, но и метана. Так считают ученые, которые в результате нового компьютерного моделирования парникового эффекта обнаружили, что вклад метана в изменение климата сильно недооценен.

Действительные последствия выбросов парниковых газов в атмосферу Земли значительно отличаются от тех, которые предсказывает Межправительственная группа экспертов по изменению климата. Так считают ученые в своей статье, опубликованной в новом номере журнала Science. В этой работе рассказывается о новом исследовании парникового эффекта, в котором принимались во внимание сложные химические взаимодействия между атмосферными газами и аэрозолями.

Сотрудник Института космических исследований имени Годдарда при NASA Дрю Шинделл вместе со своими коллегами провел компьютерное моделирование земной атмосферы, которое показало, что взаимодействие выброшенных газов и аэрозолей, содержащихся в атмосфере, со временем может существенно изменить количественный состав этих газов в атмосфере. В частности ученые обнаружили, что метан, который попадает в атмосферу, оказывает на нее гораздо большее влияние, чем углекислый газ, выбросы которого, как принято считать, наиболее эффективно участвуют в глобальном потеплении.

Вклад метана в парниковый эффект, согласно результатам Шинделла и его коллег, на треть больше, чем считается в современных принятых моделях.

К тому же метан быстрее разрушается в атмосфере, и потому его воздействие на климат проявляется раньше, чем воздействие на климат углекислого газа.

«Мы обнаружили, что взаимодействие газ—аэрозоль существенно меняет относительный вклад в парниковый эффект выброса различных газов, — говорится в статье. — В частности эмиссия метана имеет большее влияние, чем учитываемый в квотах по Киотскому протоколу углекислый газ».

В атмосфере Земли содержится большое разнообразие аэрозолей. Некоторые из них, например сажа, тоже вносят вклад в парниковый эффект. А вот сульфатные аэрозоли обладают обратным свойством и охлаждают атмосферу. Как считают авторы моделирования,

метан, взаимодействуя с этими аэрозолями, уменьшает их количество и, следовательно, сводит к нулю вызванный ими эффект охлаждения.

«В настоящее время вклад метана недооценен, — прокомментировал Дрю Шинделл газете The Times свою публикацию в Science. — Главный вывод нашей работы состоит в том, что нужно рассматривать парниковые газы в целом, а не только углекислый газ. Ведь если в вычислениях допустить ошибку в одном из параметров, то вряд ли вы получите точный результат».

В свете новых результатов авторы полагают, что при рассмотрении на высоком уровне проблемы парникового эффекта — например в декабре в Копенгагене, на саммите ООН по изменению климата — нужно принимать во внимание не только соотношение выбросов газов, а и взаимодействие газов и аэрозолей. «Нужно существенно сокращать выбросы метана, углекислого газа и сажи. Я считаю, что этот вопрос должен быть приоритетным в Копенгагене», — утверждает Дрю Шинделл.

Один из специалистов, изучающих глобальное потепление, Кейт Шайн, в интервью The Times согласился с результатами работы Шинделла и его коллег, но при этом добавил, что главную опасность все равно несет углекислый газ, который не так быстро, как метан, влияет на парниковый эффект.

«Его влияние на климат в долгосрочной перспективе слишком велико. Если сейчас на это закрыть глаза, то у наших потомков будут большие проблемы», — считает Шайн.

Публикацию в Science с результатами моделирования парникового эффекта с учетом взаимодействия газа и аэрозолей сопровождают две статьи-комментария. В одной Дэвид Пэрриш из Национальной океанической и атмосферной службы США в Боулдере (штат Колорадо) и Тон Чжу из Пекинского университета обсуждают возможность уменьшить вклад вредных выбросов больших городов (с населением более десяти миллионов) в изменение климата. Во второй сопроводительной статье Альмут Арнет из шведского Университета города Лунд с коллегами обсуждают непропорциональность связи между уровнем загрязнения воздуха в результате деятельности человека и изменением климата, указывая на то, что этот вопрос еще плохо изучен, — что и подтверждает работа Шинделла и его коллег.

Контроль ПДК воздуха рабочей зоны для углеводородов алифатических предельных С2-С10

Об измерении ПДК углеводородов предельных алифатических С2-С10 фотоионизационными и недисперсионными инфракрасными газоанализаторами

 

В гигиенических нормативах ГН 2. 2.5.3532-18 приведены ПДК для предельных алифатических углеводородов С210 (в пересчете на углерод) в воздухе рабочей зоны, которые составляют 300 мг/м3 – среднесменная, 900 мг/м3 – максимальная разовая (ПДК метана — 7000 мг/м3).

Качественный и количественный состав паров углеводородов нефти отражает состав жидкой нефти, которая содержит предельные алифатические, нафтеновые (предельные циклические), непредельные и ароматические углеводороды. Эти же компоненты присутствуют в парах нефти (а также нефтепродуктов) в воздухе. Возникает вопрос, какие газоанализаторы могут использоваться для селективного измерения в них алифатических предельных углеводородов. 

Фотоионизационные газоанализаторы измеряют содержание в воздухе алифатических, непредельных и ароматических углеводородов; селективное измерение алифатических углеводородов в присутствии соединений других классов невозможно.

В настоящее время для контроля предельных алифатических углеводородов предлагается использовать газоанализаторы с недисперсионными инфракрасными (ИК) детекторами (ПГА, ГИАМ и пр. ).

ИК-спектроскопия используется для идентификации углеводородов и других органических веществ, но это возможно только при условии измерения полного спектра поглощения в ИК-области. Для контроля воздуха рабочей зоны используются ИК-детекторы, в которых концентрация измеряется по интенсивности поглощения ИК-излучения на одной длине волны. Углеводороды С2-С10 измеряются по поглощению на длине волны 3,4 мкм, которое связано с валентными колебаниями связей С-Н алкильных групп, все соединения, содержащие алкильную группу, имеют поглощение на этой длине волны и, следовательно, вносят вклад в результаты измерений. ИК-детектор также не может обеспечить селективное измерение концентрации предельных алифатических углеводородов С2-С10.

Таким образом, селективное измерение предельных алифатических углеводородов С2-С10 с помощью фотоионизационных и недисперсионных инфракрасных газоанализаторов в присутствии других компонентов нефти и нефтепродуктов невозможно.

Вместе с тем с точки зрения безопасности персонала применение этих газоанализаторов для проверки соблюдения ПДК алифатических предельных углеводородов правомерно: результаты измерения газоанализаторов выше (примерно на 30%), чем действительная концентрация алифатических предельных углеводородов, что гарантирует своевременное  обнаружение повышенной концентрации этих веществ.

Селективное измерение алифатических предельных углеводородов возможно, например, с помощью газовой хроматографии (методика измерения изложена в  ПНД Ф 13.1:2:3.25-99 (номер в реестре ФР.1.31.2015.20480. Методика выполнения измерений массовых концентраций предельных углеводородов С1-С10 (суммарно, в пересчете на углерод), непредельных углеводородов С2-С5 (суммарно, в пересчете на углерод) и ароматических углеводородов (бензола, толуола, этилбензола, ксилолов, стирола) при их совместном присутствии в атмосферном воздухе, воздухе рабочей зоны и промышленных выбросах методом газовой хроматографии). 

 

Количественный анализ выбросов метана от твердых бытовых отходов в Индии

Сбор данных и определение характеристик отходов

Это исследование было проведено для определения образования и состава отходов в различных частях страны. Было замечено, что состав отходов зависит от различных факторов, в том числе пищевых привычек и социально-культурной практики сообщества, климата и дохода сообщества 41,42 . Исходный состав ТБО в большинстве индийских городов состоит из фракции органических веществ, варьирующейся от 40 до 60 %, за которой следуют фракции земли и золы (30–40 %), бумаги (3–6 %), пластика, стекла и металлы (по 1%) 27 .Кумар и др. . 9 , сообщается, что в состав бытовых отходов входят 30–70 % быстро биоразлагаемых органических веществ, 0,6–31 % бумаги и картона и 1–16 % пластиковых материалов 9 . В данном исследовании мы предполагаем, что 70% ТБО попадает на свалку. Эффективность сбора в Индии низкая по ряду причин (например, плохо спроектированные контейнеры, открытые свалки, транспортные средства для сбора и частота сбора отходов). Средняя эффективность сбора ТБО в городах и штатах Индии составляет примерно 70% 23,43,44 .Данные об образовании ТБО за периоды 1999–2000 и 2009–2012 годов были получены из Центрального совета по контролю за загрязнением (CPCB 2013, 2016), а данные о ВВП за те же годы были взяты из Центрального статистического управления правительства Индии. Данные о населении страны были взяты из переписи населения Индии 37 .

Расчет выбросов CH5 от свалок

Среди доступных методов оценки выбросов CH 4 от свалок самый простой был предложен Bingemer and Crutzen (1987) 45 и пересмотрен МГЭИК в 1996 г.Это метод массового баланса, который обеспечивает фактические выбросы от свалки, и он широко используется, когда подробные данные недоступны. Выбросы CH 4 от ТБО были рассчитаны в соответствии с Kumar et al . 9 :

$$C{H}_{4}\,(Гг/год)=(MS{W}_{T}\times MS{W}_{F})\times MCF\times DOC \times DO{C}_{F}\times F\times (\frac{16}{12}-R)\times (1-OX)$$

(1)

, где 1 Гг/год = 1000 тонн/год.

В уравнении 1, ТБО T  = общее количество образующихся твердых отходов (Гг/год),

ТБО F  = доля ТБО, попадающих на свалки (в данном исследовании считается 70%, поскольку остальные ТБО считались потерянными в результате переработки, повторного использования или других процессов),

MCF = Поправочный коэффициент на метан и

DOC = Разлагаемый органический углерод, который можно рассчитать по следующему уравнению:

$${\rm{ DOC}} = 0,4 {\ rm {A}} + 0,17 {\ rm {B}} + 0. 15 {\ rm {C}} + 0,3 {\ rm {D}} $ $

(2)

где A = бумага, картон и тряпки, B = листья, солома и др., C = плодоовощные отходы и D = древесина,

DOC F  = значение рассеянного заполняющего газа, принятое за 0,77 ( при температуре 35 °C 9,10 ),

F = доля метанового газа, которая считалась 0,5,

R = извлекаемый метановый газ, которая принималась за 0 для данного исследования, в качестве методов регенерации свалочных газов в большей части Индии не были приняты 9 и

OX = коэффициент окисления, который также считался равным 0 (значение по умолчанию) и учитывал газообразный метан, который окислялся в верхнем слое отходов в присутствии кислорода.

МГЭИК выявила в модели два типа неопределенностей, но модель дает разумные оценки для регионов, где данные об образовании отходов ограничены.

Неопределенность в модели следующая: во-первых, методология предполагает, что каждый год добавляется постоянное количество отходов и что образование CH 4 одинаково в каждый год. Таким образом, временные приращения на полигонах не учитываются, что может привести к завышению значения эмиссии метана.Количество выбрасываемых отходов является очень чувствительным параметром в методологии по умолчанию.

Во-вторых, неопределенности в оценках MSW T и MSW F могут вызвать большую неопределенность в оценке общих выбросов метана. Модель также чувствительна к составу отходов; содержание DOC чувствительно к небольшим изменениям в предполагаемых значениях, которые могут изменить общую оценку выбросов метана.

Модифицированный треугольный метод: MTM лучше всего подходит для регионов, где данные о характеристиках отходов не являются подходящими/неадекватными.Этот метод предполагает, что разложение отходов происходит в две фазы: во-первых, разложение отходов начинается через год после их захоронения, а скорость образования газа достигает пика в течение первых 6 лет. На второй фазе газообразование линейно уменьшается до нуля к 16 году (рис. 6). Количество выпущенного газа основано на FOD в треугольной форме, как показано на рис. 6, для оценки выбросов для Дели. Суммарное образование газа (G) за период с t  + 1 по t  + 16, где t – год размещения отходов, определяется по формуле:

Рисунок 6

Треугольная форма газообразования.{Tk})\,\ast \,MSW\,\ast \,MCF\,\ast \,DOC\,\ast \,DO{C}_{F}\,\ast \,F\,\ast \,\frac{16}{12}-R)\,\ast \,(1-OX)$$

(3)

$$K=\frac{ln2}{{t}_{\frac{1}{2}}}$$

(4)

где E Ch5 – выбросы метана от полигона ТКО,

T – кадастровый год, для которого рассчитываются выбросы,

k – константа скорости реакции,

t 1/2 – половина -жизнь метана,

ТБО – общее количество ТБО, вывозимых на свалку,

MCF – поправочный коэффициент метана,

DOC – доля разлагаемого органического углерода,

DOC F – доля общего DOC, которая разлагается,

F — доля метана в свалочном газе,

16/12 — коэффициент конверсии (CH 4 /C),

R — показатель рекуперации метана,

OX — коэффициент окисления . Значения используемых здесь параметров были получены из IPCC 8 .

Основанная на составе модель адсорбции метана перезрелыми сланцами в формациях Вуфэн и Лунмаси, Сычуаньский бассейн

https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.130766Получить права и содержание Измерены изотермы адсорбции метана при высоком давлении в 106 сланцах Wufeng-Longmaxi.

