甲烷的微生物學(xué)產(chǎn)生

在自然界各種厭氧生境中，如沼澤、池塘、海洋和水田的底部，�？梢�(jiàn)到有氣泡冒出水面。若將這些氣體收集起來(lái)，可以點(diǎn)燃，稱(chēng)之為沼氣。沼氣的主要成分為甲烷（約占 60%~70% ）和 CO 2 （約占 30%~35% ）。沼氣是厭氧環(huán)境中有機物微生物學(xué)轉化的產(chǎn)物。所謂沼氣發(fā)酵，是指在厭氧條件下將有機物轉化為沼氣的微生物學(xué)過(guò)程。

 

沼氣發(fā)酵的微生物學(xué)過(guò)程比較復雜。根據現有的研究，可將沼氣發(fā)酵分為四個(gè)階段，依次由四大類(lèi)群的微生物參與作用。

第一階段：水解發(fā)酵性細菌將復雜有機物水解成相應的單體，并對水解產(chǎn)物進(jìn)行發(fā)酵。

第二階段：產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細菌利用第一階段的發(fā)酵產(chǎn)物，形成乙酸和氫氣。

第三階段：產(chǎn)甲烷細菌把前幾個(gè)階段中產(chǎn)生的乙酸裂解成甲烷和二氧化碳，或將氫和二氧化碳還原為甲烷和水。

第四階段：某些同型產(chǎn)乙酸細菌可將氫和二氧化碳還原成乙酸，乙酸再由產(chǎn)甲烷細菌裂解為甲烷和二氧化碳。

參與沼氣發(fā)酵的一些微生物是相互依存的，這種依存關(guān)系本質(zhì)上是氫的種間轉移。水解發(fā)酵性細菌和產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細菌均能產(chǎn)生氫氣并釋放至環(huán)境中，但它們的代謝活動(dòng)又可被各自所產(chǎn)生的氫所反饋抑制。氫營(yíng)養型產(chǎn)甲烷菌則需要氫作基質(zhì)。這樣，后者利用氫還原二氧化碳形成甲烷，不僅滿(mǎn)足了自身的需要，也為前者解除了氫的反饋抑制。兩類(lèi)菌相互依存，相互促進(jìn)，

產(chǎn)甲烷菌在整個(gè)沼氣發(fā)酵微生物中起著(zhù)核心作用，也是厭氧環(huán)境中有機物分解生物鏈上的最后一個(gè)成員。它們是一個(gè)特殊的生理類(lèi)群，具有獨特的產(chǎn)能代謝方式。

 

產(chǎn)甲烷細菌具有其他任何微生物所沒(méi)有的獨特輔酶 F 420 、 F 430 、輔酶 M 、因子 B 、 CDR 因子（ CO 2 還原因子）等生物化學(xué)成分。它們在甲烷形成中具有極為重要的作用。

（ 1 ）、 F 420 （輔酶 420 、 Co 420 ， Factor 420 ， 420 因子）

F 420 為一種分子量?jì)H為 630Da 的熒光化合物，化學(xué)結構為 7,8- 二脫甲基 -8- 羥基 -5 ＇脫氮核黃素 -5 ＇ - 磷酸鹽（ 7,8-didemethyl-8-hydroxy-5 ＇ -deazariboflavin ）。氧化態(tài)時(shí)在 420nm 處呈現藍綠色熒光，并出現一個(gè)明顯的吸收峰，還原態(tài)時(shí)則在 420nm 失去其吸收峰和熒光，因此產(chǎn)甲烷細菌在 420nm 紫外光激發(fā)下可自發(fā)熒光，長(cháng)時(shí)間照射時(shí)熒光可消失，但在黑暗情況下又可得以恢復。

F 420 是一種產(chǎn)甲烷過(guò)程中低電位的最初電子載體，電位可能接近 -300mV 或更低。 F 420 被氫化酶分解產(chǎn)生的電子所還原，然后把電子交給電子轉移鏈。

（ 2 ）、輔酶 M （ CoM ， CoM-SH ）

CoM 是所有已知輔酶中最小的具有滲透性、含量最高、對酸和熱穩定的輔助因子。在 260nm 處呈現最大吸收峰。在空氣中很易氧化為 (ScoM) 2 ，極為耐熱，低于 425 ℃時(shí)分解非常緩慢。 CoM 在產(chǎn)甲烷細菌細胞內的含量很高，平均濃度可達 0.2~2mmol/L 。是一種甲基轉移酶的輔酶，即為活性甲基的載體。在產(chǎn)甲烷過(guò)程中起著(zhù)極為重要的作用，反應如下：

另外還有參與 C1 的還原反應的甲基蝶呤（ Methanopterin ， MPT ），其結構與葉酸相似，作用功能也與其相同。在產(chǎn)甲烷和產(chǎn)乙酸過(guò)程中起甲基載體作用的 CO 2 還原因子（ Carbon dioxide reducing factor ， CDR ）也即甲烷呋喃（ Methanofuran ， MFR ）。另一個(gè) F 430 ，是存在于嗜熱自養甲烷桿菌中含 Ni 的四吡咯結構，是甲基輔酶 M 還原酶組分 C 的彌補基，參與甲烷形成的末端反應。

 

產(chǎn)甲烷細菌能利用的基質(zhì)范圍很窄，就單個(gè)種來(lái)說(shuō)就更少，有些種僅能利用 1 種基質(zhì)。產(chǎn)甲烷細菌所能利用的基質(zhì)大多為最簡(jiǎn)單的一碳或二碳化合物，如 CO 2 、 CH 3 OH 、 HCOOH 、 CH 3 COOH 、甲胺類(lèi)等，極個(gè)別種可利用三碳異丙醇。這些基質(zhì)形成甲烷的反應如下：

大量的研究一致指出，在自然界中，乙酸是形成甲烷的關(guān)鍵性底物，約有 70% 的甲烷來(lái)源于乙酸。

不管何種基質(zhì)，形成甲烷的最后一步反應總是如下：

這一反應由包括多種組分的 CH 3 -S-CoM 還原酶系統催化，各種組分起有不同功能。

 

產(chǎn)甲烷菌是嚴格厭氧菌，要求環(huán)境中絕對無(wú)氧。絕大部分產(chǎn)甲烷菌能利用氫和二氧化碳作基質(zhì)，從氫的氧化反應中獲得能量去還原二氧化碳，供其生長(cháng)，其中部分產(chǎn)甲烷菌能利用甲酸。甲烷八疊球菌既能以二氧化碳和氫為生長(cháng)基質(zhì)，也能利用乙酸、甲酸、甲胺、二甲胺、乙酰二甲胺而生長(cháng)，少數產(chǎn)甲烷菌甚至能以一氧化碳為生長(cháng)基質(zhì)。銨鹽是產(chǎn)甲烷菌適宜的氮源。某些種的甚至需要生長(cháng)因子，如甲烷短桿菌 ( Methanobrevibacter ) 的生長(cháng)需要加入瘤胃動(dòng)物的瘤胃液。產(chǎn)甲烷菌的最適生長(cháng)溫度為 30 ℃ 左右，嗜熱產(chǎn)甲烷菌的最適溫度達 65 ℃ ~70 ℃。