微生物产甲烷

1、8.6 8.6 微生物产甲烷微生物产甲烷目录一一. .甲烷的简介甲烷的简介二二. .微生物产甲烷的生化机理微生物产甲烷的生化机理三三. .厌氧降解九大步骤厌氧降解九大步骤四四. .厌氧反应热力学分析厌氧反应热力学分析五五. .甲烷生产应用甲烷生产应用一一. .甲烷的简介：甲烷的简介： 甲烷在自然界分布很广，是天然气、沼甲烷在自然界分布很广，是天然气、沼气、坑气及煤气的主要成分之一。它可用作气、坑气及煤气的主要成分之一。它可用作燃料及制造氢、一氧化碳、炭黑、乙炔、燃料及制造氢、一氧化碳、炭黑、乙炔、氢氢氰酸氰酸及甲醛等物质的原料。甲烷气可产生机及甲醛等物质的原料。甲烷气可产生机械能、电能及热能。

2、械能、电能及热能。 目前甲烷已作为一种燃料源，并通过管目前甲烷已作为一种燃料源，并通过管道输送到用户，供给家庭及工业使用或转化道输送到用户，供给家庭及工业使用或转化成为甲醇作为内燃机的辅助性燃料。成为甲醇作为内燃机的辅助性燃料。二二. .微生物微生物产甲烷的生化机理产甲烷的生化机理 .早期二阶段理论早期二阶段理论 .三阶段三阶段( (四阶段四阶段) )理论的提出理论的提出.四阶段理论 . . 早期理论早期理论二阶段理论二阶段理论 对复杂有机物的厌氧降解过程的解释，早对复杂有机物的厌氧降解过程的解释，早期通行的是二阶段理论，认为有机物的厌期通行的是二阶段理论，认为有机物的厌氧消化过程分为两个阶段

3、氧消化过程分为两个阶段酸性发酵和酸性发酵和碱性发酵阶段，其中碱性发酵阶段，其中 酸性发酵酸性发酵产酸菌利用胞外酶将复杂的产酸菌利用胞外酶将复杂的大分子水解成小分子大分子水解成小分子，并进一步转化为，并进一步转化为有有机酸机酸。此阶段也称产酸阶段。此阶段也称产酸阶段。 碱性发酵碱性发酵甲烷细菌利用上阶段产生的甲烷细菌利用上阶段产生的有机酸为底物，有机酸为底物，生成甲烷生成甲烷和和coco2 2。此阶段又。此阶段又称为甲烷发酵阶段。称为甲烷发酵阶段。 .三阶段（四阶段）理论提出三阶段（四阶段）理论提出 二阶段理论作为厌氧处理的基本理论，二阶段理论作为厌氧处理的基本理论，多年来一直为人们所认可。直到

4、多年来一直为人们所认可。直到6060年代末年代末期，人们对厌氧过程进行了深入的研究，期，人们对厌氧过程进行了深入的研究，尤其是对其中发挥重要作用的甲烷细菌的尤其是对其中发挥重要作用的甲烷细菌的研究表明，甲烷细菌在厌氧处理过程中发研究表明，甲烷细菌在厌氧处理过程中发挥了极其重要的作用，它只能以乙酸、甲挥了极其重要的作用，它只能以乙酸、甲酸氢等极少数的物质为底物。因此，厌氧酸氢等极少数的物质为底物。因此，厌氧过程中还应该有过程中还应该有产生甲烷菌底物产生甲烷菌底物的步骤。的步骤。于是，厌氧处理理论发展为三阶段（或四于是，厌氧处理理论发展为三阶段（或四阶段）理论。阶段）理论。.四阶段理论1、水解阶段

5、 2、酸化阶段 3、产乙酸阶段 4、甲烷化阶段 三阶段（四阶段）理论见三阶段理论图备注：与二阶段理论相比较，三阶段理论增加了产备注：与二阶段理论相比较，三阶段理论增加了产 氢产乙酸过程；四阶段理论则是在三阶段理论的氢产乙酸过程；四阶段理论则是在三阶段理论的基础上增加了同型产乙酸细菌把基础上增加了同型产乙酸细菌把h h2 2和和coco2 2转化为乙转化为乙酸的过程。酸的过程。1.水解阶段水解阶段 兼性和部分专性厌氧细菌发挥作用，复杂的兼性和部分专性厌氧细菌发挥作用，复杂的大分子有机物被胞外酶水解成小分子的溶解性有大分子有机物被胞外酶水解成小分子的溶解性有机物机物 。如葡萄糖、氨基酸等如葡萄糖、

