自然界中的湖泊、池塘、河流、沼澤地，常常看到有許多氣泡從底部淤泥中冒出水面，如果把這些氣體收集起來可以點燃，這種氣體稱沼氣。因為沼氣zui早從沼澤地發(fā)現(xiàn)而得名。 沼氣是寶貴的生物能源，可以人為產(chǎn)生，對解決能源和環(huán)境保護(hù)有突出重要意義。沼氣是多種氣體的混合氣體，包括甲烷占60％～70％，CO2占30%～35%，H2S、N2、H2和NH3這些氣體含量微小，約占沼氣的5％左右。在沼氣中CH4含量50％以上就可燃燒。沼氣是來自有機物質(zhì)的分解，但有機物質(zhì)的分解不一定都能產(chǎn)生沼氣。沼氣是在特定的厭氧條件，同時又不存在硝酸鹽、硫酸鹽和日光的環(huán)境中形成的。形成沼氣的過程叫沼氣發(fā)酵。在沼氣發(fā)酵過程中二氧化碳為碳素氧化的終產(chǎn)物，甲烷為碳素還原的終產(chǎn)物。在沼氣發(fā)酵過程中參與甲烷形成的細(xì)菌統(tǒng)稱為甲烷細(xì)菌。
沼氣工程沼氣檢測儀：甲烷細(xì)菌與沼氣發(fā)酵
甲烷細(xì)菌的特性
1．是專性嚴(yán)格厭氧菌：甲烷細(xì)菌都是專性嚴(yán)格厭氧菌，對氧非常敏感，遇氧后會立即受到抑制，不能生長、繁殖，有的還會死亡。
2．生長繁殖特別緩慢：甲烷細(xì)菌生長很緩慢，在人工培養(yǎng)條件下需經(jīng)過十幾天甚至幾十天才能長出菌落。據(jù)麥卡蒂（McCarty）介紹，有的甲烷細(xì)菌需要培養(yǎng)七八十天才能長出菌落，在自然條件下甚至更長。菌落也相當(dāng)小，特別是甲烷八疊球菌菌落更小，如果不仔細(xì)觀察很容易遺漏。菌落一般圓形、透明、邊緣整齊，在熒光顯微鏡下發(fā)出強的熒光。甲烷細(xì)菌生長緩慢的原因，是它可利用的底物很少，只能利用很簡單的物質(zhì)，如CO2、H2、甲酸、乙酸和甲基胺等。這些簡單物質(zhì)必須由其它發(fā)酵性細(xì)菌，把復(fù)雜有機物分解后提供給甲烷細(xì)菌，所以甲烷細(xì)菌一定要等到其它細(xì)菌都大量生長后才能生長。同時甲烷細(xì)菌世代時間也長，有的細(xì)菌20分鐘繁殖一代，甲烷細(xì)菌需幾天乃至幾十天才能繁殖一代。
3．都是原核生物：能形成甲烷的細(xì)菌都是原核生物，目前尚未發(fā)現(xiàn)真核生物能形成甲烷。甲烷細(xì)菌有球形、桿形、螺旋形，有的呈八疊球狀，還有的能聯(lián)成長鏈狀。
4．培養(yǎng)分離比較困難：因為甲烷細(xì)菌要求嚴(yán)格厭氧條件，一般培養(yǎng)方法很難達(dá)到厭氧，培養(yǎng)分離往往失敗。又因為甲烷細(xì)菌和伴生菌生活在一起，菌體大小形態(tài)都十分相似，在一般光學(xué)顯微鏡下不好判明。美國微生物學(xué)家——Hungate 50年代培養(yǎng)分離甲烷細(xì)菌獲得成功。以后世界上有很多研究者對甲烷細(xì)菌進(jìn)行了培養(yǎng)分離工作，并對Hungate分離方法進(jìn)行了改良，能很容易地把甲烷細(xì)菌培養(yǎng)分離出來。
甲烷細(xì)菌在自然界中分布極為廣泛，在與氧氣隔絕的環(huán)境都有甲烷細(xì)菌生長，海底沉積物，河湖淤泥，沼澤地，水稻田以及人和動物的腸道，反芻動物瘤胃，甚至在植物體內(nèi)都有甲烷細(xì)菌存在。
沼氣發(fā)酵液中甲烷細(xì)菌的數(shù)量可用MPN法計數(shù)，測定接種的試管中有無甲烷存在，作為計數(shù)的數(shù)量指標(biāo)。甲烷細(xì)菌數(shù)量與甲烷含量成正比，發(fā)酵裝置運行越好，甲烷細(xì)菌數(shù)量越多。
