[科普中國]-甲烷菌

甲烷菌屬于原核生物，是專性嚴(yán)格厭氧菌、生長繁殖特別緩慢、培養(yǎng)分離比較困難。產(chǎn)甲烷菌不能在有氧氣處生存，因此它們只能在完全缺乏氧氣的環(huán)境中被發(fā)現(xiàn)。只有產(chǎn)甲烷和發(fā)酵作用能夠在只有含碳化合物作為電子受體的情況下發(fā)生。產(chǎn)甲烷作用對人類也有用處。通過產(chǎn)甲烷作用，有機(jī)廢物可以轉(zhuǎn)化成有用的甲烷（“沼氣”）。產(chǎn)甲烷作用同樣在人和動物的腸道中發(fā)生。

簡介甲烷菌的性格、脾氣與其他微生物不同，只有在無氧的條件下才能正常的生長、繁殖。所以現(xiàn)在人們常常利用它的這一特性，人工構(gòu)建一些密不透氣的池子，在里面放上甲烷菌愛“吃”的食物，如各種農(nóng)作物的莖、葉及許多排泄物、廢棄物。這樣甲烷菌就能生長并放出一種無色、略帶一點(diǎn)酸臭的可燃性氣體。這就是沼氣。1

甲烷菌很古老，大概是地球上最古老的生命體。在地球的初始狀態(tài)下，由于特殊的環(huán)境造就使得甲烷菌得以誕生。它們不需要氧氣僅靠現(xiàn)成簡單的碳酸鹽和甲酸鹽等物質(zhì)就可以很方便地呼吸并維持生命。它們具有生命實(shí)體——細(xì)胞，而且開始自然繁殖。它們就是生物的鼻祖，也是最早的甲烷菌。今天，地球早已經(jīng)不比當(dāng)初，而甲烷菌卻依然保持著本性，仍然厭氧。當(dāng)然，如今的甲烷菌有著廣泛的“食物”來源，例如，雜草、秸稈、樹葉，食堂里的殘羹剩飯，還有動物糞尿，甚至垃圾等，這些都是甲烷菌的最好。在沼澤和水草茂密融池塘底部，一般是極為缺氧的，甲烷菌常常躲在這里飽餐，同時呼出一口氣來，這就是我們今天所說的沼氣泡。2

特性1、是專性嚴(yán)格厭氧菌

甲烷細(xì)菌都是專性嚴(yán)格厭氧菌，對氧非常敏感，遇氧后會立即受到抑制，不能生長、繁殖，甚至死亡。3

2、生長繁殖特別緩慢

甲烷細(xì)菌生長很緩慢，在人工培養(yǎng)條件下需經(jīng)過十幾天甚至幾十天才能長出菌落。據(jù)麥卡蒂（McCarty）介紹，有的甲烷細(xì)菌需要培養(yǎng)七八十天才能長出菌落，在自然條件下甚至更長。菌落也相當(dāng)小，特別是甲烷八疊球菌菌落更小，如果不仔細(xì)觀察很容易遺漏。菌落一般圓形、透明、邊緣整齊，在熒光顯微鏡下發(fā)出強(qiáng)的熒光。

甲烷細(xì)菌生長緩慢的原因，是它可利用的底物很少，只能利用很簡單的物質(zhì)，如CO2、H2、甲酸、乙酸和甲基胺等。這些簡單物質(zhì)必須由其它發(fā)酵性細(xì)菌，把復(fù)雜有機(jī)物分解后提供給甲烷細(xì)菌，所以甲烷細(xì)菌一定要等到其它細(xì)菌都大量生長后才能生長。同時甲烷細(xì)菌世代時間也長，有的細(xì)菌20分鐘繁殖一代，甲烷細(xì)菌需幾天乃至幾十天才能繁殖一代。

3、都是原核生物

能形成甲烷的細(xì)菌都是原核生物，目前尚未發(fā)現(xiàn)真核生物能形成甲烷。甲烷細(xì)菌有球形、桿形、螺旋形，有的呈八疊球狀，還有的能連成長鏈狀。

4、培養(yǎng)分離比較困難

因?yàn)榧淄榧?xì)菌要求嚴(yán)格厭氧條件，一般培養(yǎng)方法很難達(dá)到厭氧，培養(yǎng)分離往往失敗。又因?yàn)榧淄榧?xì)菌和伴生菌生活在一起，菌體大小形態(tài)都十分相似，在一般光學(xué)顯微鏡下不好判明。美國著名微生物學(xué)家－－Hungate 50年代培養(yǎng)分離甲烷細(xì)菌獲得成功。以后世界上有很多研究者對甲烷細(xì)菌進(jìn)行了培養(yǎng)分離工作，并對Hungate分離方法進(jìn)行了改良，使甲烷細(xì)菌能夠很容易地被培養(yǎng)分離出來。

