医学课件微生物产甲烷
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微生物产甲烷
微生物产甲烷
1.甲烷发酵概念 2.甲烷发酵机理
3.微生物产甲烷应用现状
4.微生物产甲烷的发展前景
1.2沼气
沼气的主要成分是甲烷。 沼气由50％～80％甲烷、20％～40％二氧化碳、 0％～5％氮气、小于1％的氢气、小于0．4％ 的氧气与0．1％～3％硫化氢等气体组成 。由 于沼气含有少量硫化氢，所以略带臭味。 其特性与天然气相似。空气中如含有8.6～ 20.8％（按体积计）的沼气时,就会形成爆炸 性的混合气体。
1.1甲烷简介：
甲烷是一种理想的气体燃料，它无色无味， 与适量空气混合后即燃烧。
每立方米纯甲烷的发热最为 34000焦耳，每 立方米沼气的发热量约为20800－23600焦耳。即 1立方米沼气完全燃烧后，能产生相当于0.7千克 无烟煤提供的热量。与其它燃气相比，其抗爆性 能较好，是一种很好的清洁燃料。
（3）耗氢产乙酸菌：它们既能利用H2+ CO2 生成乙酸，也能代谢糖类生成乙酸。 2CO2+ 4H2 —— → CH3COOH + 2H2O C6H12O6 ——→ 3CH3COOH
（4）、（5）产甲烷菌（食氢、食乙酸）： 它们在厌氧条件下将前三群细菌代谢的终产 物，在没有外源受氢体的情况下，把乙酸 和H2/CO2转化成CH4/CO2。产甲烷菌广泛存在 于水底沉积物和动物消化道等极端厌氧的环 境中。 生成CH4的主要反应如下： CH3COOH ——→CH4 + CO2 4H2 + CO2 ——→CH4 + 2H2O 4HCOOH ——→CH4 +3CO2 + 2H2O 4CH3OH ——→ 3CH4+ CO2 + 2H2O
三 阶 段 理 论
碳水化合物 蛋白质 脂肪
1.甲烷发酵概念 2.甲烷发酵机理
3.微生物产甲烷应用现状
4.微生物产甲烷的发展前景
1.2沼气
沼气的主要成分是甲烷。 沼气由50％～80％甲烷、20％～40％二氧化碳、 0％～5％氮气、小于1％的氢气、小于0．4％ 的氧气与0．1％～3％硫化氢等气体组成 。由 于沼气含有少量硫化氢，所以略带臭味。 其特性与天然气相似。空气中如含有8.6～ 20.8％（按体积计）的沼气时,就会形成爆炸 性的混合气体。
1.1甲烷简介：
甲烷是一种理想的气体燃料，它无色无味， 与适量空气混合后即燃烧。
每立方米纯甲烷的发热最为 34000焦耳，每 立方米沼气的发热量约为20800－23600焦耳。即 1立方米沼气完全燃烧后，能产生相当于0.7千克 无烟煤提供的热量。与其它燃气相比，其抗爆性 能较好，是一种很好的清洁燃料。
（3）耗氢产乙酸菌：它们既能利用H2+ CO2 生成乙酸，也能代谢糖类生成乙酸。 2CO2+ 4H2 —— → CH3COOH + 2H2O C6H12O6 ——→ 3CH3COOH
（4）、（5）产甲烷菌（食氢、食乙酸）： 它们在厌氧条件下将前三群细菌代谢的终产 物，在没有外源受氢体的情况下，把乙酸 和H2/CO2转化成CH4/CO2。产甲烷菌广泛存在 于水底沉积物和动物消化道等极端厌氧的环 境中。 生成CH4的主要反应如下： CH3COOH ——→CH4 + CO2 4H2 + CO2 ——→CH4 + 2H2O 4HCOOH ——→CH4 +3CO2 + 2H2O 4CH3OH ——→ 3CH4+ CO2 + 2H2O
三 阶 段 理 论
碳水化合物 蛋白质 脂肪
《微生物产甲烷原理》课件
pH值和温度
合适的pH值和温度能够维 持微生物活性，促进甲烷 发酵过程的稳定和高效。
微生物群落
微生物群落的构成和多样 性对甲烷生成有重要影响， 不同群落具有不同的代谢 能力和耐受性。
微生物产甲烷工艺的优缺点
1 优点
可将有机废弃物转化为有用能源，减少污染和碳排放，促进可持续发展。
2 缺点
工艺技术复杂，需要严格控制环境条件和微生物群落，成本较高且受限于底物类型。
微生物产甲烷应用与前景展望
