能源短缺和环境污染问题制约当今世界经济可持续发展，寻找清洁的、可再生的能源显得尤为重要。生物质能源因其独特的可存储性、可再生性受到越来越多的关注。生物质能源消费仅次于煤、石油、天然气，居于世界能源消费第四位，在世界能源系统中占有重要地位。改革开放以来，我国经济快速发展的同时也使得能源与环境问题日益严峻。我国是农业大国，农村人口所占基数大，在化石能源日益枯竭的情况下，发展生物质能源，对于我国农村经济的发展以及农村环境的改善尤为重要。生物质资源种类繁多，其中主要由农业废弃物及农林产品加工业废弃物、农作物秸秆、人畜粪便、城镇生活垃圾等几个方面构成^[1]。将农业废弃物资源化，发展农村生物质能源，真正将农业废弃物变”废”为”宝”，具有深远的意义。农村沼气等能源工程和生态农业模式恰恰可以实现这一目标^[2]。

沼气早期被称为瓦斯，是有机物在厌氧条件下经多种微生物的发酵转化生成的一种可燃性混合气体，其主要成分是CH₄和CO₂，通常情况下CH₄约占60%左右，此外还有少量的H₂、CO、H₂S和NH₃等。沼气发酵过程一般分为4个阶段^[3]：1、复杂的有机物通过水解、发酵降解成简单的有机物(单糖、氨基酸等)；2、单糖、氨基酸等简单有机物再通过发酵细菌降解成挥发酸(丙酸、丁酸、戊酸等)；3、产氢产乙酸菌再将挥发酸降解成氢气、二氧化碳和乙酸等；4、产甲烷菌再利用氢气、二氧化碳和乙酸等合成甲烷。沼气发酵是一个极其复杂的生物化学过程，包括各种不同类型微生物所完成的各种代谢途径^[4]。参与其厌氧消化的微生物大致被分为三类：水解和发酵细菌，专性产氢产乙酸菌，产甲烷古菌^[5]。这些微生物及其所进行的代谢都不是在孤立的环境中单独进行，而是在一个混杂的环境中相互影响、相互依赖、相互制约^[6]。产甲烷菌作为完成沼气发酵最后一道”工序”的成员，其主要功能是在严格的厌氧条件下将兼性厌氧菌的产物甲酸盐、乙酸、甲醇以及H2 和CO2的混合物转化为CH4 和CO2^[7]。因此，产甲烷细菌的种类、数量和活性常决定着沼气的产量。

1899 年, 俄国微生物学家奥姆良斯基将厌氧分解纤维素的微生物分为两类, 一类是产氢的细菌, 后来称为产氢、产乙酸菌, 另一类是产甲烷菌，后来称奥氏甲烷杆菌。1950年，Hungate 创造了无氧分离技术，此后，甲烷菌的研究得到了迅速的发展^[8]。1974年，Bryant 首次提出了产甲烷菌（Methanogen）这一概念，将其与以甲烷为能量来源的嗜甲烷菌（Methanotrophs）区分开来^[9]。Schnellen 等第一个从消化污泥中分离纯化得到甲酸甲烷杆菌（Methanobacterium formicium）和巴氏甲烷八叠球菌（Methanosarcina barkeri）。1992 年第一株嗜冷产甲烷菌得以分离培养。2003 年，Simankova等从冷陆地分离培养到5 株产甲烷古菌。Ma 等从厌氧消化器中分离到一种新的甲烷杆菌。2001年，Bergey's Manual of Systematic Bacteriology将产甲烷菌放在宽广古生菌门（Euryarchaeota）中，迄今为止,产甲烷菌已有200多种被分离鉴定出来，归属于3纲5目10科29个属^[10]。它们广泛存在于各种厌氧环境中，如海水沉积物、湖泊沼泽及动物瘤胃、盲肠等自然生态系统环境中；也存在于废水处理，稻草秸秆堆肥、禽畜粪便消化等非自然生态环境中^[11]。产甲烷菌分类形式多样，其中居多是采用温度划分，一般分为嗜冷、嗜温、嗜热和极端嗜热产甲烷菌。

在产甲烷菌代谢方面, 已明确它是自养型微生物,能利用环境中的化学能, 并发现甲烷生物合成过程的3 种途径；在产甲烷菌必需营养方面,发现产甲烷菌不仅需C、N、P 等营养元素,同时,还需要矿物质营养元素,如K 、Na 、Ca² 、Co² 、Cl^-、Fe² 、Fe³ 等^[11], 同时, 已对产甲烷菌的生理生化特征进行深入研究, 明确了它合适的生长环境条件, 为工程应用提供了依据。目前发现的甲烷生物合成途径有3种, 其中以乙酸为底物的占自然界甲烷合成的60%以上，以氢和二氧化碳为底物的甲烷合成的占30% ,也有学者认为乙酸的裂解占甲烷合成的70%以上^{[12, 13]}，以甲基化合物为原料的甲烷生物合成不足10 %。对产甲烷菌生物生化特征的研究,明确了产甲烷菌生长环境对环境条件的要求。

产甲烷菌都是专性严格厌氧菌,对氧非常敏感,遇氧后会立即受到抑制,不能生长繁殖, 有的还会死亡^[14]。一般认为厌氧消化在5～83 ℃温度范围内进行,产气量随温度变化，并有两个高峰:中温35℃和相对高温55℃^[15]。同时，产甲烷菌的生命活动、物质代谢与pH值有密切关系，沼气发酵微生物最适宜的pH值为6.5～7.5 ^[16]，超出这一范围,沼气微生物的代谢将减慢或产甲烷细菌受抑制或死亡。厌氧消化是极为复杂的生物过程, 在参与反应的众多微生物中,产甲烷菌的优劣和密度是影响厌氧消化率及甲烷产量的重要因素,因此,减少产甲烷菌的流失及为产甲烷菌创造合适的生长环境,以提高产甲烷菌密度,成了改善沼气进程的重要手段。沼气过程中需要考虑的基本条件有^[17]：严格厌氧环境、适宜的发酵温度、碳氮比适宜的发酵原料、适宜的发酵料液浓度、适宜的酸碱度和优质的菌种。消化器发酵产气的好坏与发酵工艺条件的控制密切相关。实践证明，往往会由于某一条件没有控制好而引起整个系统运行失败^[18]。因此，控制好发酵工艺条件是维持沼气高效发酵的关键。

参考文献

1. 刘刚，沈镭.中国生物质能源的定量评价及其地理分布.自然资源学报, 2007, 22(1).

2. 孙振钧，孙永明.我国农业废弃物资源化与农村生物质能源利用的现状与发展.中国农业科技导报, 2006, 8(1):6-13.