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沼氣發酵是一種極其復雜的微生物和化學過程，這一過程的發生和發展是五大類群微生物生命活動的結果。它們是：發酵性細菌、產氫產乙酸菌、耗氫產乙酸菌、食氫產甲烷菌和食乙酸產甲烷菌。這些微生物按照各自的營養需要，起著不同的物質轉化作用。從復雜有機物的降解，到甲烷的形成，就是由它們分工合作和相互作用而完成的。

在沼氣發酵過程中，五大類群細菌構成一條食物鏈，從各類群細菌的生理代謝產物或它們的活動對發酵液酸堿度（PH）的影響來看，沼氣發酵過程可分為產酸階段和產甲烷階段。前三群細菌的活動可使有機物形成各種有機酸，因此，將其統稱為不產甲烷菌。后二群細菌的活動可使各種有機酸轉化成甲烷，因此，將其統稱為產甲烷茵。

1.不產甲烷菌 在沼氣發酵過程中，不能直接產生甲烷的微生物統稱為不產甲烷菌。不產甲烷菌能將復雜的大分子有機物變成簡單的小分子量的物質。它們的種類繁多，現已觀查到的包括細菌、真菌和原生動物三大類。以細菌種類最多，目前已知的有18個屬51個種，隨著研究的深入和分離方法的改進，還在不斷發現新的種。根據微生物的呼吸類型可將其分為好氧菌、厭氧菌、兼性厭氧菌三種類型。其中，厭氧菌數量最大，比兼性厭氧菌、好氧菌多100～200倍，是不產甲烷階段起主要作用的菌類。根據作用基質來分，有纖維分解菌、半纖維分解菌、淀粉分解菌、蛋白質分解菌、脂肪分解菌和其他一些特殊的細菌，如產氫菌、產乙酸菌等。

2.產甲烷菌 在沼氣發酵過程中利用小分子量化合物形成沼氣的微生物統稱為產甲烷菌。如果說微生物是沼氣發酵的核心，那么產甲烷菌又是沼氣發酵微生物的核心，產甲烷菌是一群非常特殊的微生物。它們嚴格厭氧，對氧和氧化亮劑非常敏感，適宜在中性或微堿性環境中生存繁殖。它們依靠二氧化碳和氫氣生長，并以廢物的形式排除甲烷，是要求生長物質最簡單的微生物。