產(chǎn)甲烷細(xì)菌（ methanogen ）這一名詞是1974年由 Bryant 提出的，其目的是為了避免沙類細(xì)菌與另一類氧化甲烷的好氧細(xì)菌（ aerobic methane - oxidizingbacteria ）相混淆。產(chǎn)印烷細(xì)菌是一個(gè)特殊的、專門的生理群，具有特殊的細(xì)胞成分和產(chǎn)能代謝功能，是一群形態(tài)多樣，可代謝H2和CO2及少數(shù)幾種簡(jiǎn)單有機(jī)物生成甲烷的嚴(yán)格厭氧的古細(xì)菌。產(chǎn)甲烷細(xì)費(fèi)也是唯一能夠有效地利用氧化氫時(shí)形成的電子，并能在沒(méi)有光或游離氧和諸如硝酸根和硫酶根等外源電子受體的條件下，還原CO2為CH4的微生物。

產(chǎn)甲烷細(xì)菌廣泛分布于自然界中，在水田、沼澤、淡水和海洋的沉積物、人和動(dòng)物的腸道以及瘤胃等厭氧環(huán)境中都有產(chǎn)甲烷細(xì)菌的存在。在沼氣發(fā)酵中，產(chǎn)甲烷細(xì)菌是沼氣發(fā)酵微生物的核心，是自然界碳素物質(zhì)循環(huán)中厭氧生物鏈的最后一個(gè)成員，對(duì)于自然界中的其他多循環(huán)具有不可估量的推動(dòng)力。

產(chǎn)甲烷細(xì)菌的分類和形態(tài)

產(chǎn)甲烷細(xì)菌生存于極端厭氧的環(huán)境中，由于其對(duì)氧高度敏感的特性，使其成為難于研究的細(xì)菌之一。因此產(chǎn)甲烷細(xì)菌的分類直到20世紀(jì)70年代以后才被分類學(xué)家提出來(lái)討論，對(duì)于產(chǎn)甲烷細(xì)菌的分類，初期主要是以菌體細(xì)胞的形態(tài)學(xué)特征，再輔以某些生理學(xué)性狀和對(duì)各種基質(zhì)的利用能力來(lái)進(jìn)行的。隨著電鏡的使用和現(xiàn)代生化技術(shù)的發(fā)展，逐步進(jìn)入依據(jù)細(xì)胞學(xué)水平和分子水平的差異來(lái)進(jìn)行分類。

1956年，巴克將產(chǎn)甲烷細(xì)菌歸納成一個(gè)科和四個(gè)屬，即產(chǎn)甲烷細(xì)菌科和甲烷桿菌屬（3個(gè)種），甲烷芽孢桿菌屬（1個(gè)種），甲烷球菌屬（2個(gè)種）以及甲烷八疊球菌屬（2個(gè)種）,共8個(gè)種。1974年在伯捷氏細(xì)菌鑒定手冊(cè)的第八版，布萊恩特仍根據(jù)巴克的意見(jiàn)把產(chǎn)甲烷細(xì)菌列為一個(gè)甲烷細(xì)菌科，下分為甲烷桿菌屬（5個(gè)種），甲烷八疊球菌屬（2個(gè)種）和甲烷球菌屬（2個(gè)種），共9個(gè)種。同年，沃而夫和費(fèi)米發(fā)現(xiàn)了亨氏甲烷螺菌，齊科斯和漢納描述了嗜樹木甲烷短桿菌。1979年，貝爾奇等根據(jù)兩個(gè)種或菌株的16SrRNA堿基排列順序間同源性的大小，確定它們?cè)诜诸惖匚簧系南嘟?，提出一個(gè)比較新的分類系統(tǒng)，他們把產(chǎn)甲細(xì)菌分為3目，4科，7屬，13個(gè)種。1989年，伯捷氏細(xì)菌鑒定手冊(cè)第九版中將產(chǎn)甲烷細(xì)菌分為3個(gè)目，6個(gè)科，13個(gè)屬，43個(gè)種。截至1991年，共分離到產(chǎn)甲烷細(xì)菌65個(gè)種。

