沼气发酵微生物

出处：按学科分类—自然科学总论 北京出版社《现代科技综述大辞典上》第968页（3429字）

沼气发酵是指有机物质在厌氧条件下通过多种功能不同的微生物代谢最终产生沼气的过程。

参与沼气发酵的微生物统称为沼气发酵微生物。它们广泛的分布在自然界，特别是沼泽、粪池、污水塘和各种污泥中极为丰富。在整个沼气发酵过程中参与的微生物种类繁多，所进行的生理生化反应复杂。

1936年，巴克(H．A．Barker)提出两个阶段的理论，即：产酸阶段和产甲烷阶段。

这一理论没有全面地揭示沼气发酵的本质。1979年，布赖恩特(Bryant)等提出沼气发酵的3个阶段理论及其3个生理群的作用学说；同时期，齐科斯(Zeikus)等提出沼气发酵4类群理论。

3阶段理论和4类群理论实质上都是两阶段理论的发展，这种划分方法反映了沼气发酵的生化过程。

发酵性细菌群 已知在中温(35℃)沼气发酵过程中发酵性细菌主要包括梭菌属的、拟杆菌属的、丁酸弧菌属的、真细菌属的和双歧杆菌属的细菌。

表1列出了常见沼气发酵过程中产生有机酸的一些细菌。

表1 产生有机酸的细菌

发酵性细菌产生胞外酶，将多糖先水解为单糖，单糖被细胞吸收并通过EMP途径产生丙酮酸，进一步发酵形成丙酸、丁酸、乳酸、乙醇等。

乳酸是沼气发酵的重要产物，它参与发酵有两条途径：一是经EMP途径的同型乳酸发酵，如德氏乳杆菌和粪链球菌；二是经WD途径的异型乳酸发酵，如肠膜明串珠菌、短乳杆菌，其产物除乳酸外还有乙酸和乙醇等。蛋白质被厌氧菌分泌的胞外酶水解产生各种短肽和氨基酸，氨基酸经过脱氨基作用生成有机酸和氨。

脂肪分解为脂肪酸和甘油。已经发现发酵性细菌群在糖酵解成为丙酮酸并进一步发酵产生有机酸的过程中受氢分压(pH_。

)的影响，只有降低pH_。

才有利于NADH恢复成NAD+反应，这一过程是在沼气发酵第一阶段细菌间的互营联合作用下进行的，如瘤胃月形单胞菌－产甲烷菌、S菌珠－布氏甲烷杆菌、生黄瘤胃球菌－产甲烷菌、白色瘤胃球菌－产琥珀酸弧菌等的互营联合作用。

产氢产乙酸细菌群 1967年，布赖恩特等研究奥氏甲烷芽孢杆菌时发现，此菌不是纯种，而是由S菌株和M．O．H菌株(布氏甲烷杆菌)组成的一个共培养物；S菌株把乙醇氧化产生乙酸和H₂，布氏甲烷杆菌是利用H₂／CO₂的产甲烷菌，从而发现沼气发酵过程中一种新型的微生物间的关系－互营共生关系，也说明S菌是一种产氢产乙酸菌。近10年对沼气发酵过程中的产氢产乙酸菌的研究更加深入。

表2列出了分离到的一些产氢产乙酸菌种。

表2 一些产氢产乙酸菌种

研究清楚的同型产乙酸细菌有伍德乙酸杆菌［嗜乙酸梭菌］、威林格乙酸杆菌、乙酸梭菌、基维产乙酸菌、嗜热自养梭菌、粘液真杆菌、嗜甲基丁酸杆菌。

产甲烷细菌群 自从享盖特(R．E．Hungate)发明厌氧技术后，对产甲烷细菌的研究才取得迅速进展。产甲烷细菌隶属于原核微生物古细菌纲。巴克(H．A．Barker)将产甲烷细菌分为1个科、4个属、有8个种；《伯捷氏鉴定细菌学手册》第8版将产甲烷细菌列为1个科、3个属、共9个种；巴尔契夫和沃尔夫(Balck、Wolfe)把产甲烷细菌分为3个目、4个科、7个属、13个种；杰恩(Jain)和齐科斯(Zeikus)总结了对产甲烷细菌的研究进展和有关分子微生物学、免疫学和遗传学知识，在巴尔契分类系统的基础上进行改进，列为3个目(产甲烷杆菌目、产甲烷微菌目、产甲烷球菌目)、6个科(嗜热产甲烷菌科、产甲烷杆菌科、产甲烷微菌科、产甲烷八叠球菌科、产甲烷盘菌科、产甲烷球菌科)、14个属和两个未定属、16个种。