Органические вещества и глина являются основными составляющими, контролирующими факторы адсорбции метана.

Изотерма сланца представляет собой линейную суперпозицию изотермы его органического вещества и глины.

V L , P L и ρ объявления оказываются определенными, но разными для единицы органического вещества и глины.

Предложена количественная композиционная модель количества адсорбированного метана.

Abstract

Сланцевая формация Wufeng-Longmaxi в бассейне Сычуань является основным пластом разведки и разработки сланцевого газа в Китае. Адсорбированный метан составляет важную часть общего содержания сланцевого газа. Влияние состава сланца на адсорбционные характеристики сложное, и трудно получить полное представление без достаточного количества данных. В данной работе использованы общий органический углерод (ТОС), рентгеноструктурный анализ минералов (РФА) и изотермы адсорбции избыточного метана при давлении до 50 МПа при 40 °C для 106 образцов перезрелых сланцев с содержанием общего органического углерода 0,8%-9,0. % и содержанием глины от 2% до 58%, которые относятся к формации Wufeng-Longmaxi из 10 скважин сланцевого газа в бассейне Сычуань, Китай, экспериментально исследованы и проанализированы.Новые корреляции, обнаруженные между составами и характеристическими параметрами адсорбции метана, позволяют установить основанную на составе модель адсорбции метана, согласно которой изотерма избыточной адсорбции сланца представляет собой взвешенную по содержанию сумму эквивалентных изотерм избыточного содержания единицы содержания для органического вещества и глины. С помощью этой модели раскрываются различия изотерм избытка этих двух составов и различия вклада глины в адсорбцию метана для разных подслоев. Полезно повысить точность оценки сланцевых коллекторов изучаемых блоков при условии ограниченного отбора керна и углубить понимание лежащего в основе механизма характеристик адсорбции метана.

Ключевые слова

Shale Gas

Wufeng-longmaxi

adsormplation метана

Langmuir Давление

Langmuir Давление

Глина

Рекомендуемые статьи

Посмотреть полный текст

© 2021 Опубликовано Fullvier B.V.

Произошла ошибка настроек вашего пользователя Cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.


Настройка браузера на прием файлов cookie

Существует множество причин, по которым файл cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее распространенные причины:

  • В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки браузера, чтобы принять файлы cookie, или спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
  • Ваш браузер спрашивает, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файл cookie.
  • Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Попробуйте другой браузер, если вы подозреваете это.
  • Дата на вашем компьютере в прошлом.Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы это исправить, установите правильное время и дату на своем компьютере.
  • Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу.Предоставить доступ без файлов cookie потребует от сайта создания нового сеанса для каждой посещаемой вами страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.


Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в файле cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файле cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта.Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, если вы не решите ввести его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступ к остальной части вашего компьютера, и только сайт, создавший файл cookie, может его прочитать.

ПРАЙМ PubMed | Фосфолипидный состав метан-утилизирующих бактерий

Abstract

Изучены фосфолипиды Methylococcus capsulatus, Methylosinus trichosporium, La Paz и OBT в зависимости от их качественного и количественного состава.M. capsulatus демонстрирует фосфолипидный состав, состоящий из фосфатидилэтаноламина, фосфатидилглицерина, кардиолипина и фосфатидилхолина. Этерифицированные жирные кислоты были преимущественно C16:0 и C16:1. M. trichosporium, La Paz и OBT показали практически идентичный состав фосфолипидов, состоящий из фосфатидилмонометилэтаноламина, фосфатидил-диметилэтаноламина, фосфатидилхолина и фосфатидилглицерина. В этих организмах были обнаружены только следовые количества (менее 1%) кардиолипина.Основной этерифицированной жирной кислотой в этих организмах была С18:1 (от 87 до 90%). Мононенасыщенные жирные кислоты всех четырех организмов состояли как из цис-, так и из транс-изомеров, каждый из которых содержал дельта8, дельта9, дельта10 и дельта11 позиционные изомеры двойной связи.

Цитирование

Макула Р.А. «Фосфолипидный состав метан-утилизирующих бактерий». Журнал бактериологии, vol. 134, нет. 3, 1978, стр. 771-7.

Макула РА. Фосфолипидный состав метан-утилизирующих бактерий. J Бактериол . 1978;134(3):771-7.

Макула, Р. А. (1978). Фосфолипидный состав метан-утилизирующих бактерий. Журнал бактериологии , 134 (3), 771-7.

Макула РА. Фосфолипидный состав метан-утилизирующих бактерий. J Бактериол. 1978;134(3):771-7. PubMed PMID: 96101.

TY — JOUR T1 — Фосфолипидный состав метан-утилизирующих бактерий. А1 — Макула,Р А, PY — 1978/6/1/опубликовано PY — 1978/6/1/медлайн PY — 1978/6/1/антрез СП — 771 ЭП — 7 JF — Журнал бактериологии JO — J Бактериол ВЛ — 134 ИС — 3 N2 — Исследованы фосфолипиды Methylococcus capsulatus, Methylosinus trichosporium, La Paz и OBT в отношении их качественного и количественного состава.M. capsulatus демонстрирует фосфолипидный состав, состоящий из фосфатидилэтаноламина, фосфатидилглицерина, кардиолипина и фосфатидилхолина. Этерифицированные жирные кислоты были преимущественно C16:0 и C16:1. M. trichosporium, La Paz и OBT показали практически идентичный состав фосфолипидов, состоящий из фосфатидилмонометилэтаноламина, фосфатидил-диметилэтаноламина, фосфатидилхолина и фосфатидилглицерина. В этих организмах были обнаружены только следовые количества (менее 1%) кардиолипина.Основной этерифицированной жирной кислотой в этих организмах была С18:1 (от 87 до 90%). Мононенасыщенные жирные кислоты всех четырех организмов состояли как из цис-, так и из транс-изомеров, каждый из которых содержал дельта8, дельта9, дельта10 и дельта11 позиционные изомеры двойной связи. СН — 0021-9193 УР — https://www.unboundmedicine.com/medline/citation/96101/фосфолипидная_композиция_из_метана_утилизирующих_бактерий_ L2 — https://journals.asm.org/doi/10.1128/jb.134.3.771-777.1978?url_ver=Z39.88-2003&rfr_id=ori:rid:crossref.org&rfr_dat=cr_pub=pubmed ДБ — ПРАЙМ ДП — Свободная медицина Скорая помощь —

Границы | Микробные и изотопные данные о круговороте метана в углеводородсодержащих подземных водах из региона Пенсильвания

Введение

Подземные воды и водоносные горизонты представляют собой сложные и изменчивые экосистемы, имеющие решающее значение для геохимических циклов (Griebler and Lueders, 2009), соединяющие подземные и поверхностные биомы. Эти среды чрезвычайно чувствительны к возмущениям и загрязнению (Datry et al., 2004). Поэтому предполагается, что присутствие метана, а также следов концентрации других алканов, таких как этан и пропан, в подземных водах окажет влияние на экосистему подземных вод. Действительно, эти углеродные субстраты потенциально могут поддерживать важную микробную пищевую цепь в водоносных горизонтах (Баркер и Фриц, 1981). Предыдущие исследования водоносных горизонтов, загрязненных нефтяными углеводородами, продемонстрировали изменения в составе микробного сообщества после поступления углеводородов и возможность биоразложения углеводородов различными микробными сообществами, что было обусловлено наличием акцептора электронов (Vroblesky and Chapelle, 1994; Chapelle et al., 2002). Метан является обычным следовым компонентом подземных вод (Zhang et al., 1998), иногда составляющим более 20% общего углерода (Barker and Fritz, 1981).

Метан в водоносных горизонтах может иметь различное происхождение. Метан термогенного происхождения может подниматься из глубоких, а также из более мелких резервуаров углеводородов в более мелкие слои отложений и водоносные горизонты из-за миграции природного газа. Термогенный метан обычно характеризуется изотопными сигнатурами тяжелого углерода (от -50 до -20 ‰) и дейтерия (от -275 до -100 ‰) в результате созревания органического вещества, которое является источником термогенного метана (Whiticar, 1999). .Метан также может образовываться локально в результате деятельности микробов в неглубоких бескислородных водоносных горизонтах (Beeman and Suflita, 1990; Kleikemper et al., 2005). Биогенный метан обычно характеризуется более легкими изотопными сигнатурами углерода (от -110 до -50 ‰) и дейтерия (от -400 до -150 ‰) в зависимости от углеродного субстрата для метаногенеза (Whiticar, 1999).

Биологическое производство метана осуществляется только определенными археями (Jones et al., 1987). Известно семь линий метаногенных архей: Methanosarcinales, Methanocaellales, Methanobacteriales, Methanococcales, Methanomicrobiales, Methanopyrales (Luton et al. , 2002) и Methanomassiliicoccales (Borrel et al., 2014). Также могут существовать дополнительные некультивируемые линии метаногенных архей, и было высказано предположение, что представители типа Bathyarchaeota являются метаногенами на основе анализа метагенома (Evans et al., 2015). Хотя эти метаногены могут использовать различные источники углерода (Oremland and Polcin, 1982), конечная ферментативная реакция, ведущая к образованию метана, всегда осуществляется метилкоферментом М-редуктазой. Таким образом, ген mcrA , который кодирует альфа-субъединицу метилкофермента М-редуктазы, представляет собой маркерный ген для архей, циклирующих метан (Luton et al., 2002).

Испытания с использованием естественных градиентов и мониторинг радиоактивных индикаторов показали, что окисление метана также может происходить в подземных водах (Smith et al., 1991; Hansen, 1998). Хотя было обнаружено, что определенные бактерии, такие как Candidatus Methylomirabilis oxyfera и другие представители подразделения-кандидата NC10, окисляют метан в бескислородной среде посредством образования кислорода из оксидов азота (Ettwig et al. , 2008, 2010), биоаттенуация метан путем анаэробного окисления метана также осуществляется линиями метанотрофных архей (ANME-1, -2a/b/c/d и ANME-3).Эти метанотрофные археи таксономически связаны с метаногенами и часто обнаруживаются в бескислородных и богатых метаном средах, таких как выходы углеводородов (Boetius et al., 2000; Knittel et al., 2005). Этот процесс рассматривается как естественный биофильтр против выбросов метана, окисляющий большую часть метана, образующегося в морской среде (Knittel and Boetius, 2009). При окислении метана сначала окисляется более легкий метан, что приводит к обогащению остаточного метана более тяжелыми изотопами (Whiticar, 1999).Окисление метана может быть связано с восстановлением различных акцепторов электронов, таких как нитраты/нитриты (Raghoebarsing et al., 2006), железо и марганец (Beal et al., 2009). Однако в морских отложениях и пресноводных водно-болотных угодьях сульфат является наиболее важным акцептором электронов (Knittel and Boetius, 2009; Segarra et al. , 2015). В этих средах археи ANME и их бактериальные партнеры образуют плотные микробные консорциумы. Синтрофический характер этого процесса, а также точные механизмы анаэробного окисления метана остаются предметом дискуссий и могут различаться в зависимости от линии архей (Lloyd et al., 2011; Милука и др., 2012; Виньерон и др., 2014а). В ряде случаев имеются данные об окислении метана до CO 2 по обратному пути метаногенеза, в котором также участвует метилкофермент М-редуктаза (Thauer et al., 2008). Следовательно, микробное и, в частности, архейное сообщество, присутствующее в водоносном горизонте, может представлять собой важный фактор, определяющий судьбу метана в углеводородсодержащих бескислородных средах подземных вод. Тем не менее, предыдущие молекулярные исследования микробных сообществ в метаносодержащих водоносных горизонтах в основном идентифицировали аэробных бактериальных метанотрофов (Newby et al., 2004; Эрвин и др., 2005).

В отличие от анаэробного окисления метана аэробное окисление метана, по-видимому, осуществляется исключительно бактериями. Известные аэробные метанотрофы в основном относятся к типу Proteobacteria и могут быть классически разделены на два сообщества: тип I и тип II на основе структурных характеристик, а также их филогении (Lüke and Frenzel, 2011). Метанотрофы типа I (тип Ia, Ib и Ic, ранее описанные как тип X) относятся к семейству Methylococcaceae в пределах Gammaproteobacteria , тогда как метанотрофы типа II из семейств Methylocystaceae и Beijerinckiaceae попадают в (Данфилд и др., 1999; Боумен, 2006). Однако разнообразие аэробных метанотрофов, по-видимому, ранее недооценивалось, и были идентифицированы дополнительные бактериальные метанотрофы из филума Verrucomicrobia (Dunfield et al., 2007; Sharp et al., 2014). У аэробных метанотрофов метан окисляется через метанол, формальдегид и формиат до углекислого газа. Этот процесс инициируется ключевым ферментом — метанмонооксигеназой. Различные варианты метанмонооксигеназы встречаются в зависимости от бактериального происхождения: растворимая цитоплазматическая метанмонооксигеназа (sMMO) и мембраносвязанная метанмонооксигеназа в виде частиц (pMMO). Почти все аэробные метанотрофы обладают метанмонооксигеназой в виде частиц, в то время как распространение sMMO более ограничено (Hainbuch, 2015). Таким образом, генов pmoA , кодирующих альфа-субъединицу метанмонооксигеназы твердых частиц, рассматриваются как маркер для обнаружения аэробных метанотрофов.