在我國(guó)，隨著厭氧微生物學(xué)的快速發(fā)展以及我國(guó)科研工作者的潛心研究，近20年來(lái)，在分離產(chǎn)甲烷細(xì)菌方面已取得了很大進(jìn)展。1980年，首都師范大學(xué)周孟津等首次分離獲得甲烷八疊球菌純培養(yǎng)物，后命名為巴氏甲烷八疊球菌 BTC 菌株。我國(guó)學(xué)者錢澤澍，趙一章等先后分離到產(chǎn)甲烷細(xì)菌20多種。

下面介紹幾種產(chǎn)甲烷細(xì)菌的代表種。

(1）甲酸甲烷桿菌（ methanobacterium / ormicicum )

長(zhǎng)桿狀，寬0.4~0.8μ m ，長(zhǎng)度可變，從幾微米到長(zhǎng)絲或鏈狀，在液體培養(yǎng)基中老齡菌絲?；ハ嗬p繞成聚集體。革蘭氏染色陽(yáng)性或陰性。在滾管中形成的菌落呈圓形，具有絲狀邊緣，淡色。用H2/CO2為基質(zhì)，37C培養(yǎng)，3~7d形成菌落。利用H2/CO2、甲酸鹽生長(zhǎng)并45℃，最適 pH 值6.6~7.8。 G + C =(40.7~42)%（摩爾分?jǐn)?shù)）。產(chǎn)生甲烷，沒(méi)有對(duì)生長(zhǎng)因子需求的報(bào)道，可在無(wú)機(jī)培養(yǎng)基上自養(yǎng)生長(zhǎng)。最適生長(zhǎng)溫度37~

(2）嗜熱自養(yǎng)甲烷桿菌（ methanobacteriumthermoautotro phicum )長(zhǎng)桿或絲狀，(0.4~0.6) pmx (3~7) pm ，絲狀體可超過(guò)數(shù)百微米，革蘭氏染色陽(yáng)性，不運(yùn)動(dòng)，形態(tài)受生長(zhǎng)條件特別是溫度影響，在40℃以下或75℃以上時(shí)，絲狀體變?yōu)榫o密的卷曲狀。菌落圓形、灰白、黃褐色，粗糙，邊緣呈絲狀擴(kuò)散，只能利用H2/CO：生成甲烷，需要微量元素 Ni 、 Co 、 Mo 和 Pe 。不需要有機(jī)生長(zhǎng)素。此菌生長(zhǎng)迅速，倍增時(shí)間2~5h+液體培養(yǎng)物可以在24h內(nèi)完成生長(zhǎng)，最適生長(zhǎng)溫度為65~70℃，在40℃以下不生長(zhǎng)，最造 pH 值為7.2--7.6、 DNA 的 G + C =(49.7~52)%（摩爾分?jǐn)?shù)）。(3）布氏甲烷桿菌（ methanobucteriumbryantii )該菌是1967年 Bryant 等從英氏申烷桿菌這個(gè)混合菌培養(yǎng)物中分離到的。桿狀（0.5~1.0)μ mX (2~4)μ m ，單生或形成鏈。革蘭氏染色陽(yáng)性或可變，不運(yùn)動(dòng)，具有纖毛。表面營(yíng)落直徑可達(dá)1~3mm，扁平，邊緣呈絲狀擴(kuò)散，一般在一周內(nèi)出現(xiàn)菌落。深層菌落粗糙，絲狀，在液體培養(yǎng)基中趨向于形成聚集體。利用H2/CO2生長(zhǎng)并產(chǎn)生甲烷。不利用甲酸，以氨態(tài)氮為氮源，要求 B 族維生素和半胱氨酸，乙酸刺激生長(zhǎng)。最適溫度37~39℃，最適 pH 值6.9-~7.2, DNA 的 G + C =32.7%（摩爾分?jǐn)?shù)）。(4）瘤胃甲燒短桿菌（ methanobrevibacterruminantium )短桿或刺血針狀球形，端部稍尖，(0.5~1.0)μ mx (0.8~1.8) jam ，常成對(duì)或鏈狀，似鏈球菌，革蘭氏染色陽(yáng)性，不運(yùn)動(dòng)或微弱運(yùn)動(dòng)。菌落淡黃、半透明、圓形、突起，邊緣整齊。一般在37℃、3d內(nèi)出現(xiàn)菌落，3周后菌落直徑可達(dá)3~4mm，利用H2/CO2及甲酸生長(zhǎng)并產(chǎn)生甲烷；在甲酸上生長(zhǎng)較慢。要求乙酸及氨氮為碳源和氮源，還要求氨基酸、甲基丁酸和輔酶 M 。最適生長(zhǎng)溫度37~39℃，最適 pH 值為6.3~8.8, DNA GTC =(3.0~6)%（摩爾分?jǐn)?shù)）。

