在厭氧消化過程中，參與反應的細菌分為兩大類：一類是產氫產乙酸菌、水解酸化菌和同型產乙酸菌等非產甲烷菌；另一類是產甲烷菌。由于微生物種群之間的生態平衡關系是支配厭氧消化過程的本質規律，所以在本節中著重介紹厭氧消化過程微生物的種類、特性及其相互代謝關系。

（1）厭氧消化過程微生物種類

1）非產甲烷菌

① 水解發酵菌（產酸細菌）。主要的發酵產酸細菌包括梭菌屬、擬桿菌屬、丁酸弧菌屬、雙歧桿菌屬等。其主要功能是水解和酸化作用。水解——在胞外酶的作用下，將不溶性大分子有機物水解成可溶性有機物；酸化——將可溶性大分子有機物轉化為乙酸、丙酸、丁酸、戊酸等有機酸及醇類等。水解發酵細菌的水解過程較緩慢，并受SRT、pH值、有機物種類等多種因素的影響，但產酸反應的速率較快。發酵產酸細菌可以按功能分為蛋白質分解菌、半纖維素分解菌、淀粉分解菌、纖維素分解菌、脂肪分解菌等。

② 產氫產乙酸菌。該類細菌的主要功能是將各種高級脂肪酸和醇類氧化分解為乙酸、CO2和H2，為產甲烷階段提供合適的基質，在厭氧系統中常常與產甲烷細菌處于共生互營關系。主要的產氫產乙酸反應有：

只有在乙酸濃度和系統中氫分壓很低時上述反應才能順利進行，因此，產氫產乙酸反應的順利進行，常常需要后續產甲烷反應能及時將其主要的兩種產物乙酸和H2消耗掉。主要的產氫產乙酸細菌多數是專性厭氧菌和兼性厭氧菌，包括互營桿菌屬、互營單胞菌屬、梭菌屬、暗桿菌屬等。

③ 同型產乙酸菌。在“三階段理論”的影響下，人們將注意力集中在產氫產乙酸菌與產甲烷菌等的互營作用上，并將其歸入產甲烷相進行研究，卻忽略了產酸菌、產氫產乙酸菌與同型乙酸菌之間的相互作用。值得一提的是，同型產乙酸菌在厭氧產酸過程中，具有特殊作用，它可以將二氧化碳和氫氣轉化為乙酸，在氫分壓高時，它的作用增強；在氫分壓低時，它的作用減弱，起到了一個平衡器的作用。但在一般厭氧消化器中，同型產乙酸菌所產的乙酸不到4%。盡管人們對自然生態系統中同型產乙酸菌對碳循環的重要貢獻有較深入的認識，但卻沒能在人工厭氧產酸系統中充分發揮同型產乙酸菌的作用。

2）產甲烷菌（Methanogens）　

產甲烷菌是產甲烷階段的主要細菌，屬于嚴格的厭氧菌，主要代謝產物是甲烷。主要可分為兩大類：乙酸營養型產甲烷菌和H2營養型產甲烷菌。

產甲烷細菌的主要功能是將產氫產乙酸菌的產物——乙酸和H2/CO2轉化為CH4和CO2，使厭氧消化過程得以順利進行。一般來說，在自然界中，乙酸營養型產甲烷菌的種類較少，只有產甲烷八疊球菌（Methanosarcina）和產甲烷絲狀菌（Methanothrix），但這兩種產甲烷細菌在厭氧反應器中居多，特別是后者，因為在厭氧反應器中，乙酸是主要的產甲烷基質，一般來說，有70%左右的甲烷是來自乙酸的氧化分解。

典型的產甲烷反應有：

根據產甲烷菌的形態和生理生態特征，可將其進行分類，如圖所示。

迄今為止，可分離鑒定的產甲烷菌達到70余種，分屬于3個目，7個科，19個屬。產甲烷菌有各種不同的形態，我們常見的產甲烷菌有產甲烷桿菌、產甲烷球菌、產甲烷螺旋菌、產甲烷八疊球菌四類。下表列示了幾種主要產甲烷菌種屬及其分解的底物。