产甲烷菌的形态有球状的、杆状的、螺旋状的和八叠球状的4种类型；细胞结构的特点是原核细胞，细胞壁中不含肽聚糖而含有拟肽聚糖，所以对青霉素、环丝氨素、万古霉素等缺乏敏感性，细胞膜的化学成分不是磷酯蛋白而是中性脂和极性脂。

产甲烷细菌，在生活过程中要求严格的厌氧和中性偏碱的环境；繁殖慢，倍增时间长，由数小时至数天才能繁殖一代；具独特的辅酶，如CoM、F₄₂₀、F₄₃₀等；只能利用一些简单的基质如甲酸、乙酸、甲醇、甲基胺、H₂／CO₂产生CH₄。已在某些甲烷菌细胞中发现质粒，如Thomm等人从甲烷球菌P^L－12／M分离到质粒P^MPI。Meil等人从热自养甲烷杆菌DSM₂₁₃₃分离到质粒P^ME2001；Wood等人从产甲烷菌C₃分离到质粒P^ZLRB500；并分析了它们的限制酶酶切图，进行了体外重组和转化试验，还进行编码核糖体核糖酸(rRNA)、转移核糖核酸(tRNA)的基因研究；编码蛋白质基因已从产甲烷菌中分离出来并进行了克隆，利用营养缺陷型的方法已获得沃氏产甲烷球菌突变株并对它进行了转化试验，还筛选出该菌基因转化的潜在的克隆载体，这些情况展现了产甲烷细菌的遗传学和基因工程的开创性工作。

已有许多学者研究沼气发酵微生物的生态，诸如种群关系、数量、优势种群演替等方面均有许多进展。

刘双江等研究了颗粒污泥形成的机理，认为颗粒污泥形成分为细菌增殖、小颗粒聚合、初生颗粒污泥和成熟颗粒污泥5个阶段，一般为近球状、不规则的长杆状或钉状，外观整齐，表面光滑；而老龄颗粒污泥外观粗糙，表面有孔洞，可能是内部产生沼气造成的；颗粒中微生物分布为3层，外层细菌较少，以发酵细菌为主，次外层在中层以互营共生菌和产甲烷细菌为主，而颗粒中心可见到死亡的细菌存在；这一研究成果对深入解释沼气发酵各阶段互相制约的食物链关系和H₂的转移具有重要意义。

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【参考文献】：

1 VS Bryant, M P, et al. Microbio1. . 1967,59:20～31

2 V S Hungate, R E. Methed in Microbiol, 1969,38:117 ～ 132

3 VS Balch W E,et al. J syst. Bacter,1977,27:355～361

4 V S Zeikus.J G. Imicrobial populations in digestors,Anae-robic Digestion,Applied Science Publisher. 1979,66～89

5 V S Bryant,M P. J animal science. 1979,48(1) :193 ～201

6 V S Jain, M K, et al. Microbiol. 1983,28(3):143～177

7 V S Konheiger.V. ,et al. Mol Gen Genet,1984,198:146 ～ 152

8 钱泽澍，等．沼气发酵微生物学，杭州：浙江科技出版社，1986

9 张世炜，等．产甲烷菌质粒检测初报，中国太阳能学会全国学术讨论会论文集(生物质能专业分册)，香港：香港中华科技(国际)出版社，1991．139～145

10 刘序章，等．产甲烷菌质粒中国太阳能学会全国学术讨论会论文集(生物质能专业分册)，香港：香港中华科技(国际)出版社，1991、141～145

11 刘双江，等．中国沼气，1992(2)

(河北师范大学边文骅教授撰；武汉大学张世炜审)