文 献 综 述

1.沼气发酵研究情况

1.1沼气发酵定义

沼气发酵又称为厌氧消化、厌氧发酵，是指有机物质（如人畜家禽粪便、秸秆、杂草等）在一定的水分、温度和厌氧条件下，通过各类微生物的分解代谢，最终形成甲烷和二氧化碳等可燃性混合气体（沼气）的过程。

1 1.2沼气发酵微生物种类

沼气发酵微生物种类繁多,大体可分为产甲烷菌群和不产甲烷菌群两类。产甲烷微生物菌群,通常称为产甲烷菌,依照其形态特征可分为甲烷球菌属、甲烷八叠球菌属、甲烷杆菌属和甲烷螺菌属。在厌氧条件下,产甲烷菌可利用不产甲烷菌的中间代谢物和最终代谢产物作为其营养和能源物质,以此进行生长繁殖并最终产生甲烷。不产甲烷菌群主要是一大类兼性厌氧菌,从生理功能上又可分为挥发酸生成菌群和基质分解菌群。其中以细菌种类居多,目前已知的有18个属51个种,随着研究的深入和分离方法的改进,还有新种不断被发现。它们具备水解和发酵大分子有机物并产酸的能力,在满足自身生长的同时,为产甲烷菌提供能量和物质。不产甲烷菌种类十分宽泛,包括化能自养菌、化能异养菌和光能异养菌,甚至还有真菌和原生动物的存在。

1.3沼气发酵的过程

第一阶段是含碳有机聚合物的水解。纤维素、半纤维素、果胶、淀粉、脂类、蛋白质等非水溶性含碳有机物，经细菌水解发酵生成水溶性糖、醇、酸等分子量较小的化合物，以及氢气和二氧化碳；

第二阶段是各种水溶性产物经微生物降解形成甲烷底物，主要是乙酸、氢气和CO₂；

第三阶段是产甲烷菌转化甲烷底物生成CH₄和CO₂。另外，在沼气发酵过程中还存在某些逆向反应，即由小分子合成大分子物质的微生物过程；

从有机物质厌氧发酵到形成甲烷，是非常复杂的过程，不是一种细菌所能完成的，是由很多细菌参与联合作用的结果。

（1）联合作用 从有机物到甲烷形成，是由很多细菌联合作用的结果。甲烷细菌在合成的最后阶段起作用。它利用伴生菌所提供的代谢产物H₂、CO₂等合成甲烷。整个过程可分以下几个阶段：

以上几个阶段不是截然分开的，没有明显的界限，也不是孤立进行的，而是密切联系在一起互相交叉进行的。

（2）种间H₂的转移作用在沼气发酵过程中，产酸菌、伴生菌发酵有机物产H2，H2又被甲烷细菌用于还原CO₂合成CH₄。

伴生菌和甲烷细菌在发酵过程中形成了共生关系，S-菌系分解乙醇产H₂，H₂对它继续分解乙醇有阻抑作用，而MOH-菌系可利用H₂，这样又为S-菌系清除了阻抑，两者在一起生活互惠互利，单独存在都生活不了。

（3）由乙酸产生甲烷乙酸是有机物在厌氧发酵过程中主要中间代谢产物，也是形成甲烷的重要中间产物。McCarty实验证明，有机物发酵分解产生乙酸形成甲烷，约占甲烷总生成量的72%，由其他产物形成甲烷约占28%。由乙酸形成甲烷过程也是很复杂的，用₁₄C示踪原子试验表明，由乙酸形成甲烷有两种途径：

①由乙酸的甲基形成甲烷

②由乙酸转化为CO₂和H₂形成甲烷

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。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。它们之间的互相作用包括有不产甲烷细菌和产甲烷细菌之间的作用；不产甲烷细菌之间的作用和甲烷细菌之间的作用。

1.4产甲烷菌和不产甲烷菌的关系（沼气发酵微生物的特点）

在沼气发酵过程中，不产甲烷细菌和产甲烷细菌之间，相互依赖，互为对方创造与维持生命活动所需要的良好环境条件，但它们之间又互相制约，在发酵过程中总处于平衡状态。它们之间的主要关系表现下列几方面：

①不产甲烷细菌为产甲烷细菌提供生长和产甲烷所需要的基质。不产甲烷细菌可把各种复杂的有机物，如碳水化合物、脂肪、蛋白质等厌氧分解生成H₂、CO₂、NH₃、VFA、甲醇、丙酸、丁酸等，丙酸、丁酸还可被氢细菌和乙酸细菌分解转化成H₂、CO₂和乙酸，为甲烷细菌提供了合成细胞质和形成甲烷的碳前体，电子供体#8212;#8212;氢供体和氮源，使甲烷细菌利用这些物质最终形成甲烷。

②不产甲烷细菌为产甲烷细菌创造了适宜的氧化还原电位条件。在沼气发酵初期，由于加料过程中使空气带入发酵装置，液体原料里也有溶解氧，这显然对甲烷细菌是很有害的。氧的去除需要依赖不产甲烷细菌的氧化能力把氧用掉。因此，降低了氧化还原电位。在发酵装置中，各种厌氧性微生物如纤维素分解菌、硫酸盐还原细菌、硝酸盐还原细菌、产氨细菌、产乙酸细菌等，对氧化还原电位的适应性也各不相同，通过这些细菌有顺序地交替生长活动，使发酵液料中氧化还原电位不断下降，逐步为甲烷细菌的生长创造了适宜的氧化还原电位条件，使甲烷细菌能很好的生长。