另一方面產(chǎn)甲烷細(xì)菌利用乙酸、氫和二氧化碳合成甲烷，也消耗了酸和二氧化碳，沼氣檢測儀甲烷細(xì)菌及其伴生菌共同作用使pH穩(wěn)定在一個適宜范圍內(nèi)，不會使發(fā)酵液中的pH出現(xiàn)對沼氣發(fā)酵不利的情況。但當(dāng)發(fā)酵條件控制不好，如溫度，進(jìn)料負(fù)荷，原料中的C：N、pH等可能會出現(xiàn)酸化或液料過堿；前者較為多見，這樣會嚴(yán)重影響甲烷細(xì)菌的活動，甚至使發(fā)酵中斷。
沼氣發(fā)酵
在自然界中綠色植物經(jīng)光合作用合成碳水化合物，主要形成糖、淀粉、纖維素等。纖維素合成的數(shù)量zui大，貯量也zui多，是地球上很難被微生物分解的物質(zhì)。在好氧條件下，纖維素可被少數(shù)微生物氧化分解，zui終產(chǎn)生CO2和H2O。目前所知綠色木霉是分解纖維素zui強的微生物。
（C6H10O5）n+nO2→nCO2+nH2O
在厭氧條件下，纖維素經(jīng)厭氧微生物發(fā)酵作用zui終產(chǎn)生CH4。
在自然界形成甲烷的地方主要有沼澤地、水稻田、井地、河湖淤泥及反芻動物瘤胃。反芻動物瘤胃具有產(chǎn)甲烷的良好條件，所以瘤胃被稱為產(chǎn)甲烷的天然能的連續(xù)發(fā)酵罐。
1．甲烷形成的微生物學(xué)過程：從有機物質(zhì)厭氧發(fā)酵到形成甲烷，是非常復(fù)雜的過程，不是一種細(xì)菌所能完成的，是由很多細(xì)菌參與聯(lián)合作用的結(jié)果。
（1）聯(lián)合作用 從有機物到甲烷形成，是由很多細(xì)菌聯(lián)合作用的結(jié)果。甲烷細(xì)菌在合成的zui后階段起作用。它利用伴生菌所提供的代謝產(chǎn)物H2、CO2等合成甲烷。整個過程可分以下幾個階段：
以上幾個階段不是截然分開的，沒有明顯的界限，也不是孤立進(jìn)行的，而是密切在一起互相交叉進(jìn)行的。
（2）種間H2的轉(zhuǎn)移作用在沼氣發(fā)酵過程中，產(chǎn)酸菌、伴生菌發(fā)酵有機物產(chǎn)H2，H2又被甲烷細(xì)菌用于還原CO2合成CH4。
伴生菌和甲烷細(xì)菌在發(fā)酵過程中形成了共生關(guān)系，S-菌系分解乙醇產(chǎn)H2，H2對它繼續(xù)分解乙醇有阻抑作用，而MOH-菌系可利用H2，這樣又為S-菌系清除了阻抑，兩者在一起生活互惠互利，單獨存在都生活不了。
（3）由乙酸產(chǎn)生甲烷乙酸是有機物在厭氧發(fā)酵過程中主要中間代謝產(chǎn)物，也是形成甲烷的重要中間產(chǎn)物。McCarty實驗證明，有機物發(fā)酵分解產(chǎn)生乙酸形成甲烷，約占甲烷總生成量的72％，由其他產(chǎn)物形成甲烷約占28％。由乙酸形成甲烷過程也是很復(fù)雜的，用14C示蹤原子試驗表明，由乙酸形成甲烷有兩種途徑：
①由乙酸的甲基形成甲烷
②由乙酸轉(zhuǎn)化為CO2和H2形成甲烷
2．沼氣發(fā)酵微生物之間的生態(tài)關(guān)系
沼氣發(fā)酵是一個極其復(fù)雜的生物化學(xué)過程，包括各種不同類型微生物所完成的各種代謝途徑。這些微生物及其所進(jìn)行的代謝都不是在孤立的環(huán)境中單獨進(jìn)行，而是在一個混雜的環(huán)境中相互影響。它們之間的互相作用包括有不產(chǎn)甲烷細(xì)菌和產(chǎn)甲烷細(xì)菌之間的作用；不產(chǎn)甲烷細(xì)菌之間的作用和甲烷細(xì)菌之間的作用。
在沼氣發(fā)酵過程中，不產(chǎn)甲烷細(xì)菌和產(chǎn)甲烷細(xì)菌之間，相互依賴，互為對方創(chuàng)造與維持生命活動所需要的良好環(huán)境條件，但它們之間又互相制約，在發(fā)酵過程中總處于平衡狀態(tài)。它們之間的主要關(guān)系表現(xiàn)在下列幾方面：
①不產(chǎn)甲烷細(xì)菌為產(chǎn)甲烷細(xì)菌提供生長和產(chǎn)甲烷所需要的基質(zhì)
