1、微生物能源,沼气发酵,一 发酵微生物二 发酵原理,一 发酵微生物,1、概念沼气发酵微生物（microorganisms of biogas fermentation）是在缺氧条件下降解有机质产生沼气的一群微生物。,2、分类根据最适生长温度，可将沼气微生物划分为中温群（3040）和高温群（5560）。虽然有人认为在 4时仍然产生沼气，但至今尚未分离到嗜低温的菌种。沼气微生物的种类庞杂，在纯培养条件下，最适生长的酸碱度有很大差异，但在沼气池中pH7左右最适于产生沼气。,3、演变缺氧条件下降解有机质产生沼气的一群微生物。沼气常形成于富含有机质的沼泽、塘、湖等水下缺氧沉积物中，是一种可燃性气体，其主要
2、成分为甲烷（占5570%）和二氧化碳（占3045%）。1776年，伏打发现池沼沉积物中有一种可燃性气体。1868年，贝香提出沼气是由微生物降解有机质而产生的。沼气微生物是一群种类庞杂、对缺氧程度要求不同的细菌。,4、作用在复杂有机质转化为沼气的过程中，它们协同地在4个阶段起作用。水解作用：由棱菌属、拟杆菌属等细菌将碳水化合物和蛋白质等大分子有机质降解为小分子有机化合物，如葡萄糖、氨基酸等。发酵作用：由梭菌属、拟杆菌属及其他细菌（如乳酸菌类、丙酸杆菌属）进一步将水解的产物降解为小分子的醇类、有机酸类、二氧化碳、氢气、氨气等。,产乙酸和氢作用：把发酵作用所产生的小分子醇类和一些脂肪酸降解为乙酸、甲
3、酸、二氧化碳和氢。人们对这类细菌了解尚少，甚至连种、属都还没有明确。但已肯定这类细菌所产生的氢对其自身进一步生长繁殖有抑制作用。因此，产乙酸和氢的细菌，必须与能利用氢的细菌，如产甲烷细菌和伍氏乙酸杆菌等共同生存。产甲烷作用：由产甲烷细菌将前3阶段所产生的氢气、二氧化碳以及甲酸、乙酸甲醇和甲胺类等转化为甲烷。产甲烷细菌形态多样，但生理特性却大致相同，在缺氧条件下，均以甲烷为主要代谢产物。上述阶段是按生物化学转化过程划分的，其中参与水解作用的细菌也参与发酵作用。,5、应用沼气微生物使自然界中缺氧环境的有机质降解，进入碳、氮等物质循环圈。所产生的甲烷最终又被氧化为二氧化碳。产生于深海沉积物中的甲烷则
4、可能转化为甲烷水合物，进而转化为天然气。中国广大农村正在利用沼气微生物的作用，以秸秆、粪便等制取沼气，作为一种再生性补充能源，同时也有利于农村生态平衡，保持、提高土壤肥力并改善环境卫生。,二 发酵原理 （一）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。从复杂不机物的降解，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
5、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，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100200倍，是不产甲烷阶段起主要作用的菌类。,2、产甲烷菌 在沼气发酵过
6、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。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。 产甲烷菌生长缓慢，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，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。,（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
7、境条件；同时又相互制约，共同完成沼气发酵过程。它们之间的相互关系主要表现在下列几个方面:1、不产甲烷菌为产甲烷菌提供营养 原料中的碳水化合物、蛋白和脂肪等复杂有机物不能直接被产甲烷菌吸收利用，必须通过不产甲烷菌的水解作用，使其形成可溶性的简单化合物，并进一步分解，形成产甲烷菌的发酵基质，这样，不产甲烷菌通过其生命活动为产甲烷菌源源不断地提供合成细胞的基质和能源。另一方面，产甲烷菌连续不断地将不产甲烷菌所产生的乙酸、氢和二氧化碳等发酵基质转化为甲烷，使厌氧消化中不致有酸和氢的积累，不产甲烷菌也就可以继续正常的生长和代谢。由于不产甲烷菌与产甲烷菌的协同作用，使沼气发酵过程达到产酸和产甲烷的动态平衡
8、，维持维持沼气发酵的稳定运行。,2、不产甲烷菌为产甲烷菌创造适宜的厌氧生态环境 在沼气发酵启动阶段，由于原料和水的加入，在沼气池中随时之进入了大量的空气，这显然是对产甲烷菌有害的，但是由于不产甲烷菌类群中的好氧和兼性厌氧微生物的活动，使发酵液的氧化还原电位（氧化还原电位愈低，厌氧条件愈好）不断下降，逐步为产甲烷菌的生长和产甲烷菌创造厌氧生态环境。3、不产甲烷菌为产甲烷菌清除有毒物质 在以工业废弃物为以酵原料时，其中往往含有酚类、苯甲酸、氰化物、长链脂肪酸和重金属等物质。这些物质对产甲烷菌是有毒害作用的。而不产甲烷菌中有许多菌能分解和利用上述物质，这样就可以解除对产甲烷菌的毒。此外，不产甲烷菌发
9、酵产生的硫化氢（H2S）可以与重金属离子作用，生成不溶性的金属硫化物而沉淀下来，从而解除了某些重金属的毒害作用。,4、不产甲烷菌与产甲烷菌共同维持环境中适宜的酸碱度 在沼气发酵初期，不产甲烷菌首先降解原料中的淀粉和糖类等，产生大量的有机酸。同时，产生的二氧化碳也部分溶于水，使发酵液的酸碱度（pH）下降。但是，由于不产甲烷菌类群中的氨化细菌迅速进行氨化作用，产生的氨（NH3）可中和部分有机酸。同时，由于甲烷菌不断利用乙酸、氢和二氧化碳形成甲烷，而使发酵液中有机酸和二氧化碳的深度逐步下降。通过两类群细菌的共同作用，就可以使pH稳定在一个适宜的范围。因此，在正常发酵的沼气池中，pH始终能维持在适宜的
10、状态而不用人为的控制。,（三）沼气发酵微生物的特点 1、分布广，种类多 上至1.2万米的高空，下至2千米的地层深处都有微生物的踪迹。目前，已被人们 研究过的微生物约有3万4万种之多。沼气微生物在自然界中分布也很广，特别是在沼泽、粪池、污水池以及阴沟污泥中存在有各种各样的沼气发酵微生物，种类达200300种，它们是可利用的沼气发酵菌种的源泉。 2、繁殖快，代谢强 在适宜条件下，微生物有很高的繁殖速度。产酸菌在生长旺盛时，20分钟或更短的时间内就可以繁殖一代，产甲烷菌繁殖速度较慢，约为产酸菌的1/15。微生物所以能够出现这样高的繁殖速度，主要因为它们具有极大的表面积和体积比值，例如直径为1微米的球菌，其面积和体积的比值为6万，而人的这种比值却不到1。所以，它能够以极快的速度与外界环境发生物质交换，使之具有很强的代谢能力。,3、适应性强，容易培养 与高等生物相比，多数微生物适应较强，并且容易培养。在自然条件下，成群体状态生长的微生物更是如此。例如，沼气池里的微生物（主要是厌氧和兼性厌氧两大菌群）在1060度条件下，都可以利用多种多样的复杂有机物进行沼气发酵。有时经过驯化培养后的微生物可以加快这种反应，从而更有效地达到生产能源和保护环境的目的。,
