1.产甲烷菌

作为自然界碳素物质循环中厌氧生物链的最后一个成员，产甲烷菌是厌氧消化系统中微生物的核心[31，49]。产甲烷菌属于古菌域（Archaea）中的广古菌门（Euryarchaeota），是一个多样化的微生物群体，目前可分为4个纲（包括甲烷杆菌纲、甲烷球菌纲、甲烷微菌纲和甲烷火菌纲），6个目和29个属，见表1-2，其中包括了新发现的甲烷胞菌目（Methanocellales）[50]。另外，Paul等人[51]最近提出，将一类属于广古菌门但曾经被归类为非培养热原体目“uncultured Thermoplasmatales”的古菌Methanoplasmatales作为产甲烷菌的第7个目。

表1-2 产甲烷菌的分类学及特征[30，50]

续表

注：*醇类包括：乙醇、异丙醇、异丁醇，以及环戊醇中的部分或全部；†甲胺类包括：甲胺、二甲胺、三甲胺；括号内的底物表示仅部分产甲烷菌成员可利用。

在厌氧消化系统内存在的主要产甲烷菌种群，包括乙酸发酵型产甲烷菌和氢营养型产甲烷菌。乙酸发酵型产甲烷菌可直接利用乙酸为底物产生甲烷，氢营养型产甲烷菌则利用H2或甲酸作为电子供体将CO2还原生成甲烷。甲烷化过程为放能反应，每生成1 mol甲烷可产生1个或少于1个ATP[30]。从热力学角度分析，CO2还原型产甲烷途径的ΔGo′值最低，而乙酸发酵型途径的ΔGo′值最高，因此前者比后者更容易进行，氢营养型产甲烷菌的种类也远多于乙酸营养型。可利用氢气的产甲烷菌分布于6个产甲烷菌目，包括甲烷杆菌目、甲烷球菌目、甲烷微菌目、甲烷火菌目、甲烷八叠球菌目和甲烷胞菌目。乙酸营养型产甲烷菌则仅包括甲烷八叠球菌目的甲烷鬃毛菌属和甲烷八叠球菌属，其中的甲烷鬃毛菌属只能利用乙酸产甲烷和进行细胞增殖，而甲烷八叠球菌属中呈现聚集式生长的种群则可利用乙酸、甲醇和甲胺类物质。一些甲烷八叠球菌属种群还可利用H2/CO2或甲醇产生甲烷[52]。

在厌氧消化反应器中，微生物的菌群结构和活性取决于接种污泥、操作运行条件和环境因素的差异[53]。温度可影响微生物菌群结构的多样性[54]。与高温反应器相比，中温反应器内的微生物菌群往往呈现出更高的多样性和微生物种群丰度。中温厌氧甲烷化反应器中常存在甲烷微菌目Methanomirobiales、甲烷杆菌目Methanobacteriales、甲烷球菌目Methanococcales和甲烷八叠球菌目Methanosarcinales。高温环境则更有利于氢营养型产甲烷菌如甲烷杆菌目Methanobacteriales的生长，甲烷八叠球菌属Methanosarcina和甲烷鬃毛菌属Methanosaeta也可在高温下生存[34，55]。另外，共生乙酸氧化细菌在中温环境下也具有更高的种群多样性[56]。

氨浓度和乙酸浓度也是影响厌氧微生物种群结构的重要因素。在较低的氨浓度和乙酸浓度下稳定运行的反应器中，通常是甲烷鬃毛菌科Methanosaetaceae占优势；而在较高氨浓度和乙酸浓度下不稳定运行的反应器中，则往往是甲烷八叠球菌科Methanosarcinales和氢营养型的甲烷微菌目Methanomirobiales（尤其是甲烷囊菌属Methanoculleus）占优势[53，57]，同时会伴有共生乙酸氧化细菌的出现[40]。(www.daowen.com)

2.共生乙酸氧化细菌

作为乙酸甲烷化代谢中的功能微生物，共生乙酸氧化细菌在厌氧消化系统中的作用日益得到关注。迄今为止，仅发现极少量的细菌种群可在氢营养型产甲烷菌的合作下进行共生乙酸氧化产甲烷反应。最初，一株嗜热细菌Reversibacter被发现具有氧化乙酸的功能[42，58]，但该菌株在其分类学定位确立之前即丢失。之后，又有5种具有乙酸氧化功能的细菌种群被先后识别，并被成功分离培养，包括嗜热的ThermacetogeniumpHaeum strain PB[44，59]、Thermotoga lettingae strain TMO[60]和3种中温下生长的细菌Clostridium ultunense[61]、Syntrophaceticus schinkii[62]和Tepidanaerobacter acetatoxydans[63]。其中，T.phaeum、C.ultunense、S.schinkii和T.acetatoxydans均属于厚壁菌门（Firmicutes），但T.lettingae则属于热袍菌门（Thermotogae）[39]。已确定具有乙酸氧化功能的6种共生乙酸氧化细菌的特征见表1-3。

另外，根据同位素标记实验和分子生物学分析结果，发现一些其他类型的细菌种群也可以进行乙酸氧化反应，如在稻田土中发现的Geobacter、Anaeromy xobacter[64]和Thermoanaerobacteriaceae[65]，降解原油的产甲烷共生菌体中的细菌Smithella[66]，湖泊沉积物中发现的Betaproteobacteria和Nitrospira[67]等。

共生乙酸氧化现象广泛存在于厌氧生境中，如湖泊底泥[68，69]、酸性沼泽地[70]、储油器[71]、稻田土壤[65，72]和填埋场渗滤液[73]中等。在一些应用于实验室研究[74-76]或实际工程运行的厌氧消化反应器[40，77]中，也多次发现了乙酸氧化现象和共生乙酸氧化细菌的存在。通常认为，由于能量的限制和较慢的生长速率，仅当一些抑制因素，如高温、高盐度、高浓度有机酸和氨存在并削弱了乙酸发酵型甲烷化反应时，共生乙酸氧化细菌才具有更高的竞争力[39，47]。

表1-3 已识别的共生乙酸氧化细菌的特征

注：“+”表示存在；“-”表示不存在。

3.共生乙酸氧化途径中的氢营养型产甲烷菌

氢营养型产甲烷菌的存在，对于共生乙酸氧化途径的进行起着至关重要的作用。尤其在中温环境下，为从热力学上推动反应的进行，乙酸氧化产生的氢气需要快速被降解[48]。在共生乙酸氧化途径主导的中温反应器中，甲烷囊菌属Methanoculleus为优势产甲烷菌种类[78]，Methanoculleus sp.MAB1和Methanoculleus sp.MAB2被用作构建中温下乙酸氧化共生菌群的模式产甲烷菌[46，47，61]。但也有报道显示，甲烷囊菌属Methanoculleus在高温反应器中的共生乙酸氧化产甲烷过程中起到重要作用[79]。在共生乙酸氧化途径占优势的高温反应器中，通常存在高丰度的甲烷杆菌目Methanobacteriales（如Methanobacterium和Methanothermobacter）和甲烷微菌目Methanomirobiales（如Methanoculleus），但有时也会有大量多营养型甲烷八叠球菌属Methanosarcina出现[55，57，80]。为研究高温环境下共生乙酸氧化现象，用来构建乙酸氧化共生菌群的模式产甲烷菌有Methanobacterium sp.strain THF[58]、Methanothermobacter thermoautotrophicus strainΔH和Methanothermobacter thermoautotrophicus strain TM[44，60]。