Просачивание природных углеводородов и газа является обычным явлением в районе Пенсильвании, а появление метана в водяных скважинах наблюдалось на протяжении столетий (Molofsky et al., 2011, 2016). Таким образом, это исследование было направлено на изучение круговорота метана и связанных с ним микробных сообществ в метансодержащих водоносных горизонтах региона Пенсильвании (округ Тиога), от происхождения метана до окисления метана. Особое внимание в работе было уделено потенциалу аэробного и анаэробного окисления метана, который остается малоизученным в экосистеме подземных вод. Действительно, хотя анаэробное окисление метана наблюдалось в пресноводных водно-болотных угодьях (Segarra et al. , 2015), в озерных отложениях (Schubert et al., 2011) и источниках пресноводного газа (Timmers et al., 2016), знания об анаэробном окислении метана в метановых просачиваниях в значительной степени основаны на морской среде. Анаэробное окисление метана в среде подземных вод исследовано в гораздо меньшей степени (Flynn et al., 2013), и основное внимание уделяется аэробному окислению метана (Erwin et al., 2005). Чтобы охарактеризовать структуру и метаболические функции микробных сообществ в метансодержащих колодцах из региона Пенсильвания (округ Тиога), были проведены филогенетический, функциональный и количественный анализ архейных и бактериальных сообществ, особенно тех, которые участвуют в круговороте метана и связаны с геохимические данные по водоносным горизонтам.

Экспериментальные процедуры

Описание участка и геохимический анализ

В общей сложности было проанализировано 18 проб из различных скважин с водой из самых верхних водоносных горизонтов в регионе Пенсильвания (округ Тайога). Скважины находились в радиусе 13 км в долине реки Тиога и не превышали 130 м в глубину (дополнительный рисунок 1). Гидрогеологическая обстановка региона подробно описана ранее (Williams et al., 1998; Breen et al., 2007). Скважины питаются рыхлыми водоносными горизонтами из замывных песков и гравия четвертичного возраста или сообщаются с коренными водоносными горизонтами.Хотя точные гидрогеологические характеристики частных колодцев, отобранных в этом исследовании, не известны владельцам колодцев, наблюдались локальные подпитка и разгрузка. Локальный характер режимов питания и разгрузки предполагает, что скважины питаются от сложной гидрологической сети и что отдельные скважины находятся в пределах отдельных неглубоких гидрогеологических систем.

Известные источники природного газа и сланца в этом районе залегают на глубине около 1190 м от поверхности (Breen et al., 2007). Геохимические характеристики воды из трех скважин были измерены лабораториями Isotech (Шампейн, Иллинойс, США) с 2011 по 2014 год, что дает представление о степени колебаний концентраций метана и кислорода в водяных скважинах во времени (дополнительные рисунки 2, 3). ). Химическая характеристика скважин на воду проводилась с апреля 2011 г. по сентябрь 2014 г. (дополнительный рисунок 3). Эти данные использовались для предоставления справочной информации об условиях окружающей среды, которые имели место в водозаборных скважинах, но не использовались в анализах, объединяющих геохимические и микробиологические данные, поскольку микробиологические данные были определены только для образцов, полученных в 2015 году (дополнительный рисунок 3).Пробы воды были собраны с помощью пробоотборников IsoFlask (лаборатории Isotech, Иллинойс, США) в течение этого периода (дополнительный рисунок 3) и проанализированы после получения проб. Концентрация метана и изотопный состав также были определены в пробах, взятых в 2015 году. Отбор проб для анализа микробного сообщества был проведен в 2015 году одновременно с отбором проб для анализа метана и изотопов (дополнительный рисунок 3, рисунок 1). Количественное определение анионов проводили с использованием ионного хроматографа Dionex ICS-2000 (Thermo Scientific, Саннивейл, Калифорния, США) с детектированием по подавленной проводимости. Анион разделяли на колонке AS11 (Dionex) с использованием градиента КОН. Растворенный газ и состав стабильных изотопов метана определяли в свободном пространстве пробоотборников IsoFlask с использованием системы газовой хроматографии Shimadzu GC-2010 (Shimadzu, Киото, Япония) в сочетании с масс-спектрометрией соотношения изотопов (IRMS) лабораториями Isotech. Процедура газового анализа была подробно описана ранее (Osborn and McIntosh, 2010; Darrah et al., 2015). После хроматографического разделения концентрации растворенных газов и изотопные составы измеряли сжиганием и масс-спектрометрией отношения изотопов с двойным входом (пределы обнаружения для C1, C2 и C3 были равны 0.001, 0,0005 и 0,0001 мол.% соответственно).

Сбор проб и выделение ДНК

Для анализа микробного сообщества пробы воды отбирали как можно ближе к водозаборной скважине (напорный резервуар или непосредственно в соединенной раковине) в период с января по март 2015 г. В пробах, взятых в то же время, измеряли концентрацию метана и изотопный состав. В соответствии с потенциальным присутствием газа в водоносных горизонтах сообщалось о вскипании во всех пробах воды. Перед отбором проб каждую пробоотборную линию промывали в течение 30 мин.В среднем 470 мл пробы воды фильтровали с использованием фильтров Sterivex 0,22 мкм (EMD Millipore, Дармштадт, Германия). Нуклеиновые кислоты были сохранены путем добавления 5 мл RNAlater ® , и фильтры были отправлены в лабораторию при 4°C для анализа микробного сообщества. После получения образцов ДНК экстрагировали с использованием набора для выделения ДНК PowerLyzer PowerSoil (Mo Bio, Карлсбад, Калифорния, США) или набора для выделения ДНК PowerWater (Mo Bio) в соответствии с рекомендациями производителя и растворяли в автоклавированной воде MilliQ (дополнительная таблица 1). ).ДНК до анализа хранили при температуре -20°C. Не было никаких существенных различий в индексах разнообразия микробного сообщества, составе сообщества или численности между двумя методами выделения ДНК (тест Стьюдента T , P > 0,5, дополнительная таблица 1). Процедурные бланки (фильтры Sterivex после фильтрации 400 мл автоклавированной воды MilliQ) подвергали тем же процедурам экстракции, а затем обрабатывали как образцы для выявления потенциального загрязнения.

АРИС

Автоматический анализ рибосомных межгенных спейсеров (ARISA) был проведен в качестве экспресс-метода для сравнения структуры микробного сообщества в скважинах с водой.ARISA-PCR проводили, как описано ранее, с наборами праймеров 934f/71r и ITSf/ITSreub (дополнительная таблица 3), нацеленными на межгенные области генов 16S–23S рРНК архей и бактерий соответственно (Vigneron et al., 2014b). Один микролитр каждой реакции ПЦР анализировали на ДНК-чипе 7500 с использованием биоанализатора Agilent 2100 в соответствии с протоколом производителя (технология Agilent, Санта-Клара, Калифорния, США). Данные были восстановлены и нормализованы, как описано ранее (Vigneron et al., 2014b), и было выполнено неметрическое многомерное масштабирование с использованием программного обеспечения PAST (Hammer et al. , 2001). Никакой амплификации не наблюдалось с процедурными бланками для экстракции ДНК.

Количественная ПЦР

Численность генов 16S рРНК бактерий и архей, генов метилкофермента М-редуктазы ( mcrA ) архейных метаногенов или анаэробных метанотрофов и генов метанмонооксигеназы ( pmoA ) аэробных метанотрофов оценивали с помощью количественной ПЦР в реальном времени (кПЦР). ) с наборами праймеров, перечисленными в дополнительной таблице 3. Реакции амплификации проводили в трех повторностях, как описано ранее (Vigneron et al., 2016). Температуры отжига для каждого анализа указаны в дополнительной таблице 3. Стандартные кривые от 10 2 до 10 6 копий генов 16S рРНК и генов mcrA были получены в трех повторностях с разведениями геномной ДНК из штаммов, перечисленных в дополнительной таблице. 3. Стандартную кривую для гена pmoA построили, используя разведения плазмид, содержащих ген pmoA , клонированный из образца окружающей среды. В каждом эксперименте проводили три отрицательных контроля (автоклавированная вода MilliQ) для оценки потенциального загрязнения.Все значения R 2 для стандартных кривых, полученных с помощью ПЦР в реальном времени, были >0,997, а эффективность ПЦР представлена ​​в дополнительной таблице 3.

Мультигенное секвенирование Miseq

Для исследования микробных сообществ, участвующих в циклировании метана, были проанализированы гены 16S рРНК архей и бактерий, метилкофермента М-редуктазы и метанмонооксигеназы с использованием праймеров, описанных в дополнительной таблице 3, с адаптерами Miseq, слитыми с 5′-концом праймеров.Все реакции ПЦР проводились в трех повторностях при соответствующей температуре отжига (дополнительная таблица 3), как описано ранее (Vigneron et al., 2016). Никакой амплификации не наблюдалось в процедурных бланках выделения ДНК или отрицательных контролях ПЦР. Повторяющиеся ампликоны объединяли и очищали из агарозных гелей с использованием набора для очистки Qiagen MinElute Gel (Qiagen, Hilden, Germany). Продукты ПЦР индексировали с использованием набора Nextera XT (Illumina Inc., Сан-Диего, Калифорния, США) и разводили до эквимолярной концентрации в соответствии с рекомендациями производителя.Библиотеку ДНК разбавляли до концентрации 4 пМ и секвенировали с использованием парного секвенирования Illumina MiSeq. Секвенирование проводили с использованием набора Illumina Miseq v3 (Illumina Inc.) в соответствии с рекомендациями производителя для получения последовательностей пар-концов 2 × 300 п.н.

После секвенирования наборы данных были разделены на чтения из отдельных индексированных ампликонов в силиконе с использованием программного обеспечения Miseq Reporter™ (Illumina Inc.). Чтения были собраны в последовательности с отдельными парами концов, которые были отобраны с использованием QIIME версии 1.9.1 (Капорасо и др., 2010). Последовательности с низкими показателями качества или помеченные как химеры были удалены. Выравнивание и определение таксономической принадлежности прочтений проводили с использованием Silva версии 119 (Pruesse et al. , 2007), общедоступной базы данных pmoA (Dumont et al., 2014) и созданной собственными силами базы данных mcrA. База данных последовательностей , содержащая более 370 информативных последовательностей mcrA (дополнительные данные). Для создания базы данных mcrA таксономическая принадлежность некультивируемых последовательностей mcrA была определена с использованием филогенетических деревьев, основанных на максимальном правдоподобии и соединении соседей, как подробно описано ранее (Cruaud et al., 2015). Статистический анализ (PCA и кластеризация сходства Брея-Кертиса) набора данных последовательностей был проведен с использованием программного обеспечения PAST (Hammer et al., 2001). Необработанные последовательности были депонированы в архиве краткого чтения Genbank под PRJNA325306 BioProject (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/bioproject/?term=325306).

Результаты

Геохимические характеристики скважин на воду

В общей сложности были взяты пробы из 18 различных скважин в Пенсильвании. Метан был обнаружен во всех пробах с концентрацией от 0.От 48 до 4,69 мМ CH 4 в образцах, полученных во время отбора проб для анализа микробного сообщества в 2015 году (дополнительная таблица 2, рисунок 2). Изотопная сигнатура углерода и дейтерия метана в образцах, полученных в 2015 г., колебалась от -33,5 до -56,36 ‰ и от -135 до -227 ‰ соответственно. Эти изотопные значения указывают на смешанное термогенное/биогенное происхождение метана (рис. 1А). Данные по изотопному составу метана за 2015 год также указывают на то, что потенциально метан окислялся в водоносных горизонтах, что приводило к относительно сильным изотопным признакам остаточного метана (Whiticar, 1999).Шесть скважин с водой (GW1, 2, 9, 15, 17 и GW18) содержали метан с более тяжелой изотопной характеристикой (от -33,5 до -37,88 ‰).

Рисунок 1. (A) Изотопный состав углерода и водорода в метане во время микробного отбора проб. Серые области представляют собой типичные значения для различного происхождения метана (с изменениями из Whiticar, 1999). (B) Отношение метана к углеводородам с более высокой цепью по сравнению с δ 13 C метана. Концентрации углеводородов с более высокой цепью представляют собой исторические данные, измеренные во время, описанное в дополнительной таблице 2.Серые области представляют типичные диапазоны термогенного и биогенного метана (Osborn and McIntosh, 2010). Термогенный (кероген) относится к метану, образующемуся в результате геотермального и гидротермального изменения зрелого органического вещества, а термогенный (гуминовый) относится к метану, образующемуся в результате термического изменения органического вещества низкой степени зрелости.

