甲烷的微生物學產生

在自然界各種厭氧生境中，如沼澤、池塘、海洋和水田的底部，常可見到有氣泡冒出水麵。若將這些氣體收集起來，可以點燃，稱之為沼氣。沼氣的主要成分為甲烷（約占 60%~70% ）和 CO 2 （約占 30%~35% ）。沼氣是厭氧環境中有機物微生物學轉化的產物。所謂沼氣發酵，是指在厭氧條件下將有機物轉化為沼氣的微生物學過程。

 

沼氣發酵的微生物學過程比較複雜。根據現有的研究，可將沼氣發酵分為四個階段，依次由四大類群的微生物參與作用。

第一階段：水解發酵性細菌將複雜有機物水解成相應的單體，並對水解產物進行發酵。

第二階段：產氫產乙酸細菌利用第一階段的發酵產物，形成乙酸和氫氣。

第三階段：產甲烷細菌把前幾個階段中產生的乙酸裂解成甲烷和二氧化碳，或將氫和二氧化碳還原為甲烷和水。

第四階段：某些同型產乙酸細菌可將氫和二氧化碳還原成乙酸，乙酸再由產甲烷細菌裂解為甲烷和二氧化碳。

參與沼氣發酵的一些微生物是相互依存的，這種依存關係本質上是氫的種間轉移。水解發酵性細菌和產氫產乙酸細菌均能產生氫氣並釋放至環境中，但它們的代謝活動又可被各自所產生的氫所反饋抑製。氫營養型產甲烷菌則需要氫作基質。這樣，後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製。兩類菌相互依存，相互促進，

產甲烷菌在整個沼氣發酵微生物中起著核心作用，也是厭氧環境中有機物分解生物鏈上的最後一個成員。它們是一個特殊的生理類群，具有獨特的產能代謝方式。

 

產甲烷細菌具有其他任何微生物所沒有的獨特輔酶 F 420 、 F 430 、輔酶 M 、因子 B 、 CDR 因子（ CO 2 還原因子）等生物化學成分。它們在甲烷形成中具有極為重要的作用。

（ 1 ）、 F 420 （輔酶 420 、 Co 420 ， Factor 420 ， 420 因子）

F 420 為一種分子量僅為 630Da 的熒光化合物，化學結構為 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 ）。氧化態時在 420nm 處呈現藍綠色熒光，並出現一個明顯的吸收峰，還原態時則在 420nm 失去其吸收峰和熒光，因此產甲烷細菌在 420nm 紫外光激發下可自發熒光，長時間照射時熒光可消失，但在黑暗情況下又可得以恢複。

F 420 是一種產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。 F 420 被氫化酶分解產生的電子所還原，然後把電子交給電子轉移鏈。

（ 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、對酸和熱穩定的輔助因子。在 260nm 處呈現最大吸收峰。在空氣中很易氧化為 (ScoM) 2 ，極為耐熱，低於 425 ℃時分解非常緩慢。 CoM 在產甲烷細菌細胞內的含量很高，平均濃度可達 0.2~2mmol/L 。是一種甲基轉移酶的輔酶，即為活性甲基的載體。在產甲烷過程中起著極為重要的作用，反應如下：

另外還有參與 C1 的還原反應的甲基蝶呤（ Methanopterin ， MPT ），其結構與葉酸相似，作用功能也與其相同。在產甲烷和產乙酸過程中起甲基載體作用的 CO 2 還原因子（ Carbon dioxide reducing factor ， CDR ）也即甲烷呋喃（ Methanofuran ， MFR ）。另一個 F 430 ，是存在於嗜熱自養甲烷杆菌中含 Ni 的四吡咯結構，是甲基輔酶 M 還原酶組分 C 的彌補基，參與甲烷形成的末端反應。

 

產甲烷細菌能利用的基質範圍很窄，就單個種來說就更少，有些種僅能利用 1 種基質。產甲烷細菌所能利用的基質大多為最簡單的一碳或二碳化合物，如 CO 2 、 CH 3 OH 、 HCOOH 、 CH 3 COOH 、甲胺類等，極個別種可利用三碳異丙醇。這些基質形成甲烷的反應如下：

大量的研究一致指出，在自然界中，乙酸是形成甲烷的關鍵性底物，約有 70% 的甲烷來源於乙酸。

不管何種基質，形成甲烷的最後一步反應總是如下：

這一反應由包括多種組分的 CH 3 -S-CoM 還原酶係統催化，各種組分起有不同功能。

 

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