产甲烷菌的生理生化特性

2014 年秋季学期研究生课程考核

（读书报告、研究报告）

考核科目:微生物生理学

学生所在院（系）:市政环境工程

学生所在学科:环境工程

学生姓名:丁达

学号:14S127062

学生类别:工程硕士

考核结果阅卷人

产甲烷菌的生理生化特性

产甲烷菌是一类能够将无机或有机化合物厌氧发酵转化成甲烷和二氧化碳的古细菌，它们生活在各种自然环境下，甚至在一些极端环境中。产甲烷菌是厌氧发酵过程的最后一个成员，

甲烷的生物合成是自然界碳素循环的关键链条。由于产甲烷菌在有机废弃物处理、沼气发酵、动物瘤胃中有机物分解利用等过程中的重要作用，同时甲烷是导致全球变暖的第二大温室气

体,因此产甲烷菌和甲烷产生机理的研究备受关注。特别是近几年对产甲烷菌基因组的研究，使人们从基因组的角度、进化的角度对甲烷生物合成机理、甲烷菌的生活习性、形态结构等

方面获得更深刻的理解。

关键词：产甲烷菌；显著影响因子；生化特性

一、引言

目前能源与环境已成为影响人类社会可持续发展的重大问题，厌氧消化技术在能源生产和

环境保护等方面具有突出的优势而倍受青睐。沼气发酵是自然界极为普遍而典型的厌氧消化反应，各种各样的有机物通过沼气发酵，不断地被分解代谢产生沼气，从而构成了自然界物质和能量循

环的重要环节。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效率和甲烷产量的重要因素，因此对产甲烷菌特征以

及影响因子的研究成为重点。

二、产甲烷菌概述

产甲烷菌的研究开始于1899 年，当时俄国的微生物学家奥姆良斯基（Omelianski ）将厌氧分解纤维素的微生物分为两类，一类是产氢的细菌，后来称产氢、产乙酸菌；另一类是产

甲烷菌，后来称奥氏甲烷杆菌（Methanobacillus omelauskii) 。 1901 年 Sohzgen 对产甲烷菌的特征及对物质的转化进一步作了详细的研究。1936 年 Barker 对奥氏甲烷菌又作了分离研究。

但这些研究，由于厌氧分离甲烷菌的技术尚不完备，均未取得大的进展。直到1950年Hungate 第一次创造了无氧分离技术才使甲烷菌的研究得到了迅速的发展。

产甲烷菌是一类能够将无机或有机化合物厌氧消化转化成甲烷和二氧化碳的古细菌，它是严格厌氧菌，属于水生古细菌门（Euryarchaeota）。它们生活在各种自然环境下，如反刍动

物的瘤胃、人类的消化系统、稻田、湖泊或海底沉积物、热油层和盐池，以及污泥消化和沼

气反应器等人为环境中。产甲烷菌是厌氧消化过程的最后一个成员，甲烷的生物合成是自然

界碳素循环的关键链条。

中期以前，产甲烷菌新种发现的不多，据《伯杰细菌鉴定手册》第八版记载，产甲烷菌只有

一个科，即甲烷杆菌科，分三个属，有9 个种。但是，随着其研究手段的飞速发展，和人们

对产甲烷菌的关注，越来越多的产甲烷菌被人们发现，到目前为止，从系统发育来看，甲烷菌分成 5 个目，分别为甲烷杆菌目（Methanobacteriales）、甲烷球菌目（Methanococcales）、甲烷八叠球菌目（Methanosarcinales）、甲烷微菌目（Methanomicrobiales ）和甲烷超高温菌

目（ Methanop-yrales ）。 Schnellen 第一个从消化污泥中分离纯化得到甲酸甲烷杆菌（Methanobact erium formicium）和巴氏甲烷八叠球菌（Methanosa rcina barkeri ），到目前为

止，分离鉴定的产甲烷菌已有200 多种。

三、产甲烷菌显著影响因子

产甲烷菌的活性受温度、pH 值、有毒物质等环境因素以及C、 N、P 的比值以及无机元素等的影响，各因子所处条件对于产甲烷过程具有一定影响，根据前期研究结果，本文主要涉

及微量元素等几种对产甲烷阶段具有重要影响的显著影响因子。

1.微量元素对产甲烷菌的影响

厌氧消化的产甲烷阶段对无机营养的缺乏十分敏感。许多废水厌氧生物处理中，均出现了出水中挥发性脂肪酸（ VFA ）偏高，气体产率下降的现象。起初人们认为是毒性物质抑制作

