自然界中的湖泊、池塘、河流、沼澤地，常常看到有許多氣泡從底部淤泥中冒出水面，如果把這些氣體收集起來可以點燃，這種氣體稱沼氣。因為沼氣zui早從沼澤地發現而得名。 沼氣是寶貴的生物能源，可以人為產生，對解決能源和環境保護有突出重要意義。沼氣是多種氣體的混合氣體，包括甲烷占60％～70％，CO2占30%～35%，H2S、N2、H2和NH3這些氣體含量微小，約占沼氣的5％左右。在沼氣中CH4含量50％以上就可燃燒。沼氣是來自有機物質的分解，但有機物質的分解不一定都能產生沼氣。沼氣是在特定的厭氧條件，同時又不存在硝酸鹽、硫酸鹽和日光的環境中形成的。形成沼氣的過程叫沼氣發酵。在沼氣發酵過程中二氧化碳為碳素氧化的終產物，甲烷為碳素還原的終產物。在沼氣發酵過程中參與甲烷形成的細菌統稱為甲烷細菌。
沼氣工程沼氣檢測儀：甲烷細菌與沼氣發酵
甲烷細菌的特性
1．是專性嚴格厭氧菌：甲烷細菌都是專性嚴格厭氧菌，對氧非常敏感，遇氧后會立即受到抑制，不能生長、繁殖，有的還會死亡。
2．生長繁殖特別緩慢：甲烷細菌生長很緩慢，在人工培養條件下需經過十幾天甚至幾十天才能長出菌落。據麥卡蒂（McCarty）介紹，有的甲烷細菌需要培養七八十天才能長出菌落，在自然條件下甚至更長。菌落也相當小，特別是甲烷八疊球菌菌落更小，如果不仔細觀察很容易遺漏。菌落一般圓形、透明、邊緣整齊，在熒光顯微鏡下發出強的熒光。甲烷細菌生長緩慢的原因，是它可利用的底物很少，只能利用很簡單的物質，如CO2、H2、甲酸、乙酸和甲基胺等。這些簡單物質必須由其它發酵性細菌，把復雜有機物分解后提供給甲烷細菌，所以甲烷細菌一定要等到其它細菌都大量生長后才能生長。同時甲烷細菌世代時間也長，有的細菌20分鐘繁殖一代，甲烷細菌需幾天乃至幾十天才能繁殖一代。
3．都是原核生物：能形成甲烷的細菌都是原核生物，目前尚未發現真核生物能形成甲烷。甲烷細菌有球形、桿形、螺旋形，有的呈八疊球狀，還有的能聯成長鏈狀。
4．培養分離比較困難：因為甲烷細菌要求嚴格厭氧條件，一般培養方法很難達到厭氧，培養分離往往失敗。又因為甲烷細菌和伴生菌生活在一起，菌體大小形態都十分相似，在一般光學顯微鏡下不好判明。美國微生物學家——Hungate 50年代培養分離甲烷細菌獲得成功。以后世界上有很多研究者對甲烷細菌進行了培養分離工作，并對Hungate分離方法進行了改良，能很容易地把甲烷細菌培養分離出來。
甲烷細菌在自然界中分布極為廣泛，在與氧氣隔絕的環境都有甲烷細菌生長，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，甚至在植物體內都有甲烷細菌存在。
沼氣發酵液中甲烷細菌的數量可用MPN法計數，測定接種的試管中有無甲烷存在，作為計數的數量指標。甲烷細菌數量與甲烷含量成正比，發酵裝置運行越好，甲烷細菌數量越多。
另一方面產甲烷細菌利用乙酸、氫和二氧化碳合成甲烷，也消耗了酸和二氧化碳，沼氣檢測儀甲烷細菌及其伴生菌共同作用使pH穩定在一個適宜范圍內，不會使發酵液中的pH出現對沼氣發酵不利的情況。但當發酵條件控制不好，如溫度，進料負荷，原料中的C：N、pH等可能會出現酸化或液料過堿；前者較為多見，這樣會嚴重影響甲烷細菌的活動，甚至使發酵中斷。
沼氣發酵
在自然界中綠色植物經光合作用合成碳水化合物，主要形成糖、淀粉、纖維素等。纖維素合成的數量zui大，貯量也zui多，是地球上很難被微生物分解的物質。在好氧條件下，纖維素可被少數微生物氧化分解，zui終產生CO2和H2O。目前所知綠色木霉是分解纖維素zui強的微生物。
（C6H10O5）n+nO2→nCO2+nH2O
在厭氧條件下，纖維素經厭氧微生物發酵作用zui終產生CH4。
在自然界形成甲烷的地方主要有沼澤地、水稻田、井地、河湖淤泥及反芻動物瘤胃。反芻動物瘤胃具有產甲烷的良好條件，所以瘤胃被稱為產甲烷的天然能的連續發酵罐。
1．甲烷形成的微生物學過程：從有機物質厭氧發酵到形成甲烷，是非常復雜的過程，不是一種細菌所能完成的，是由很多細菌參與聯合作用的結果。
（1）聯合作用 從有機物到甲烷形成，是由很多細菌聯合作用的結果。甲烷細菌在合成的zui后階段起作用。它利用伴生菌所提供的代謝產物H2、CO2等合成甲烷。整個過程可分以下幾個階段：