Также проанализирована геохимия проб воды, полученных за 4-летний период с 2011 по 2014 гг. Эти данные предоставили общий контекст геохимических условий в системе водоносных горизонтов (дополнительный рисунок 2).В пробах, взятых в период с 2011 по 2014 год, метан присутствовал в концентрации от субмиллимолярной до низкой (дополнительная таблица 2). Это согласуется с уровнями метана, обнаруженными в 2015 году в пробах, взятых одновременно с отбором проб для анализа микробного сообщества. Помимо метана, в пробах с 2011 по 2014 год в следовых концентрациях (<4,36 мкМ; дополнительная таблица 2) были обнаружены углеводородные газы этан (C 2 ), этан и пропан (C 3 ). Наиболее высокие концентрации неметановых газов были обнаружены в скважинах GW1,2,9,15,17 и GW18.Присутствие углеводородных газов с более высокой молекулярной массой предполагает, что локально в этих образцах присутствовало большее количество термогенных углеводородов (рис. 1В). Разница в концентрации метана между временем отбора проб и первоначальными геохимическими измерениями, а также наблюдаемые колебания концентрации метана и кислорода во времени (дополнительный рисунок 2) указывают на значительные временные вариации в геохимической среде. На момент отбора проб для геохимического анализа концентрации растворенного кислорода колебались от 0.04 до 0,33 мМ, тогда как сульфат и нитрат были обнаружены только в 5 и 3 из 18 лунок соответственно (дополнительная таблица 2).

Численность и разнообразие микробов в водоносных горизонтах

Численность микробов и разнообразие сообществ в 18 различных скважинах с водой, содержащих метан и другие углеводородные газы (дополнительная таблица 2) из ​​региона Пенсильвании, были оценены с помощью количественной ПЦР, анализа межгенных спейсеров 16S–23S и секвенирования гена рРНК 16S со средним значением 9,05 ± 6,01 × 10 4 прочтений на образец.В целом, численность бактерий и архей в образцах варьировала от 2,1 × 10 3 до 1,08 × 10 6 копий гена 16S рРНК на миллилитр воды (рис. 2). Если предположить, что бактерии и археи имеют одинаковое среднее число копий гена 16S рРНК, бактерии представляют 80 ± 14% микроорганизмов, количественно определенных в пробах подземных вод, в среднем 1,31 × 10 5 бактериальных копий гена 16S рРНК.мл −1 . Однако в образцах с наименьшей микробной численностью (<10 4 копий гена 16S рРНК.ml -1 , n = 3), археи представляли более 80% микробов с 3,75 × 10 3 копий гена 16S рРНК. ml -1 . Бактериальный анализ гена 16S рРНК (рис. 3A, C) и ARISA (дополнительный рисунок 4A) показали большую вариабельность состава бактериального сообщества в образцах. Бактериальные сообщества демонстрировали изменчивые, сложные профили с большим разнообразием (1-D Simpson = 0,81 ± 0,11). В бактериальных сообществах, как правило, преобладали представители Proteobacteria .Бактерии, участвующие в круговороте серы ( Delta-proteobacteria ), круговороте азота (Nitrospirales, Methylomirabiales) и круговороте железа (Gallionellales). Организмы, участвующие в разложении и ферментации органического вещества ( Bacteroidetes , Clostridiales, Anaerolineales), были обнаружены во всех образцах, но в разных относительных пропорциях (рис. 3А, С). В пробах воды обнаружены предполагаемые аэробные метанотрофы. Представители Methylococcaceae ( Gammaproteobacteria ) были обнаружены в значительном относительном изобилии в пробах воды (9.2% в среднем, до 41% прочтений в библиотеках из выборки GW10). Кроме того, представители линий Methylomirabiales (NC10) (в среднем 0,9%, до 9,6% прочтений в библиотеках из образца GW9) и Methylocystaceae ( Alphaproteobacteria ) (<1% во всех образцах) были идентифицированы в меньшей степени. степени во всех образцах. Потенциальные окислители метанола, принадлежащие к линиям Methylobacteraceae , Methylophiliales и родственным линиям Methyloversatilis (Rhodocyclales), также были обнаружены в значительном относительном количестве во всех образцах (5–43% показаний).

Рисунок 2. Относительное содержание генов рРНК бактерий (зеленый) и архей (красный), mcrA (синий) и pmoA (фиолетовый) генов на миллилитр воды в пробах подземных вод . Порядок лунок соответствует кластеризации образцов по Бэй Кертису в соответствии с составом их микробного сообщества. Концентрация метана (мМ) в пробах воды во время микробного отбора проб.

Рис. 3.(A) Бактериальная и (B) архейная филогенетическая принадлежность генов 16S рРНК, идентифицированных в образцах. Анализ основных компонентов наборов данных секвенирования генов 16S рРНК (C) бактерий и (D) архей. Размер и цвет точек отражают пропорции и таксономическую принадлежность преобладающих прочтений. MBGB/D, морская бентическая группа B/D; MCG, Разная кренархеотальная группа; DSEG, группа глубоководных эвриархеотов; ANME-2d, анаэробные метанотрофы-2d; TMEG, наземная разная группа эвриархеотов.Порядок лунок соответствует кластеризации образцов по Бэй Кертису в соответствии с составом их микробного сообщества.

Наборы данных

гена 16S рРНК архей (рис. 3B, D) и ARISA (дополнительный рисунок 4B) также выявили сильную изменчивость между лунками, однако кластеризация Брея-Кертиса и Мориситы Хорн выявила четыре разных кластера сообщества архей (ANOSIM, R > 0,7, P). < 0,05; рис. 3). Группа А имела относительно низкое разнообразие (1-D Simpson = 0. 57) и преобладали метаногенные линии Methanobacteriales ( n = 5, 58 ± 14% прочтений в среднем). Группа B отличалась более низким разнообразием (1-D Simpson = 0,25), и в ней сильно преобладали последовательности из линии ANME-2d Methanosarcinales ( n = 7, 84 ± 19% прочтений), ранее обнаруженные у риса. образцах рисовых полей, а также в инкубационных условиях, демонстрирующих признаки денитрифицирующих анаэробных метанотрофов (Raghoebarsing et al., 2006). Группа C (1-D Симпсон = 0.52) доминировал Thaumarchaeota , наиболее тесно связанный с окисляющими аммиак представителями филума ( Nitrososphaera и Nitrosopumilus ) ( n = 3, 53 ± 35% прочтений). Группа D была более разнообразной (1-D Simpson = 0,70) и включала представителей линии некультивируемых глубоководных эвриархеотальных групп (DSEG) ( n = 3, 32 ± 16% прочтений) (рис. 3). Анализ SIMPER показал, что ANME-2d (вклад 31,79%), Methanobacteriales (21. вклад 51%), линий Nitrososphaera (вклад 13,97%), DSEG (вклад 10,7%) и представители Methanomassiliicoccaceae (вклад 6,59%) вместе объясняют до 85% различий, наблюдаемых между кластерами образцов. Кроме того, в некоторых образцах были обнаружены другие некультивируемые линии, такие как Miscellaneous Crenarchaeotal Group (MCG), принадлежащая к типу Bathyarchaeota , и морская бентическая группа D (также известная как DHVEG-1) (рис. 3B).

Метановый цикл Археи

Разнообразие и обилие генов метилкофермента М-редуктазы ( mcrA ), участвующих как в производстве метана, так и в анаэробном окислении метана у архей (Knittel and Boetius, 2009), были исследованы с помощью высокопроизводительного секвенирования со средним числом 5 ± 3,9 × 10 4 прочтений на образец и количественная ПЦР. Все образцы из водяных скважин содержали обнаруживаемые генов mcrA (рис. 4В). Количественная оценка содержания гена mcrA с помощью количественной ПЦР показала, что метаногены/ANME представляют большую часть архей в образцах из групп A, B и D: более 50% для A и 80% для B и D, до 6 × 10 4 mcrA копий на миллилитр воды из образца GW5. Наоборот, в образцах GW15 и GW1 из группы C археи метанового цикла составляли 25 и 4% архей соответственно, всего лишь 1,4 × 10 2 mcrA копий на миллилитр (рис. 2). Более высокое разнообразие метаногенов/ANME было обнаружено в образцах групп A и C (1-D Simpson = 0,38), где восстановленные последовательностей mcrA были аффилированы с ANME-2d, Methanobacteriales ( Methanobacterium и Methanobrevibacter ). ), а также некультивируемые линии Methanomicrobiales и Methanomassiliicoccales.Напротив, очень низкое разнообразие метаногенов/ANME наблюдалось в образцах групп B и D (1-D Simpson = 0,05), при этом 98% считываний mcrA связаны с последовательностями окружающей среды, связанными с ANME-2d (рис. 4B). .

Рис. 4. Филогенетическая принадлежность генов (А) pmoA и (Б) mcrA , обнаруженных в образцах. Порядок лунок соответствует кластеризации образцов по Бэй Кертису в соответствии с составом их микробного сообщества.

Бактерии, циклирующие метан

Разнообразие и распространенность гена, кодирующего альфа-субъединицу метанмонооксигеназы ( pmoA ), участвующего в окислении метана, исследовали с помощью высокопроизводительного секвенирования со средним числом 4,4 ± 2,9 × 10 3 прочтений на образец, и количественная ПЦР. Гены альфа-субъединицы метанмоноксигеназы в виде частиц были обнаружены во всех образцах, однако для образца GW8 было получено недостаточное количество продукта ПЦР для секвенирования (рис. 4А).Количественная ПЦР, направленная на pmoA , показала, что аэробные метанотрофы составляют небольшую долю (2,19 ± 2,37%) бактериальной популяции, за исключением образцов GW2 (65,31%), GW1 (12,55%) и GW10 (18%) со средним показателем 2,5. × 10 3 pmoA копий на миллилитр воды (рис. 2). Были идентифицированы последовательности метанотрофов как типа I ( Gammaproteobacteria ), так и типа II ( Alphaproteobacteria ). Последовательности типа I были преобладающими и в основном относились к Methylobacter и Methylomonas , а также к различным экологическим кластерам (Deep-sea 1, LP20, Lake Cluster или кластеру FW) в зависимости от образца. Последовательности метанотрофов типа II, относящиеся к Methylocystis , также были идентифицированы, но они представляли меньшинство последовательностей. Несмотря на то, что данные гена 16S рРНК показали, что бактерии, родственные NC10/ Methylomirabiales , присутствовали в некоторых образцах, последовательности pmoA из семейства NC10/ Methylomirabiales обнаружены не были. Это произошло из-за шести несоответствий между последовательностью NC10 pmoA и используемым праймером (Luesken et al., 2011).

Обсуждение

Водозаборные скважины в районе Пенсильвании (округ Тиога) с измеримыми концентрациями метана (до 4.69 мМ) и следы этана и пропана, растворенные в воде, были подробно проанализированы для изучения микроорганизмов, циркулирующих в метане, и, следовательно, для оценки происхождения и судьбы метана в этой экосистеме. Хотя все водяные колодцы представляли собой самый верхний водоносный горизонт в своем местоположении, никакой корреляции между составом микробного сообщества и расположением водяных колодцев или их относительной близостью друг к другу не наблюдалось (дополнительный рисунок 1). Это подтверждает наблюдения за локальным пополнением и разгрузкой, а также то, что скважины находились либо в пределах отдельной системы потока водоносного горизонта, либо что гидрогеологическая обстановка была очень сложной.Значительные колебания концентраций кислорода и метана со временем, а также изменения от аэробных условий к метаногенным и наоборот были обнаружены в трех скважинах подземных вод, за которыми наблюдали в течение длительного периода (2011–2014 гг., Дополнительный рисунок 2). Подобные колебания нередки в регионе и наблюдались ранее (Wilson, 2014). Это подтверждает, что условия окружающей среды в водоносных горизонтах чрезвычайно динамичны (Datry et al., 2004; Griebler and Lueders, 2009). Эта временная изменчивость, вероятно, связана с событиями подпитки и разгрузки и, вероятно, влияет на распределение отдельных окислительно-восстановительных зон, обычно наблюдаемых в местах обитания подземных вод (Datry et al., 2004; Хаак и др., 2004 г.; Griebler and Lueders, 2009) и микробные сообщества в неглубоких водоносных горизонтах (Vroblesky and Chapelle, 1994). Таким образом, можно предположить, что разные уровни грунтовых вод в водоносных горизонтах, например, из-за осадков, могут привести к отбору проб из разных окислительно-восстановительных зон (кислородных или бескислородных) и, следовательно, к обнаружению микробных сообществ с разным составом из одной и той же скважины в разное время. Следствием наблюдаемой временной динамики является невозможность прямой корреляции между составом микробного сообщества и геохимическими условиями, измеренными в другое время.Поэтому мы использовали геохимические данные за период с 2011 по 2014 год, чтобы обеспечить широкий контекст для изучаемой среды подземных вод, а данные о микробном сообществе обсуждаются только в контексте данных по метану и изотопов, которые были получены одновременно. Изменчивость геохимии подземных вод согласуется с наблюдаемой изменчивостью микробной численности и состава сообщества, наблюдаемой с помощью количественной ПЦР и мультигенного секвенирования различных проб воды.

Периодические метаногенные условия наблюдались в период с 2011 по 2014 год. Кроме того, во время отбора проб для анализа микробного сообщества систематическое обнаружение метана и измерения изотопов углерода и водорода показали, что круговорот метана является основным микробным процессом в подземных водах, проанализированных в этом исследовании. Наличие ряда метаногенов и доминирующей популяции ANME (обнаружено с помощью анализа 16S рРНК архей и анализа гена mcrA ), а также аэробных метанотрофов и метилотрофов (обнаружено с помощью исследований 16S рРНК и генов pmoA ) в некоторых Уэллс подтверждает вывод о наличии потенциала как для биологического образования, так и для потребления метана.