6、氨基酸等 补充知识：水解是指有机物进入微生物细胞前、在胞外进行补充知识：水解是指有机物进入微生物细胞前、在胞外进行的生物化学反应。微生物通过释放胞外自由酶或连接在细胞的生物化学反应。微生物通过释放胞外自由酶或连接在细胞外壁上的固定酶来完成生物催化反应。外壁上的固定酶来完成生物催化反应。 2.酸化阶段酸化阶段 溶解性有机物由兼性或专性厌氧细菌经发溶解性有机物由兼性或专性厌氧细菌经发酵作用转化为有机酸、醇、醛、酵作用转化为有机酸、醇、醛、coco2 2和和h h2 2。 有时将上述两个阶段合为一个阶段，称水有时将上述两个阶段合为一个阶段，称水解酸化阶段。解酸化阶段。补充知识：酸化是一类典型的发酵过

7、程，微生物的代补充知识：酸化是一类典型的发酵过程，微生物的代谢产物主要是各种有机酸。谢产物主要是各种有机酸。水解酸化的目的水解酸化的目的是为混合是为混合厌氧消化过程的甲烷发酵厌氧消化过程的甲烷发酵提供底物提供底物。 水解酸化阶段参与的菌落：水解酸化阶段参与的菌落：水解酸化菌落水解酸化菌落 在厌氧消化系统中，水解酸化细菌的在厌氧消化系统中，水解酸化细菌的功能表现在两个方面：功能表现在两个方面： 将大分子不溶性有机物在水解酶的催化将大分子不溶性有机物在水解酶的催化作用下作用下水解水解成小分子的水溶性有机物；成小分子的水溶性有机物； 将水解产物吸收进细胞内，经细胞内复将水解产物吸收进细胞内，经细胞内

8、复杂的酶系统催化转化，将一部分供作能源杂的酶系统催化转化，将一部分供作能源使用的有机物使用的有机物转化转化为代谢产物，排入细胞为代谢产物，排入细胞外的水溶液里，成为参与下一阶段生化反外的水溶液里，成为参与下一阶段生化反应的细菌群及可利用的基质，主要是产氢应的细菌群及可利用的基质，主要是产氢产乙酸细菌和脂肪酸、醇类等。产乙酸细菌和脂肪酸、醇类等。3.产乙酸阶段产乙酸阶段 专性厌氧的产氢产乙酸细菌将上阶段的专性厌氧的产氢产乙酸细菌将上阶段的产物进一步利用，产物进一步利用，生成乙酸生成乙酸和和h h2 2、coco2 2；同时；同时同型产乙酸细菌将同型产乙酸细菌将h h2 2和和coco2 2合成乙

9、酸，有时也合成乙酸，有时也将乙酸分解成将乙酸分解成h h2 2和和coco2 2。产乙酸产乙酸阶段参与的菌落：产氢产乙酸菌落产氢产乙酸菌落 产氢产乙酸细菌是厌氧消化过程中一组产氢产乙酸细菌是厌氧消化过程中一组重要的微生物类群重要的微生物类群, , 它参与丙酸它参与丙酸, , 丁酸等中丁酸等中间的代谢产物的间的代谢产物的降解生成乙酸降解生成乙酸、h h2 2和二氧化和二氧化碳。碳。 补充知识：发酵性细菌将复杂有机物分解发酵所产生的有机酸补充知识：发酵性细菌将复杂有机物分解发酵所产生的有机酸和醇类，除甲酸、乙酸和甲醇外和醇类，除甲酸、乙酸和甲醇外 ，均不能被产甲烷菌所利用，均不能被产甲烷菌所利用，