生物气体生产
利用微生物产甲烷的原理，建 立生物气体生产系统，为能源 供应和替代燃料开辟新途径。
废弃物处理
将微生物产甲烷应用于废弃物 处理，实现废弃物资源化和减 少环境污染。
可持续发展
微生物产甲烷为可持续发展提 供了解决方案，减少了对传统 能源的依赖，推动绿色能源的 发展。
甲烷生成的生物反应
厌氧发酵
甲烷发酵
甲烷生成示意图
厌氧条件下，微生物通过发酵 过程产生甲烷，其中包括酸化、 乙酸生成和甲酸生成等重要生 物反应。
甲烷发酵是微生物利用有机废 弃物产生甲烷的过程，包括乙 酸、丙酸和氢气等底物的转化。
甲烷生成涉及多种微生物群落 和复杂反应路径，其中关键酶 的作用起着至关重要的作用。
微生物产甲烷原理
本课件介绍微生物产甲烷的原理，包括微生物概述、甲烷生成反应、厌氧消 化的工艺路线、甲烷发酵反应的控制因素、微生物产甲烷的优缺点以及应用 与前景展望。
微生物的分类和特点
分类
微生物包括细菌、真菌和病毒等多种类别，每种类别都在微观生物界有着不同的角色和功 能。
特点
微生物具有微小体积、高适应性、高繁殖率和广泛分布等特点，在自然界中起着重要的生 态作用。
微生物学-第六章-微生物的代谢课件
G
6-磷酸-果糖
特征性酶 磷酸己糖酮解酶
4-磷酸-赤藓糖 + 乙酰磷酸
6-磷酸-果糖
5-磷酸-木酮糖 ，5-磷酸-核糖
戊糖酮解酶
乙酸
3--磷酸甘油醛+ 乙酰磷酸
乳酸
乙酸
1 G 乳酸 + 1.5乙酸 + 2.5 ATP
三、发酵（fermentantion）
1、定义
广义：利用微生物生产有用代谢一种生产方式。 狭义：厌氧条件下，以自身内部某些中间代谢
氧化氮还原酶
反硝化意义：
1）使土壤中的氮（硝酸盐NO3-）还原成氮气而消失，降低土壤的肥力；
2）反硝化作用在氮素循环中起重要作用。
硫酸盐呼吸（硫酸盐还原）
——厌氧时，SO42- 、SO32-、S2O32- 等为末端电 子受体的呼吸过程。
特点：
a、严格厌氧； b、大多为古细菌 c、极大多专性化能异氧型，少数混合型； d、最终产物为H2S；
用所需的硝酸盐还原酶A亚硝酸还原酶等 c 兼性厌氧 细菌：铜绿假单胞、地衣芽孢杆菌等。
硝酸盐作用
同化性硝酸盐作用：
NO3- NH3 - N R - NH2 异化性硝酸盐作用：
无氧条件下，利用NO3-为最终氢受体
NO3- NO2 NO N2O N2
硝酸盐还原酶
亚硝酸还原酶
氧化亚氮还原酶
a、a1、a2、a4、b、b1、c、c1、c4、c5、d、o等； 末端氧化酶：
cyt a1、a2、a3、d、o，H2O2酶、过氧化物酶；呼吸链组分多变 存在分支呼吸链：
细菌的电子传递链更短并P／O比更低，在电子传递链的几个位置进入链和 通过几个位置的末端氧化酶而离开链。 E.coli （缺氧） CoQ cyt.b556 cyt.o
微生物产甲烷 PPT课件
8.6 微生物产甲烷
目录
一.甲烷的简介 二.微生物产甲烷的生化机理 三.厌氧降解九大步骤 四.厌氧反应热力学分析 五.甲烷生产应用
一.甲烷的简介：
甲烷在自然界分布很广，是天然气、沼 气、坑气及煤气的主要成分之一。它可用作 燃料及制造氢、一氧化碳、炭黑、乙炔、氢 氰酸及甲醛等物质的原料。甲烷气可产生机 械能、电能及热能。
目前甲烷已作为一种燃料源，并通过管 道输送到用户，供给家庭及工业使用或转化 成为甲醇作为内燃机的辅助性燃料。
二.微生物产甲烷的生化机理 <一>.早期二阶段理论 <二>.三阶段(四阶段)理论的提出
<三>.四阶段理论
<一>. 早期理论——二阶段理论
对复杂有机物的厌氧降解过程的解释，早 期通行的是二阶段理论，认为有机物的厌 氧消化过程分为两个阶段——酸性发酵和 碱性发酵阶段，其中
<三>.四阶段理论
1、水解阶段 2、酸化阶段 3、产乙酸阶段 · 4、甲烷化阶段
三阶段（四阶段）理论见三阶段理论图
备注：与二阶段理论相比较，三阶段理论增加了产 氢产乙酸过程；四阶段理论则是在三阶段理论的 基础上增加了同型产乙酸细菌把H2和CO2转化为乙 酸的过程。