Происхождение метана в подземных водах

Метан является обычным микроэлементом подземных вод (Баркер и Фриц, 1981; Молофски и др., 2011). Хотя на протяжении столетий метан обнаруживали в колодцах Пенсильвании (Molofsky et al., 2011, 2016), происхождение метана в водоносных горизонтах и ​​подземных водах оставалось непонятным, и вполне вероятно, что метан в водоносных горизонтах происходит из диапазона источников (Breen et al. , 2007; Osborn et al., 2011; Wilson, 2014). Соотношение изотопов метана и водорода часто используется для определения возможного источника метана в пробах окружающей среды (Whiticar, 1999).Однако деятельность микробов может сильно изменить изотопный состав метана (Barker and Fritz, 1981). Действительно, микробное окисление метана как аэробными, так и анаэробными метанотрофами приводит к истощению более легких изотопов метана и, следовательно, к обогащению остаточного изотопно более тяжелого метана, который впоследствии может быть ошибочно истолкован как термогенный газ (Barker and Fritz, 1981; Whiticar, 1999; Йошинага и др., 2014). Поэтому для правильной интерпретации источников метана требуется тщательный анализ данных, а также дополнительные подходы.Изотопные характеристики метана, измеренные в пробах воды, по-видимому, указывают на доминирующий вклад термогенного метана (δ 13 C > −55‰), источником которого являются более глубокие отложения, как предполагалось ранее (Breen et al. , 2007; рисунок 1A). . Обнаружение этана и пропана в скважинах GW1,2,9,15,17 и GW18 (рис. 1В) согласуется с этой интерпретацией. Однако отсутствие в большинстве проб воды ( n = 11) газообразных алканов с более высокой молекулярной массой не подтверждает эту гипотезу [C 1 /(C 2 + C 3 ) > 1000; Рисунок 1Б].Тяжелая изотопная характеристика метана, отобранного одновременно с пробами для анализа микробного сообщества, в сочетании с отсутствием газов C 2 и C 3 указывает на то, что биогенный метан, вероятно, подвергался окислению в большинстве отобранных проб водоносных горизонтов (Humez и др., 2016). Следовательно, на изотопную сигнатуру метана, вероятно, повлияла микробная активность, и доля биогенного метана может быть недооценена из-за окисления метана (Barker and Fritz, 1981).Метаногенные линии, связанные с Methanobacteriales, Methanomicrobiales и Methanomassiliicoccales, были обнаружены с помощью секвенирования 16S рРНК и mcrA , они были аналогичны метаногенам, идентифицированным в других богатых углеводородами подземных водах (Kleikemper et al. , 2005; Kotelnikova and Pedersen, 2006; Griebler and Людерс, 2009). Присутствие этих архей подчеркивает метаболический потенциал образования метана в отобранных водоносных горизонтах. Кроме того, наблюдалась значительная корреляция между концентрацией метана во время отбора проб для анализа микробного сообщества и относительной представленностью последовательностей Methanobacteriales в библиотеках ампликонов (корреляция Пирсона r = 0.49, P = 0,05). Это может указывать на то, что самые высокие концентрации метана, определенные количественно в водоносных горизонтах, могут быть обусловлены активностью метаногенов, а не исключительно просачиванием термогенного метана из более глубоких резервуаров. Члены Methanobacteriales, как правило, гидрогенотрофны, используя H 2 , высвобождаемый в результате ферментативного метаболизма синтрофных партнеров, для восстановления CO 2 до CH 4 (Bonin and Boone, 2006). Потенциальные ферментеры и синтрофические партнеры для метаногенов, например. g., Syntrophobacter и Desulfovibrio также были обнаружены в образцах с помощью секвенирования гена 16S рРНК. Таким образом, присутствующие метаногены могут расти синтрофически с ферментативными бактериями за счет разложения органического углерода или углеводородов, присутствующих в водоносном горизонте. Это также согласуется с преобладанием гидрогенотрофных метаногенов в бедных органическим углеродом водоносных горизонтах (Котельникова, 2002). Обнаружение этих метаногенных линий в сочетании с данными по изотопам метана и отсутствием высших алканов указывает на то, что в большинстве скважин наименьшая часть обнаруженного метана была произведена микроорганизмами.Напротив, метан из водяных скважин GW1,2,9,15,17 и GW18, скорее всего, имеет термогенное происхождение.

Метанотрофы и окисление метана

Хотя концентрация высших алканов могла измениться в период между историческими геохимическими исследованиями (2011–2014 гг.) и микробиологическими исследованиями (2015 г. ), характерные признаки тяжелых изотопов метана во время микробного отбора проб позволяют предположить, что окисление метана потенциально встречается в подземных водах, как предполагалось ранее на основании исследований радиоактивных индикаторов (Hansen, 1998) и испытаний индикаторов в естественном градиенте (Smith et al., 1991). Как аэробные, так и анаэробные метанотрофы были последовательно идентифицированы в водяных скважинах. Метанотрофы представляли собой значительную часть микробного сообщества, при этом до 84% прочтений архей и 41% последовательностей бактериального гена 16S рРНК относились к ANME и аэробным метанотрофам соответственно. Наблюдались некоторые несоответствия между исследованиями генов 16S рРНК и функциональных генов (например, более низкая представленность метаногенов в библиотеках генов mcrA ). Это может быть связано с разницей в количестве копий гена или специфичностью различных праймеров, используемых для создания библиотек ампликонов и для количественной ПЦР. В целом относительное содержание генов pmoA и генов mcrA указывает на то, что анаэробное окисление метана преобладало в скважинах с водой во время отбора проб, за исключением образца GW1, где генов pmoA были более распространены, чем генов mcrA . В соответствии с этим, в сообществе архей GW1 преобладали аэробные линии от Thaumarchaeota , а доля строго анаэробных микробов, таких как метаногены и анаэробные метанотрофы, была ограничена.Эти результаты показывают, что скважина GW1 была кислородной во время отбора проб для анализа микробного сообщества и что в кислородных условиях аэробные метанотрофы могут превзойти и заменить сообщества ANME в качестве доминирующих окислителей метана, как это ранее наблюдалось в других водоносных горизонтах (Erwin et al., 2005).

Библиотеки генов 16S рРНК и mcrA показали, что анаэробные архейные метанотрофы относятся к линии ANME-2d. Эти археи, тесно связанные с другими анаэробными метанотрофами (ANME-2a/b и c) в линии Methanosarcinales, были ранее обнаружены в отложениях холодных просачиваний (GoM Arc-I в Lloyd et al. , 2010; Vigneron et al., 2013), почва рисовых полей и активный ил, инкубированные в условиях денитрификации (Raghoebarsing et al., 2006). ANME-2d также наблюдались в пресноводных отложениях (AOM Associated Archaea — группа AAA в Schubert et al., 2011), в лабораторных инкубациях (Timmers et al., 2016) и в других богатых метаном водоносных горизонтах (Flynn et al. , 2013). Специфические культуры обогащения метаном и нитратом продемонстрировали, что ANME-2d связывает анаэробное окисление метана с восстановлением нитрата со скоростью потребления метана до 1.1 ммоль метана в сутки (Haroon et al., 2013). Кроме того, ANME-2d также были обогащены при совместном культивировании с NC10/ Methanomirabilis -подобными бактериями (Raghoebarsing et al., 2006; Haroon et al., 2013), которые также были обнаружены в ряде скважин в этом исследовании. секвенированием гена 16S рРНК (рис. 3А). При обогащении ANME-2d и NC10/ Methanomirabilis -подобных бактерий ANME-2d окисляли метан, восстанавливая нитраты до нитритов, в то время как бактерии NC10 окисляли метан, восстанавливая нитриты, продуцируемые популяцией ANME-2d (Raghoebarsing et al. , 2006; Харун и др., 2013). Этот результат предполагает, что анаэробное окисление метана, вероятно, связано с восстановлением нитратов и нитритов в экосистеме подземных вод.

Секвенирование генов 16S

Bacterial и pmoA также выявило аэробных метанотрофов, о которых сообщалось в других водоносных горизонтах (Newby et al., 2004; Erwin et al., 2005). Хотя разнообразие аэробных метанотрофов может быть переоценено исследованиями генов pmoA из-за расходящихся копий генов в одной таксономической группе, аэробные метанотрофы, обнаруженные в пробах подземных вод, в основном были связаны с метанотрофными линиями типа I из Methyloccocales (Bowman, 2006).Однако некоторые представители Methyloccocales, такие как Methylomonas , идентифицированные в колодцах с помощью секвенирования гена pmoA , могут сочетать окисление метана с восстановлением нитратов (Kits et al., 2015), предполагая, что в грунтовых водах аэробная часть цикл метана также может быть связан с циклом азота, как это наблюдалось ранее при периодической инкубации (Eisentraeger et al. , 2001). Последовательности альфа-субъединиц метанмонооксигеназы в виде частиц, связанные с экологическими кластерами, также были обнаружены в скважинах с водой.Последовательности, принадлежащие к этим экологическим кластерам, были ранее обнаружены в водной среде, такой как водоносные горизонты (LP20, кластер водоносных горизонтов), пресноводные озера (LW, FW, кластер озер) и глубоководные образцы (кластер глубоководных), что позволяет предположить наличие новых адаптированных к пресной воде линий аэробных метанотрофов в водоносных горизонтах. Кроме того, в библиотеках генов 16S рРНК были идентифицированы другие метилотрофные линии ( Methylobacteraceae , Methylophiliales и Methyloversatilis ).Культурные представители этих линий бактерий растут на метаноле в качестве источника углерода. Метанол является промежуточным продуктом аэробного окисления метана, поэтому эти метилотрофы могут использовать побочные продукты метаболизма метанотрофов и завершать окисление некоторого количества метана в подземных водах. Кроме того, было обнаружено, что представители Methylophiliales и организмы, родственные Methyloversatilis , связывают окисление метанола с денитрификацией (Baytshtok et al., 2009; Kalyuhznaya et al., 2009), подтверждая возможную связь между циклами метана и азота в этих подземные водные экосистемы.

Сравнение выхода пресноводного и морского метана

Знания о просачивании метана и углеводородов в значительной степени основаны на исследованиях морских экосистем, и их аналоги в среде подземных вод остаются малоизученными. В морских отложениях цикл метана обычно связан с циклом серы. Анаэробные метанотрофы (ANME-1, ANME-2a/b/c и ANME-3) образуют микробные консорциумы с сульфатредуцирующими Deltaproteobacteria (SEEP SRB1, SEEP SRB2 и родственных линий Desulfobulbus ; Orphan et al., 2002; Книттел и др., 2005; Niemann et al., 2006), где окисление метана сочетается с восстановлением сульфатов или диспропорционированием S 0 (Milucka et al. , 2012). Кроме того, аэробное окисление метана играет незначительную роль по сравнению с анаэробным окислением в этих морских средах просачивания (1–3% от общего окисления метана; Niemann et al., 2006). Напротив, в образцах водоносных горизонтов, проанализированных в этом исследовании, окисление метана, по-видимому, связано с круговоротом азота. Действительно, известно, что ANME-2d, а также NC10, Methylomonas и другие линии метилотрофов (Methylophiliales, Methyloversatilis ), обнаруженные в образцах водоносного горизонта, связывают окисление метана и метанола с восстановлением или денитрификацией нитратов и нитритов.Концентрации нитратов были ниже предела обнаружения для большинства скважин с водой, проанализированных в ходе первоначальных геохимических исследований в период с 2011 по 2014 год, что свидетельствует о значительном обороте нитратов в водоносном горизонте. Однако нитрифицирующие бактерии ( Nitrospirae ) и археи ( Nitrososphaera, Nitrosopumilus и другие Thaumarchaeota ) были идентифицированы в водоносных горизонтах с помощью секвенирования гена 16S рРНК, что позволяет предположить, что в кислородных областях водоносных горизонтов или в периоды, когда кислородные условия преобладают нитраты и нитриты, которые могут образовываться в подземных водах в результате микробного окисления аммиака. Аммиак может иметь различное происхождение в подземных водах. Поверхностное загрязнение сельскохозяйственными удобрениями, фильтратом свалок и сбросом сточных вод часто являются основными источниками аммиака в подземных водах, однако подповерхностные зоны, богатые органическими веществами, такие как сланцы, также могут обеспечивать значительное количество аммиака в водоносных горизонтах (Buss et al., 2004).

В совокупности эти результаты показали, что, помимо миграции из подземных резервуаров, метан в водоносных горизонтах региона Пенсильвании также может локально производиться метаногенными археями.Более того, и в соответствии с данными по изотопам метана, были доказательства значительного потенциала микробного окисления метана с появлением большого количества анаэробных метанотрофов, связанных с линией ANME-2d, бактерий из типа NC10, аэробных метанотрофов типа I и различных метилотрофов, что указывает на то, что судьба метана в экосистемах подземных вод тесно связана с круговоротом азота. Эти результаты также продемонстрировали, что микробное сообщество подземных вод обладает генетическим потенциалом для биоаттенуации метана.Однако, в дополнение к представленным здесь изотопным данным, in situ измерений активности окисления метана потребуются для определения кинетики окисления метана и, следовательно, осуществимости стимулирования окисления метана в метансодержащих водоносных горизонтах.