10、必须由产氢产乙酸菌将其分解转化为乙酸、氢和二氧化碳。必须由产氢产乙酸菌将其分解转化为乙酸、氢和二氧化碳。产乙酸产乙酸阶段参与的菌落：同型产乙酸菌落同型产乙酸菌落 补充知识：在厌氧条件下能产生乙酸的细菌有两类：一类补充知识：在厌氧条件下能产生乙酸的细菌有两类：一类是异养型厌氧细菌，能利用有机基质产生乙酸；另一类是是异养型厌氧细菌，能利用有机基质产生乙酸；另一类是混合营养型厌氧细菌，既能利用有机基质产生乙酸，也能混合营养型厌氧细菌，既能利用有机基质产生乙酸，也能利用分子氢和二氧化碳产生乙酸。前者是酸化细菌，后者利用分子氢和二氧化碳产生乙酸。前者是酸化细菌，后者就是同型产乙酸细菌。就是同型产乙酸细菌

11、。 这是一类既能自养生活能异养生活的混合营这是一类既能自养生活能异养生活的混合营养型细菌。它们既能利养型细菌。它们既能利用用h2+ +co2生成乙酸生成乙酸 ，也，也能代谢产生乙酸。通过上述微生物的活能代谢产生乙酸。通过上述微生物的活 动，各种动，各种复杂有机物可生成有机酸和复杂有机物可生成有机酸和h h2 2/co/co2 2等。等。 4.产甲烷阶段产甲烷阶段 产甲烷菌（最严格的专性厌氧菌）利用产甲烷菌（最严格的专性厌氧菌）利用乙酸、乙酸、h h2 2、coco2 2和一碳化合物产生甲烷。转化和一碳化合物产生甲烷。转化的途径为：的途径为： chch3 3cooh chcooh ch4 4 +

12、 co + co2 2 co co2 2 + 4h+ 4h2 2 ch ch4 4 + 2h + 2h2 2o o产甲烷菌落产甲烷菌落 产甲烷菌包括产甲烷菌包括食氢食氢产甲烷菌和产甲烷菌和食乙酸食乙酸产甲烷菌产甲烷菌两大类群。在沼气发酵过程中，甲烷两大类群。在沼气发酵过程中，甲烷 的形成是由的形成是由一群生理上高度专业化的古细菌一产甲烷菌所引起一群生理上高度专业化的古细菌一产甲烷菌所引起的，产甲烷菌包括食氢产甲烷菌和食乙酸产甲烷菌，的，产甲烷菌包括食氢产甲烷菌和食乙酸产甲烷菌，它们是厌氧消化过程食物链中的最后一组成员，尽它们是厌氧消化过程食物链中的最后一组成员，尽管它们具有各种各样的形态，但它

13、们在食物链中的管它们具有各种各样的形态，但它们在食物链中的地位使它们具有共同的生理特性。它们在厌氧条件地位使它们具有共同的生理特性。它们在厌氧条件下将前三群细菌代谢终产物，在没有外源受氢体的下将前三群细菌代谢终产物，在没有外源受氢体的情况下把乙酸情况下把乙酸 和和 h h2 2/co/co2 2。转化为气体产。转化为气体产 生生- -chch4 4/co/co2 2，使有机物在厌氧条件下的分解作用以顺利，使有机物在厌氧条件下的分解作用以顺利完成。目前已知的甲烷产生过程由以上两组不同的完成。目前已知的甲烷产生过程由以上两组不同的产甲烷菌完成。产甲烷菌完成。 补充知识：补充知识： 由由c0c02

14、2和和h h2 2产生甲烷反应为产生甲烷反应为 ： c0c02 2+4h+4h2 2chch4 4+ h+ h2 20 0 由乙酸或乙酸化合物产生甲烷反应为：由乙酸或乙酸化合物产生甲烷反应为： chch3 3c00hc00hchch4 4+co+co2 2 ; ch ; ch3 3coonhcoonh4 4+ h+ h2 20 0chch4 4+ nh+ nh4 4hcohco3 3 产甲烷菌产甲烷菌三三. .总结总结 厌氧降解九大步骤：厌氧降解九大步骤：1.1.不溶性有机高分子不溶性有机高分子可溶性有机单体可溶性有机单体2.2.有机物单体有机物单体氢气氢气+ +甲酸甲酸+ +重碳酸盐重碳酸盐

