第1章  極端環境微生物 001
1.1極端環境下的生命 002
1.1.1極端環境下的生命特點 002
1.1.2極端環境下的微生物 003
1.2嗜熱菌 004
1.2.1嗜熱菌生態學 005
1.2.2嗜熱菌的厭氧生化過程 009
1.2.3嗜熱菌代謝適應機制 012
1.3嗜酸（堿）菌 015
1.3.1嗜酸嗜堿菌生態學 015
1.3.2生理代謝特性 017
1.3.3生化適應機制 019
1.4嗜鹽菌 021
1.4.1高鹽生態繫統 021
1.4.2微生物多樣性 022
1.4.3生化適應機制 025
1.5嗜冷菌 027
1.5.1嗜冷產甲烷菌的生態 027
1.5.2嗜冷菌生化適應機制 029
1.5.3  嗜冷酶 032
1.6嗜壓菌 033
1.6.1嗜壓菌生態 033
1.6.2嗜壓菌生化適應機制 034
1.7厭氧微生物 036
1.7.1微生物生態 036
1.7.2利用CO 037

第2章  生命三域概論  039
2.1生命三域基礎知識 040
2.1.1生命三域理論的提出 040
2.1.2生命三域的特征及其比較 041
2.1.3生命三域的起源與繫統進化關繫 043
2.2生命三域生化特征 045
2.2.1細胞壁的生化意義 045
2.2.2從細胞壁結構看生命三域 046
2.2.3產甲烷菌細胞壁多樣性及生物合成 048
2.3古生菌化學分類對於生命三域的意義 052
2.3.1古菌化學分類信息 053
2.3.2化學分類對古菌分類學的意義 059

第3章  厭氧微生物在環境中的分布和作用 062
3.1自然界中的厭氧環境 063
3.1.1自然界中氧循環 063
3.1.2厭氧環境的特征 063
3.2厭氧消化微生物生態 065
3.2.1厭氧環境的自然生態繫統 065
3.2.2厭氧微生物生態類型 078
3.3碳循環中的微生物作用 081
3.3.1碳素循環 081
3.3.2幾種天然含碳化合物的分解 082
3.3.3厭氧生境對碳素循環的影響 087
3.4氮循環中的微生物作用 088
3.4.1氮素循環 088
3.4.2固氮作用 089
3.4.3尿素的氨化 090
3.4.4硝化作用 090
3.4.5反硝化作用 090

第4章  厭氧消化微生物生理學基礎 092
4.1產甲烷菌的基質適應範圍 094
4.1.1鹽度 094
4.1.2溫度 094
4.1.3pH 095
4.1.4氧 095
4.1.5代謝調節 096
4.1.6儲存物質 096
4.2厭氧消化微生物的相互作用 096
4.2.1產甲烷細菌基質的競爭 096
4.2.2H2的競爭 097
4.2.3乙酸的競爭 100
4.2.4專性種間H2/甲酸轉移 101
4.2.5兼性種間H2/甲酸轉移 104
4.2.6與原生動物的共生現像 105
4.2.7種間乙酸轉移 105

第5章  厭氧消化生物化學基礎 107
5.1厭氧產甲烷階段 108
5.1.1厭氧消化的兩階段理論 108
5.1.2厭氧消化的三階段理論 109
5.1.3厭氧消化的四階段理論 109
5.2厭氧產甲烷的生化代謝 110
5.2.1利用二氧化碳和氫產甲烷 110
5.2.2乙酸發酵產甲烷 118
5.2.3甲基營養型產甲烷 122
5.2.4甲氧基營養型產甲烷 132
5.2.5烷基營養型產甲烷 137
5.2.6厭氧消化過程中的代謝特征 142
5.3新型產甲烷作用的研究進展 152
5.3.1新型產甲烷古菌的種類 152
5.3.2新型產甲烷古菌的代謝特點 155
5.3.3新型產甲烷古菌的生態分布 155
5.3.4新型產甲烷古菌的培養 157
5.3.5新型產甲烷古菌的展望 158