Вклад авторов

AV, EA, KH, IH и NT разработали, выполнили, проанализировали и интерпретировали эксперименты. AV, EA, IH и NT написали рукопись. AB, IR и RH внесли свой вклад в интерпретацию данных и отредактировали рукопись.

Финансирование

Эта работа финансировалась Shell International Exploration and Production Inc.

Заявление о конфликте интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Благодарности

Мы благодарим людей, участвовавших в отборе проб, и Shell Global Solutions за материально-техническую поддержку. Авторы также благодарят Perrine Cruaud за помощь в создании базы данных.

Дополнительный материал

Дополнительный материал к этой статье можно найти в Интернете по адресу: https://www.frontiersin.org/article/10.3389/fmicb.2017.00593/full#supplementary-material

.

Дополнительная таблица 1. Процедура выделения ДНК, индексы численности и разнообразия микробов .

Дополнительная таблица 2. Геохимические характеристики проб подземных вод .

Дополнительная таблица 3. Праймеры для ПЦР, используемые для ПЦР, ARISA и количественной ПЦР в реальном времени .

Дополнительный рисунок 1. Схематическая карта отобранных скважин (высота скважины/глубина скважины в метрах) .

Дополнительный рисунок 2. Временной ряд доли растворенного кислорода (зеленый) и метана (синий) в водозаборных скважинах GW2, GW1 и GW9 в период с 2011 по 2014 год . Данные по другим скважинам отсутствуют.

Дополнительный рисунок 3. Диаграмма, представляющая историю отбора проб из водяных скважин .

Дополнительный рисунок 4.Неметрическое многомерное масштабирование (A) бактериальных и (B) архейных наборов данных ARISA.

Каталожные номера

Баркер, Дж. Ф., и Фриц, П. (1981). Фракционирование изотопов углерода при микробном окислении метана. Природа 293, 289–291. дои: 10.1038/293289a0

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Байтшток, В., Лу, Х., Парк, Х., Ким, С., Ю, Р. и Чандран, К. (2009). Влияние различных доноров электронов на молекулярную микробную экологию и биокинетику метилотрофных денитрифицирующих бактерий. Биотехнология. биоинж. 102, 1527–1536. дои: 10.1002/бит.22213

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Биман, Р. Э., и Суфлита, Дж. М. (1990). Факторы окружающей среды, влияющие на метаногенез в неглубоком бескислородном водоносном горизонте: полевое и лабораторное исследование. J. Ind. Microbiol. 5, 45–57. дои: 10.1007/BF01569605

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Боэций, А., Равеншлаг, К., Шуберт, К.J., Rickert, D., Widdel, F., Gieseke, A., et al. (2000). Консорциум морских микробов, по-видимому, опосредующий анаэробное окисление метана. Природа 407, 623–626. дои: 10.1038/35036572

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Бонин, А.С., и Бун, Д.Р. (2006). «Отряд methanobacteriales», в The Prokaryotes: Volume 3: Archaea. Бактерии: Firmicutes, Actinomycetes , ред. М. Дворкин, С. Фальков, Э. Розенберг, К.-Х. Шлейфер и Э.Stackebrandt (Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Springer), 231–243.

Академия Google

Borrel, G., Parisot, N., Harris, H.M., Peyretailade, E., Gaci, N., Tottey, W., et al. (2014). Сравнительная геномика подчеркивает уникальную биологию Methanomassiliicoccales, родственных Thermoplasmatales седьмого порядка метаногенных архей, кодирующих пирролизин. BMC Genomics 15:679. дои: 10.1186/1471-2164-15-679

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Боуман, Дж.(2006). «Метанотрофы — семейства methylococcaceae и methylocystaceae», в The Prokaryotes: Volume 5: Proteobacteria: Alpha and Beta Subclasses , eds M. Dworkin, S. Falkow, E. Rosenberg, K.-H. Шлейфер и Э. Стакебрандт (Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Springer), 266–289.

Академия Google

Брин, К. Дж., Ревес, К., Балдассаре, Ф. Дж., и Маколи, С. Д. (2007). Природные газы в подземных водах возле перекрестка Тиога, округ Тиога, Северо-Центральная Пенсильвания — Наличие и использование изотопов для определения происхождения, 2005 г. .Доступно в Интернете по адресу: http://pubs.er.usgs.gov/publication/sir20075085

.

Басс, С.Р., Герберт, А.В., Морган, П., Торнтон, С.Ф., и Смит, Дж.В.Н. (2004). Обзор поглощения аммония почвой и грунтовыми водами. QJ Eng. геол. Гидрогеол. 37, 347–359. дои: 10. 1144/1470-9236/04-005

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Caporaso, J.G., Kuczynski, J., Stombaugh, J., Bittinger, K., Bushman, F.D., Costello, E.K., et al. (2010). QIIME позволяет анализировать данные секвенирования с высокой пропускной способностью. Нац. Методы 7, 335–336. doi: 10.1038/nmeth.f.303

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Chapelle, F.H., Bradley, P.M., Lovley, D.R., O’Neill, K., and Landmeyer, JE (2002). Быстрое развитие окислительно-восстановительных процессов в водоносном горизонте, загрязненном нефтяными углеводородами. Грунтовые воды 40, 353–360. doi: 10.1111/j.1745-6584.2002.tb02513.x

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Крюо, П., Виньерон, А., Pignet, P., Caprais, J.-C., Lesongeur, F., Toffin, L., et al. (2015). Микробные сообщества, связанные с бентосными сообществами фауны в отложениях холодного просачивания на окраине Сонора, бассейн Гуаймас. Фронт. мар. 2:53. doi: 10.3389/fmars.2015.00053

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Darrah, T.H., Jackson, R.B., Vengosh, A., Warner, N.R., Whyte, C.J., Walsh, T.B., et al. (2015). Эволюция девонских углеводородных газов в неглубоких водоносных горизонтах северной части Аппалачского бассейна: результаты интеграции геохимии благородных газов и углеводородов. Геохим. Космохим. Acta 170, 321–355. doi: 10.1016/j.gca.2015.09.006

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Датри Т., Малар Ф. и Гиберт Дж. (2004). Динамика растворенных веществ и растворенного кислорода в неглубоких городских подземных водах ниже бассейна инфильтрации ливневых вод. науч. Общая окружающая среда. 329, 215–229. doi: 10.1016/j.scitotenv.2004.02.022

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Дюмон, М., Люк, К., Дэн, Ю.и Френцель, П. (2014). Классификация пиросеквенций ампликона pmoA с использованием BLAST и метода низшего общего предка в MEGAN. Фронт. микробиол. 5:34. doi: 10.3389/fmicb.2014.00034

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Данфилд П.Ф., Лизак В., Хенкель Т., Ноулз Р. и Конрад Р. (1999). Высокоаффинное окисление метана почвообогащающей культурой, содержащей метанотроф II типа. Заяв. Окружающая среда. микробиол. 65, 1009–1014.

Реферат PubMed | Академия Google

Данфилд, П.Ф., Юрьев А., Сенин П., Смирнова А. В., Стотт М. Б., Хоу С. и соавт. (2007). Окисление метана чрезвычайно ацидофильной бактерией типа Verrucomicrobia. Природа 450, 879–882. doi: 10.1038/nature06411

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Айзентрегер А., Клаг П., Вансботтер Б., Хейманн Э. и Дотт В. (2001). Денитрификация подземных вод метаном как единственным донором водорода. Вода Res. 35, 2261–2267. дои: 10.1016/S0043-1354(00)00516-9

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Эрвин, Д. П., Эриксон, И. К., Делвич, М. Е., Колвелл, Ф. С., Стрэп, Дж. Л., и Кроуфорд, Р. Л. (2005). Разнообразие генов оксигеназ метан- и аммиакокисляющих бактерий в водоносном горизонте восточной долины реки Снейк. Заяв. Окружающая среда. микробиол. 71, 2016–2025. doi: 10.1128/AEM.71.4.2016-2025.2005

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Этвиг, К.F., Butler, M.K., Le Paslier, D., Pelletier, E., Mangenot, S., Kuypers, M.M.M., et al. (2010). Анаэробное окисление метана под действием нитритов оксигенными бактериями. Природа 464, 543–548. doi: 10.1038/nature08883

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Этвиг, К.Ф., Шима, С., ван де Пас-Шунен, К.Т., Кант, Дж., Медема, М.Х., Оп Ден Кэмп, Х.Дж., и др. (2008). Денитрифицирующие бактерии анаэробно окисляют метан в отсутствие архей. Окружающая среда. микробиол. 10, 3164–3173. doi: 10.1111/j.1462-2920.2008.01724.x

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Эванс, П. Н., Паркс, Д. Х., Чедвик, Г. Л., Роббинс, С. Дж., Сирота, В. Дж., Голдинг, С. Д., и соавт. (2015). Обмен метана у архей типа Bathyarchaeota, выявленный с помощью геномно-центрической метагеномики. Наука 350, 434. doi: 10.1126/science.aac7745

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Флинн, Т.М., Сэнфорд, Р.А., Рю, Х., Бетке, С.М., Левин, А.Д., Эшболт, Н.Дж., и соавт. (2013). Функциональное микробное разнообразие объясняет химический состав подземных вод в первозданном водоносном горизонте. ВМС микробиол. 13:146. дои: 10.1186/1471-2180-13-146

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Гриблер, К., и Людерс, Т. (2009). Микробное биоразнообразие в экосистемах подземных вод. Свежесть. биол. 54, 649–677. doi: 10.1111/j.1365-2427.2008.02013.x

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Хаак, С.К., Фогарти, Л.Р., Уэст, Т.Г., Алм, Э.В., Макгуайр, Дж. Т., Лонг, Д.Т., и соавт. (2004). Пространственные и временные изменения в структуре микробного сообщества, связанные с химическими градиентами под влиянием пополнения в загрязненном водоносном горизонте. Окружающая среда. микробиол. 6, 438–448. doi: 10.1111/j.1462-2920.2003.00563.x

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Хайнбух, С. (2015). Новые медьсодержащие мембраносвязанные монооксигеназы с глубоким разветвлением: распределение и функция. Рукопись диссертации. Доступно в Интернете по адресу: https://doi.org/10.17192/z2015.0414

.

Хаммер О., Харпер Д. и Райан П. (2001). «PAST-палеонтологическая статистика, Ver. 1.89», в Palaeontologia Electronica , Vol. 4, изд. Н. Маклауд (Осло).

Академия Google

Хансен, Л.К. (1998). Биогеохимия метана в мелководном песчаном водоносном горизонте . Диссертация, Технический университет Дании (DTU). Доступно на сайте: www2.er.dtu.dk

Харун, М. F., Hu, S., Shi, Y., Imelfort, M., Keller, J., Hugenholtz, P., et al. (2013). Анаэробное окисление метана в сочетании с восстановлением нитратов в новой линии архей. Природа 500, 567–570. doi: 10.1038/nature12375

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Humez, P., Mayer, B., Nightingale, M., Becker, V., Kingston, A., Taylor, S., et al. (2016). Окислительно-восстановительный потенциал контролирует образование, миграцию и судьбу метана в неглубоких водоносных горизонтах. Гидрол. Земля Сист.науч. 20, 2759–2777. doi: 10.5194/hess-20-2759-2016

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Джонс, В.Дж., Нэгл, Д.П., и Уитмен, В.Б. (1987). Метаногены и разнообразие архебактерий. Микробиолог. Ред. 51, 135–177.

