淮北煤田深层地下水微生物群落特征及其水源示踪意义

创新点

（1）系统研究了煤矿区深层地下水微生物群落组成多样性以及不同含水层的微生物群落特征，确定了煤系水和太灰水的主要优势菌门及菌属类型。

（2）阐明了影响含水层微生物群落组成的主要环境因子，揭示了煤矿区深层不同含水层地下水微生物群落的环境影响机理。

（3）探讨了煤矿涌（突）水水源的微生物群落示踪效果，为煤矿水害防治提供一种新的技术方法。

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淮北煤田深层地下水微生物群落特征及其水源示踪意义

作者：陈家玉1, 2 ，桂和荣2 ，郭艳2 ，李俊2

单位：1. 安徽理工大学地球与环境学院;2. 国家煤矿水害防治工程技术研究中心 (宿州学院)

研究背景

RESEARCH BACKGROUND

由于煤矿资源长期无限制的开采，导致资源枯竭，灾害频发。而水资源和水环境问题反过来制约煤化工产业发展。煤矿区地下水由于温度、氧化还原电位以及复杂的水文地质条件形成独特的微生物种群结构。此外，煤炭开采的过程中，必然伴随着地下水生境的改变，进而引发微生物的繁殖与变异。因此，探索煤矿区地下水微生物群落结构成为了解矿区污染、治理污染,从而实现水资源保护与工业稳步发展的必要手段。

在开采扰动影响下，煤矿区的水文地质结构由原来相对稳态的系统转变为非稳态且复杂水力联系的系统，包括含水层、导水通道和采空区等多个方面，使煤矿区地下水动力条件、生化环境发生重大变化。研究利用16SrRNA基因高通量测序技术，旨在从遗传的水平上分析采煤区地下水微生物群落组成及特征，克服了绝大多数微生物不可培养的缺陷，从而更反映出地下水微生物的真实情况。已有对于地下水微生物多样性的研究多集中于浅层水体，而实际深层地下水微生物所处的环境更加复杂。笔者选取淮北煤田许疃矿、任楼矿、桃园矿、恒源矿和界沟矿煤系砂岩水和太原组灰岩水深层含水层利用矿井水文孔进行取样。本研究利用高通量测序技术调查深层地下水的微生物群落结构特征及其与环境变量的关系，以期了解煤矿区深层地下水微生物群落，从而为矿区地下水管理、水害防治等提供基础数据。

煤矿五大灾害(突水、瓦斯突出、自燃、冒顶、煤尘)，水害位居其首，水害所造成的人员伤亡仅次于瓦斯灾害，但所造成的经济损失远大于瓦斯灾害。煤矿水害防治中，矿井涌水或突水水源的精准识别是煤矿的一项常规性且十分重要的工作，目前所用的手段是水位、水量、水化学等物理化学识别方法。在淮北煤田，二叠系煤系砂岩裂隙水(简称“煤系水”)、石炭系太原组灰岩水(简称“太灰水”)都是煤矿开采的主要充水水源，研究两含水层地下水微生物群落特征及其空间分布规律，可以为煤矿涌(突)水水源识别提供一种新的方法。

摘要

ABSTRACT

煤矿开采及疏水降压,打破了深层地下水的天然平衡系统，导致不同含水层微生物群落的时空变化。利用淮北煤田矿井水文孔采集深度分别为 600 和 750 m 的二叠系煤系砂岩含水层 (煤系) 和石炭系太原组灰岩含水层 (太灰) 地下水样品,利用16S rRNA基因V4区测序方法，开展深层地下水微生物群落多样性测试与分析。

结果表明,煤系水和太灰水样品微生物分类单元 (OUTs) 数目范围分别为 968~3 071和820~3894，平均值分别为1980.43 和 1 847.81。ACE、Shannon和Chao值呈现煤系水>太灰水、Simpson 指数呈现煤系水<太灰水的特征，说明地下水微生物群落组成多样性煤系水 > 太灰水;太灰水和煤系水中主要优势菌门均为 Proteobacteria、Bacteroidota 和 Planctomycetota, 相对丰度分别介于 41.48%~97.36%、0.57%~48.01% 和 0.13%~15.29%;煤系水主要优势菌属为 Thiovirga、Hydrogenophaga 和 Flavobacterium，相对丰度分别占煤系水中总菌属的 5.98%、4.39%、3.43%。太灰水主要优势菌属为 Hydrogenophaga、Acinetobacter、Thiobacillus，相对丰度占比分别为 11.13%、4.72% 和 4.40%;煤系水和太灰水含水层特有OTU数目分别为1759 和4107 个;F−、K+、ORP 是影响地下水微生物群落的主要环境因子，K+对太灰水菌群群落丰度的影响大于煤系水，F−对煤系水和太灰水菌群群落影响相差不大;随着含水层深度的增加， F−和 K+对菌群群落丰度的影响逐渐增大。淮北煤炭典型污染物 F−质量浓度的升高强化了部分菌群, 导致微生物群落组成发生变化。由煤田采动造成的地下水污染同时使 Thiothrix 在太灰水中得以富集。煤系水、太灰水是淮北煤田煤矿开采的主要充水水源，而且具有不同的微生物群落特征，从而为煤矿涌 (突) 水水源识别提供了一种新的方法，为煤矿水害防治提供保障。

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