在自然界各種厭氧生境中，如沼澤、池塘、海洋和水田的底部，?？梢姷接袣馀菝俺鏊妗Ｈ魧⑦@些氣體收集起來，可以點(diǎn)燃，稱之為沼氣。沼氣的主要成分為甲烷（約占60％ ～70％）和CO2（約占30％ ～35％）。沼氣是厭氧環(huán)境中有機(jī)物微生物學(xué)轉(zhuǎn)化的產(chǎn)物。所謂沼氣發(fā)酵，是指在厭氧條件下將有機(jī)物轉(zhuǎn)化為沼氣的微生物學(xué)過程。

（一）沼氣發(fā)酵的微生物學(xué)過程

沼氣發(fā)酵的微生物學(xué)過程比較復(fù)雜。根據(jù)現(xiàn)有的研究，可將沼氣發(fā)酵分為四個(gè)階段，依次由四大類群的微生物參與作用。

第一階段：水解發(fā)酵性細(xì)菌將復(fù)雜有機(jī)物水解成相應(yīng)的單體，并對水解產(chǎn)物進(jìn)行發(fā)酵。

第二階段：產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌利用第一階段的發(fā)酵產(chǎn)物，形成乙酸和氫氣。

第三階段：產(chǎn)甲烷古菌把前幾個(gè)階段中產(chǎn)生的乙酸裂解成甲烷和二氧化碳，或?qū)浜投趸歼€原為甲烷和水。

第四階段：某些同型產(chǎn)乙酸細(xì)菌可將氫和二氧化碳還原成乙酸，乙酸再由產(chǎn)甲烷古菌裂解為甲烷和二氧化碳。

參與沼氣發(fā)酵的一些微生物是相互依存的，這種依存關(guān)系本質(zhì)上是氫的種間轉(zhuǎn)移。水解發(fā)酵性細(xì)菌和產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌均能產(chǎn)生氫氣并釋放至環(huán)境中，但它們的代謝活動(dòng)又可被各自所產(chǎn)生的氫所反饋抑制。氫營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷古菌則需要?dú)渥骰|(zhì)。這樣，后者利用氫還原二氧化碳形成甲烷，不僅滿足了自身的需要，也為前者解除了氫的反饋抑制。兩類菌相互依存，相互促進(jìn)，見圖13-1。

圖13-1 甲烷形成過程中各微生物類群之間的作用關(guān)系

產(chǎn)甲烷古菌在整個(gè)沼氣發(fā)酵微生物中起著核心作用，也是厭氧環(huán)境中有機(jī)物分解生物鏈上的最后一個(gè)成員。它們是一個(gè)特殊的生理類群，具有獨(dú)特的產(chǎn)能代謝方式。

現(xiàn)已分離到的產(chǎn)甲烷古菌可分為5個(gè)目10個(gè)科和31個(gè)屬，分別為：甲烷八疊球菌目（Methanosarcinales）、甲烷微菌目（Methanomicrobiales）、甲烷桿菌目（Methanobacteriales）、甲烷球菌目（Methanococcales）和甲烷火菌目（Methanopyrales）。其中，甲烷微菌目、甲烷球菌目和甲烷火菌目均為氫營養(yǎng)型的產(chǎn)甲烷古菌；甲烷桿菌目中除了Methanospaea屬外，均為氫營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷古菌；甲烷八疊球菌目則包括了所有乙酸營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷古菌和其他一些甲基營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷古菌。

（二）產(chǎn)甲烷古菌產(chǎn)甲烷的生物化學(xué)特性

1.產(chǎn)甲烷古菌代謝中的特異性輔酶

產(chǎn)甲烷古菌具有其他任何微生物所沒有的獨(dú)特輔酶F420、F430、輔酶M、因子B、CDR因子（CO2還原因子）等生物化學(xué)成分。它們在甲烷形成中具有極為重要的作用。

（1）F420（輔酶420、Co420，F(xiàn)actor420，420因子）

F420為一種相對分子質(zhì)量僅為630Da的熒光化合物，化學(xué)結(jié)構(gòu)為7，8-二脫甲基-8-羥基-5′-脫氮核黃素-5′-磷酸鹽（7，8-didemethyl-8-hydroxy-5′-deazariboflavin）。氧化態(tài)時(shí)在420nm處呈現(xiàn)藍(lán)綠色熒光，并出現(xiàn)一個(gè)明顯的吸收峰，還原態(tài)時(shí)則在420nm失去其吸收峰和熒光，因此產(chǎn)甲烷古菌在420nm紫外光激發(fā)下可自發(fā)熒光，長時(shí)間照射時(shí)熒光可消失，但在黑暗情況下又可得以恢復(fù)。

F420是一種產(chǎn)甲烷過程中低電位的最初電子載體，電位可能接近－300mV或更低。F420被氫化酶分解產(chǎn)生的電子所還原，然后把電子交給電子轉(zhuǎn)移鏈。

（2）輔酶M（CoM，CoM-SH）

CoM是所有已知輔酶中最小的具有滲透性、含量最高、對酸和熱穩(wěn)定的輔助因子。在260nm處呈現(xiàn)最大吸收峰。在空氣中很易氧化為（SCoM）2，極為耐熱，低于425℃時(shí)分解非常緩慢。CoM在產(chǎn)甲烷古菌細(xì)胞內(nèi)的含量很高，平均濃度可達(dá)0.2～2mmol／L。是一種甲基轉(zhuǎn)移酶的輔酶，即為活性甲基的載體。在產(chǎn)甲烷過程中起著極為重要的作用，反應(yīng)如下：