(5）范尼氏甲烷球菌（ methanacoccus voltae )范尼氏甲烷球菌由斯丹德曼和巴克于1951年定名，并以該菌代替馬氏甲烷球菌( Methanococcus mazei ）作為產(chǎn)甲烷球菌屬（ Methanococus ）的標(biāo)準(zhǔn)種。因?yàn)榘涂嗽?936年發(fā)現(xiàn)馬氏甲烷球菌后，直至最近才分離獲得純培養(yǎng)。為對(duì)范尼爾（ van Niel ）提出產(chǎn)甲烷的還原理論所作出的貢獻(xiàn)表示敬意而命名。此菌球形，直徑0.5~4μ m ，一般在1~2μ m ，稍呈橢圓形，常成對(duì)。有時(shí)成對(duì)很少，而成酵母狀芽簇。運(yùn)動(dòng)性強(qiáng)，單獨(dú)或成對(duì)，電鏡觀察見(jiàn)到有簇生鞭毛和一根單獨(dú)的纖毛。此菌利用甲酸，在0.25%~5％濃度范圍內(nèi)，以1.5％濃度時(shí)生長(zhǎng)量最高，2%~3％生長(zhǎng)緩慢，5％時(shí)不發(fā)育。利用甲酸時(shí)反應(yīng)為：

4HCOONa+H2O→Na2CO2+2NaHCO3+CH4

(6）萬(wàn)氏甲烷球菌（ methanococcusvanielii )規(guī)則到不規(guī)則的球菌，直徑0.5~4pm，老培養(yǎng)物直徑可達(dá)10pm，單生、成對(duì)，革蘭氏染色陰性，以叢生鞭毛而活躍運(yùn)動(dòng)，細(xì)胞極易破壞。深層菌落淡褐色，凸透鏡狀，直莖徑0.5～1mm。

利用H2/CO2和甲酸生長(zhǎng)并產(chǎn)生甲烷，以甲酸為底物最適生長(zhǎng) pH =8.0~8.5。以H2/CO2為底物，最適 pH 值為6.5~7.5，最適生長(zhǎng)要求2.4%NaCl，生長(zhǎng)要求 Se 、 W ，酵母膏明顯刺激生長(zhǎng)。機(jī)械作用易使細(xì)胞破壞，但不易被滲透壓所破壞。生長(zhǎng)最適溫度為36~40℃, DNA 的 G + C =31.1%（摩爾分?jǐn)?shù)）。

(7）巴氏甲烷八疊球菌（ methanosarcina barkeri )

細(xì)胞形態(tài)為直徑1~3μ m 的不對(duì)稱的球形，通常形成幾十微米到1~2mm的擬八疊球菌狀的細(xì)胞聚體。革蘭氏染色陽(yáng)性，不運(yùn)動(dòng)，細(xì)胞內(nèi)可能有氣泡。以H2/CO2為底物時(shí)3~7d可形成菌落，以乙酸為底物生長(zhǎng)較慢，以甲醇為底物細(xì)胞生長(zhǎng)較快。菌落直徑1~2mm，白到黃色或棕黃色，往往形成具有桑葚狀表面結(jié)構(gòu)的特征性菌落。