1.水解阶段
兼性和部分专性厌氧细菌发挥作用，复杂的 大分子有机物被胞外酶水解成小分子的溶解性有 机物 。如葡萄糖、氨基酸等
蒙牛澳亚示范牧场沼气发电综合利用工程
沼 气 在 发 电 方 面 的 应 用
工程位于内蒙古自治区呼和浩特市和林格尔县盛乐经济园区 （蒙牛总部），由农业部沼气科学研究所进行总体设计与启动 调试。工程采用高浓度畜禽废弃物高效厌氧消化技术处理牧场 存栏10000头奶牛的鲜牛粪280 t/d，尿及冲洗废水360 t/d， 日产沼气10000m3/d，日发电20000 kW·h/d; 年减排COD 9125 t， CO2当量2.4万t，TN 487 t，TP 96 t。沼渣沼液供周边约10万 亩牧草种植地利用。该工程是目前我国最大的牛场粪污处理沼 气发电工程。
目录
一.甲烷的简介 二.微生物产甲烷的生化机理 三.厌氧降解九大步骤 四.厌氧反应热力学分析 五.甲烷生产应用
一.甲烷的简介：
甲烷在自然界分布很广，是天然气、沼 气、坑气及煤气的主要成分之一。它可用作 燃料及制造氢、一氧化碳、炭黑、乙炔、氢 氰酸及甲醛等物质的原料。甲烷气可产生机 械能、电能及热能。
目前甲烷已作为一种燃料源，并通过管 道输送到用户，供给家庭及工业使用或转化 成为甲醇作为内燃机的辅助性燃料。
二.微生物产甲烷的生化机理 <一>.早期二阶段理论 <二>.三阶段(四阶段)理论的提出
<三>.四阶段理论
<一>. 早期理论——二阶段理论
对复杂有机物的厌氧降解过程的解释，早 期通行的是二阶段理论，认为有机物的厌 氧消化过程分为两个阶段——酸性发酵和 碱性发酵阶段，其中
<三>.四阶段理论
1、水解阶段 2、酸化阶段 3、产乙酸阶段 · 4、甲烷化阶段
三阶段（四阶段）理论见三阶段理论图
备注：与二阶段理论相比较，三阶段理论增加了产 氢产乙酸过程；四阶段理论则是在三阶段理论的 基础上增加了同型产乙酸细菌把H2和CO2转化为乙 酸的过程。
1.水解阶段
兼性和部分专性厌氧细菌发挥作用，复杂的 大分子有机物被胞外酶水解成小分子的溶解性有 机物 。如葡萄糖、氨基酸等
蒙牛澳亚示范牧场沼气发电综合利用工程
沼 气 在 发 电 方 面 的 应 用
工程位于内蒙古自治区呼和浩特市和林格尔县盛乐经济园区 （蒙牛总部），由农业部沼气科学研究所进行总体设计与启动 调试。工程采用高浓度畜禽废弃物高效厌氧消化技术处理牧场 存栏10000头奶牛的鲜牛粪280 t/d，尿及冲洗废水360 t/d， 日产沼气10000m3/d，日发电20000 kW·h/d; 年减排COD 9125 t， CO2当量2.4万t，TN 487 t，TP 96 t。沼渣沼液供周边约10万 亩牧草种植地利用。该工程是目前我国最大的牛场粪污处理沼 气发电工程。
产甲烷菌细菌学原理与应用
产甲烷菌细菌学原理与应用嘿，朋友们！今天让咱们一起走进一个神奇的微生物世界，来聊聊产甲烷菌。
想象一下，在一个阳光明媚的周末，我和我的好朋友小明在公园里散步。
走着走着，我们看到了一片池塘，池塘边有一些腐烂的树叶和水草。
小明好奇地问我：“这些腐烂的东西最后会变成啥呀？”我笑着告诉他：“这里面可有着一群神秘的小角色在工作呢，其中就有产甲烷菌。
”产甲烷菌，这名字听起来是不是有点陌生又有点神秘？其实啊，它们可是一群小小的“化学大师”。
产甲烷菌是一类能够产生甲烷的细菌。
你可能会问，甲烷？不就是天然气的主要成分嘛！没错，就是它。
这些小家伙个头非常小，肉眼根本看不见，但是它们的本事可大了去了。
产甲烷菌生活在各种各样的环境中，像沼泽地、沼气池、动物的肠道等等。
它们就像一群勤劳的小工人，默默地进行着复杂的化学反应。
那产甲烷菌到底是怎么工作的呢？这就好比一个精心设计的魔法工厂。
它们利用其他微生物分解有机物产生的一些物质，比如二氧化碳、氢气、甲酸等等，通过一系列复杂的生物化学反应，最终把这些东西转化成甲烷。
这过程是不是很神奇？在沼气池里，产甲烷菌可是大功臣。
