生物質形成沼氣的過程，包含不同微生物的協同作用。這些微生物的代謝活動猶如鐘表齒輪般環環相扣。然而形成沼氣過程中的某些進程，至今仍屬尚未破解之謎。
全球的能源需求自工業化時代伊始便呈迅疾增長之勢，而且未來仍會大幅提高。當前約90%的能源需求均來源于化石燃料。然而根據可靠估算，50年后石油、煤炭和天然氣資源的剩余儲量將難以滿足能源需求。同時，對化石燃料高強度的開采利用還會導致大量的二氧化碳進入大氣層中。沼氣政策旨在擴大可再生能源的利用以保護大氣環境，并通過可持續的能源產出保障供給。將沼氣作為不排放CO2的、能夠產生電流和熱力的可再生能源載體。
截至2011年底，德國共有7300座沼氣設備投入運行（如圖1所示），累計產生電能3000MW，相當于2.5座核電站的發電量，產生的余熱還可用于熱站供熱。相對于其他可再生能源，沼氣具有更多的優點。該政策旨在提高生物量生產沼氣的規模。政府計劃：到2020年沼氣生產量達到60億m3/年，到2030年有100億m3沼氣儲存于天然氣管網中，這意味著必須將現有的生物質轉化流程加以擴展和優化。
圖1. 帶發酵罐和后續發酵的沼氣設備。
生物質發酵生成沼氣
沼氣設備通常由一個發酵罐（發酵器）、一個二次發酵罐以及終端儲存罐組成（如圖1所示）。當前德國主要采用動物糞便（45%）和專門種植的能源型植物（46%）用作沼氣設備中的轉化基質，此外還有生物廢料（7%）以及工業和農業的剩余物料（2%）投入應用。在熱電聯產發電站（BHKW）中，借助沼氣燃燒的內燃機推動發電機的運行，產生的廢熱還可用于熱力站供熱。此外，將沼氣輸入至天然氣管網以提高其在混合能源中比例的預處理工藝，對能源供應的保障具有重要意義（如圖2所示）。
圖2. 沼氣制備和利用的流程圖。
沼氣發電廠是通過對各種微生物的活性來實現將生物質轉化為沼氣的（如圖3所示），產生的初級沼氣是由甲烷（50~75%）、二氧化碳（25~45%）、水蒸氣（2~7%）以及微量氣體（N2,NH3,H2S，H2）所組成的混合物。從生物質形成沼氣是一種包含各種微生物共同作用的復雜過程。該過程可劃分為4個相互依存的步驟（如圖3所示）。在第1步水解過程中，復雜的有機化合物（多糖、脂肪和蛋白質）分解為糖、氨基酸和脂肪酸等較為簡單的化合物；其他微生物族群則于酸化過程中將化合物發酵成為有機酸和醇類以及副產物氫和二氧化碳（初級發酵）；第3步可標示為乙酸化過程（二級發酵），產生乙酸、氫和二氧化碳；最后一步則是生產沼氣的甲烷化過程，甲烷的制造者屬于古細菌組群，它們將此前幾步的最終產物轉化為甲烷和二氧化碳，作為沼氣進一步加以利用。甲烷為沼氣中可燃性部分，其他無法被微生物進一步降解的發酵殘渣，則可用作耕地肥料。
沼氣設備中的過程控制
沼氣生產過程分析中，要掌握沼氣設備中發酵物質的多種參數，如pH值、緩沖容量、揮發性有機酸、微量元素、氨以及（有機）干燥物質。這些具定位作用的參數都是實際的研究對象，能通過不同的分析方法為沼氣設備運營者提供沼氣生產的機會，重要的特征數據（如氣體的產生和組成）決定了發電站的生產效率。而哪種反應或者哪些參數是限制沼氣生產速率的瓶頸，則成為了備受爭議的問題。通過促進其生化作用，能夠對整個沼氣生產過程予以優化，從而提高總產量和單位時間內的電流產率。
對速度具有限制作用的是甲烷化過程，形成甲烷的微生物根據其基質光譜可劃分為兩個生物組。其共同之處在于，對其能量物質的交換無需復雜的有機化合物（如葡萄糖）和氧氣，且能從二級發酵追溯到最終產物。甲烷形成者的一個大組利用了氫氣和二氧化碳（有幾種類別還利用甲酸）作為甲烷生產的底料。制造甲烷的古細菌的第2組具有較復雜的能原物質代謝，除氫和二氧化碳之外，還有簡單的甲基化化合物（甲基噻吩或者甲基胺）或乙酸可用于甲烷的形成。對經濟有重要意義的是甲烷八疊球菌屬和甲烷鬃菌屬等能夠將乙酸轉變為甲烷的獨特菌屬，其對全球大部分采用生物學途徑生產的甲烷以及由此產生的溫室效應負有責任。由此可知，在沼氣設備中由乙酸生成甲烷便成為主導方法了。
圖3. 沼氣設備微生物作用步驟的示意圖。
從微生物到酶
科研人員已在過程分析、物理化學參數以及沼氣設備中特種生物種屬的組成方面做了許多研究。但重要的參數卻仍未進行充分的研究。因此沼氣設備往往被視為只知其然不知其所以然的“黑盒”，對其詳細過程并無深入細致的了解。雖然對于有機物料厭氧降解的不同類型的基礎代謝已經清楚，但所涉及有機物類典型菌種的微生物純培養，而通常情況下沼氣設備中并非涉及典型菌種，而是非特性化應用的或者完全未知的微生物，人們對其在沼氣設備中的催化活性知之甚少。準確地了解生化進程和沼氣設備中的微生物的需求，將有助于避免氣體生產中的副作用，預防生產過程的事故。
上述問題已列入德國教研部（BMBF）支持的研究項目Bio-Para中，項目的重點在于通過對關鍵酶活性的量化，對生物聚合物轉化為CH4和CO2的過程進行深入研究，并針對沼氣-微生物集群進行基因組的研究。研究的開端圍繞著一系列參數的測定。科研人員擬進行旨在確定生物多樣性的特定種群和宏基因組范圍的分析，并通過宏基因組和宏轉錄組以及元蛋白質組分析來研究基因表達譜和酶產物，以掌握盡可能多的生物參數及其在沼氣設備中與產物效率的相關性。科研人員還計劃開發新型傳感器，顯示關鍵酶的活性，以便在設備產率降低前就能檢測微生物導致的生產故障。
小結
本文研究的焦點在于對乙酸降解生產甲烷從而在沼氣生產過程中起關鍵作用的古細菌，特別是要研究該有機物組群在沼氣生產中的代謝活性，同時有針對性地分析其基質和產物以及對甲烷形成活性作為抑制劑和活化劑的單個關鍵性酶。此外還要借助于定量PCR和蛋白質印跡法來掌握信使核糖核酸轉錄和蛋白質，以此獲得物質代謝選擇性的廣泛而準確的描述，以及能夠跟蹤在沼氣設備中形成甲烷的各步驟中酶的特征。此外，還要查明一些生產過程局限性的原因，以便盡可能建立起對應的措施。開發改善基質物流的戰略，提高沼氣設備的生產效率。
生物質生成沼氣的優點
沼氣生產及其發電可不受氣候條件、日常性或季節波動的制約，這意味著沼氣可用于電流需求的固定負荷中。還可將沼氣經由預處理后供應到天然氣管網之中。該技術可從時間和空間分別進行沼氣的生產和利用。