厭氧消化過程中產甲烷菌的生長情況直接關系到甲烷的產量，其能分解的物質均是由大分子有機物分解生成的小分子中間產物，本身并沒有直接分解大分子有機物的能力。

產甲烷菌是通過細胞分裂進行繁殖。下面兩種物質可以大大促進這一細胞分裂作用，有助于產甲烷菌的繁殖，但是，這二者之間又存在著相互排斥的作用。

① 濾泡激素（follicular hormone，follikehoron）：公馬或妊娠的母馬尿中得到的激素。

② 細菌酶（bacteriozym）：從酶細胞中得到的植物性提取物。

無論哪一種產甲烷菌的生存時間都不少于幾個星期，因此，一個新建或者一度停用的消化池，會需要很長的啟動時間。但是，通過良好的消化污泥進行定期接種，也可在短時間內最大限度地發揮細菌的作用。

產甲烷菌由于具有某種性質的生物排他性，因此，在產甲烷菌大量繁殖的地方，其他微生物的種類和數量就受到抑制。

細菌的生長和繁殖，通常是依靠同化作用和異化作用這兩種不同的代謝活動來維持的。與其他植物一樣，細菌對養分的吸收與代謝產物的排出，是通過細胞膜的滲透作用進行的。一般來講，細菌體內的代謝產物濃度高于周圍液體的濃度時，由于滲透壓的作用，細菌將從周圍吸收水分。但是，細胞膜彈性產生的滲透壓與反滲透壓達到平衡時，細菌便膨大而處于正常狀態。但是，隨著代謝產物的增加，細菌體內的濃度低于周圍液體的濃度時，滲透壓則起反作用，從細菌體內奪走水分，導致原生質（protoplasm）萎縮，即使周圍還有水，細菌的生命也將就此終止，為促進消化過程而進行的攪拌就是要避免產生這種情況。只要存在養分并具備必要的生活條件，細菌就能不斷地進行吸收養分與代謝作用。

對于產甲烷菌來講，最重要的養料是碳和氮，但其他有機物和無機物對其生存也有影響。有機的有效物質是酶和維生素。酶大致可以分為以下幾種。

① 氧化還原酶類　

氧化還原酶類大致可以分為脫氫酶和氧化酶兩種。脫氫酶可以活化底物上的氫，并使它轉移到另一種物質上，使底物因脫氫而氧化，不同的底物將由不同的脫氫酶進行脫氫作用。氧化酶能將分子氧（空氣中的氧）活化，從而作為氫的受體而形成水或催化底物脫氫，并氧化生成過氧化氫。

② 轉移酶類　

轉移酶類能催化一種化合物分子的基團轉移到另一種化合物分子上。

③ 水解酶類　

水解酶類能催化大分子有機物的水解作用及其逆反應。

④ 裂解酶類　

裂解酶類能催化有機物碳鏈的斷裂，產生碳鏈較短的產物。

⑤ 異構酶類　

異構酶類能催化同分異構化合物之間的相互轉化，即分子內部基團的重新排列。

⑥ 合成酶類　

合成酶類能催化有三磷酸腺苷參加的合成反應，這類酶關系著很多重要生命物質的合成。

在無機的有效物質中，在數量上比較主要的是磷酸（P2O5）和鉀（灰分）（K2O）。此外，鐵、鈉、鎂、銅、硫、鉬、鈷、錫、鈀等痕量元素對產甲烷菌的生長也有影響。少量的硫化氫有助于細菌繁殖，但濃度一高就成為有害物質。

另外，必須創造一個弱堿環境，最佳pH值應保持在7.0～7.5，有機酸濃度應在2000～3000mg/L以下。這一容許濃度將根據氨和其他陽離子存在的情況稍有變動。有機酸濃度是通過迪克洛（Duclaux）法以乙酸的含量測定的，其值與pH值無關。有機酸濃度如果在2000～3000mg/L以上，產甲烷菌的活動能力將逐漸減弱，消化速度也慢了。可通過停止供給生污泥、降低污泥含固率、投入消石灰等方法予以解決；但是，如果適應產甲烷菌生活的條件不能恢復，污泥就將開始酸性發酵。當有機酸濃度在5000mg/L以上，這些處理措施幾乎無效。另一方面，最佳堿度的上限，換算成CaCO3為2000mg/L左右。

