在自然界各种厌氧生境中，如沼泽、池塘、海洋和水田的底部，常可见到有气泡冒出水面。若将这些气体收集起来，可以点燃，称之为沼气。沼气的主要成分为甲烷（约占60％ ～70％）和CO2（约占30％ ～35％）。沼气是厌氧环境中有机物微生物学转化的产物。所谓沼气发酵，是指在厌氧条件下将有机物转化为沼气的微生物学过程。
（一）沼气发酵的微生物学过程
沼气发酵的微生物学过程比较复杂。根据现有的研究，可将沼气发酵分为四个阶段，依次由四大类群的微生物参与作用。
第一阶段：水解发酵性细菌将复杂有机物水解成相应的单体，并对水解产物进行发酵。
第二阶段：产氢产乙酸细菌利用第一阶段的发酵产物，形成乙酸和氢气。
第三阶段：产甲烷古菌把前几个阶段中产生的乙酸裂解成甲烷和二氧化碳，或将氢和二氧化碳还原为甲烷和水。
第四阶段：某些同型产乙酸细菌可将氢和二氧化碳还原成乙酸，乙酸再由产甲烷古菌裂解为甲烷和二氧化碳。
参与沼气发酵的一些微生物是相互依存的，这种依存关系本质上是氢的种间转移。水解发酵性细菌和产氢产乙酸细菌均能产生氢气并释放至环境中，但它们的代谢活动又可被各自所产生的氢所反馈抑制。氢营养型产甲烷古菌则需要氢作基质。这样，后者利用氢还原二氧化碳形成甲烷，不仅满足了自身的需要，也为前者解除了氢的反馈抑制。两类菌相互依存，相互促进，见图13-1。
图13-1 甲烷形成过程中各微生物类群之间的作用关系
产甲烷古菌在整个沼气发酵微生物中起着核心作用，也是厌氧环境中有机物分解生物链上的最后一个成员。它们是一个特殊的生理类群，具有独特的产能代谢方式。
现已分离到的产甲烷古菌可分为5个目10个科和31个属，分别为：甲烷八叠球菌目（Methanosarcinales）、甲烷微菌目（Methanomicrobiales）、甲烷杆菌目（Methanobacteriales）、甲烷球菌目（Methanococcales）和甲烷火菌目（Methanopyrales）。其中，甲烷微菌目、甲烷球菌目和甲烷火菌目均为氢营养型的产甲烷古菌；甲烷杆菌目中除了Methanospaea属外，均为氢营养型产甲烷古菌；甲烷八叠球菌目则包括了所有乙酸营养型产甲烷古菌和其他一些甲基营养型产甲烷古菌。
（二）产甲烷古菌产甲烷的生物化学特性
1.产甲烷古菌代谢中的特异性辅酶
产甲烷古菌具有其他任何微生物所没有的独特辅酶F420、F430、辅酶M、因子B、CDR因子（CO2还原因子）等生物化学成分。它们在甲烷形成中具有极为重要的作用。
（1）F420（辅酶420、Co420，Factor420，420因子）
F420为一种相对分子质量仅为630Da的荧光化合物，化学结构为7，8-二脱甲基-8-羟基-5′-脱氮核黄素-5′-磷酸盐（7，8-didemethyl-8-hydroxy-5′-deazariboflavin）。氧化态时在420nm处呈现蓝绿色荧光，并出现一个明显的吸收峰，还原态时则在420nm失去其吸收峰和荧光，因此产甲烷古菌在420nm紫外光激发下可自发荧光，长时间照射时荧光可消失，但在黑暗情况下又可得以恢复。
F420是一种产甲烷过程中低电位的最初电子载体，电位可能接近－300mV或更低。F420被氢化酶分解产生的电子所还原，然后把电子交给电子转移链。
（2）辅酶M（CoM，CoM-SH）
CoM是所有已知辅酶中最小的具有渗透性、含量最高、对酸和热稳定的辅助因子。在260nm处呈现最大吸收峰。在空气中很易氧化为（SCoM）2，极为耐热，低于425℃时分解非常缓慢。CoM在产甲烷古菌细胞内的含量很高，平均浓度可达0.2～2mmol／L。是一种甲基转移酶的辅酶，即为活性甲基的载体。在产甲烷过程中起着极为重要的作用，反应如下：