可利用乙酸鹽、H2/CO2、甲醇、甲胺、二甲胺、三甲胺和二乙基甲胺；H2/co2、醇、甲胺為底物時(shí)生長(zhǎng)快，不要求生長(zhǎng)因子，但加入酵母提取物、酪蛋白胰酶水解物等復(fù)芬有機(jī)物時(shí)能刺激生長(zhǎng)。大多數(shù)菌株為中溫型，最適生長(zhǎng)溫度35~40℃，最適 pH 值為6.7、7.2。 DNA 的 G + C =(40~43)%（摩爾分?jǐn)?shù)），嗜熱甲烷八疊球菌最適生長(zhǎng)溫度為50℃。

(8）亨氏甲烷螺菌（ methanospirillumhungatei )

細(xì)胞呈彎桿狀或長(zhǎng)度不等的波形絲狀體，寬0.4μ m ，長(zhǎng)度從幾微米到數(shù)百微米，菌體長(zhǎng)度受營(yíng)養(yǎng)條件的影響（ Patel 等，1979)，革蘭氏染色陰性，具極生鞭毛，緩慢運(yùn)動(dòng)。表面菌落淡黃色、圓形、突起，邊緣裂葉狀，表面菌落具有間隔為16um的特征性羽毛狀淺藍(lán)色條紋。35℃培養(yǎng)12周，菌落直徑1~2mm。

(9）索氏甲烷絲菌（ methanothrixsoehngenii )

為了紀(jì)念早在1910年描述過(guò)該菌的微生物學(xué)家 Soehngen 而用他的名字命名。也有學(xué)者稱該屬為甲烷毛發(fā)菌屬（ Methaaosaeta )。細(xì)胞桿狀、無(wú)芽孢、端部平齊，液體靜止培養(yǎng)物可形成由上百個(gè)細(xì)胞連成的絲狀體，單細(xì)胞0.8umx(1.8~2)μ m ，外部有類似鞘的結(jié)構(gòu)革蘭氏染色陰性，不運(yùn)動(dòng)。至今未得到菌落生長(zhǎng)物，報(bào)道過(guò)的純培養(yǎng)物都是通過(guò)富集和稀釋的方法獲得的。

可以在只有乙酸為有機(jī)物的培養(yǎng)基中生長(zhǎng)，裂解乙酸產(chǎn)生CH4和CO2。能分解甲酸生成H2和CO2，不利用其他底物，如H2/CO2、甲醇、甲胺等生長(zhǎng)和產(chǎn)生甲烷。生長(zhǎng)的溫度范圍是3~45℃，最適37℃。最適 pH =7.4~7.8，倍增時(shí)間3.4d。 DNA G + C =51.8%（摩爾分?jǐn)?shù)）。

甲烷絲菌是繼甲烷八疊球菌屬后發(fā)現(xiàn)的僅有的另一個(gè)裂解乙酸的產(chǎn)甲烷菌屬。沼氣中的甲烷70％以上來(lái)自乙酸的裂解，足以說(shuō)明這兩屬細(xì)菌在厭氧消化器中的重要性。甲烷絲菌大量存在于厭氧消化器的污泥中，是構(gòu)成附著膜和顆粒污泥的首要產(chǎn)甲烷菌類。甲烷絲菌適宜生長(zhǎng)的乙酸濃度要求較低，其 Km 值為0.7mmol/ L ，當(dāng)消化器穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，消化器中的乙酸濃度一般很低，因而更適宜甲烷絲菌的生長(zhǎng)，經(jīng)長(zhǎng)期運(yùn)行，甲烷絲菌則成為消化器內(nèi)乙酸裂解的優(yōu)勢(shì)產(chǎn)甲烷菌。

產(chǎn)甲烷細(xì)菌的形態(tài)多種多樣，但大致可分為4類： a ．球狀甲烷細(xì)菌通常為正圓形或機(jī)圓形，排列成對(duì)或鏈狀； b ．桿狀甲烷細(xì)菌為短桿、長(zhǎng)桿、竹節(jié)狀或絲狀； c ．螺旋狀甲烷紙菌僅發(fā)現(xiàn)一種，呈規(guī)則的彎曲桿狀．最后發(fā)展為不能運(yùn)動(dòng)的螺旋絲狀； d ．八疊狀甲烷細(xì)熏球形細(xì)胞形成規(guī)則的或不規(guī)則的堆積狀。