Реферат PubMed | Академия Google

Калюзная М.Г., Мартенс-Хаббена В., Ван Т., Хакетт М., Столяр С.М., Шталь Д.А. и соавт. (2009). Methylophilaceae связывают окисление метанола с денитрификацией в отложениях пресноводных озер, что подтверждается зондированием стабильных изотопов и анализом чистых культур. Окружающая среда. микробиол. 1, 385–392. doi: 10.1111/j.1758-2229.2009.00046.x

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Kits, K.D., Klotz, M.G., и Stein, L.Y. (2015). Окисление метана в сочетании с восстановлением нитратов в условиях гипоксии Gammaproteobacterium Methylomonas denitrificans , sp. ноябрь штамм типа FJG1. Окружающая среда. микробиол. 17, 3219–3232. дои: 10.1111/1462-2920.12772

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Клейкемпер, Дж., Pombo, S.A., Schroth, M.H., Sigler, W.V., Pesaro, M., and Zeyer, J. (2005). Активность и разнообразие метаногенов в загрязненном нефтяными углеводородами водоносном горизонте. Заяв. Окружающая среда. микробиол. 71, 149–158. doi: 10.1128/AEM.71.1.149-158.2005

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Книттель, К., и Боэтиус, А. (2009). Анаэробное окисление метана: ход неизвестного процесса. год. Преподобный Микробиолог. 63, 311–334. doi: 10.1146/annurev.микро.61.080706.093130

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Knittel, K., Lösekann, T., Boetius, A., Kort, R., and Amann, R. (2005). Разнообразие и распространение метанотрофных архей на холодных просачиваниях. Заяв. Окружающая среда. микробиол. 71, 467–479. doi: 10.1128/AEM.71.1.467-479.2005

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Котельникова С. (2002). Микробная продукция и окисление метана в глубоких недрах. Науки о Земле. Ред. 58, 367–395. doi: 10.1016/S0012-8252(01)00082-4

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Котельникова С. и Педерсен К. (2006). Свидетельства наличия метаногенных архей и гомоацетогенных бактерий в глубоких водоносных горизонтах гранитных пород. FEMS микробиол. Ред. 20, 339–349. doi: 10.1111/j.1574-6976.1997.tb00319.x

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Ллойд, К. Г., Альберт, Д.Б., Биддл, Дж.Ф., Шантон, Дж.П., Писарро, О.и Теске, А. (2010). Пространственная структура и активность осадочных микробных сообществ, лежащих в основе Beggiatoa spp. мат в просачивании углеводородов в Мексиканском заливе. PLoS ONE 5:e8738. doi: 10.1371/journal.pone.0008738

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Ллойд, К.Г., Альперин, М.Дж., и Теске, А. (2011). Экологические доказательства чистого образования и окисления метана у предполагаемых АНАэробных МЕТанотрофных (АНМЭ) архей. Окружающая среда.микробиол. 13, 2548–2564. doi: 10.1111/j.1462-2920.2011.02526.x

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Luesken, F.A., Zhu, B., van Alen, T.A., Butler, M.K., Rodriguez Diaz, M., Song, B., et al. (2011). pmoA праймеры для обнаружения анаэробных метанотрофов. Заяв. Окружающая среда. микробиол. 77, 3877–3880. doi: 10.1128/aem.02960-10

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Люке, К. , и Френцель, П.(2011). Потенциал пиросеквенирования ампликона pmoA для изучения разнообразия метанотрофов. Заяв. Окружающая среда. микробиол. 77, 6305–6309. doi: 10.1128/AEM.05355-11

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Лутон, П.Е., Уэйн, Дж.М., Шарп, Р.Дж., и Райли, П.В. (2002). Ген mcrA как альтернатива 16S рРНК в филогенетическом анализе популяций метаногенов на свалкахb. Микробиология 148, 3521–3530. дои: 10.1099/00221287-148-11-3521

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Милука, Дж., Ferdelman, T.G., Polerecky, L., Franzke, D., Wegener, G., Schmid, M., et al. (2012). Нульвалентная сера является ключевым промежуточным звеном в окислении морского метана. Природа 491, 541–546. doi: 10.1038/nature11656

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Молофски, Л.Дж., Коннор, Дж.А., Фархат, С.К., Уайли, А.С., и Вагнер, Т. (2011). Метан в водяных скважинах Пенсильвании, не связанный с гидроразрывом сланца Marcellus. Oil Gas J. 109, 54–54.

Академия Google

Молофски Л.Дж., Коннор, Дж. А., МакХью, Т. Е., Ричардсон, С. Д., Воросило, К., и Альварес, П. Дж. (2016). Факторы окружающей среды, связанные с естественным появлением метана в бассейне Аппалачей. Подземные воды 54, 656–668. doi: 10.1111/gwat.12401

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Newby, D.T., Reed, D.W., Petzke, L.M., Igoe, A.L., Delwiche, M.E., Roberto, F.F., et al. (2004). Разнообразие сообществ метанотрофов в базальтовом водоносном горизонте. FEMS микробиол.Экол. 48, 333. doi: 10.1016/j.femsec.2004.02.001

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Ниманн Х., Лосеканн Т., де Бир Д., Элверт М., Надалиг Т., Книттель К. и др. (2006). Новые микробные сообщества грязевого вулкана Хокон-Мосби и их роль в качестве поглотителя метана. Природа 443, 854–858. doi: 10.1038/nature05227

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Оремланд, Р. С., и Полчин, С.(1982). Метаногенез и сульфатредукция: конкурентные и неконкурентные субстраты в эстуарных отложениях. Заяв. Окружающая среда. микробиол. 44, 1270–1276.

Реферат PubMed | Академия Google

Сирота, В. Дж., Хаус, С. Х., Хинрихс, К.-У., Маккиган, К. Д., и Делонг, Э. Ф. (2002). Множественные группы архей опосредуют окисление метана в бескислородных отложениях холодного просачивания. Проц. Натл. акад. науч. США 99, 7663–7668. doi: 10.1073/pnas.072210299

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Осборн, С.Г. и Макинтош, Дж. К. (2010). Химические и изотопные индикаторы вклада микробного газа в девонские сланцы, богатые органическими веществами, и коллекторские песчаники в северной части Аппалачского бассейна. Заяв. Геохим. 25, 456–471. doi: 10.1016/j.apgeochem.2010.01.001

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Осборн, С.Г., Венгош, А., Уорнер, Н.Р., и Джексон, Р.Б. (2011). Загрязнение питьевой воды метаном при бурении газовых скважин и гидроразрыве пласта. Проц.Натл. акад. науч. США 108, 8172–8176. doi: 10.1073/pnas.1100682108

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Pruesse, E., Quast, C., Knittel, K., Fuchs, B.M., Ludwig, W., Peplies, J., et al. (2007). SILVA: всеобъемлющий онлайн-ресурс для проверки качества и выравнивания данных о последовательностях рибосомной РНК, совместимых с ARB. Рез. нуклеиновых кислот. 35, 7188–7196. doi: 10.1093/nar/gkm864

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Рагобарсинг, А.A., Pol A., van de Pas-Schoonen, K.T., Smolders, A.J.P., Ettwig, K.F., Rijpstra, W.I.C., et al. (2006). Консорциум микробов сочетает анаэробное окисление метана с денитрификацией. Природа 440, 918–921. doi: 10.1038/nature04617

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Шуберт, С. Дж., Васкес, Ф., Лёзеканн-Беренс, Т., Книттель, К., Тонолла, М., и Боэтиус, А. (2011). Доказательства анаэробного окисления метана в отложениях пресноводной системы (Lago di Cadagno). FEMS микробиол. Экол. 76, 26–38. doi: 10.1111/j.1574-6941.2010.01036.x

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Сегарра, К.Е.А., Шуботц, Ф., Самаркин, В., Йошинага, М.Ю., Хинрихс, К.-У., и Джой, С.Б. (2015). Высокая скорость анаэробного окисления метана в пресноводных водно-болотных угодьях снижает потенциальные выбросы метана в атмосферу. Нац. коммун. 6, 7477. doi: 10.1038/ncomms8477

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Шарп, К.Е., Смирнова А.В., Грэм Дж.М., Стотт М.Б., Хадка Р., Мур Т.Р. и соавт. (2014). Распространение и разнообразие метанотрофов Verrucomicrobia в геотермальных и кислых средах. Окружающая среда. микробиол. 16, 1867–1878 гг. дои: 10.1111/1462-2920.12454

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Smith, R.L., Howes, B.L., and Garabedian, S.P. (1991). In situ Измерение окисления метана в подземных водах с использованием индикаторных тестов с естественным градиентом. Заяв. Окружающая среда. микробиол. 57, 1997–2004 гг.

Реферат PubMed | Академия Google

Тауэр, Р.К., Кастер, А.-К., Зеедорф, Х., Букель, В., и Хеддерих, Р. (2008). Метаногенные археи: экологически значимые различия в энергосбережении. Нац. Преподобный Микробиолог. 6, 579–591. DOI: 10.1038/nrmicro1931

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Тиммерс, П. Х., Суарес-Зулуага, Д. А., ван Россем, М., Диендер, М., Стамс, А.Дж., и Плагге, К.М. (2016). Анаэробное окисление метана, связанное с восстановлением сульфатов в природном источнике пресноводного газа. ISME J. 10, 14:00–14:12. doi: 10.1038/ismej.2015.213

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Виньерон, А., Олсоп, Э. Б., Чемберс, Б., Ломанс, Б. П., Хед, И. М., и Цесметзис, Н. (2016). Дополнительные микроорганизмы в высококоррозионных биопленках морского объекта по добыче нефти. Заяв.Окружающая среда. микробиол. 82, 2545–2554. doi: 10.1128/AEM.03842-15

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Виньерон, А., Крюо, П., Пине, П., Капрэ, Ж.-К., Камбон-Бонавита, М.-А., Годфрой, А., и соавт. (2013). Сообщества архейных и анаэробных окислителей метана в холодных просачиваниях окраины Сонора, бассейн Гуаймас (Калифорнийский залив). ISME J. 7, 1595–1608. doi: 10.1038/ismej.2013.18

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Виньерон, А., Cruaud, P., Pignet, P., Caprais, J.-C., Gayet, N., Cambon-Bonavita, M.-A., et al. (2014а). Бактериальные сообщества и синтрофические ассоциации, участвующие в анаэробном окислении метана в холодных сипах окраины Сонора, бассейн Гуаймас. Окружающая среда. микробиол. 16, 2777–2790. дои: 10.1111/1462-2920.12324

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Vigneron, A., Cruaud, P., Roussel, E.G., Pignet, P., Caprais, J.-C., Callac, N., et al. (2014б).Филогенетическое и функциональное разнообразие микробных сообществ, связанных с подповерхностными отложениями окраины Сонора, бассейн Гуаймас. ПЛОС ОДИН 9:e104427. doi: 10.1371/journal.pone.0104427

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Вроблески, Д. А., и Шапель, Ф. Х. (1994). Временные и пространственные изменения терминальных электроноакцепторных процессов в водоносном горизонте, загрязненном нефтяными углеводородами, и их значение для биодеградации загрязняющих веществ. Водный ресурс. Рез. 30, 1561–1570. дои: 10.1029/94WR00067

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Whiticar, MJ (1999). Систематика изотопов углерода и водорода бактериообразования и окисления метана. Хим. геол. 161, 291–314. doi: 10.1016/S0009-2541(99)00092-3

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Уилсон, Б. (2014). Геологические и исходные данные о подземных водах природного термогенного газа из неглубоких источников на северо-востоке Пенсильвании. AAPG Bull. 98, 373–394. дои: 10.1306/08061312218

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Yoshinaga, M.Y., Holler, T., Goldhammer, T., Wegener, G., Pohlman, J.W., Brunner, B., et al. (2014). Уравновешивание изотопов углерода при сульфат-лимитированном анаэробном окислении метана. Нац. Geosci. 7, 190–194. дои: 10.1038/ngeo2069

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Чжан, К., Гроссман, Э.Л., и Аммерман, Дж.В. (1998). Факторы, влияющие на распределение метана в подземных водах Техаса. Грунтовые воды 36, 58–66. doi: 10.1111/j.1745-6584.1998.tb01065.x

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Соединение прошлых изменений окружающей среды и микробного сообщества

Исследовательские участки и отчеты об отложениях о прошлых изменениях окружающей среды

Три средних по размеру, глубоких и стратифицированных озера были выбраны в горах Юра (озеро Нарлай и озеро Реморей) и во французских Альпах. (озеро Бревент). Озера либо окружены известняковыми породами (озеро Нарли и озеро Реморей), либо подстилаются неизвестковыми геологическими образованиями (озеро Бревент), вызывающими большие различия в pH и проводимости воды.В этих озерах также были зарегистрированы резкие градиенты концентрации кислорода, света и температуры (рис. S1), что обеспечивает отличные условия окружающей среды для сохранения аДНК MOB (Coolen and Gibson 2009). Керны отложений были извлечены с наибольшей глубины каждого озера с помощью гравитационного бура. Глубинно-возрастные модели были основаны на комбинации измерений короткоживущих ( 210 Pb, 241 Am и 137 Cs) и долгоживущих ( 14 C) радионуклидов. Затем было выполнено моделирование глубины возраста с использованием простых линейных интерполяций (пакет Clam для R; Blaauw 2010), и все модели ранее были опубликованы Belle, Millet, Lami, et al.(2016). Записи осадочных пород позволили охватить последние ок. . 1200 лет.

Реконструкция прошлой динамики метанокисляющих бактерий в озерных отложениях с использованием количественного метода ПЦР: соединение прошлых изменений окружающей среды и микробного сообществаhttps://doi.org/10.1080/014

.2019.1583698

Рисунок 1. (a) Временные тренды концентраций органического углерода (C
org ) и общей концентрации ДНК (нг.мкл -1 ) в образцах донных отложений из озер Нарлей, Бревент и Реморей.(b) Зависимость между концентрациями органического углерода (C org ) и общей концентрацией ДНК (нг.мкл -1 ). Ни одна из взаимосвязей не была значимой ( p — значения >0,02).

Рисунок 1. (a) Временные тренды концентраций органического углерода (C org ) и общей концентрации ДНК (нг.мкл -1 ) в пробах донных отложений из озер Нарлей, Бревент и Реморей. (b) Зависимость между концентрациями органического углерода (C org ) и общей концентрацией ДНК (ng.мкл -1 ). Ни одна из взаимосвязей не была значимой ( p — значения >0,02).

