1.1　厭氧菌群類型

1.1.1　水解菌群

厭氧水解菌隸屬梭菌屬（Clostridium）、醋弧菌屬（Acetivibrio）、瘤胃球菌屬（Ruminococcus）、纖維桿菌屬（Fibrobacter）、擬桿菌屬（Bacteroides）、纖維單胞菌（Cellulomonas）等。高溫（50～55℃）有利于提高水解效率，嗜熱厭氧水解菌有熱袍菌屬（Thermotoga）、熱解纖維素果汁桿菌屬（Caldicellulosiruptor）、嗜熱螺旋體（Spirochaeta thermophile）等[5]。不同于好氧菌通過游離酶表面降解作用，厭氧菌主要產生多催化位點的纖維小體（cellulosome），借助錨定-黏附機制來水解底物[6]。另外，從反芻動物腸胃道及糞便中還分離出厭氧真菌，包括假根類的新美鞭菌屬（Neocallimastix）、梨囊鞭菌屬（Piromyces）、厭氧鞭菌屬（Anaeromyces）和根囊鞭菌屬（Orpinomyces），及球根類的盲腸鞭菌屬（Caecomyces）和枝梗鞭菌屬（Cyllamyces）等6個屬[5]。假根類菌屬能利用其假根結構裂解秸稈，促進其他水解菌附著降解[7]。從功能上來看，具假根結構的4個屬能通過假根生長裂解植物組織的氣孔，還能產生纖維小體降解底物，利于后續水解菌的定植和水解[7]。

代謝過程中產生的氫/二氧化碳、甲酸、甲醇及乙酸等產物可以被甲烷菌所利用。甲烷菌隸屬原核生物廣古菌門（Euryarchaeota），系統發育上包括6個目及新發現的Methanoplasmatales[8]。按營養類型分為3類。利用氫/二氧化碳的嗜氫型，如甲烷桿菌屬（Methanobacterium）、甲烷嗜熱桿菌屬（Methanothermobacter）及Methanocellales，其中甲烷微菌科各屬，甲烷螺菌屬（Methanospirillum）和甲烷短桿菌屬（Methanobrevibacter）還能利用甲酸。嗜乙酸型，如甲烷絲菌屬（Methanosaeta）、八疊球菌屬（Methanosarcina），而八疊球菌屬對氫和乙酸都能利用。另一類是利用一碳化合物（甲醇和甲胺等）的嗜甲基型，如甲烷八疊球菌科（Methanosarcinaceae）部分種屬[9]。

1.1.1.1　功能互補菌群

如表1-1所示，秸稈結構復雜，半纖維素、木質素、果膠及硅類無機鹽等組分能阻礙水解菌對纖維素底物的降解，因此需要不同微生物協同代謝。如Latham等[10]在研究水解菌對黑麥草葉片降解時發現，Ruminococcus flavefaciens 67和Bacteroides succinogenes S85菌分別黏附在葉片的不同位置，加速了底物降解。半纖維素降解菌，如溶纖維丁酸弧菌（Butyrivibrio fibrisolvens）、棲瘤胃擬桿菌（Bacteroides ruminicola）可以與纖維素水解菌（Ruminococcus flavefaciens，Bacteroides succinogenes，Ruminococcus albus及Fibrobacter succinogenes）共存于固渣表面，利用半纖維素酶裂解肉桂酸和木聚糖結構，最終實現對纖維素的降解[11-14]。而布氏密螺旋體（Treponema bryantii）則能轉運Bacteroides succinogenes、Ruminococcus albus，使其靠近作用位點，加快纖維素的降解[15]。棲瘤胃普雷沃菌（Prevotella ruminicola）降解果膠后，暴露出包裹的微纖維結構，利于Ruminococcus flavefaciens纖維小體對底物的錨定和降解，使果園草降解率提高了58.5%[16]。

功能菌群除了協同代謝作用外，還能通過解除反饋物抑制來提高降解率。如在秸稈水解中產生的低聚糖、纖維二糖等中間代謝物反饋抑制纖維素酶，被糖代謝菌利用后，水解活性得到提高。在利用Bacteroides succinogenes BL2和Ruminococcus albus 6A41降解大麥稈和纖維素粉研究中，Kudo等[15]發現，加入纖維糊精代謝菌Treponema bryantii B25后，提高了降解率。在利用Ruminococcus flavefaciens降解微晶纖維素、果園草、稻秸和苜蓿實驗中，加入反芻月形單胞菌（Selenomonas ruminantium）利用了產生的低聚糖，使降解率提高了41.5%[17]。Fukuma等[18]在研究菌群共培養機制時，發現Fibrobacter succinogenes與Ruminococcaceae種屬降解稻秸時，加入Selenomonas ruminantium S137菌株來消除中間代謝物，使降解率提高了29%。而在60℃條件下，Liu等[19]研究發現，加入Thermoanaerobacterium thermosaccharolyticum GD17菌株后，消耗了抑制水解活性的乳酸，使得Clostridium thermocellum JN4降解微晶纖維素產氫量提高了125%。