在生物分類學上，產甲烷菌（Methanogens）屬于古細菌（Archaebacteria），大小、外觀上與普通細菌（Eubacteria）相似，但實際上，其細胞成分特殊，特別是細胞壁的結構較特殊。產甲烷菌在自然界的分布，一般可以認為是棲息于一些極端環境（如地熱泉水、深海火山口、沉積物等）中，但實際上其分布極為廣泛，如污泥、瘤胃、昆蟲腸道、濕樹木、厭氧反應器等。產甲烷菌是嚴格的厭氧細菌，氧和氧化劑對其有很強的毒害作用，要求氧化還原電位在-400～-150mV。產甲烷菌的增殖速率很慢，繁殖世代時間長，可達4～6d。產甲烷菌的生存溫度為0～80℃，低溫、中溫、高溫細菌的最佳溫度分別為15℃、30℃、55℃左右。與兼性厭氧菌比較，產甲烷菌更為敏感。但是，如果給產甲烷菌創造了最佳生活條件，就會得到良好的消化污泥。

（2）厭氧消化過程中微生物的代謝關系

厭氧消化是一個多菌群共同代謝的過程，各類菌群之間的代謝作用相輔相成。在整個厭氧代謝過程中，產甲烷菌并不是孤立進行的，它周圍眾多的菌群先于產甲烷菌代謝，以此提供產甲烷菌正常代謝的條件。從物質代謝轉化的角度來看，首先，有機物的大分子水解，把纖維素、半纖維素、果膠、淀粉、脂類和蛋白質等物質，經水解發酵生成水溶性糖、醇、酸等分子較小的化合物；然后，微生物進一步把較小分子的化合物降解形成產甲烷菌可直接利用的底物，主要是乙酸鹽、H2和CO2等；最后，產甲烷菌才能利用極簡單的小分子化合物代謝產生CH4和CO2。有機物質在經過厭氧生物轉化為甲烷的過程中，涉及一系列微生物菌群代謝，它們的底物和特性完全不同。整個轉化過程可以描述為許多種不同微生物類群的直接和間接的共生聯合關系。確定的9個步驟分別由專門的菌群調節代謝，這9個步驟分別為：a.有機聚合物水解成有機單體，如糖、有機酸和氨基酸等；b.有機單體轉化成氫、重碳酸鹽、乙酸、丙酸和丁酸以及其他有機產物如乙醇、乳酸等；c.產氫產乙酸菌對還原性有機物具有氧化作用，能生成氫氣、重碳酸鹽和乙酸；d.同型乙酸菌對重碳酸鹽的產乙酸呼吸作用；e.硝酸鹽還原菌（NRB）和硫酸鹽還原菌（SRB）對還原性有機物的氧化作用生成重碳酸鹽硼乙酸；f.NRB和SRB對乙酸的氧化作用，生成重碳酸鹽；g.NRB和SRB對氫氣的氧化作用；h.裂解乙酸的甲烷發酵；i.重碳酸鹽的產甲烷呼吸作用。

在厭氧消化過程中，微生物的相互作用實質上是各類微生物在代謝上的相互影響。每一種微生物都有其自身的代謝途徑，它們可以在特定的環境中單獨行使其代謝功能。因此，研究它們的代謝條件和代謝途徑是非常有用的。但在厭氧消化反應器這樣一個雜居的環境中，各類型的微生物生活在一起，各自進行自身特有的代謝，并形成各自的代謝產物，彼此之間的相互作用，使它們能正常進行生命活動，然而它們所形成的代謝產物可能引起如下后果：a.產物累積引起的反饋抑制效應；b.代謝產物被其他菌群利用，促進其生長；c.抑制其他菌群；d.造成有利或不利于其他菌群的生態環境。

這些問題在厭氧消化反應器中都有可能出現，而在厭氧消化正常運行或運行失敗時，代謝產物的種類及其濃度都有很大的差別，代謝產物引發的問題和后果也完全不同。在正常的厭氧消化過程中，各種微生物代謝過程發生相互偶聯，產物得到協調，整個消化過程達到平衡。相反，任何一個代謝過程的失調都有可能引發整個過程的破壞，使厭氧消化過程失衡。因此，研究厭氧消化微生物的相互關聯性是一個重要且復雜的內容。

