甲烷細菌

甲烷細菌，英文名：methane bacteria，是一類能夠經過發酵產生可燃性氣體甲烷的厭氧性細菌。已知產甲烷細菌約有10多種，主要有產甲烷桿菌、甲烷八疊球菌、產甲烷螺菌和瘤胃甲烷桿菌等。這類細菌常見於沼澤、池溏污泥中，在食草動物的盲腸、瘤胃中也有大量的產甲烷細菌，常隨糞便排出，所以在沼氣池中可用塘泥和牲畜糞便接種。中國農村不少地區已建起了許多小型沼氣池，利用沼氣做飯、照明，既解決了燃料困難，又減少了環境污染。

分佈在污泥、泥沼和哺乳動物消化道等的代謝產物為甲烷（甲烷發酵）的細菌。馬氏甲烷球菌（Methanococcus）、甲烷甲烷八疊球菌（Me thano-sarcina）、反芻甲烷桿菌（Methanobacterium）等都是不生孢子的專性厭氧細菌。在核蛋白體RNA鹼基順序、細胞壁成分及脂質種類方面與一般細菌有不同處。它們能按下式過程直接由氫還原二氧化碳生成甲烷：　CO2+4H2→CH4+2H2O　它們也能利用甲酸、甲醇和乙酸等。利用乙酸的反應過程是：CH3COOH→CH4+CO2。　生成甲烷的反應系統可從菌體抽提液中獲得，並已逐步查明酶系統的性質，表明有二、三種輔酶參與反應。

甲烷細菌都是專性嚴格厭氧菌，對氧非常敏感，遇氧後會立即受到抑制，不能生長、繁殖，有的還會死亡。

甲烷細菌生長很緩慢，在人工培養條件下需經過十幾天甚至幾十天才能長出菌落。據麥卡蒂（McCarty）介紹，有的甲烷細菌需要培養七八十天才能長出菌落，在自然條件下甚至更長。菌落也相當小，特別是甲烷八疊球菌菌落更小，如果不仔細觀察很容易遺漏。菌落一般圓形、透明、邊緣整齊，在熒光顯微鏡下發出強的熒光。甲烷細菌生長緩慢的原因，是它可利用的底物很少，只能利用很簡單的物質，如CO2、H2、甲酸、乙酸和甲基胺等。這些簡單物質必須由其它發酵性細菌，把複雜有機物分解後提供給甲烷細菌，所以甲烷細菌一定要等到其它細菌都大量生長後才能生長。同時甲烷細菌世代時間也長，有的細菌20分鐘繁殖一代，甲烷細菌需幾天乃至幾十天才能繁殖一代。

能形成甲烷的細菌都是原核生物，尚未發現真核生物能形成甲烷。甲烷細菌有球形、杆形、螺旋形，有的呈八疊球狀，還有的能聯成長鏈狀。

因為甲烷細菌要求嚴格厭氧條件，一般培養方法很難達到厭氧，培養分離往往失敗。又因為甲烷細菌和伴生菌生活在一起，菌體大小形態都十分相似，在一般光學顯微鏡下不好判明。美國著名微生物學家——Hungate 50年代培養分離甲烷細菌獲得成功。以後世界上有很多研究者對甲烷細菌進行了培養分離工作，並對Hungate分離方法進行了改良，能很容易地把甲烷細菌培養分離出來。

甲烷細菌在自然界中分佈極為廣泛，在與氧氣隔絕的環境都有甲烷細菌生長，海底沉積物，河湖淤泥，沼澤地，水稻田以及人和動物的腸道，反芻動物瘤胃，甚至在植物體內都有甲烷細菌存在。

沼氣發酵液中甲烷細菌的數量可用MPN法計數，測定接種的試管中有無甲烷存在，作為計數的數量指標。甲烷細菌數量與甲烷含量成正比，發酵裝置運行越好，甲烷細菌數量越多。1991年計數了東北製藥總廠用UASB（上流式厭氧污泥牀）處理製藥廢水消化液中甲烷細菌數量為4.2×105個·ml-1。

另一方面產甲烷細菌利用乙酸、氫和二氧化碳合成甲烷，也消耗了酸和二氧化碳，甲烷細菌及其伴生菌共同作用使pH穩定在一個適宜範圍內，不會使發酵液中的pH出現對沼氣發酵不利的情況。但當發酵條件控制不好，如温度，進料負荷，原料中的C：N、pH等可能會出現酸化或液料過鹼；前者較為多見，這樣會嚴重影響甲烷細菌的活動，甚至使發酵中斷。

自然界中的甲烷細菌在同物質的交換過程中可以保存電荷。在微弱電流的影響下，細菌釋放出甲烷小氣泡，在這些氣泡中含有一定數量的電子。布魯斯和他的同事們發現，如果把細菌的一層接到負極上，就會產生弱小電壓，否則他們就被小甲烷氣泡所遮掩住。

隨着甲烷細菌的不斷進化，它學會了依靠甲烷內的其他物質來儲存電能。而且用這種方式儲存的電能在放電時能效很高，一般能達到80%。與之相比，人類發明的所有電力儲存裝置都相形見絀，因為在人類製造的裝置中，大部分能量或被用於克服阻力，或被消耗於燃燒次生電子的化學反應中（甲烷細菌能抑制電能的生物燃燒）。

甲烷細菌儲電使人類已經走向了電能儲存的新道路。雖然比起碳捕獲與封存技術，這項技術不能算作一種與温室效應抗爭的好方法，但它能很好地利用甲烷氣體的排放，對保護環境也有一定的好處。更重要的是，它能夠大量儲存太陽能，風能，水能等可再生能源。

然而，這項技術還不夠成熟，為了將新技術運用到商業目的，專家們還需要詳細研究甲烷燃燒時二氧化碳排放的過程，因為這直接影響了細菌蓄電的能力，同時還需要了解二氧化碳轉化為電能的換算方法，和最終能以甲烷細菌形式儲存電能的細菌數量。只有對細菌有了足夠的瞭解，才能研發出減少耗能的蓄電裝置。