1.1.1.2　水解嗜氫產甲烷菌群

如表1-2所示，嗜氫型甲烷菌常結合在厭氧真菌的假根組織[25]、孢子囊表面[26]，與厭氧真菌形成菌群，消耗產生的氫，同時提高其纖維素、半纖維素等水解酶的活性[25，27-30]。如Bauchop和Mountfort[25]將Neocallimastix frontalis與Methanobrevibacter RAl在38℃下共培養，發現甲烷菌結合在AF的假根結構上形成緊密結構，纖維素轉化率提高了29%。Joblin等[29]利用燕麥木聚糖作為底物，將Neocallimastix frontalis PNK2、Caecomyces communis B7、Piromyces communis B19分別與Methanobrevibacter smithii PS在39℃下培養，木聚糖酶活性提高了5倍以上。利用Neocallimastix sp.，Piromyces sp.分別與Methanobacterium formicicum、Methanosarcina barkeri、Methanobrevibacter smithii在39℃下培養，濾紙降解率提高了20%～60%。其中Neocallimastix sp.和Methanobacterium formicicum共培養有最高的纖維素酶和木聚糖酶酶活[28]。而Jin等[30]從山羊瘤胃、騾糞、水牛糞中分離出Piromyces種屬，分別和Methanobrevibacter thaueri CW、Methanobrevibacter sp.Z8形成穩定菌群。在39℃下接種稻秸厭氧發酵，產氣量和水解酶活都顯著提高。

由此可見，菌群主要有單中心假根屬（Neocallimastix、Piromyces）和甲烷短桿菌（Methanobrevibacter）組成[25，26，30-32]。在利用厭氧真菌與甲烷短桿菌屬（Methanobrevibacter）、甲烷桿菌屬（Methanobacterium）、甲烷螺菌屬（Methanospirillum）共培養的研究中，菌群水解效率有不同程度的提高。一些研究還利用厭氧真菌與嗜氫、嗜乙酸甲烷菌共培養，解決菌群形成后乙酸的積累問題[33，34]。

水解酶活的提高伴隨著厭氧真菌代謝途徑的變化。甲烷菌消耗了厭氧真菌代謝產生的還原力NADH，實現了NAD+的再生。NADH的消耗抑制了乙醇脫氫酶（ADHE）、乳酸脫氫酶（LDH）、延胡索酸還原酶（FRD）。激活了真菌“氫體”中存在的丙酮酸甲酸裂解酶（PFL），乙酸、甲酸和氫成為主要產物，而乳酸、琥珀酸、乙醇等產物消失[30，35]。

厭氧水解菌和嗜氫型甲烷菌形成菌群加快種間氫傳遞，如表1-3所示。來自瘤胃的Ruminococcus albus在純培養時，通過EMP途徑丙酮酸氧化獲得NADH用于產氫，氫被用于產乙醇；與甲烷菌形成菌群后，氫通過產甲烷實現NAD+的再生，EMP過程中乙酰輔酶A產乙酸成為主要代謝途徑。如Miller等[37]在R.albus 7降解微晶纖維素時，加入甲烷菌Methanobrevibacter smithii PS時，甲烷/乙酸比達到了0.54。如果再加入Methanosarcina barkeri 227，乙酸利用率達到了88%。Ruminococcus flavefaciens代謝中產生的電子和還原力NADH用于產琥珀酸和產氫，形成功能菌群后，產氫途徑強化，琥珀酸消失。如R.flavefaciens C94與Methanobacterium ruminantium PS共培養降解纖維素時，乙酸與琥珀酸比提高了15倍[38]。Williams等[39]在利用Ruminococcus flavefaciens FD-1與Methanobrevibacter smithii菌群降解纖維素時，63h后乙酸濃度提高了2倍。另一中高效瘤胃水解菌Fibrobacter succinogenes形成菌群后同樣提高了ATP和乙酸的產生[40]。擬桿菌屬代謝途徑存在差異，利用木聚糖的Bacteroides xylanolyticus與Methanospirillum hungatei形成菌群后，乙醛脫氫酶和乙醇脫氫酶活性降低，乙酸含量提高；而同一屬的非水解菌Bacteroides succinogenes則不受影響[41]。在瘤胃水解稻秸強化實驗中，發現Ruminococcus與Methanobrevibacter形成菌群強化了水解和產甲烷活性，甲烷產率提高了1.79～2.26倍[42]。由此可見，水解產甲烷菌功能菌群的形成，種間氫傳遞得到強化，實現了水解菌NAD+的再生，有利于ATP的生成及水解效率的提高。