农民伯伯把各种废弃物扔进去，产甲烷菌就开始努力工作，产生的甲烷可以用来做饭、照明，既环保又实用。
这就好比是给农村生活来了一场小小的能源革命！再说说动物的肠道，特别是反刍动物，比如牛。
牛肚子里的产甲烷菌也没闲着，它们在帮助牛消化食物的同时，产生的甲烷会通过牛的打嗝或者放屁排放出来。
这可有点让人哭笑不得了，谁能想到小小的产甲烷菌在牛肚子里也能搞出这么大动静！产甲烷菌在环境保护方面也有着重要的作用。
垃圾填埋场里，它们能帮助减少垃圾发酵产生的有害气体排放。
这就好像是一支默默无闻的环保小分队，悄悄地为保护我们的环境贡献着力量。
你看，产甲烷菌虽然微小，却在我们的生活中发挥着大大的作用。
它们就像是隐藏在黑暗中的小精灵，默默地为我们的世界创造着价值。
所以说，产甲烷菌可真是一群神奇又重要的小家伙！我们应该更加深入地研究它们，让它们为我们的生活带来更多的便利和惊喜！。
微生物PPT
纤维素的转化
纤维素（cellulose): 是由葡萄糖构成的高分子聚合物，每个纤维素分子含 1400－1600个葡萄糖残基，分子式为（C6H10O5) (1400-1600) 纤维素来源：树木、农作物秸秆和以这些为原料的工业生产废水，如 造纸、印染等均含有大量纤维素 作用纤维素微生物：主要包括细菌、放线菌和真菌，有好氧和厌氧微生物 纤维素酶所在部位：细菌的纤维素酶结合在细胞表面，为表面酶；真菌和 放线菌的纤维素酶为胞外酶，可分泌到胞外，通过过滤和离心可得以分离 纤维素分解过程：首先必须经过微生物胞外酶（水解酶）的作用，使之水 解成可溶性的葡萄糖后，然后进一步被微生物吸收和分解
葡萄糖的厌氧发酵
1、厌氧消化(甲烷发酵)
有机物厌氧分解生成甲烷的过程 1)发酵性细菌 (2)产氢产乙酸细菌 (3)同型产乙酸菌 (4)利用H2和CO2产甲烷菌（30%） (5)分解乙酸的产甲烷菌（70%）
产甲烷化学过程:
4H2+C02→CH4＋ 2H20 CH3C00H→CH4+C02
(1)甲烷发酵理论与机制 1 布赖恩特(Bryant)于1979提出三阶段发酵阶段理论,后来发展到四阶段,具 体理论如下: (1)．水解和发酵阶段 在细菌胞外酶的作用下大分子有机物水解为小分子有机物，并进一步在 梭状芽孢杆菌、拟杆菌等酸化细菌吸收并转化为更为简单的化合物分泌 到胞外，产物有挥发性脂肪酸、醇类、乳酸、二氧化碳、氢气、氨等。 (2)．产乙酸阶段 上一阶段的产物被进一步转化为乙酸、氢气、碳酸以及新的细胞物质， 这一阶段的主导细菌是乙酸菌。同时水中有硫酸盐时，还会有硫酸盐还 原菌参与产乙酸过程。 (3)．产甲烷阶段 乙酸、氢气、碳酸、甲酸和甲醇等被甲烷菌利用被转化为甲烷以及甲烷 菌细胞物质。 经过这些阶段，大分子的有机物就被转化为甲烷、二氧化碳、氢气、硫 化氢等小分子物质和少量的厌氧污泥。 (4).同型产乙酸阶段 同型产乙酸菌将H2和CO2转化为乙酸的过程
产甲烷菌菌落特性及分子生物学研究PPT课件
甲烷生产者之一。
产甲烷菌在农业废弃物处理、生物燃气生产等领域具有广泛应
03
用价值。研究目的与问题研究产甲烷菌的菌落特性，包 括形态、大小、颜色、表面结 构等。
探究产甲烷菌的分子生物学机 制，包括基因组学、转录组学 和蛋白质组学等方面的研究。
分析产甲烷菌在不同环境下的 适应性，为实际应用提供理论 支持。
产甲烷菌的蛋白质组学研究
总结词
蛋白质组学研究关注产甲烷菌在特定生理状态下蛋白质的表达和功能，有助于深入了解其代谢过程和 相互作用。
详细描述
产甲烷菌的蛋白质组学研究通过对其在不同生理状态下的蛋白质表达谱进行分析，揭示了产甲烷菌在 代谢过程中的蛋白质功能和相互作用。此外，蛋白质组学研究还可以为产甲烷菌的抗药性和致病性机 制提供线索，为相关应用提供基础。
05
产甲烷菌的应用研究
产甲烷菌在生物能源领域的应用
生物燃气
产甲烷菌能够将有机废弃物转化 为生物燃气，如甲烷，为可再生 能源的利用提供了一种有效途径 。
生物燃料电池
产甲烷菌能够作为微生物燃料电 池的微生物催化剂，将有机物转 化为电能。
