沼气发酵微生物学原理

沼气发酵微生物学是阐明沼气发酵过程中微生物学原理，微生物种类及其生理生化特性和作用，各种微生物种群间的相互关系和沼气发酵微生物的分离培养的科学。它是沼气发酵工艺学的理论基础，沼气技术必须以沼气发酵微生物为核心，研究各种沼气工艺条件，使沼气技术在不久的将来在农村和城镇推广应用与发展。

沼气发酵的理论有二阶段理论、三阶段理论、四阶段理论。二阶段理论认为沼气发酵分为产酸阶段和产气阶段；三阶段理论把沼气发酵分为三个阶段，即水解发酵、产氢产乙酸、产甲烷阶段段；四阶段理论比较复杂，在此就不再叙述了。

微生物沼气发酵时微生物种类繁多，多为不产甲烷群落和产甲烷群落，不产甲烷微生物群落是一种兼氧性厌氧菌，具有水解和发酵大分子的有机物而产生酸的功能，在满足自身生长繁殖需要的同时，为产甲烷微生物提供营养物质和能量。产甲烷微生物群落通常称为甲烷细菌，属一类特殊细菌。甲烷细胞的细胞壁结构没有典型的肤聚糖骨架，其生长不受青霉霉素的抑制。在厌氧的条件下，甲烷细菌不可利用不产甲烷微生物的中间产物和最终代谢产物作为营养物质与能源而生长繁殖，并最终产生甲烷和二氧化碳等。

沼气发酵过程比较复杂，现以最简单的二阶段理论为例介绍沼气发酵过程，沼气发酵过程一般包括两个阶段，即产酸阶段和产气阶段。

沼气池中的大分子有机物，在一定的温度、水分、酸碱度和密闭条件下，首先被不产甲烷的微生物菌群之间的基质分解菌所分泌的胞外酶，水解成小分子物质，如蛋白质水解复合氨基酸，脂肪水解成丙三醇和脂肪酸，多糖分解成单糖类等。这些小分子物质进入不甲烷微生物菌群中的挥发酸生成菌细胞，通过发酵作用被转化成为乙酸等挥发性酸类和二氧化氮。由于不产生甲烷微生物的中间产物和代谢产物都是酸性物质，使沼气池液体呈酸性，故称酸性发酵期，即产酸阶段。甲烷细菌将不产生甲烷微生物产生的中间产物和最终代谢物分解转化成甲烷、二氧化碳和氨。由于不产生大量的甲烷气体，故这一阶段称为甲烷发酵和产气阶段。在产气阶段产生的甲烷和二氧化碳都能挥发而排出池外，而氨以强碱性的亚硝酸氨形式留在沼池中，中和了产酸阶段的酸性，创造了甲烷的稳定的碱性环境。因此，在这一阶段又称碱性发酵期。

由于完成沼气发酵的最后一道“工序”是甲烷细菌，故它们的种类、数量和活性常决定着沼气的产量。为了提高沼气发酵的产气速度和产气量，必须在原料、水分、温度、酸碱度以及沼气的密封性能等方面，为甲烷发酵微生物特别是甲烷细菌创造一个适宜的环境。同时，还要通过间断性的搅拌，使沼气池中各种成分均匀分布。这样，有利于微生物生长繁殖和其活性的充分发挥，提高发酵的效率。