能源的缺乏已成为人类可持续发展的重要问题，生物燃气作为新型的可再生的生物质能源越来越受到人们的青睐。生物燃气是在厌氧条件下通过微生物作用生成的可燃性混合气体，其主要成分是甲烷。该产甲烷系统是一个多菌群、多相、多反应的复杂系统，而这些均受到温度的影响，特别是产甲烷菌群参与厌氧发酵过程的最后一步，根据底物基质的不同参与厌氧发酵的产甲烷菌群以及其发生的产甲烷代谢途径均不同。温度是影响产甲烷菌代谢途径重要因素之一，不仅影响菌群的结构同时影响底物基质的分解代谢，从而使代谢途径发生很大的差异。本文简述了不同温度条件下产甲烷菌群的代谢途径和菌群结构，试解释发酵过程中各种微生物随温度变化的规律，以利于有效控制发酵过程，了解发酵进行的阶段，易于优化发酵条件，而提高产气效率。

产甲烷是厌氧消化过程的最后一步，有机物经过水解、酸化，最终产生乙酸、CO₂、H₂、甲酸以及甲醇等中间产物，产甲烷菌利用这些中间产物发生多种代谢途径，最后转化成CH₄^[4]。自然界中甲烷生成主要有三种途径：乙酸发酵途径、二氧化碳还原途径和甲基营养型途径。此三条途径最终都形成甲基辅酶M，甲基辅酶M在甲基辅酶M还原酶Ⅰ和甲基辅酶M还原酶Ⅱ的催化下最终形成甲烷。目前甲基营养型途径能利用的底物如甲醇、三甲胺等甲基类物质在自然界的丰度远低于乙酸和H₂/CO₂，因而甲基营养型途径只在特定的生态环境中才考虑其影响，例如盐湖^[5]。因此甲烷生成途径最主要的是乙酸发酵产甲烷和CO₂还原产甲烷，据研究乙酸途径生成的甲烷约占甲烷生成总量的2/3，CO₂还原产甲烷途径则约占1/3^[6]。在厌氧发酵过程中，产甲烷菌的代谢途径不止一条，有研究发现，作为水解酸化产物的乙酸可以先氧化为CO₂ ^[7]，再经过CO₂还原途径产生甲烷，同时同型产乙酸细菌也会将CO₂和H₂转化成乙酸^[8-9]，这些中间代谢作用都可能导致甲烷生成途径的改变，温度的改变是使甲烷的代谢途径发生变化的重要因素之一。

温度是影响不同类型的厌氧发酵甲烷排放的重要因素之一，其影响产甲烷相关微生物的代谢速率和底物供应^[10-12]。微生物在其最适生长温度条件下生长旺盛，产甲烷速率达到最高，若温度变化则导致菌群结构和多样性的改变，同时降低有机物的代谢速率，最终影响甲烷产量。根据产甲烷菌最适生长温度（Topt）差异，可将产甲烷菌分为嗜冷菌(psychrophiles，最适温度低于25℃)、嗜温菌(mesophiles，Topt 为 35℃左右)、 嗜热菌( thermophiles，Topt 为 55℃左右) 和极端嗜热 ( hyperthermophile，Topt 高于80℃左右) 这四个类群^[13]。目前前三个类群研究较多，但是极端嗜热产甲烷并没有得到普遍深入的研究。Avery等^[11]通过添加¹⁴C标记底物，发现美国北卡罗莱纳州 White Oak 河流沉积物中乙酸发酵途径产生的甲烷量占甲烷产生总量的69#177;12%，并且发现甲烷产生总速率乙酸发酵产甲烷速率和CO₂还原产甲烷速率均随着培养温度升高呈指数增长，表明 CO₂还原和乙酸发酵产甲烷都受控于温度。

嗜冷甲烷菌是指生长温度在0~10℃，其生长Topt在25℃以下。生物圈约75%的地域是处于永久的低温环境，丰富的基质使得产甲烷菌产生的甲烷在碳素循环中占据较大比例^[14]。同时多种地域因季节变换，使得厌氧发酵在低温环境时产甲烷菌的生长受到很大程度的抑制。嗜冷产甲烷菌分布在湿地、高山、淡水湖沉积物、冰川、永久冻土以及深海沉积物表层 100-200米以下的环境中，其构成了以上各种环境中重要的微生物群落结构，低温地区是自然界大气产甲烷的最重要的来源，其中低温湿地是最大的自然产生源^[15]。