15、+ +丙酮酸盐丙酮酸盐+ +乙醇乙醇+ +各类挥发性低级脂肪酸各类挥发性低级脂肪酸3.3.简单有机物简单有机物氢气氢气+ +乙酸乙酸4.4.重碳酸盐重碳酸盐乙酸乙酸5.5.简单有机物简单有机物重碳酸盐重碳酸盐+ +乙酸乙酸6.6.乙酸盐乙酸盐碳酸盐碳酸盐7.7.氢气或甲酸的氧化氢气或甲酸的氧化8.8.乙酸发酵产甲烷量占总甲烷量的乙酸发酵产甲烷量占总甲烷量的70%70%9.9.重碳酸盐还原产甲烷量占总甲烷量的重碳酸盐还原产甲烷量占总甲烷量的30%30%四.厌氧反应热力学分析 微生物降解有机物的过程，在本质上是微生物降解有机物的过程，在本质上是一系列的氧化还原生物化学反应。生物降解一系列的氧化还原

16、生物化学反应。生物降解有机物过程中，微生物通过各种形式的氧化有机物过程中，微生物通过各种形式的氧化剂（电子受体）氧化有机物，释放出可供其剂（电子受体）氧化有机物，释放出可供其利用的能量。各种氧化剂有机物所能释放出利用的能量。各种氧化剂有机物所能释放出的能量差别很大，由高到低依次是的能量差别很大，由高到低依次是 o2no3 mno2oh so4co2 好氧生物处理中的氧化剂是氧气，而厌好氧生物处理中的氧化剂是氧气，而厌氧生物处理中的氧化剂则以氧生物处理中的氧化剂则以coco2 2为主，这正是为主，这正是厌氧过程中微生物细胞的产率系数远小于好厌氧过程中微生物细胞的产率系数远小于好氧过程。氧过程。五

17、五.甲烷生产应用甲烷生产应用沼气：有机物质在厌氧环境中，通过微生物发酵作用产生沼气：有机物质在厌氧环境中，通过微生物发酵作用产生的一种以甲烷为主的可燃混合气体。这种气体最早发现于的一种以甲烷为主的可燃混合气体。这种气体最早发现于沼泽、池塘等地。沼泽、池塘等地。 安徽怀宁：沼气安徽怀宁：沼气“点亮点亮”新家园新家园 怀宁县积极推行无公怀宁县积极推行无公害化畜牧养殖，引导害化畜牧养殖，引导规模养殖场、养殖大规模养殖场、养殖大户大力发展沼气工程，户大力发展沼气工程，形成了形成了“猪猪沼沼秸秸”、“猪猪沼沼菜菜”、“猪猪沼沼粮粮”等多种生态循环模式，等多种生态循环模式，现已建设户用沼气池现已建设户用沼

18、气池66006600口，节柴灶口，节柴灶20002000个。图为该县平山镇个。图为该县平山镇牧之金养殖场的工人牧之金养殖场的工人正在往大型沼气池里正在往大型沼气池里装运原料。装运原料。沼气在养殖业的应用沼气在养殖业的应用云南洱源县三营镇太阳能加热中温发酵沼气站云南洱源县三营镇太阳能加热中温发酵沼气站工程位于云南省洱源县，整个工程由农业部沼气科学研究所设计与工程位于云南省洱源县，整个工程由农业部沼气科学研究所设计与启动调试。工程采用高浓度畜禽废物高效厌氧消化技术处理启动调试。工程采用高浓度畜禽废物高效厌氧消化技术处理200200头头奶牛产生的鲜牛粪奶牛产生的鲜牛粪3.46 t/d3.46 t/d，尿及冲洗废水，尿及冲洗废水4.2 t/d4.2 t/d，年产沼气约，年产沼气约7.37.3万万m3m3，沼气作为生活用能集中供给当地，沼气作为生活用能集中供给当地7070多户村民和养殖场职多户村民和养殖场职工使用，沼渣沼液还田利用，年节约标准煤约工使用，沼渣沼液还田利用，年节约标准煤约50 t50