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沼气发酵又称为厌氧消化、厌氧发酵和甲烷以酵,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,通过种类繁多、数量巨大、且功能不同的各类微生物的分解代谢,最终形成甲烷和二氧化碳等混合性气体(沼气)的复杂的生物化学过程。
 
一、沼气发酵微生物
沼气发酵微生物是人工制取沼气最重要的因素,只有有了大量的沼气微生物,并使各种类群的微生物得到基本的生长条件,沼气发酵原料才能在微生物的条件下转化为沼气。
1、 沼气微生物的种类
沼气发酵是一种极其复杂的微生物和化学过程,这一过程的发酵和发展是五大类群微生物生命活动的结果。它们是:发酵性细菌、产氢产乙酸菌、食氢产甲烷菌和食乙酸产甲烷菌。这些微生物按照各自的营养需要,起着不同的物质转化作用。从复杂无机物的降解,到甲烷的形成,就是由它们分工合作和相互作用完成的。
在沼气发酵过程中,五大类群细菌构成一条食物链,从各类群细菌的生理代谢产物或它们的活动对发酵液酸碱度(pH)的影响来看,沼气发酵过程可分为产酸阶段和产甲烷阶段。前三群细菌的活动可使有机物形成各种有机酸,因此,将其统称为不产甲烷菌。后二群细菌的活动可使各种有机转化成甲烷,因此,将其统称为产甲烷菌。
 
1、不产甲烷菌在沼气发酵过程中,不能直接产生甲烷微生物统称为不产甲烷菌。不产甲烷菌能将复杂的大分子有机物变成简单的小分子量的物质。它们的种类繁多,现已观察到的包括细菌、真菌和原生动物三大类。以细菌种类最多,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,还在不断发现新的种。根据微生物的呼吸类型可将其分为好氧菌、厌氧菌、兼性厌氧菌三大类型。其中,厌氧菌数量最大,比兼性厌氧菌、好氧菌多100~200倍,是不产甲烷阶段起主要作用的菌类。根据作用基质来分,有纤维分解菌、半纤维分解菌、淀粉分解菌、蛋白质分解菌、脂肪分解菌和其他一些特殊的细菌,如产氢菌、产乙酸菌等。2、产甲烷菌在沼气发酵过程中,利用小分子量化合物形成沼气的微生物统称为产甲烷菌。如果说微生物是沼气发酵的核心,那么产甲烷菌又是沼气发酵微生物的核心,产甲烷菌是一群常特殊的微生物。它们严格厌氧,对氧和氧化剂非常敏感,适宜在中性或微碱性环境中生存繁殖。它们依靠二氧化碳和氢气生长,并以废物的形成排出甲烷,是要求生长物质最简单的微生物。产甲烷菌的种类很多,目前已发现的产甲烷菌有3目、4科、7属和13种,根据它们的细胞形态、甲烷螺旋形菌类。产甲烷菌生长缓慢,繁殖倍增时间的15倍。由于产甲烷菌繁殖较慢、在发酵启动时,需加入大量甲烷菌种。产甲烷菌在自然界广泛分布,如土壤中,湖泊、沼泽中,反刍动物(牛羊等)的肠胃道,淡水或碱水池塘污泥中,下水道污泥,腐烂秸秆堆,牛马粪以及城乡垃圾堆中都有大量的产甲烷菌存在。由于产甲烷菌的分离、培养和保存都有较大的困难,迄今为止,所获得的产甲烷菌的纯种不多。一些菌的培养方法没有过关,所以对产甲烷菌的生理生化特征还不清楚,产甲烷菌的纯种还不能应用于生产,这些直接影响到沼气发酵研究的进展,也是影响沼气池产气率提高不快的重要原因。
 
二、沼气发酵微生物的作用在沼气发酵过程中,不产甲烷菌与产甲烷菌相互依赖,互为对方创造维持生命活动所需的物质基础和适宜的环境条