不產(chǎn)甲烷細(xì)菌可把各種復(fù)雜的有機物，如碳水化合物、脂肪、蛋白質(zhì)等厭氧分解生成H2、CO2、NH3、VFA、甲醇、丙酸、丁酸等，丙酸、丁酸還可被氫細(xì)菌和乙酸細(xì)菌分解轉(zhuǎn)化成H2、CO2和乙酸，為甲烷細(xì)菌提供了合成細(xì)胞質(zhì)和形成甲烷的碳前體，電子供體——氫供體和氮源，使甲烷細(xì)菌利用這些物質(zhì)zui終形成甲烷。
②不產(chǎn)甲烷細(xì)菌為產(chǎn)甲烷細(xì)菌創(chuàng)造了適宜的氧化還原電位條件
在沼氣發(fā)酵初期，由于加料過程中使空氣帶入發(fā)酵裝置，液體原料里也有溶解氧，這顯然對甲烷細(xì)菌是很有害的。氧的去除需要依賴不產(chǎn)甲烷細(xì)菌的氧化能力把氧用掉。因此，降低了氧化還原電位。在發(fā)酵裝置中，各種厭氧性微生物如纖維素分解菌、硫酸鹽還原細(xì)菌、硝酸鹽還原細(xì)菌、產(chǎn)氨細(xì)菌、產(chǎn)乙酸細(xì)菌等，對氧化還原電位的適應(yīng)性也各不相同，通過這些細(xì)菌有順序地交替生長活動，使發(fā)酵液料中氧化還原電位不斷下降，逐步為甲烷細(xì)菌的生長創(chuàng)造了適宜的氧化還原電位條件，使甲烷細(xì)菌能很好的生長。
③不產(chǎn)甲烷細(xì)菌為產(chǎn)甲烷細(xì)菌清除了有害物質(zhì)
以工業(yè)廢水或廢棄物為發(fā)酵原料時，原料里可能含酚類、氰化物、苯甲酸、長鏈脂肪酸和一些重金屬離子等。這些物質(zhì)對甲烷細(xì)菌是有毒害作用的，但不產(chǎn)甲烷細(xì)菌中有許多種能裂解苯環(huán)，有些細(xì)菌還能以氰化物作碳源和能源，也有的細(xì)菌能分解長鏈脂肪酸生成乙酸。這些作用不僅解除了對甲烷細(xì)菌的毒害，而且又給甲烷細(xì)菌提供了養(yǎng)料。此外有些不產(chǎn)甲烷細(xì)菌的代謝產(chǎn)物硫化氫，可以和一些重金屬離子作用，生成不溶性的金屬硫化物，從而解除了一些重金屬離子的毒害作用。
H2S＋Cu2+→CuS↓＋2H+
H2S＋pH2+→PbS↓＋2H+
H2S濃度也不能過高，當(dāng)H2S大于150×10-6，對甲烷細(xì)菌也有毒害。
④產(chǎn)甲烷細(xì)菌又為不產(chǎn)甲烷細(xì)菌的生化反應(yīng)解除了反饋抑制
不產(chǎn)甲烷細(xì)菌的發(fā)酵產(chǎn)物可以抑制產(chǎn)氫細(xì)菌的繼續(xù)產(chǎn)氫，酸的積累可以抑制產(chǎn)酸細(xì)菌的繼續(xù)產(chǎn)酸。當(dāng)厭氧消化器中乙酸濃度超過3×10-3時，就會產(chǎn)生酸化，使厭氧消化不能很好的進(jìn)行下去，會使沼氣發(fā)酵失敗。要維持良好的厭氧消化效果，乙酸濃度在0.3×10-3左右較好。在正常沼氣發(fā)酵工程系統(tǒng)中，產(chǎn)甲烷細(xì)菌能連續(xù)不斷地利用不產(chǎn)甲烷細(xì)菌產(chǎn)生的氫、乙酸、CO2等合成甲烷，不致有氫和酸的積累，因此解除了不產(chǎn)甲烷細(xì)菌產(chǎn)生的反饋抑制，使不產(chǎn)甲烷細(xì)菌就能繼續(xù)正常生活，又為甲烷細(xì)菌提供了合成甲烷的碳前體。
⑤不產(chǎn)甲烷細(xì)菌和產(chǎn)甲烷細(xì)菌共同維持環(huán)境中適宜的pH值
在沼氣發(fā)酵初期，不產(chǎn)甲烷細(xì)菌首先降解原料中的糖類、淀粉等產(chǎn)生大量的有機酸、CO2，CO2又能部分溶于水形成碳酸，使發(fā)酵液料中pH值明顯下降。但是不產(chǎn)甲烷細(xì)菌類群中還有一類細(xì)菌叫氨化細(xì)菌，能迅速分解蛋白質(zhì)產(chǎn)生氨，氨可中和部分酸。