（3）甲烷發酵過程微生物的代謝關聯性

對厭氧消化過程中發酵液和氣體成分進行分析，特別是將一些功能菌的代謝產物進行分析，就不難發現微生物之間的代謝關系。

1）水解酸化菌與產甲烷菌之間的相互關系　

下圖所示為某反應器內污泥厭氧消化過程中揮發酸和日沼氣產量的關系。在厭氧消化開始后的初期階段，反應器內大量產酸，揮發酸的濃度最高可達4000mg/L，此時反應器內以水解酸化過程為主，此后，反應過程逐漸過渡到產甲烷階段。反應器內水解酸化階段和產甲烷階段是兩個無法在絕對意義上分開的過程，這主要是由產酸過程和產甲烷過程沒有達到代謝平衡所致。由于產酸菌的繁殖速率較高，在厭氧消化開始初期就大量繁殖，產生較大量的揮發酸，而產甲烷菌的繁殖速率較慢，因此，水解酸化細菌代謝產生的揮發酸不能及時地被產甲烷菌利用，故此階段主要表現為揮發酸的積累。當產甲烷菌數量增加、微生物區系相對完善后，揮發酸很快被消耗，產甲烷則成為主要特征。由于在揮發酸增強的同時，產甲烷菌的數量不斷增加，沼氣產量也隨之增加，此時水解酸化階段和產甲烷階段構成一個連續的過程。因此可以采用增加接種物的辦法縮短這兩個階段之間的時間差，使產甲烷階段提前。研究人員曾在污泥厭氧消化試驗中，在反應器內接種容積量35%的厭氧消化液作為啟動微生物，此時反應器在第2日即可正常產氣，第4日即可達到產氣高峰，而接種反應器容積量15%的厭氧消化液時，產氣高峰出現在第9日，這說明增加接種物的用量可以較好地保證反應器的正常啟動，也說明水解酸化階段和產甲烷階段是可以人為調控的。

2）水解酸化菌之間相互關系　

在污泥厭氧消化過程中，運行正常的消化罐內揮發酸的乙酸濃度最高，為200～1500mg/L；丙酸濃度較低，為300～1000mg/L；丁酸濃度最低，在100mg/L以下，有時其濃度低于檢測線。這幾種揮發酸中乙酸的濃度波動是最明顯的。當乙酸濃度降到比丙酸低的時候，特別是乙酸濃度低于200mg/L時，丙酸、丁酸的濃度均有明顯的下降。在中溫發酵過程中，揮發酸的變化趨勢也較為近似。上述這些結果表明，在厭氧消化過程中，產酸菌主要以產乙酸菌為主，產丙酸菌次之，產丁酸菌最少。丙酸、丁酸不能被產甲烷菌直接利用，它們在被進一步降解為乙酸后才能轉化為甲烷。因此，丙酸和丁酸濃度的下降顯然說明了與產乙酸菌的密切關系，這充分說明它們之間有相互依賴的關系和種群消長關系，這種關系無論在常溫還是中溫消化過程中都比較穩定。

3）產氫和產甲烷菌的相互關系　

自20世紀80年代奧氏甲烷桿菌被分離后，產氫菌和產甲烷菌之間的共生關系才為人所知。此后，這一關系又為其他許多學者所證實。在餐廚垃圾與污泥的混合消化過程中也發現這一現象［2］。在污泥的厭氧消化過程中，當產甲烷過程進行正常（甲烷濃度60%～70%）時，向反應器中加入反應器容積20%的餐廚垃圾，當pH值降低至6.0時，氫氣濃度出現明顯上升，當pH值降低至5.0時，氫氣濃度達到最大，濃度峰值為50%～55%。氫氣濃度在達到峰值后出現下降的現象，此時pH值也隨之上升，甲烷濃度也逐步上升。由此可看出，產氫微生物和產甲烷菌兩者間有明顯的共生關系，沼氣中氫氣濃度的上升和下降反映了厭氧消化過程中產氫菌和產甲烷菌在代謝上的相互偶聯。當反應器的環境更有利于產氫菌繁殖時，產甲烷菌的活性則不斷下降，此時氫氣濃度最高時可達60%。