《Biomass and Bioenergy》：A review on research progress of microbial methanogenesis in anaerobic digestion: Mechanism, influencing factors and reactors
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微生物甲烷生成机理及优化技术研究：系统梳理了厌氧消化四阶段（水解、酸化、产乙酸、甲烷生成）的微生物功能特性，重点解析产甲烷阶段酶学机制与共生互作关系，提出两阶段发酵和AD-MEC耦合技术可提升产气效率，并总结pH调控、接种比例优化、预处理工艺改进等关键影响因素。
宋阳帆|李云毅|李文清|陈宏伟|刘卓|魏翔|周新鹏
中国华北电力大学低碳高效发电技术河北省重点实验室，河北省保定市，071003，中华人民共和国
摘要
厌氧消化是微生物产甲烷的关键过程，本综述全面总结了该领域的最新研究进展。文章阐明了厌氧消化的四阶段机制（水解、酸化、乙酸生成和甲烷生成）以及每个阶段中关键微生物的功能特性，重点介绍了甲烷生成阶段的酶学性质和共生共栖与甲烷生成之间的关系。特别强调了包括两阶段发酵和厌氧消化与微生物电解池耦合在内的先进技术，这些技术在提高甲烷生产效率方面表现出色。此外，还总结了通过厌氧发酵产甲烷的关键影响因素，包括适宜的pH值、优化的接种物与底物比例、由微生物调控的适中温度、合适的预处理方法以及导电材料的添加，这些因素对提升厌氧消化产甲烷性能至关重要。
引言
高碳密集型的能源结构对环境构成了严重挑战。因此，实现能源结构的低碳转型并加速可再生能源的广泛开发和利用，已成为推动经济和社会向低碳可持续模式转变的迫切需求[1]。根据国际能源署（IEA）和国际可再生能源署（IRENA）等国际组织的数据，化石燃料仍占全球能源消费的近80%[2]。作为一种新型绿色能源，甲烷（CH4）的热值仅次于氢气，同时在安全性、储存便利性和运输可行性方面具有更优的优势，这为其大规模商业化应用奠定了实际基础[3]。
可降解的有机废物，包括食物废弃物（FW）、农业残余物和牲畜粪便，富含有机成分。在自然储存条件下，这些废物容易分解并变质，同时会释放出恶臭气体和甲烷[4]；不当处理将对人类健康和生态环境造成严重负面影响[5]。厌氧消化（AD）技术可以将这些废物中的有机物质转化为甲烷[6]，这不仅提供了一种环保的废物管理方法，还在可再生能源生产中发挥着重要作用。这一技术路径与全球可持续发展目标高度契合，尤其是在减少温室气体排放和践行循环经济理念方面。
AD技术已进入工业应用阶段，其技术成熟度和工程标准已满足大规模部署的要求。然而，在实际操作中，该技术存在显著的效率限制：挥发性脂肪酸（VFAs）的过度积累是一个关键限制因素，会导致AD系统运行稳定性下降并阻碍甲烷生产效率的提升[7]。因此，持续优化技术流程和提高转化效率已成为推动该技术商业化及大规模发展的关键因素[8]。通过研究微生物产甲烷的完整机制、影响甲烷生成的厌氧发酵因素以及微生物产甲烷反应器的配置和特性，本文勾勒出了微生物产甲烷的价值链。同时，还探讨了基于微生物AD的甲烷生成在有机废物资源利用和可再生能源生产等领域的应用前景和挑战。
章节摘录
AD中微生物产甲烷的机制
AD作为一种广泛应用的处置技术，主要用于处理有机废物并将其转化为沼气形式的可再生能源。这一技术过程可分为四个连续阶段：水解、酸化、乙酸生成和甲烷生成[9]。多种微生物参与这些阶段，触发相应的反应机制并协同促进甲烷的产生。
在水解阶段，微生物分泌水解酶
pH值和氨浓度
如前所述，产甲烷菌与水解菌和产酸菌具有不同的最佳生长条件。由于古菌的生长速率通常低于细菌，它们对pH值和氨浓度等操作参数的变化特别敏感。在AD过程中，有机物水解和酸化产生的大量VFAs会使环境pH值降至3.5～4.5。较低的pH值会抑制产甲烷菌的代谢
产甲烷微生物反应器
根据生化过程的实施方法，产甲烷反应器通常分为批式反应器和连续反应器。批式反应器主要用于初步实验室探索最佳发酵条件及工业优化等过程，其优点包括设计简单、成本相对较低和参数控制方便。相比之下，连续反应器具有更高的结论
本综述全面总结了AD中微生物产甲烷的研究进展。文章阐明了AD的四阶段机制（水解、酸化、乙酸生成和甲烷生成）以及每个阶段中关键微生物的功能特性，重点介绍了甲烷生成阶段的酶学性质和共生共栖与甲烷生成之间的关系。同时，还介绍了包括两阶段发酵和AD-MEC在内的先进技术
作者贡献声明
宋阳帆：撰写——审稿与编辑、方法论、资金获取。李云毅：撰写——初稿、研究调查。李文清：数据整理。陈宏伟：监督。刘卓：软件开发。魏翔：验证。周新鹏：资源获取。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益冲突或可能影响本文工作的个人关系。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（52476152）、河北省自然科学基金（E2023502067）、河北省教育厅科研项目（BJK2024065）以及中央高校基本科研业务费（2025MS119）的支持。