用或是缺乏 N 、P 营养。但后来许多实验证明，极易生物降解的VFA ，在厌氧出水中之所以

浓度偏高，不是毒性物质的抑制作用，也不是缺乏N 、P 营养，而是缺乏微量营养元素。

Takashima 和 Speece发现微量金属元素的氯化物与无机营养液中其它物质混合后加入反应

器内，当生物停留时间 SRT 为 20d时，只能达到很低的乙酸利用率：4~8 kg ·m-3 d-1；但如果微量金属元素的氯化物直接加入反应器内，则当生物停留时间 SRT 为 5d 时乙酸利用率即可高达 30 kg ·m-3·d-1。因而，微量金属元素的加入方式也对产甲烷菌优势菌种变化产生很大影

响。另外，李亚新等发现微量金属元素对毒性物质具有拮抗作用，从而缓解毒性物质对产甲

烷菌的限制作用。

因而微量金属元素的加入能使反应器内甲烷菌的优势菌种发生变化，使乙酸利用率提高数倍。但微量元素需直接加入反应器，从而保证甲烷菌的充分利用。微量金属营养元素能对毒

性物质产生强烈的拮抗作用。在厌氧消化过程中补充微量金属元素是提高厌氧消化过程效率

和稳定性的重要途径。

2.硫酸盐对产甲烷菌的影响

厌氧处理中，硫酸盐还原细菌以氢、乙酸、乳酸等为电子供体、以

2-

为末端电子受体，SO4

将其还原为S2-的厌氧反应称其为硫酸盐还原作用。由于硫酸盐还原细菌和产甲烷细菌都可

利用这些基质，而且硫化物对产甲烷细菌具有毒害作用。普遍认为，硫酸盐还原作用影响产

甲烷作用的进行。然而，各研究者的结论不尽相同，包括对于硫酸盐对产甲烷菌的致害浓度

存在较大争议。Karhadkar等指出硫化物对产甲烷菌有抑制作用，但经过驯化，产甲烷菌可

提高对硫化物的抵抗力。Parking 等认为硫化氢对未经驯化的产甲烷菌的致害浓度为50 mg· L-1。 Isa 等的研究表明硫化物对产甲烷菌的致害浓度从未经驯化时的20mg· L-1提高到驯化后的500 mg· L-1。施华均等发现硫酸盐对于批量试验的影响并不大，对于连续运行试

验的冲击则很大。因此，根据不同浓度的底物和不同的厌氧消化试验，要进行相关的硫酸盐

抑制产甲烷菌的研究。

3.pH 值对产甲烷菌的影响

厌氧微生物的生命活动、物质代谢与pH 值有密切的关系，pH 值的变化直接影响着消化过程和消化产物，不同的微生物要求不同的pH 值。 pH 值的变化可引起微生物体表面的电

荷变化，进而影响微生物对营养物的吸收，还可以影响培养基中有机化合物的离子化作用，

从而对微生物有间接影响；另外酶只有在最适宜的pH 值时才能发挥最大活性，不适宜的pH 值使酶的活性降低，进而影响微生物细胞内的生物化学过程。再者过高或过低的pH 值都降

低微生物对高温的抵抗能力。

4.氧化还原电位（ Eh）对产甲烷菌的影响

厌氧环境的主要标志是沼气发酵液具有低的Eh，其值应为负值。一般情况下，氧的溶入是引起厌氧消化中的Eh 升高的最主要和最直接的原因。另外其它一些氧化剂或氧化态物质

存在同样能使体系中的Eh 升高，当其浓度达到一定程度时，会危害厌氧消化过程的进行。

由此可见，体系中的Eh 比溶解氧浓度能更全面地反映发酵液所处的厌氧状态。不同的厌氧

消化体系和不同的厌氧微生物对Eh 的要求不同。兼性厌氧微生物在+100 mV以上时进行好

氧呼吸， Eh 为 +100 mV 以下时进行无氧呼吸；产酸菌对Eh 的要求不甚严格，可以在-100

至+100 mV的兼性条件下生长繁殖；中温及浮动温度厌氧消化系统要求的Eh 应低于 -300

至- 380 mV ；高温厌氧消化系统要求适宜的Eh 为 -500 至 -600mV 。产甲烷菌最适宜的Eh 为

-350 mV 或更低。

四、产甲烷菌的生化反应机理

1.产甲烷菌的生化模型

研究已建立了产甲烷微生物利用H 2/CO2、甲醇和醋酸为基质产甲烷的生化代谢模型( 图