以上幾個階段不是截然分開的，沒有明顯的界限，也不是孤立進行的，而是密切在一起互相交叉進行的。
（2）種間H2的轉移作用在沼氣發酵過程中，產酸菌、伴生菌發酵有機物產H2，H2又被甲烷細菌用于還原CO2合成CH4。
伴生菌和甲烷細菌在發酵過程中形成了共生關系，S-菌系分解乙醇產H2，H2對它繼續分解乙醇有阻抑作用，而MOH-菌系可利用H2，這樣又為S-菌系清除了阻抑，兩者在一起生活互惠互利，單獨存在都生活不了。
（3）由乙酸產生甲烷乙酸是有機物在厭氧發酵過程中主要中間代謝產物，也是形成甲烷的重要中間產物。McCarty實驗證明，有機物發酵分解產生乙酸形成甲烷，約占甲烷總生成量的72％，由其他產物形成甲烷約占28％。由乙酸形成甲烷過程也是很復雜的，用14C示蹤原子試驗表明，由乙酸形成甲烷有兩種途徑：
①由乙酸的甲基形成甲烷
②由乙酸轉化為CO2和H2形成甲烷
2．沼氣發酵微生物之間的生態關系
沼氣發酵是一個極其復雜的生物化學過程，包括各種不同類型微生物所完成的各種代謝途徑。這些微生物及其所進行的代謝都不是在孤立的環境中單獨進行，而是在一個混雜的環境中相互影響。它們之間的互相作用包括有不產甲烷細菌和產甲烷細菌之間的作用；不產甲烷細菌之間的作用和甲烷細菌之間的作用。
在沼氣發酵過程中，不產甲烷細菌和產甲烷細菌之間，相互依賴，互為對方創造與維持生命活動所需要的良好環境條件，但它們之間又互相制約，在發酵過程中總處于平衡狀態。它們之間的主要關系表現在下列幾方面：
①不產甲烷細菌為產甲烷細菌提供生長和產甲烷所需要的基質
不產甲烷細菌可把各種復雜的有機物，如碳水化合物、脂肪、蛋白質等厭氧分解生成H2、CO2、NH3、VFA、甲醇、丙酸、丁酸等，丙酸、丁酸還可被氫細菌和乙酸細菌分解轉化成H2、CO2和乙酸，為甲烷細菌提供了合成細胞質和形成甲烷的碳前體，電子供體——氫供體和氮源，使甲烷細菌利用這些物質zui終形成甲烷。
②不產甲烷細菌為產甲烷細菌創造了適宜的氧化還原電位條件
在沼氣發酵初期，由于加料過程中使空氣帶入發酵裝置，液體原料里也有溶解氧，這顯然對甲烷細菌是很有害的。氧的去除需要依賴不產甲烷細菌的氧化能力把氧用掉。因此，降低了氧化還原電位。在發酵裝置中，各種厭氧性微生物如纖維素分解菌、硫酸鹽還原細菌、硝酸鹽還原細菌、產氨細菌、產乙酸細菌等，對氧化還原電位的適應性也各不相同，通過這些細菌有順序地交替生長活動，使發酵液料中氧化還原電位不斷下降，逐步為甲烷細菌的生長創造了適宜的氧化還原電位條件，使甲烷細菌能很好的生長。
③不產甲烷細菌為產甲烷細菌清除了有害物質
以工業廢水或廢棄物為發酵原料時，原料里可能含酚類、氰化物、苯甲酸、長鏈脂肪酸和一些重金屬離子等。這些物質對甲烷細菌是有毒害作用的，但不產甲烷細菌中有許多種能裂解苯環，有些細菌還能以氰化物作碳源和能源，也有的細菌能分解長鏈脂肪酸生成乙酸。這些作用不僅解除了對甲烷細菌的毒害，而且又給甲烷細菌提供了養料。此外有些不產甲烷細菌的代謝產物硫化氫，可以和一些重金屬離子作用，生成不溶性的金屬硫化物，從而解除了一些重金屬離子的毒害作用。
H2S＋Cu2+→CuS↓＋2H+
H2S＋pH2+→PbS↓＋2H+
H2S濃度也不能過高，當H2S大于150×10-6，對甲烷細菌也有毒害。
④產甲烷細菌又為不產甲烷細菌的生化反應解除了反饋抑制
不產甲烷細菌的發酵產物可以抑制產氫細菌的繼續產氫，酸的積累可以抑制產酸細菌的繼續產酸。當厭氧消化器中乙酸濃度超過3×10-3時，就會產生酸化，使厭氧消化不能很好的進行下去，會使沼氣發酵失敗。要維持良好的厭氧消化效果，乙酸濃度在0.3×10-3左右較好。在正常沼氣發酵工程系統中，產甲烷細菌能連續不斷地利用不產甲烷細菌產生的氫、乙酸、CO2等合成甲烷，不致有氫和酸的積累，因此解除了不產甲烷細菌產生的反饋抑制，使不產甲烷細菌就能繼續正常生活，又為甲烷細菌提供了合成甲烷的碳前體。
⑤不產甲烷細菌和產甲烷細菌共同維持環境中適宜的pH值
在沼氣發酵初期，不產甲烷細菌首先降解原料中的糖類、淀粉等產生大量的有機酸、CO2，CO2又能部分溶于水形成碳酸，使發酵液料中pH值明顯下降。但是不產甲烷細菌類群中還有一類細菌叫氨化細菌，能迅速分解蛋白質產生氨，氨可中和部分酸。