产甲烷菌在污水处理领域的应用
厌氧生物处理
产甲烷菌在厌氧生物处理过程中发挥 重要作用，能够将有机物转化为甲烷 ，同时降低污染物负荷。
产甲烷菌菌落特性及分子 生物学研究
• 引言 • 产甲烷菌概述 • 产甲烷菌的菌落特性 • 产甲烷菌的分子生物学研究 • 产甲烷菌的应用研究 • 结论与展望
01
引言
研究背景与意义
01
产甲烷菌在自然界中广泛存在，对全球碳循环和气候变化具有 重要影响。
02
产甲烷菌在厌氧环境中将有机物转化为甲烷，是地球上最大的
产甲烷菌与其他微生物的相互作用
产甲烷菌菌落特性及分子生物学研究
内容
1
厌氧发酵微生物概述
2 产甲烷菌分类及代谢途径
3
产甲烷菌富集与纯化
4
微生物群落研究方法
5
分子多样性研究
第一页
†厌氧发酵微生物概述
不产
基质分解菌群
纤维素降解细菌 半纤维素降解细菌
淀粉降解细菌
脂肪降解细菌
产琥珀酸丝状菌 溶纤维丁酸弧菌 白色瘤胃球菌 牛链球菌 溶脂厌氧弧菌
甲烷菌
沃尔夫互营单细胞菌
挥发酸生成菌群
†产甲烷菌的分类
颗粒污泥外观特征
颗粒污泥表面的菌群
马氏甲烷球菌
甲酸甲烷杆菌
第八页
巴氏甲烷八叠球菌
†产甲烷菌的分类
第九页
†产甲烷菌显著影响因子
微量元素
微量元素缺乏会导致VFA高，气 体产率下降。 对毒性物质具有拮抗作用 使反应器内优势菌种发生变化 使乙酸利用率提高数倍。
硫酸盐
硫酸盐还原细菌和产甲烷细菌存 在竞争关系，二者都以氢、乙酸、 乳酸等为电子供体。 硫化氢致害浓度为50 mg·L-1，驯 化后的500 mg·L-1。
1972 三阶段理论
1974 Bryant首次提 出了产甲烷菌 (Methanogen)一词
第三页
更先进的技术 更完善的体系
……
†产甲烷菌的生物学特性
1
专性厌氧
•-320mV下正常生长 • -160mV 下生长缓慢 • 遇氧停止生长甚至死亡
2
生长繁殖困难
•十几天~几十天才出现菌落 •菌落一般圆形、透明、边缘整齐 •菌落特别小，很容易遗漏。
第五页
孔道蛋白 脂多糖
†产甲烷菌的分类
根据可利 用底物
氢营养型：利用氢气和二氧化碳
1
厌氧发酵微生物概述
2 产甲烷菌分类及代谢途径
3
产甲烷菌富集与纯化
4
微生物群落研究方法
5
分子多样性研究
第一页
†厌氧发酵微生物概述
不产
基质分解菌群
纤维素降解细菌 半纤维素降解细菌
淀粉降解细菌
脂肪降解细菌
产琥珀酸丝状菌 溶纤维丁酸弧菌 白色瘤胃球菌 牛链球菌 溶脂厌氧弧菌
甲烷菌
沃尔夫互营单细胞菌
挥发酸生成菌群
†产甲烷菌的分类
颗粒污泥外观特征
颗粒污泥表面的菌群
马氏甲烷球菌
甲酸甲烷杆菌
第八页
巴氏甲烷八叠球菌
†产甲烷菌的分类
第九页
†产甲烷菌显著影响因子
微量元素
微量元素缺乏会导致VFA高，气 体产率下降。 对毒性物质具有拮抗作用 使反应器内优势菌种发生变化 使乙酸利用率提高数倍。
硫酸盐
硫酸盐还原细菌和产甲烷细菌存 在竞争关系，二者都以氢、乙酸、 乳酸等为电子供体。 硫化氢致害浓度为50 mg·L-1，驯 化后的500 mg·L-1。
1972 三阶段理论
1974 Bryant首次提 出了产甲烷菌 (Methanogen)一词
第三页
更先进的技术 更完善的体系
……
†产甲烷菌的生物学特性
1
专性厌氧
•-320mV下正常生长 • -160mV 下生长缓慢 • 遇氧停止生长甚至死亡
2
生长繁殖困难
•十几天~几十天才出现菌落 •菌落一般圆形、透明、边缘整齐 •菌落特别小，很容易遗漏。
第五页
孔道蛋白 脂多糖
†产甲烷菌的分类
根据可利 用底物
氢营养型：利用氢气和二氧化碳
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补充知识：① 由C02和H2产生甲烷反应为 ： C02+4H2—CH4+ H20 ② 由乙酸或乙酸化合物产生甲烷反应为： CH3C00H—CH4+CO2 ; CH3COONH4+ H20—CH4+ NH4HCO3
产甲烷菌
