深层含水层氢气储存中微生物群落演替的生态规律与工程启示

《Microbial Ecology》：Successional Trajectories of Deep Subsurface Microbiomes in Response To Experimental Dihydrogen Injection

为评估现有储气设施改造为氢气储存库的可行性，研究人员通过模拟深层含水层环境的脉冲实验，揭示了氢气注入后微生物群落从硫酸盐还原到产甲烷的演替规律，证实特定地球化学条件下可预测生态过程，为地下储氢安全设计提供科学依据。

　　

在全球能源转型浪潮下，氢气（H₂）作为清洁能源载体备受关注，但将现有天然气储存设施改造为储氢库面临关键挑战——地下微生物可能消耗氢气并改变储气品质。传统观点认为深层含水层微生物活动微弱，然而近年研究发现，特定类群能利用氢气进行代谢，引发储存效率下降甚至安全隐患。为此，研究团队在《Microbial Ecology》发表论文，通过模拟深层含水层环境的受控实验，首次系统揭示了氢气注入后微生物群落的动态演替规律。

研究采用5组加压生物反应器模拟深层含水层温压条件，通过脉冲式氢气注入追踪微生物群落变化。结果显示，氢气暴露导致发酵型ASVs（扩增子序列变体）显著减少，符合环境过滤理论。氢营养型硫酸盐还原菌初期占据优势，部分实验出现硫酸盐完全耗尽现象，随后产甲烷古菌逐渐兴起。尤为重要的是，在不同分类学背景的群落中均观察到Thermodesulfovibrio与Methanothermobacter的演替模式，表明该过程受确定性生态机制驱动。pH变化引发的自养代谢选择压力与扩散限制进一步塑造了群落结构。

群落结构动态：通过16S rRNA基因测序分析，发现氢气注入后α多样性先降后升，反映群落重组过程。功能群响应：氢营养型硫酸盐还原菌（如Desulfovibrio）在早期样本中占比达40%，与硫酸盐浓度下降呈负相关。代谢产物积累：气相色谱检测证实，产甲烷阶段CH₄浓度显著升高，且δ¹³C-CH₄值指示氢营养型产甲烷途径。跨实验一致性：尽管初始群落差异显著，但所有实验均出现硫酸盐还原向产甲烷的过渡，关键类群丰度变化符合Lotka-Volterra竞争模型。

该研究首次证实深层含水层储氢场景下微生物演替存在可预测规律，突破传统“随机生态过程”认知。发现Thermodesulfovibrio-Methanothermobacter演替链作为生物标志物，可预警储氢系统功能转换风险。研究强调需结合地球化学参数（如硫酸盐浓度、pH）设计储氢方案，例如通过调控注入气体组分抑制特定代谢途径。这些结论为地下储氢设施的安全评估与微生物管理提供了定量生态学框架，对实现规模化氢能储存具有重要意义。