Мы собрали данные из предыдущих исследований тех же кернов отложений (Belle et al. 2014, 2015; Belle, Millet, Lami, et al. 2016), и использовались только данные, соответствующие стратегии отбора проб, используемой для анализа MOB aDNA. Чтобы получить представление о прошлых экологических и климатических изменениях, мы использовали реконструкцию колебаний температуры вегетационного периода (Temp, выраженная в температурной аномалии), концентрации органического углерода (C org ; % сухого веса), отношения органического углерода к общему азоту (C /N), скорость накопления органического углерода (OCAR; г 100 -2  лет -1 ) и общее содержание каротиноидов в отложениях (TC, выраженное в миллиграммах на грамм органического вещества; мг г -1 ОМ ).Соотношение C/N дает ценную информацию о качестве органического вещества (наземное органическое вещество по сравнению с водным), TC является надежным индикатором наличия питательных веществ в озерах, тогда как C org и OCAR предоставляют информацию о количестве органического вещества. Вкратце, концентрации органического углерода и общего азота в отложениях были количественно определены с использованием анализатора vario MAX CNS (Elementar) после удаления карбоната для озер, лежащих на известняковых породах. Осадочные пигменты (TC) количественно определяли из экстрактов пигментов с помощью спектрофотометрии, как описано Guilizzoni et al.(2011). Реконструкция температуры воздуха, опубликованная Guiot et al. (2010) представили реконструкцию весенне-летних температур на основе годичных колец за последние 1200 лет.

Анализ аДНК MOB

Керны отложений были разделены на 22, 20 и 23 образца для озер Нарлей, Бревент и Реморей, соответственно, чтобы реконструировать прошлую временную динамику сообщества MOB за последние 1200  лет. Данные MOB из озера Нарли уже были опубликованы Belle et al. (2014), тогда как Belle, Millet, Lami и соавт.(2016) лишь частично опубликовали результаты MOB из озер Реморей и Бревент, но исследование не было сосредоточено на составе сообщества MOB.

На основании предыдущих исследований, сравнивающих различные коммерческие наборы для экстракции (Dineen et al. 2010; Mahmoudi et al. 2011; Barta et al. 2014), был выбран набор для экстракции MO Bio, обеспечивающий надежное и воспроизводимое выделение MOB aDNA. Выделение тотальной геномной ДНК из образцов донных отложений проводили с помощью набора для выделения ДНК PowerSoil ® в соответствии с инструкциями производителя (MO BIO Laboratories, Inc).Чтобы получить достаточное количество аДНК, экстракцию проводили дважды из приблизительно 500 мг влажных отложений (2 × 250 мг) и объединяли. Вещества, совместно экстрагированные из отложений, могут ингибировать амплификацию и влиять на воспроизводимость (Young et al. 2014), а ингибиторы (такие как гуминовая кислота, фенольные соединения, полисахариды растительного происхождения) должны быть удалены с помощью дополнительных этапов очистки. Поэтому мы очищали и концентрировали образцы ДНК путем осаждения этанолом. В основном, 1:10 объем 3 M ацетата натрия (pH 5. 2) и 3 объема 100% этанола смешивали с образцами ДНК и инкубировали в течение ночи при -20 °С. Затем пробирки вращали со скоростью 19 000 об/мин в течение 30 мин при 4°С и тщательно удаляли надосадочную жидкость пипеткой перед добавлением 2 объемов 70% этанола. Затем пробирки центрифугировали второй раз при 19 000 g в течение 10 мин при 4°C, супернатанты удаляли и осадки сушили в течение 2 мин в спидваке (Concentrator plus ® , Eppendorf, Гамбург, Германия). Затем гранулы суспендировали в 150 мкл сверхчистой воды для очистки с помощью набора для очистки ДНК PowerClean ® (MO BIO Laboratories, Inc.). Наконец, ДНК разводили в 100 мкл сверхчистой воды и определяли концентрацию ДНК в образцах путем измерения поглощения при 260 нм с помощью Eppendorf BioPhotometer ® (Eppendorf AG, Гамбург, Германия).

Последовательности четырех пар праймеров, нацеленных на все бактерии (все бактерии), MOB типа I (Met1), MOB типа II (Met2) и MOB, принадлежащие к типу NC10 (NC10), использовали, как указано в таблице 1. Были выбраны праймеры. из очень консервативных регионов с использованием Primer-Blast (Ye et al.2012) с учетом многочисленных ограничений, необходимых для успешной реакции количественной ПЦР. Праймеры должны были иметь содержание GC 50-60%, температуру плавления (Tm) от 50 до 60 °C, повторы G или C короче 4 оснований и амплифицировать участок матрицы размером 75–150 bp с содержанием GC 50 –60% (Йе и др., 2012 г.). Каждую пару праймеров анализировали с помощью NCBI BLAST (http://blast.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgi) для проверки ее специфичности и с помощью Netprimer (http://www.premierbiosoft.com/netprimer/), чтобы избежать вторичная структура и образование праймер-димера.С помощью онлайн-программ «Sequence Extractor» (http://www.bioinformatics.org/seqext/) ампликон был сгенерирован и проанализирован с использованием сервера ДНК unafold (http://unafold.rna.albany.edu/). Эта программа позволяет проверить, что ампликон не имеет вторичной структуры, которая может препятствовать отжигу праймеров и полному удлинению продукта полимеразой.

Реконструкция прошлой динамики метанокисляющих бактерий в озерных отложениях с использованием количественного метода ПЦР: связь прошлых изменений окружающей среды и микробного сообщества https://doi.org/10.1080/014

.2019.1583698

Опубликовано в Интернете:
19 марта 2019 г.

Таблица 1. Праймеры, нацеленные на метанокисляющие бактерии, используемые для количественной ПЦР.

Все количественные ПЦР (кПЦР) проводили с помощью Mastercycler ep realplex (Eppendorf). Конечные концентрации праймеров (в диапазоне 50–500 нМ) и температура отжига были протестированы с использованием функции градиента Realplex для оптимизации реакции амплификации. Чтобы оценить эффективность реакции, чувствительность и воспроизводимость, мы установили стандартную кривую из серии четырехкратных разведений смеси всех экстрактов аДНК на озеро (рис. S2).Анализ стандартной кривой позволил нам выбрать наиболее эффективную концентрацию аДНК для амплификации КПЦР, в нашем случае 5 нг в каждой реакционной лунке. Поскольку все образцы ( n  = 65) не могут быть проанализированы в одном цикле, рекомендуется максимизировать количество образцов в цикле для одного генетического анализа (Derveaux et al. 2010). Все кПЦР проводились в трех экземплярах и содержали 10 мкл SsoAdvanced™ Universal SYBR ® Green Supermix (Bio-Rad Laboratories, Inc.), 1 мкл каждого праймера (4 мкМ: т.е. 200 нМ конечная концентрация), 5 мкл матричной аДНК. (или сверхчистая вода для отрицательного контроля) и сверхчистая вода до конечного реакционного объема 20  мкл.Протокол количественной ПЦР включал 2-минутную начальную активацию фермента/денатурацию ДНК при 98°C, затем 50 циклов денатурации при 98°C в течение 5 с и этап отжига при оптимизированной температуре отжига (таблица 1) в течение 30 с, этап удлинения при 68 °С в течение 20 с и кривая плавления при 65–95 °С. Анализ кривой плавления должен был показать только один пик, соответствующий ампликону при правильной температуре плавления (Tm) относительно длины и содержания CG (рис. S2).

Реконструкция прошлой динамики метанокисляющих бактерий в озерных отложениях с использованием количественного метода ПЦР: связь прошлых изменений окружающей среды и микробного сообщества https://doi.org/10.1080/014

.2019.1583698

Опубликовано онлайн:
19 марта 2019

Рисунок 2. (a) Временные тренды концентрации органического углерода (C org ; % от сухого веса), доля МОВ типа 1 в общей ДНК бактерий (Met1/все бактерии), доля МОВ типа 2 в общая аДНК бактерий (Met2/Все бактерии), отношения Met1/Met2, температура вегетационного периода (с апреля по сентябрь; Guiot et al.2010), скорости накопления органического углерода (OCAR; г 100 -2  лет -1 ), общее содержание каротиноидов в отложениях (ОК; мг г -1 ОВ) и отношение C/N оз. Бревент. (b) Факторная карта анализа главных компонентов (PCA1 по сравнению с PCA2), выполненная на мультипрокси данных озера Бревент. Для определения возраста выборки использовалась шкала серого: светло-серые цвета соответствуют самым старым образцам, а черные символы — самым молодым образцам. Круг корреляции, представляющий переменные вклады в первые две оси PCA.

Анализ данных

Значения порога цикла (CT) использовались для определения относительной доли MOB в общем количестве бактерий (первоначальное название: Все бактерии), обнаруженных в пробах отложений (Livak and Schmittgen 2001), в соответствии с выражением: Met1/Все бактерии = 2 ΔCT с ΔCT = CT Все бактерии  − CT Met1 . CT определяется как пересечение между флуоресцентным сигналом и пороговой линией и рассчитывается для каждого образца. Отношения Met1 к Met2 использовались в качестве индикатора структуры сообщества MOB.Чтобы проверить влияние характеристик отложений на эффективность извлечения аДНК, была исследована статистическая связь между концентрациями органического углерода (C org ) и концентрациями аДНК с использованием обобщенных аддитивных смешанных моделей (GAM; подобрано с использованием пакета mgcv для R; Wood 2011). подход с авторегрессионным процессом первого порядка [CAR(1)] с непрерывным временем для учета потенциальной временной автокорреляции (Симпсон и Андерсон, 2009). Для отслеживания основных тенденций в данных временные ряды были сглажены с использованием локальной полиномиальной регрессии (параметры лесса: размер окна соседства = 30% данных; степень полиномов = 2).Для каждого озера анализ основных компонентов (PCA) был также выполнен на множественных прокси-данных (Met1, Met2, Met1/Met2, Temp, C org , OCAR, TC и отношение C/N), чтобы обеспечить обзор взаимосвязей. между сообществом МОБ и условиями окружающей среды в озере. Затем все данные были стандартизированы для каждого озера, и для всех мультипрокси-данных был проведен еще один PCA для оценки общих взаимосвязей между сообществом MOB и условиями окружающей среды для всех озер. Все статистические тесты и графические изображения были выполнены с использованием R 3.статистическое программное обеспечение 4.0 (R Core Team 2017).

Общее количество аДНК бактерий (Met1/все бактерии), доля MOB типа 2 в общем количестве аДНК бактерий (Met2/все бактерии), соотношение Met1/Met2, температура вегетационного периода (с апреля по сентябрь; Guiot et al. 2010), накопление содержание органического углерода (OCAR; г 100 -2  лет -1 ), общее содержание каротиноидов в отложениях (TC; мг г -1 ОВ) и отношения C/N в озере Бревент.(b) Факторная карта анализа главных компонентов (PCA1 по сравнению с PCA2), выполненная на мультипрокси данных озера Бревент. Для определения возраста выборки использовалась шкала серого: светло-серые цвета соответствуют самым старым образцам, а черные символы — самым молодым образцам. Круг корреляции, представляющий переменные вклады в первые две оси PCA.

АО Ранняя публикация

Алгоритм быстрого планирования пути для асферических оптических элементов с большой2 апертурой на основе минимальной глубины объекта и самооптимизируемого коэффициента перекрытия

Фаньи Ван, Юнъин Ян и Вейминь Лу

DOI: 10.1364/AO.450995 Поступила в редакцию 10 декабря 2021 г.; Принято 12 марта 2022 г.; Опубликовано 14 марта 2022 г.   Просмотр: PDF

Abstract: В процедуре обнаружения дефектов поверхности светосильных асферических оптических элементов необходимо сканировать поверхность элемента для обеспечения контроля полного охвата. Поскольку кривизна асферического элемента постоянно меняется от центра к краю, очень сложно осуществить эффективное планирование траектории. Кроме того, система машинного зрения представляет собой микроскопическую систему с ограниченной глубиной резкости, а субапертурное изображение асферического элемента имеет визуальную глубину вдоль стороны объекта, когда глубина объекта больше глубины резкости, не в фокусе будет генерироваться размытие, поэтому глубина объекта должна быть как можно меньше. В ответ на эти проблемы в этой статье предлагается алгоритм планирования быстрого пути, основанный на минимальной глубине субапертуры объекта.Чтобы обеспечить минимальную глубину объекта, система машинного зрения собирает изображение вдоль нормального направления плоскости субапертуры. Для решения проблемы, заключающейся в том, что кривизна поверхности асферических элементов различна и коэффициент перекрытия трудно определить, в этой статье предлагается алгоритм самооптимизации коэффициента перекрытия на основе обработки изображений (IPOCSA). При сканировании с полным охватом элемента в горизонтальном проекционном изображении всех субапертур имеется только одна связанная область.В соответствии с этой предпосылкой коэффициент перекрытия оптимизируется с помощью способа обработки изображений для получения стратегии планирования оптимального локального пути. В соответствии с полученной стратегией планирования пути, объединяющей параметры компонента и механической структуры, рассчитывается матрица отображения алгоритма планирования пути, трансплантированного в систему обнаружения. С помощью компьютерного программирования реализуется автоматическое получение субапертур, а затем применяется саморедактируемая программа сшивки субапертур для реконструкции собранных субапертур.Наш алгоритм может завершить планирование пути в течение 5 секунд, а результаты экспериментов показывают, что максимальная ошибка смещения сшивки собранных субапертур составляет не более 4 пикселей, а средняя — 1 пиксель, точность реконструкции удовлетворяет потребности последующей обработки изображения и цифрового квантования.

Author: alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.