三.总结 厌氧降解九大步骤：
1.不溶性有机高分子→可溶性有机单体 2.有机物单体→氢气+甲酸+重碳酸盐+丙酮酸盐+ 乙醇+各类挥发性低级脂肪酸 3.简单有机物→氢气+乙酸 4.重碳酸盐→乙酸 5.简单有机物→重碳酸盐+乙酸 6.乙酸盐→碳酸盐 7.氢气或甲酸的氧化 8.乙酸发酵产甲烷量占总甲烷量的70% 9.重碳酸盐还原产甲烷量占总甲烷量的30%
水解酸化阶段参与的菌落： 水解酸化菌落
在厌氧消化系统中，水解酸化细菌的 功能表现在两个方面： ①将大分子不溶性有机物在水解酶的催化 作用下水解成小分子的水溶性有机物； ②将水解产物吸收进细胞内，经细胞内复 杂的酶系统催化转化，将一部分供作能源 使用的有机物转化为代谢产物，排入细胞 外的水溶液里，成为参与下一阶段生化反 应的细菌群及可利用的基质，主要是产氢 产乙酸细菌和脂肪酸、醇类等。
3.产乙酸阶段
专性厌氧的产氢产乙酸细菌将上阶段的 产物进一步利用，生成乙酸和H2、CO2；同时 同型产乙酸细菌将H2和CO2合成乙酸，有时也 将乙酸分解成H2和CO2。
产乙酸阶段参与的菌落：
产氢产乙酸菌落
产氢产乙酸细菌是厌氧消化过程中一组 重要的微生物类群, 它参与丙酸, 丁酸等中 间的代谢产物的降解生成乙酸、H2和二氧化 碳。
补充知识：水解是指有机物进入微生物细胞前、在胞外进行 的生物化学反应。微生物通过释放胞外自由酶或连接在细胞 外壁上的固定酶来完成生物催化反应。
2.酸化阶段
溶解性有机物由兼性或专性厌氧细菌经发 酵作用转化为有机酸、醇、醛、CO2和H2。 有时将上述两个阶段合为一个阶段，称水 解酸化阶段。
补充知识：酸化是一类典型的发酵过程，微生物的代 谢产物主要是各种有机酸。水解酸化的目的是为混合 厌氧消化过程的甲烷发酵提供底物。
二.微生物产甲烷的生化机理 <一>.早期二阶段理论 <二>.三阶段(四阶段)理论的提出
<三>.四阶段理论
<一>. 早期理论——二阶段理论
对复杂有机物的厌氧降解过程的解释，早 期通行的是二阶段理论，认为有机物的厌 氧消化过程分为两个阶段——酸性发酵和 碱性发酵阶段，其中 酸性发酵──产酸菌利用胞外酶将复杂的 大分子水解成小分子，并进一步转化为有 机酸。此阶段也称产酸阶段。 碱性发酵──甲烷细菌利用上阶段产生的 有机酸为底物，生成甲烷和CO2。此阶段又 称为甲烷发酵阶段。
<三>.四阶段理论
1、水解阶段 2、酸化阶段 3、产乙酸阶段 · 4、甲烷化阶段
三阶段（四阶段）理论见三阶段理论图 备注：与二阶段理论相比较，三阶段理论增加了产 氢产乙酸过程；四阶段理论则是在三阶段理论的 基础上增加了同型产乙酸细菌把H2和CO2转化为乙 酸的过程。
1.水解阶段
兼性和部分专性厌氧细菌发挥作用，复杂的 大分子有机物被胞外酶水解成小分子的溶解性有 机物 。如葡萄糖、氨基酸等
补充知识：在厌氧条件下能产生乙酸的细菌有两类：一类 是异养型厌氧细菌，能利用有机基质产生乙酸；另一类是 混合营养型厌氧细菌，既能利用有机基质产生乙酸，也能 利用分子氢和二氧化碳产生乙酸。前者是酸化细菌，后者 就是同型产乙酸细菌。
4.产甲烷阶段
产甲烷菌（最严格的专性厌氧菌）利用 乙酸、H2、CO2和一碳化合物产生甲烷。转化 的途径为： CH3COOH → CH4 + CO2 CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O
补充知识：发酵性细菌将复杂有机物分解发酵所产生的有机酸 和醇类，除甲酸、乙酸和甲醇外 ，均不能被产甲烷菌所利用， 必须由产氢产乙酸菌将其分解转化为乙酸、氢和二氧化碳。
产乙酸阶段参与的菌落：
同型产乙酸菌落
这是一类既能自养生活能异养生活的混合营 养型细菌。它们既能利用H2+CO2生成乙酸 ，也 能代谢产生乙酸。通过上述微生物的活 动，各种 复杂有机物可生成有机酸和H2/CO2等。
<二>.三阶段（四阶段）理论提出