另外还有参与C1的还原反应的甲基喋呤（methanopterin，MPT），其结构与叶酸相似，作用功能也与其相同。在产甲烷和产乙酸过程中起甲基载体作用的是CO2还原因子（carbon dioxide reducing factor，CDR）也即甲烷呋喃（methanofuran，MFR）。另一个F430，是存在于嗜热自养甲烷杆菌中含Ni的四吡咯结构，是甲基辅酶M还原酶组分C的弥补基，参与甲烷形成的末端反应。
2.从不同基质形成甲烷的生物化学反应
产甲烷古菌能利用的基质范围很窄，就单个种来说就更少，有些种仅能利用一种基质。产甲烷古菌所能利用的基质大多为最简单的一碳或二碳化合物，如CO2、CH3OH、HCOOH、CH3COOH、甲胺类等，极个别种可利用三碳异丙醇。这些基质形成甲烷的反应如下：
4H2＋HCO3－＋H＋→CH4＋3H2O
4HCOO－＋4H＋→CH4＋3CO2＋2H2O
4CH3OH→3CH4＋CO2＋2H2O
CH3COO－＋H＋→CH4＋CO2
4CH3NH3＋→3CH4＋H2CO3＋4NH4＋
4CO＋2H2O→CH4＋3CO2
4CH3CHOHCH3＋HCO3－＋H＋→4CH3COCH3＋CH4＋3H2O
大量的研究一致指出，在自然界中，乙酸是形成甲烷的关键性底物，约有70％的甲烷来源于乙酸。
不管何种基质，形成甲烷的最后一步反应总是如下：
这一反应由包括多种组分的CH3-S-CoM还原酶系统催化，各种组分有着不同功能。
（三）产甲烷古菌的生长
产甲烷古菌是严格厌氧菌，要求环境中绝对无氧。绝大部分产甲烷古菌能利用氢和二氧化碳作基质，从氢的氧化反应中获得能量去还原二氧化碳，供其生长，其中部分产甲烷古菌能利用甲酸。甲烷八叠球菌既能以二氧化碳和氢为生长基质，也能利用乙酸、甲酸、甲胺、二甲胺、乙酰二甲胺生长，少数产甲烷古菌甚至能以一氧化碳为生长基质。铵盐是产甲烷古菌适宜的氮源。某些种的生长甚至需要生长因子，如甲烷短杆菌（Methanobrevibacter）的生长需要加入瘤胃动物的瘤胃液。产甲烷古菌的最适生长温度为30℃左右，嗜热产甲烷古菌的最适温度达65～70℃ 。
（四）沼气发酵的应用
沼气发酵主要有两种应用方式。一种方式目标在于沼气发酵的产物———沼气，另一种方式目标在于沼气发酵的过程———对废弃有机物转化分解，清除环境污染。
在农村，在各类牲畜和禽类养殖场应用和推广沼气发酵，既能充分利用生物质能，节约薪材，又能保肥，提高有机肥的肥效；同时还能改善环境卫生，防止疾病传染，意义深远。
1.沼气发酵装置
现有的沼气发酵装置形式多样，结构各异。选用时，应结合当地条件因地制宜。总的要求为：① 效率高，可以减少基建投资。 ② 管理方便，有利于用户接受。 ③ 运行费用省，无需复杂的预处理和后处理以免去不必要的开支。④ 制造、安装容易，见图13-2。
图13-2 一个猪养殖场的沼气发酵装置（a，b为发酵罐，c为储气罐）
2.沼气发酵技术要点
（1）严格维持厌氧条件。如前所述，沼气发酵中的产甲烷古菌为严格厌氧菌，适宜生活于低氧化还原电位的环境。因此，要求沼气发酵装置密封程度高，不漏水，不漏气。
（2）原料。可就地取材，各种有机废弃物皆宜。但应注意避免收入有毒物质，注意原料中各营养成分的比例，注意投料浓度，尤其是易分解的糖类物料，避免造成冲击负荷使反应器酸败。
（3）pH值。沼气发酵的适宜pH为6.8～7.2，高于8.0和低于6.0均会抑制发酵，尤其是低pH值易使发酵失败。
（4）温度。中温发酵的适宜温度为32～38℃ ，高温发酵的适宜温度为50～55℃ 。
（5）搅拌。发酵装置中的料液易于分层，影响微生物与原料的充分接触和沼气外逸，它们均限制效率发挥，需经常搅拌。
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