（4）产甲烷阶段
在产甲烷阶段，产甲烷细菌将乙酸、甲酸、甲醇、甲胺和H2/CO2    转化为CH4、CO2（沼气）和新的细胞物质。产甲烷细菌是有机物厌氧降解食物链中的最后一个成员，也是最重要的一类细菌群。

产甲烷菌是一群形态多样，具有特殊细胞结构，可代谢H2和CO2及少数几种简单有机物生成甲烷的严格厌氧的古细菌。产甲烷细菌广泛分布于自然界，如污泥、动物肠道、瘤胃、湖海沉积物、水田和沼泽等厌氧环境中。在厌氧反应器中，污泥消化时的产甲烷细菌数量约为106~108个/ml,UASB颗粒污泥中的产甲烷菌数量可达109个/mL。

1989年，《伯杰氏细菌鉴定手册（第九版）》将产甲烷细菌列为3个目、6个科、13个属、43个种。截止1991年，共分离到产甲烷菌65个种。Zehnder提出的产甲烷菌分类系统及主要菌种如表21-2所示。

表21-2 产甲烷细菌分类

产甲烷菌只能利用简单的碳素化合物，这与其他微生物生长代谢的能源和碳源明显不同。根据产甲烷细菌利用底物种类不同，产甲烷过程可分为以下两个主要途径：其一是在二氧化碳存在时利用氢气生成甲烷；其二是利用乙酸生成甲烷。

在厌氧反应器中，甲烷产量的70%是由乙酸歧化产生的。在反应中，乙酸中的羧基从乙酸分子中分离，甲基最终转化为甲烷，羧基转化为二氧化碳，在中性溶解中，二氧化碳以碳酸氢盐的形式存在。反应式如下：

CH3COO-+H2O→CH4+HCO3-

                         
另一类产甲烷细菌（又称为嗜氢甲烷细菌）能将H2和CO2生成甲烷。在一般的厌氧反应器中，正常条件下，他们生成占总量30%的甲烷。反应式如下：

HCO3-+H++4H→CH4+3H2O                   （21-2）

种类嗜氢产甲烷细菌中约有一半也能利用甲酸。这个过程可以直接进行：

4CHOOH→CH4+3CO2+2H2O    

             
也可以间接进行：

4CHOOH→4H2+4CO2
4H2+CO2→CH4+2H2O  

                
在自然生态系统中，甲醇的厌氧降解不重要，但如果采用厌氧生物处理含甲醇废水时，不容忽视。甲醇能被甲烷八叠球菌（Methanosarcina）直接转化为甲烷，反应式如下：

4CH3OH→3CH4+CO2+2H2O  

             
也可以由梭状芽孢杆菌（Clostridia）转化为乙酸后，再利用乙酸的产甲烷细菌进一步转化为甲烷。

还存在一类氧化氢利用乙酸的产甲烷细菌，其反应式如下：

 CH3COOH+4H2→2CH4+2H2O    

          
尽管有机物的厌氧处理过程是按上述4个阶段进行的，但厌氧反应器中，这些反应应该是瞬时连续发生的。经过上述4个阶段进行的，污水中构成COD和BOD的有机物质经厌氧分解转化为CH4和CO2，以气态产物的形式逸出。由于有机物的最终转化产物CH4中含有大量的热值，厌氧生物处理也是一种简便的产能或回收生物能的处理方法。

厌氧生物处理中微生物之间的关系

在好氧条件下，一种微生物就可以将复杂有机物彻底降解为CO2。而有机物的厌氧降解过程是一个多种群多层次的生化反应过程。各种微生物相互平衡、协同作用，构成了复杂的微生物生态系统。

在有机物厌氧降解过程中，存在3大类群的微生物，即发酵产酸细菌群、产氢产乙酸细菌群和产甲烷细菌群。此外，还存在能将甲烷细菌的一种基质（H2/CO2）转化为乙酸的同型产乙酸细菌群。与产甲烷细菌相对，发酵产酸细菌、产氢产乙酸细菌和同型产乙酸细菌又被称为不产甲烷细菌，由于不产甲烷细菌的发酵产物主要为有机酸、H2和CO2，又通称为产酸细菌。

不产甲烷细菌和产甲烷细菌相互依存又相互制约，其关系主要表现为以下几个方面：

不产甲烷细菌为产甲烷细菌提供基质

发酵细菌可以将各种复杂的有机物（如碳水化合物、脂肪、蛋白质）发酵为挥发性脂肪酸、醇类、H2、CO2、NH3等产物。其中丙酸、丁酸、乙醇等又可以被产氢产乙酸细菌转化为H2、CO2和乙酸等。不产甲烷细菌通过其生命活动为产甲烷细菌提供了合成细胞物质和产甲烷过程所需的碳源和能源。

不产甲烷细菌为产甲烷细菌创造了适宜的环境

产甲烷细菌是严格厌氧的生物，无法生存在有氧的环境中。这是因为在氧还原成水的过程中，会生成某些有毒的中间产物，严格厌氧的微生物由于不能解除这些氧代谢产物而死亡。厌氧反应器运行过程中，污水和接种物会带入溶解氧，不利于产甲烷细菌的生长。好氧微生物和兼性微生物在开始阶段可以利用氧为电子受体进行好氧呼吸，消耗氧并使系统内的氧化还原电位（ORP）降低，逐步为产甲烷菌创造适宜的环境。

不产甲烷细菌为产甲烷细菌清除有毒物质。

工业废水中可能含有酚类、氰化物、重金属、苯甲酸等对产甲烷细菌有害的物质。不产甲烷细菌中有些能分解氰化物和裂解苯环，并从中获得碳源和能源。不产甲烷细菌不仅解除这些物质对产甲烷细菌的毒害作用，还能为其提供养分。

产甲烷细菌为不产甲烷细菌解除了反馈抑制。

由于厌氧条件缺乏外源电子受体，各种微生物只能利用内源电子受体进行有机物的降解。因此，如果一种微生物的发酵产物或脱下的氢不能被另一种微生物所利用，会导致有机酸的累积而使环境酸化，这种代谢产物的累积所引起的反馈作用对不产甲烷细菌的代谢会产生抑制作用。而产甲烷菌是有机物厌氧降解食物链中的最后一组成员，将不产甲烷细菌分解复杂有机物得到的简单化合物利用降解，解除了由于酸和H2积累造成的反馈抑制作用，促进了不产甲烷细菌的代谢。

产甲烷细菌的调节作用：

除了为不产甲烷细菌解除反馈抑制，产甲烷细菌对厌氧条件下有机物降解起三方面的调节作用。①质子调节：产甲烷菌降解乙酸去除了有毒的质子，使厌氧处理食物链内的各种微生物生活在适宜的pH值范围内，这是产甲烷细菌的主要的生态学功能；②电子代谢：产甲烷菌的氢代谢起到电子调节作用，为不产甲烷细菌代谢复杂有机物提供了热力学条件；③营养调节：某些产甲烷细菌代谢过程中会合成和分泌一些生长因子，可起到刺激不产甲烷细菌生长的作用。