二阶段理论作为厌氧处理的基本理论， 多年来一直为人们所认可。直到60年代末 期，人们对厌氧过程进行了深入的研究， 尤其是对其中发挥重要作用的甲烷细菌的 研究表明，甲烷细菌在厌氧处理过程中发 挥了极其重要的作用，它只能以乙酸、甲 酸氢等极少数的物质为底物。因此，厌氧 过程中还应该有产生甲烷菌底物的步骤。 于是，厌氧处理理论发展为三阶段（或四 阶段）理论。
产甲烷菌落
产甲烷菌包括食氢产甲烷菌和食乙酸产甲烷菌 两大类群。在沼气发酵过程中，甲烷 的形成是由 一群生理上高度专业化的古细菌一产甲烷菌所引起 的，产甲烷菌包括食氢产甲烷菌和食乙酸产甲烷菌， 它们是厌氧消化过程食物链中的最后一组成员，尽 管它们具有各种各样的形态，但它们在食物链中的 地位使它们具有共同的生理特性。它们在厌氧条件 下将前三群细菌代谢终产物，在没有外源受氢体的 情况下把乙酸 和 H2/CO2。转化为气体产 生CH4/CO2，使有机物在厌氧条件下的分解作用以顺利 完成。目前已知的甲烷产生过程由以上两组不同的 产甲烷菌完成。
8.6 微生物产甲烷
目录
一.甲烷的简介 二.微生物产甲烷的生化机理 三.厌氧降解九大步骤 四.厌氧反应热力学分析 五.甲烷生产应用
一.甲烷的简介：
甲烷在自然界分布很广，是天然气、沼 气、坑气及煤气的主要成分之一。它可用作 燃料及制造氢、一氧化碳、炭黑、乙炔、氢 氰酸及甲醛等物质的原料。甲烷气可产生机 械能、电能及热能。 目前甲烷已作为一种燃料源，并通过管 道输送到用户，供给家庭及工业使用或转化 成为甲醇作为内燃机的辅助性燃料。
四.厌氧反应热力学分析
微生物降解有机物的过程，在本质上是 一系列的氧化还原生物化学反应。生物降解 有机物过程中，微生物通过各种形式的氧化 剂（电子受体）氧化有机物，释放出可供其 利用的能量。各种氧化剂有机物所能释放出 的能量差别很大，由高到低依次是 O2>NO3 ¯ >MnO2>OH ¯ >SO4² ¯ >CO2 好氧生物处理中的氧化剂是氧气，而厌 氧生物处理中的氧化剂则以CO2为主，这正是 厌氧过程中微生物细胞的产率系数远小于好 氧过程。
产甲烷菌
三.总结 厌氧降解九大步骤：
1.不溶性有机高分子→可溶性有机单体 2.有机物单体→氢气+甲酸+重碳酸盐+丙酮酸盐+ 乙醇+各类挥发性低级脂肪酸 3.简单有机物→氢气+乙酸 4.重碳酸盐→乙酸 5.简单有机物→重碳酸盐+乙酸 6.乙酸盐→碳酸盐 7.氢气或甲酸的氧化 8.乙酸发酵产甲烷量占总甲烷量的70% 9.重碳酸盐还原产甲烷量占总甲烷量的30%
水解酸化阶段参与的菌落： 水解酸化菌落
在厌氧消化系统中，水解酸化细菌的 功能表现在两个方面： ①将大分子不溶性有机物在水解酶的催化 作用下水解成小分子的水溶性有机物； ②将水解产物吸收进细胞内，经细胞内复 杂的酶系统催化转化，将一部分供作能源 使用的有机物转化为代谢产物，排入细胞 外的水溶液里，成为参与下一阶段生化反 应的细菌群及可利用的基质，主要是产氢 产乙酸细菌和脂肪酸、醇类等。
3.产乙酸阶段
专性厌氧的产氢产乙酸细菌将上阶段的 产物进一步利用，生成乙酸和H2、CO2；同时 同型产乙酸细菌将H2和CO2合成乙酸，有时也 将乙酸分解成H2和CO2。
产乙酸阶段参与的菌落：
产氢产乙酸菌落
产氢产乙酸细菌是厌氧消化过程中一组 重要的微生物类群, 它参与丙酸, 丁酸等中 间的代谢产物的降解生成乙酸、H2和二氧化 碳。
补充知识：水解是指有机物进入微生物细胞前、在胞外进行 的生物化学反应。微生物通过释放胞外自由酶或连接在细胞 外壁上的固定酶来完成生物催化反应。
2.酸化阶段
溶解性有机物由兼性或专性厌氧细菌经发 酵作用转化为有机酸、醇、醛、CO2和H2。 有时将上述两个阶段合为一个阶段，称水 解酸化阶段。
补充知识：酸化是一类典型的发酵过程，微生物的代 谢产物主要是各种有机酸。水解酸化的目的是为混合 厌氧消化过程的甲烷发酵提供底物。
二.微生物产甲烷的生化机理 <一>.早期二阶段理论 <二>.三阶段(四阶段)理论的提出
<三>.四阶段理论
<一>. 早期理论——二阶段理论