生存環(huán)境甲烷細(xì)菌在自然界中分布極為廣泛，在與氧氣隔絕的環(huán)境中都有甲烷細(xì)菌生長，海底沉積物、河湖淤泥、沼澤地、水稻田以及人和動物的腸道、反芻動物瘤胃，甚至在植物體內(nèi)都有甲烷細(xì)菌存在。

甲烷菌不能在有氧氣處生存，因此它們只能生存在完全缺氧氣的環(huán)境中，比如濕地土壤、動物消化道和水底沉積物等。甲烷作用也可發(fā)生在氧氣和腐爛有機(jī)物都不存在的地方，如地面下深處、深海熱水口和油庫等。

測定方法沼氣發(fā)酵液中甲烷細(xì)菌的數(shù)量可用MPN法計(jì)數(shù)，測定接種的試管中有無甲烷存在，作為計(jì)數(shù)的數(shù)量指標(biāo)。甲烷細(xì)菌數(shù)量與甲烷含量成正比，發(fā)酵裝置運(yùn)行越好，甲烷細(xì)菌數(shù)量越多。作者曾于1991年計(jì)數(shù)了東北制藥總廠用UASB（上流式厭氧污泥床）處理制藥廢水消化液中甲烷細(xì)菌數(shù)量為4.2×105個/ml。

注意事項(xiàng)：

產(chǎn)甲烷細(xì)菌利用乙酸、氫和二氧化碳合成甲烷，也消耗了酸和二氧化碳，甲烷細(xì)菌及其伴生菌共同作用使pH穩(wěn)定在一個適宜范圍內(nèi)，不會使發(fā)酵液中的pH出現(xiàn)對沼氣發(fā)酵不利的情況。但當(dāng)發(fā)酵條件控制不好，如溫度，進(jìn)料負(fù)荷，原料中的C、N、pH等可能會出現(xiàn)酸化或液料過堿；前者較為多見，這樣會嚴(yán)重影響甲烷細(xì)菌的活動，甚至使發(fā)酵中斷。

產(chǎn)甲烷作用產(chǎn)甲烷作用，又稱甲烷生成，指微生物合成甲烷的代謝途徑。在很多環(huán)境中，這是有機(jī)物降解的最終步驟。

可以生成甲烷的微生物稱作產(chǎn)甲烷菌。這些生物都屬于原核生物中的古細(xì)菌。

產(chǎn)甲烷作用是一種厭氧呼吸。產(chǎn)甲烷菌不能呼吸氧氣，而且氧氣對產(chǎn)甲烷菌具有致命的毒性。電子傳遞最終受體不是氧氣，而是含碳小分子化合物，最常見的是二氧化碳或者乙酸：

CO2 + 4H2 => CH4 + 2H2O

CH3COOH => CH4 + CO2

產(chǎn)甲烷作用也可以利用其它含碳小分子有機(jī)物，如甲酸、甲醇、二甲硫醚和甲硫醇等。

產(chǎn)甲烷菌不能在有氧氣處生存，因此它們只能在完全缺乏氧氣的環(huán)境中被發(fā)現(xiàn)。常見的這樣的環(huán)境在有機(jī)物被迅速降解的地方，比如濕地土壤、動物消化道和水底沉積物等。產(chǎn)甲烷作用也可發(fā)生在氧氣和腐爛有機(jī)物都不存在的地方，如地面下深處、深海熱水口和油庫等。

產(chǎn)甲烷作用是有機(jī)物降解的最后一步，在降解途徑中，電子受體，如氧氣、三價鐵、硫酸根、硝酸根和四價錳都被耗盡，而氫氣和二氧化碳積累起來。由發(fā)酵產(chǎn)生的較輕的有機(jī)物也形成積累。而在程度較高的有機(jī)物降解過程中，所有電子受體，除二氧化碳之外全都被耗盡。而二氧化碳是大多數(shù)分解代謝過程的產(chǎn)物。

只有產(chǎn)甲烷和發(fā)酵作用能夠在只有含碳化合物作為電子受體的情況下發(fā)生。發(fā)酵作用只造成大分子量有機(jī)物的分解，產(chǎn)生小分子量有機(jī)物。而甲烷產(chǎn)生可以去除這些中間產(chǎn)物，如氫氣、小分子有機(jī)物和二氧化碳。如果沒有產(chǎn)甲烷作用，大量碳元素將會以發(fā)酵產(chǎn)物的形式在缺氧環(huán)境中積累。

產(chǎn)甲烷作用對人類也有用處。通過產(chǎn)甲烷作用，有機(jī)廢物可以轉(zhuǎn)化成有用的甲烷（“沼氣”）。產(chǎn)甲烷作用同樣在人和動物的腸道中發(fā)生。盡管產(chǎn)甲烷作用也許對人類消化不是必需的，但對于反芻動物如牛和羊的營養(yǎng)卻是必要的。在瘤胃中，厭氧生物（包括產(chǎn)甲烷菌）將纖維素消化成可以被動物吸收的物質(zhì)。如果缺乏了瘤胃中的微生物，必須給牲畜喂特殊的食物才能夠存活。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

趙磊 - 副教授 - 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)