第6章  與產甲烷相關聯的厭氧產氫 159
6.1生物質產氫過程 160
6.1.1生物質厭氧發酵產氫 160
6.1.2生物質制氫的效率 166
6.1.3氫氣和甲烷兩相發酵 167
6.2生物質產氫研究進展 168
6.2.1生物質制氫常用技術 168
6.2.2甲烷制氫技術 170
6.2.3甲醇制氫技術 171

參考文獻             174

產甲烷活動是地球上早期生命活動形式之一。伴隨著早期地球的形成和演化，厭氧代謝過程有著久遠的進化歷程，被認為是最古老的產能及碳代謝途徑之一，在自然界中厭氧消化產甲烷途徑實現了有機物徹底礦化（另一條途徑是氧化分解為二氧化碳），甲烷是全球碳循環的重要參與者。統計顯示，大氣中每年有10億噸的甲烷產自於產甲烷古菌，相當於全球年固定碳量的2%。這些甲烷氣體不僅參與了生物圈的碳循環，同時作為全球溫室效應影響僅次於CO2的溫室氣體影響著全球氣候變化。
近代微生物學的發展，為認識生命的起源、了解並深入研究產甲烷菌、揭示生命進化規律提供了可能。早在1776年，意大利物理學家Alessandro Volta完成了他的經典實驗，發現沼澤中有“可燃氣體”，生物甲烷科學從此誕生。之後各國科學家從沼氣中收集到甲烷，直到1883年法國巴斯德微生物研究所證實了沼氣是通過厭氧微生物代謝產生的。
隨著現代生物化學科學技術的進步，1930年C. B. van Niel提出二氧化碳的甲烷形成理論，在其學生H. A. Barker的巴克假說和R. E. Hungate的厭氧菌分離培養技術的推動下，產甲烷菌能量與物質代謝、酶繫統以及厭氧消化工藝均取得了全面突破。
進入20世紀70年代，利用簡單的厭氧消化技術取代昂貴且不可持續的傳統污水處理繫統獲得成功，隨之厭氧消化技術在廢水處理領域占有越來越重要的地位，厭氧微生物、厭氧生化反應、碳素循環理論日趨完善。
進入21世紀，防止全球氣候變暖成為世界共同主題。中國政府在全球碳減排工作、清潔能源回收、污染物減量化治理、農耕有機肥料還田等方面投入巨大的物力財力，再次激起人們對厭氧消化在全球生態調節以及碳循環中所起到的作用做深入探究。
隨著測序技術的不斷發展，結合宏基因組學和其他技術，人們先後發現產甲烷古菌新型、獨特的甲烷代謝通路以及廣泛的生態分布，對厭氧消化的認知取得了很大的飛躍，甲烷菌的分類已達6個綱、8個目之多。雖然這些新型產甲烷古菌大部分未通過傳統方法獲得純培養，其確切的生理代謝機制和生態功能也在不斷深入研究中，但我們都能感受到新的技術手段對傳統認知帶來的衝擊和震撼。
受國際厭氧消化前沿的渲染和激勵，得到國內前輩同行的支持和幫助，我們試圖對厭氧消化生理生化基礎知識做一個膚淺的梳理，以表入行之衷心。本書結合編者們多年工作的基礎，參閱國內外豐富的文獻資料和研究成果整理而成。
《厭氧消化微生物生理生化基礎》在完成過程中，得到了編者家人和親朋的關心與鼓勵，也得到了編者單位領導、同事以及研究生們的支持和幫助，在此特別感謝劉瑩、徐銳、柳靜、李國良、楊紅、王昌梅、趙興玲、楊斌、吳凱、梁承月、夏濤、許國芹、韓本勇、劉健峰、鄧芳等老師對成書所做的努力。本書的出版得到了國家自然科學基金（51366015）、中國-老撾可再生能源聯合實驗室、雲南師範大學農業工程學科建設基金、雲南省沼氣工程技術研究中心和雲南省農村能源工程重點實驗室以及相關項目的支持，在此一並衷心感謝！
成書過程中，雖然認真求全，但仍存在疏漏之處，還望讀者批評指正。

編著者
2022年12月