在自然界各种厌氧生境中，如沼泽、池塘、海洋和水田的底部，常可见到有气泡冒出水面。若将这些气体收集起来，可以点燃，称之为沼气。沼气的主要成分为甲烷（约占 60%~70% ）和 CO 2 （约占 30%~35% ）。沼气是厌氧环境中有机物微生物学转化的产物。所谓沼气发酵，是指在厌氧条件下将有机物转化为沼气的微生物学过程。

 

沼气发酵的微生物学过程比较复杂。根据现有的研究，可将沼气发酵分为四个阶段，依次由四大类群的微生物参与作用。

第一阶段：水解发酵性细菌将复杂有机物水解成相应的单体，并对水解产物进行发酵。

第二阶段：产氢产乙酸细菌利用第一阶段的发酵产物，形成乙酸和氢气。

第三阶段：产甲烷细菌把前几个阶段中产生的乙酸裂解成甲烷和二氧化碳，或将氢和二氧化碳还原为甲烷和水。

第四阶段：某些同型产乙酸细菌可将氢和二氧化碳还原成乙酸，乙酸再由产甲烷细菌裂解为甲烷和二氧化碳。

参与沼气发酵的一些微生物是相互依存的，这种依存关系本质上是氢的种间转移。水解发酵性细菌和产氢产乙酸细菌均能产生氢气并释放至环境中，但它们的代谢活动又可被各自所产生的氢所反馈抑制。氢营养型产甲烷菌则需要氢作基质。这样，后者利用氢还原二氧化碳形成甲烷，不仅满足了自身的需要，也为前者解除了氢的反馈抑制。两类菌相互依存，相互促进，

产甲烷菌在整个沼气发酵微生物中起着核心作用，也是厌氧环境中有机物分解生物链上的最后一个成员。它们是一个特殊的生理类群，具有独特的产能代谢方式。

 

产甲烷细菌具有其他任何微生物所没有的独特辅酶 F 420 、 F 430 、辅酶 M 、因子 B 、 CDR 因子（ CO 2 还原因子）等生物化学成分。它们在甲烷形成中具有极为重要的作用。

（ 1 ）、 F 420 （辅酶 420 、 Co 420 ， Factor 420 ， 420 因子）

F 420 为一种分子量仅为 630Da 的荧光化合物，化学结构为 7,8- 二脱甲基 -8- 羟基 -5 ＇脱氮核黄素 -5 ＇ - 磷酸盐（ 7,8-didemethyl-8-hydroxy-5 ＇ -deazariboflavin ）。氧化态时在 420nm 处呈现蓝绿色荧光，并出现一个明显的吸收峰，还原态时则在 420nm 失去其吸收峰和荧光，因此产甲烷细菌在 420nm 紫外光激发下可自发荧光，长时间照射时荧光可消失，但在黑暗情况下又可得以恢复。

F 420 是一种产甲烷过程中低电位的最初电子载体，电位可能接近 -300mV 或更低。 F 420 被氢化酶分解产生的电子所还原，然后把电子交给电子转移链。

（ 2 ）、辅酶 M （ CoM ， CoM-SH ）

CoM 是所有已知辅酶中最小的具有渗透性、含量最高、对酸和热稳定的辅助因子。在 260nm 处呈现最大吸收峰。在空气中很易氧化为 (ScoM) 2 ，极为耐热，低于 425 ℃时分解非常缓慢。 CoM 在产甲烷细菌细胞内的含量很高，平均浓度可达 0.2~2mmol/L 。是一种甲基转移酶的辅酶，即为活性甲基的载体。在产甲烷过程中起着极为重要的作用，反应如下：

另外还有参与 C1 的还原反应的甲基蝶呤（ Methanopterin ， MPT ），其结构与叶酸相似，作用功能也与其相同。在产甲烷和产乙酸过程中起甲基载体作用的 CO 2 还原因子（ Carbon dioxide reducing factor ， CDR ）也即甲烷呋喃（ Methanofuran ， MFR ）。另一个 F 430 ，是存在于嗜热自养甲烷杆菌中含 Ni 的四吡咯结构，是甲基辅酶 M 还原酶组分 C 的弥补基，参与甲烷形成的末端反应。

 

产甲烷细菌能利用的基质范围很窄，就单个种来说就更少，有些种仅能利用 1 种基质。产甲烷细菌所能利用的基质大多为最简单的一碳或二碳化合物，如 CO 2 、 CH 3 OH 、 HCOOH 、 CH 3 COOH 、甲胺类等，极个别种可利用三碳异丙醇。这些基质形成甲烷的反应如下：

大量的研究一致指出，在自然界中，乙酸是形成甲烷的关键性底物，约有 70% 的甲烷来源于乙酸。

不管何种基质，形成甲烷的最后一步反应总是如下：

这一反应由包括多种组分的 CH 3 -S-CoM 还原酶系统催化，各种组分起有不同功能。

 

产甲烷菌是严格厌氧菌，要求环境中绝对无氧。绝大部分产甲烷菌能利用氢和二氧化碳作基质，从氢的氧化反应中获得能量去还原二氧化碳，供其生长，其中部分产甲烷菌能利用甲酸。甲烷八叠球菌既能以二氧化碳和氢为生长基质，也能利用乙酸、甲酸、甲胺、二甲胺、乙酰二甲胺而生长，少数产甲烷菌甚至能以一氧化碳为生长基质。铵盐是产甲烷菌适宜的氮源。某些种的甚至需要生长因子，如甲烷短杆菌 ( Methanobrevibacter ) 的生长需要加入瘤胃动物的瘤胃液。产甲烷菌的最适生长温度为 30 ℃ 左右，嗜热产甲烷菌的最适温度达 65 ℃ ~70 ℃。