对复杂有机物的厌氧降解过程的解释，早 期通行的是二阶段理论，认为有机物的厌 氧消化过程分为两个阶段——酸性发酵和 碱性发酵阶段，其中 酸性发酵──产酸菌利用胞外酶将复杂的 大分子水解成小分子，并进一步转化为有 机酸。此阶段也称产酸阶段。 碱性发酵──甲烷细菌利用上阶段产生的 有机酸为底物，生成甲烷和CO2。此阶段又 称为甲烷发酵阶段。
<三>.四阶段理论
1、水解阶段 2、酸化阶段 3、产乙酸阶段 · 4、甲烷化阶段
三阶段（四阶段）理论见三阶段理论图 备注：与二阶段理论相比较，三阶段理论增加了产 氢产乙酸过程；四阶段理论则是在三阶段理论的 基础上增加了同型产乙酸细菌把H2和CO2转化为乙 酸的过程。
1.水解阶段
兼性和部分专性厌氧细菌发挥作用，复杂的 大分子有机物被胞外酶水解成小分子的溶解性有 机物 。如葡萄糖、氨基酸等
补充知识：在厌氧条件下能产生乙酸的细菌有两类：一类 是异养型厌氧细菌，能利用有机基质产生乙酸；另一类是 混合营养型厌氧细菌，既能利用有机基质产生乙酸，也能 利用分子氢和二氧化碳产生乙酸。前者是酸化细菌，后者 就是同型产乙酸细菌。
4.产甲烷阶段
产甲烷菌（最严格的专性厌氧菌）利用 乙酸、H2、CO2和一碳化合物产生甲烷。转化 的途径为： CH3COOH → CH4 + CO2 CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O
补充知识：发酵性细菌将复杂有机物分解发酵所产生的有机酸 和醇类，除甲酸、乙酸和甲醇外 ，均不能被产甲烷菌所利用， 必须由产氢产乙酸菌将其分解转化为乙酸、氢和二氧化碳。
产乙酸阶段参与的菌落：
同型产乙酸菌落
这是一类既能自养生活能异养生活的混合营 养型细菌。它们既能利用H2+CO2生成乙酸 ，也 能代谢产生乙酸。通过上述微生物的活 动，各种 复杂有机物可生成有机酸和H2/CO2等。
<二>.三阶段（四阶段）理论提出
二阶段理论作为厌氧处理的基本理论， 多年来一直为人们所认可。直到60年代末 期，人们对厌氧过程进行了深入的研究， 尤其是对其中发挥重要作用的甲烷细菌的 研究表明，甲烷细菌在厌氧处理过程中发 挥了极其重要的作用，它只能以乙酸、甲 酸氢等极少数的物质为底物。因此，厌氧 过程中还应该有产生甲烷菌底物的步骤。 于是，厌氧处理理论发展为三阶段（或四 阶段）理论。
产甲烷菌落
产甲烷菌包括食氢产甲烷菌和食乙酸产甲烷菌 两大类群。在沼气发酵过程中，甲烷 的形成是由 一群生理上高度专业化的古细菌一产甲烷菌所引起 的，产甲烷菌包括食氢产甲烷菌和食乙酸产甲烷菌， 它们是厌氧消化过程食物链中的最后一组成员，尽 管它们具有各种各样的形态，但它们在食物链中的 地位使它们具有共同的生理特性。它们在厌氧条件 下将前三群细菌代谢终产物，在没有外源受氢体的 情况下把乙酸 和 H2/CO2。转化为气体产 生CH4/CO2，使有机物在厌氧条件下的分解作用以顺利 完成。目前已知的甲烷产生过程由以上两组不同的 产甲烷菌完成。
8.6 微生物产甲烷
目录
一.甲烷的简介 二.微生物产甲烷的生化机理 三.厌氧降解九大步骤 四.厌氧反应热力学分析 五.甲烷生产应用
一.甲烷的简介：
甲烷在自然界分布很广，是天然气、沼 气、坑气及煤气的主要成分之一。它可用作 燃料及制造氢、一氧化碳、炭黑、乙炔、氢 氰酸及甲醛等物质的原料。甲烷气可产生机 械能、电能及热能。 目前甲烷已作为一种燃料源，并通过管 道输送到用户，供给家庭及工业使用或转化 成为甲醇作为内燃机的辅助性燃料。
四.厌氧反应热力学分析
微生物降解有机物的过程，在本质上是 一系列的氧化还原生物化学反应。生物降解 有机物过程中，微生物通过各种形式的氧化 剂（电子受体）氧化有机物，释放出可供其 利用的能量。各种氧化剂有机物所能释放出 的能量差别很大，由高到低依次是 O2>NO3 ¯ >MnO2>OH ¯ >SO4² ¯ >CO2 好氧生物处理中的氧化剂是氧气，而厌 氧生物处理中的氧化剂则以CO2为主，这正是 厌氧过程中微生物细胞的产率系数远小于好 氧过程。