另外還有參與C1的還原反應(yīng)的甲基喋呤（methanopterin，MPT），其結(jié)構(gòu)與葉酸相似，作用功能也與其相同。在產(chǎn)甲烷和產(chǎn)乙酸過程中起甲基載體作用的是CO2還原因子（carbon dioxide reducing factor，CDR）也即甲烷呋喃（methanofuran，MFR）。另一個(gè)F430，是存在于嗜熱自養(yǎng)甲烷桿菌中含Ni的四吡咯結(jié)構(gòu)，是甲基輔酶M還原酶組分C的彌補(bǔ)基，參與甲烷形成的末端反應(yīng)。

2.從不同基質(zhì)形成甲烷的生物化學(xué)反應(yīng)

產(chǎn)甲烷古菌能利用的基質(zhì)范圍很窄，就單個(gè)種來說就更少，有些種僅能利用一種基質(zhì)。產(chǎn)甲烷古菌所能利用的基質(zhì)大多為最簡單的一碳或二碳化合物，如CO2、CH3OH、HCOOH、CH3COOH、甲胺類等，極個(gè)別種可利用三碳異丙醇。這些基質(zhì)形成甲烷的反應(yīng)如下：

4H2＋HCO3－＋H＋→CH4＋3H2O

4HCOO－＋4H＋→CH4＋3CO2＋2H2O

4CH3OH→3CH4＋CO2＋2H2O

CH3COO－＋H＋→CH4＋CO2

4CH3NH3＋→3CH4＋H2CO3＋4NH4＋

4CO＋2H2O→CH4＋3CO2

4CH3CHOHCH3＋HCO3－＋H＋→4CH3COCH3＋CH4＋3H2O

大量的研究一致指出，在自然界中，乙酸是形成甲烷的關(guān)鍵性底物，約有70％的甲烷來源于乙酸。

不管何種基質(zhì)，形成甲烷的最后一步反應(yīng)總是如下：

這一反應(yīng)由包括多種組分的CH3-S-CoM還原酶系統(tǒng)催化，各種組分有著不同功能。

（三）產(chǎn)甲烷古菌的生長

產(chǎn)甲烷古菌是嚴(yán)格厭氧菌，要求環(huán)境中絕對無氧。絕大部分產(chǎn)甲烷古菌能利用氫和二氧化碳作基質(zhì)，從氫的氧化反應(yīng)中獲得能量去還原二氧化碳，供其生長，其中部分產(chǎn)甲烷古菌能利用甲酸。甲烷八疊球菌既能以二氧化碳和氫為生長基質(zhì)，也能利用乙酸、甲酸、甲胺、二甲胺、乙酰二甲胺生長，少數(shù)產(chǎn)甲烷古菌甚至能以一氧化碳為生長基質(zhì)。銨鹽是產(chǎn)甲烷古菌適宜的氮源。某些種的生長甚至需要生長因子，如甲烷短桿菌（Methanobrevibacter）的生長需要加入瘤胃動(dòng)物的瘤胃液。產(chǎn)甲烷古菌的最適生長溫度為30℃左右，嗜熱產(chǎn)甲烷古菌的最適溫度達(dá)65～70℃ 。

（四）沼氣發(fā)酵的應(yīng)用

沼氣發(fā)酵主要有兩種應(yīng)用方式。一種方式目標(biāo)在于沼氣發(fā)酵的產(chǎn)物———沼氣，另一種方式目標(biāo)在于沼氣發(fā)酵的過程———對廢棄有機(jī)物轉(zhuǎn)化分解，清除環(huán)境污染。

在農(nóng)村，在各類牲畜和禽類養(yǎng)殖場應(yīng)用和推廣沼氣發(fā)酵，既能充分利用生物質(zhì)能，節(jié)約薪材，又能保肥，提高有機(jī)肥的肥效；同時(shí)還能改善環(huán)境衛(wèi)生，防止疾病傳染，意義深遠(yuǎn)。

1.沼氣發(fā)酵裝置

現(xiàn)有的沼氣發(fā)酵裝置形式多樣，結(jié)構(gòu)各異。選用時(shí)，應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)貤l件因地制宜?？偟囊鬄椋孩?效率高，可以減少基建投資。 ② 管理方便，有利于用戶接受。 ③ 運(yùn)行費(fèi)用省，無需復(fù)雜的預(yù)處理和后處理以免去不必要的開支。④ 制造、安裝容易，見圖13-2。

圖13-2 一個(gè)豬養(yǎng)殖場的沼氣發(fā)酵裝置（a，b為發(fā)酵罐，c為儲(chǔ)氣罐）

2.沼氣發(fā)酵技術(shù)要點(diǎn)

（1）嚴(yán)格維持厭氧條件。如前所述，沼氣發(fā)酵中的產(chǎn)甲烷古菌為嚴(yán)格厭氧菌，適宜生活于低氧化還原電位的環(huán)境。因此，要求沼氣發(fā)酵裝置密封程度高，不漏水，不漏氣。

（2）原料?？删偷厝〔?，各種有機(jī)廢棄物皆宜。但應(yīng)注意避免收入有毒物質(zhì)，注意原料中各營養(yǎng)成分的比例，注意投料濃度，尤其是易分解的糖類物料，避免造成沖擊負(fù)荷使反應(yīng)器酸敗。

（3）pH值。沼氣發(fā)酵的適宜pH為6.8～7.2，高于8.0和低于6.0均會(huì)抑制發(fā)酵，尤其是低pH值易使發(fā)酵失敗。

（4）溫度。中溫發(fā)酵的適宜溫度為32～38℃ ，高溫發(fā)酵的適宜溫度為50～55℃ 。

（5）攪拌。發(fā)酵裝置中的料液易于分層，影響微生物與原料的充分接觸和沼氣外逸，它們均限制效率發(fā)揮，需經(jīng)常攪拌。