③不产甲烷细菌为产甲烷细菌清除了有害物质。以工业废水或废弃物为发酵原料时，原料里可能含酚类、氰化物、苯甲酸、长链脂肪酸和一些重金属离子等。这些物质对甲烷细菌是有毒害作用的，但不产甲烷细菌中有许多种能裂解苯环，有些细菌还能以氰化物作碳源和能源，也有的细菌能分解长链脂肪酸生成乙酸。这些作用不仅解除了对甲烷细菌的毒害，而且又给甲烷细菌提供了养料。此外有些不产甲烷细菌的代谢产物硫化氢，可以和一些重金属离子作用，生成不溶性的金属硫化物，从而解除了一些重金属离子的毒害作用。

H2S Cu2 →CuS↓ 2H

H2S pH2 →PbS↓ 2H

H2S浓度也不能过高，当H₂S大于150#215;10^-6，对产甲烷细菌也有毒害。

④产甲烷细菌又为不产甲烷细菌的生化反应解除了反馈抑制。不产甲烷细菌的发酵产物可以抑制产氢细菌的继续产氢，酸的积累可以抑制产酸细菌的继续产酸。当厌氧消化器中乙酸浓度超过3#215;10^-3时，就会产生酸化，使厌氧消化不能很好的进行下去，会使沼气发酵失败。要维持良好的厌氧消化效果，乙酸浓度在0.3#215;10^-3左右较好。在正常沼气发酵工程系统中，产甲烷细菌能连续不断地利用不产甲烷细菌产生的氢、乙酸、CO₂等合成甲烷，不致有氢和酸的积累，因此解除了不产甲烷细菌产生的反馈抑制，使不产甲烷细菌就能继续正常生活，又为甲烷细菌提供了合成甲烷的碳前体。

⑤不产甲烷细菌和产甲烷细菌共同维持环境中适宜的pH值。在沼气发酵初期，不产甲烷细菌首先降解原料中的糖类、淀粉等产生大量的有机酸、CO₂，CO₂又能部分溶于水形成碳酸，使发酵料液中pH值明显下降。但是不产甲烷细菌类群中还有一类细菌叫氨化细菌，能迅速分解蛋白质产生氨，氨可中和部分酸。

1.5沼气发酵的市场现状和前景

(1)沼气发酵是高浓度有机废水及废物的重要处理手段。沼气发酵后病原菌、寄生虫卵可以杀灭，COD可以去除70～95%。据新华社2006年8月26日电（青年报，28日报导）我国废弃物堆积量已近80亿吨，占用和损坏土地200万亩以上，对土壤和水体造成了严重污染。在众多的废物中如畜禽业粪污、酒糟、生活有机垃圾等均可用沼气发酵技术予以处理。应用此技术对减少污物的堆积，环境的清净有重要的作用。

(2)沼气发酵是开发生物质能源的重要方法。世界上生物质资源非常丰富，据估算全世界陆地和海洋生态中，每年有机物的产量为1640亿吨，其中农业生产量约为7亿多吨，仅北京、上海、武汉、成都四大城市几个行业生物质量每年便有2199万吨。生物质能的利用技术有沼气发酵、液体燃料油的制取、热解气化、直接燃烧等，其中沼气发酵是效率高、技术成熟的方法，随着”再生能源法”的实施，认真搞好生物质能的开发利用，对改变能源利用结构，减少对矿物燃料的依赖都将会有重要意义。例如上海星火农场把2700头奶牛的粪便进行沼气发酵，产生近3000m3沼气可解决2700户居民炊事用气。又例如江苏太仓新太酒精厂年生产酒精5万吨，产生的酒糟经沼气发酵每天可产生5万立方米沼气，可代替50吨煤的作用，可发电7.5万kwh。

2.本实验研究的意义和主要内容

2.1 本实验研究的意义

沼气发酵是利用农业生产剩余物、食品加工和工业生产等废弃物进行厌氧发酵, 实现物质资源化再利用的重要过程, 其在自然界也有着极为普遍的存在。各种有机物经沼气发酵,不断被分解代谢(同时生成沼气 ),构成了物质和能量循环的重要环节。在这一极为复杂的过程中, 各类群微生物起着极为重要的作用。深入了解各类群微生物的作用特点、生态功能及其彼此间的关联, 将有助于更好地理解沼气发酵,进而为更有效地实施操控提供理论依据。

2.2 本实验研究的主要内容

首先，选择来源较为丰富的水稻秸秆进行蒸汽爆破预处理，通过对蒸汽爆破后的样品进行沼气厌氧发酵产气实验，分析厌氧发酵体系的产气速率、总产气量、气体中甲烷含量、秸秆样品在发酵前后纤维素、半纤维素和木质素等结构成分的变化。最后，从沼气厌氧发酵体系中采集样品分析发酵过程中各个阶段体系中主要功能微生物菌群的多样性。

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