嗜温和嗜热甲烷菌的生长的温度范围为 25～80 ℃，在35 ℃和 55 ℃条件时生长最旺盛，即最适生长温度。一般在中温条件下，厌氧发酵过程中乙酸代谢途径和氢营养型代谢途径同时存在，而在温度较高的情况下，产甲烷菌只利用氢营养型代谢途径产甲烷。仇天雷等^[23]从胶州湾浅海沉积物中分离出1株嗜热自养产甲烷杆菌 JZTM，其最适生长温度为 60℃，最适pH 为 6.5～7.0，直径0.3～0.5um，形态为弯曲和直杆微弯两种。该菌株能够利用H₂/ CO₂和甲酸盐生长，但是不利用甲醇、三甲胺和乙酸。Conrad等人研究温度对水稻泥浆中产甲烷菌代谢途径的影响，结果表明，温度变化从35℃到42~46℃时，其产甲烷途径由氢营养型产甲烷和乙酸代谢途径两条途径同时存在转化为只通过氢营养型产甲烷一条途径^[24]。Wu^[25]等研究不同地方水稻泥浆在45~50℃热条件下的代谢途径为氢营养产甲烷。瞿贤^[26]等研究中高温厌氧发酵过程发现，接种物菌群多以Methanosataceae为主，中温条件时，初期以Methanosarcinaceae和CO₂还原菌产甲烷菌参与的CO₂还原途径为主，随后逐渐转化为乙酸途径，在高速产甲烷以乙酸还原为主，在稳定期乙酸途径与CO₂还原途径维持一定的比例；高温条件下，初期以同中温条件以CO₂还原途径为主，在高速产甲烷期水解酸化的中间产物并不直接通过乙酸发酵途径而是先氧化成CO₂，再还原成CH₄。Fey^[27]等通过研究温度改变对水稻泥浆中产甲烷代谢途径的影响，结果表明，温度变化从10℃到35℃时产甲烷代谢途径由40-60%的CO₂还原途径转向低于15%的CO₂还原产甲烷，到最后的CO₂还原途径比例上升至40%，待温度达到50℃时，乙酸先氧化为CO₂，然后只能由CO₂还原途径产生甲烷。Conrad等指出在高温或中温时，由于氢营养型的甲烷古菌对 H₂的亲和力较高，从而抑制同型产乙酸细菌的代谢，使得氢营养型的甲烷途径占优势^[28]。Lu Y等^[29]通过稳定同位素方法发现高于40℃，土壤产甲烷途径完全以CO₂还原途径，而温度低于30℃，CO₂和乙酸发酵途径同时存在。高温条件下，嗜热菌对有机物的降解能力要优于中温菌和低温菌。高温能加速菌群的繁殖，加快复杂底物的分解，产生少量的且杂质较少的发酵排出物^[30-32]，其发酵最大的优势在于能提高甲烷生成率^[33]，但是相对于厌氧发酵过程的中温系统难控制且系统温度稳定性不好。

展望

目前探索研究不同温度条件下产甲烷菌的分布范围和代谢特征，已成为地球化学、环境化学、生物化学和微生物学等多学科交叉的研究热点。厌氧微生物生化代谢过程在中高温相对容易进行,针对嗜温和嗜热产甲烷菌的研究较多，但是对于季节交换造成的低温或者低温环境，厌氧发酵产气能力将受到很大的限制。通过外源加热来提高温度会加重能源消耗，造成运行成本增加。未来采用高通量测序及稳定同位素等技术进一步研究不同温度下生物甲烷系统的微生物群落结构及其代谢特征，并在此基础上通过人工筛选菌种进而构建不同温度条件的产甲烷复合体系，特别是构建低温条件下生物甲烷系统，为解决不同温度下产沼气提供有效的方法。