1.1 厌氧菌群类型
1.1.1 水解菌群
厌氧水解菌隶属梭菌属（Clostridium）、醋弧菌属（Acetivibrio）、瘤胃球菌属（Ruminococcus）、纤维杆菌属（Fibrobacter）、拟杆菌属（Bacteroides）、纤维单胞菌（Cellulomonas）等。高温（50～55℃）有利于提高水解效率，嗜热厌氧水解菌有热袍菌属（Thermotoga）、热解纤维素果汁杆菌属（Caldicellulosiruptor）、嗜热螺旋体（Spirochaeta thermophile）等[5]。不同于好氧菌通过游离酶表面降解作用，厌氧菌主要产生多催化位点的纤维小体（cellulosome），借助锚定-黏附机制来水解底物[6]。另外，从反刍动物肠胃道及粪便中还分离出厌氧真菌，包括假根类的新美鞭菌属（Neocallimastix）、梨囊鞭菌属（Piromyces）、厌氧鞭菌属（Anaeromyces）和根囊鞭菌属（Orpinomyces），及球根类的盲肠鞭菌属（Caecomyces）和枝梗鞭菌属（Cyllamyces）等6个属[5]。假根类菌属能利用其假根结构裂解秸秆，促进其他水解菌附着降解[7]。从功能上来看，具假根结构的4个属能通过假根生长裂解植物组织的气孔，还能产生纤维小体降解底物，利于后续水解菌的定植和水解[7]。
代谢过程中产生的氢/二氧化碳、甲酸、甲醇及乙酸等产物可以被甲烷菌所利用。甲烷菌隶属原核生物广古菌门（Euryarchaeota），系统发育上包括6个目及新发现的Methanoplasmatales[8]。按营养类型分为3类。利用氢/二氧化碳的嗜氢型，如甲烷杆菌属（Methanobacterium）、甲烷嗜热杆菌属（Methanothermobacter）及Methanocellales，其中甲烷微菌科各属，甲烷螺菌属（Methanospirillum）和甲烷短杆菌属（Methanobrevibacter）还能利用甲酸。嗜乙酸型，如甲烷丝菌属（Methanosaeta）、八叠球菌属（Methanosarcina），而八叠球菌属对氢和乙酸都能利用。另一类是利用一碳化合物（甲醇和甲胺等）的嗜甲基型，如甲烷八叠球菌科（Methanosarcinaceae）部分种属[9]。
1.1.1.1 功能互补菌群
如表1-1所示，秸秆结构复杂，半纤维素、木质素、果胶及硅类无机盐等组分能阻碍水解菌对纤维素底物的降解，因此需要不同微生物协同代谢。如Latham等[10]在研究水解菌对黑麦草叶片降解时发现，Ruminococcus flavefaciens 67和Bacteroides succinogenes S85菌分别黏附在叶片的不同位置，加速了底物降解。半纤维素降解菌，如溶纤维丁酸弧菌（Butyrivibrio fibrisolvens）、栖瘤胃拟杆菌（Bacteroides ruminicola）可以与纤维素水解菌（Ruminococcus flavefaciens，Bacteroides succinogenes，Ruminococcus albus及Fibrobacter succinogenes）共存于固渣表面，利用半纤维素酶裂解肉桂酸和木聚糖结构，最终实现对纤维素的降解[11-14]。而布氏密螺旋体（Treponema bryantii）则能转运Bacteroides succinogenes、Ruminococcus albus，使其靠近作用位点，加快纤维素的降解[15]。栖瘤胃普雷沃菌（Prevotella ruminicola）降解果胶后，暴露出包裹的微纤维结构，利于Ruminococcus flavefaciens纤维小体对底物的锚定和降解，使果园草降解率提高了58.5%[16]。
表1-1 厌氧水解功能互补菌群互相作用情况
续表
功能菌群除了协同代谢作用外，还能通过解除反馈物抑制来提高降解率。如在秸秆水解中产生的低聚糖、纤维二糖等中间代谢物反馈抑制纤维素酶，被糖代谢菌利用后，水解活性得到提高。在利用Bacteroides succinogenes BL2和Ruminococcus albus 6A41降解大麦秆和纤维素粉研究中，Kudo等[15]发现，加入纤维糊精代谢菌Treponema bryantii B25后，提高了降解率。在利用Ruminococcus flavefaciens降解微晶纤维素、果园草、稻秸和苜蓿实验中，加入反刍月形单胞菌（Selenomonas ruminantium）利用了产生的低聚糖，使降解率提高了41.5%[17]。Fukuma等[18]在研究菌群共培养机制时，发现Fibrobacter succinogenes与Ruminococcaceae种属降解稻秸时，加入Selenomonas ruminantium S137菌株来消除中间代谢物，使降解率提高了29%。而在60℃条件下，Liu等[19]研究发现，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降解微晶纤维素产氢量提高了125%。
1.1.1.2 水解嗜氢产甲烷菌群
如表1-2所示，嗜氢型甲烷菌常结合在厌氧真菌的假根组织[25]、孢子囊表面[26]，与厌氧真菌形成菌群，消耗产生的氢，同时提高其纤维素、半纤维素等水解酶的活性[25，27-30]。如Bauchop和Mountfort[25]将Neocallimastix frontalis与Methanobrevibacter RAl在38℃下共培养，发现甲烷菌结合在AF的假根结构上形成紧密结构，纤维素转化率提高了29%。Joblin等[29]利用燕麦木聚糖作为底物，将Neocallimastix frontalis PNK2、Caecomyces communis B7、Piromyces communis B19分别与Methanobrevibacter smithii PS在39℃下培养，木聚糖酶活性提高了5倍以上。利用Neocallimastix sp.，Piromyces sp.分别与Methanobacterium formicicum、Methanosarcina barkeri、Methanobrevibacter smithii在39℃下培养，滤纸降解率提高了20%～60%。其中Neocallimastix sp.和Methanobacterium formicicum共培养有最高的纤维素酶和木聚糖酶酶活[28]。而Jin等[30]从山羊瘤胃、骡粪、水牛粪中分离出Piromyces种属，分别和Methanobrevibacter thaueri CW、Methanobrevibacter sp.Z8形成稳定菌群。在39℃下接种稻秸厌氧发酵，产气量和水解酶活都显著提高。
表1-2 厌氧真菌与嗜氢型甲烷菌形成功能菌群
续表
由此可见，菌群主要有单中心假根属（Neocallimastix、Piromyces）和甲烷短杆菌（Methanobrevibacter）组成[25，26，30-32]。在利用厌氧真菌与甲烷短杆菌属（Methanobrevibacter）、甲烷杆菌属（Methanobacterium）、甲烷螺菌属（Methanospirillum）共培养的研究中，菌群水解效率有不同程度的提高。一些研究还利用厌氧真菌与嗜氢、嗜乙酸甲烷菌共培养，解决菌群形成后乙酸的积累问题[33，34]。
水解酶活的提高伴随着厌氧真菌代谢途径的变化。甲烷菌消耗了厌氧真菌代谢产生的还原力NADH，实现了NAD+的再生。NADH的消耗抑制了乙醇脱氢酶（ADHE）、乳酸脱氢酶（LDH）、延胡索酸还原酶（FRD）。激活了真菌“氢体”中存在的丙酮酸甲酸裂解酶（PFL），乙酸、甲酸和氢成为主要产物，而乳酸、琥珀酸、乙醇等产物消失[30，35]。
厌氧水解菌和嗜氢型甲烷菌形成菌群加快种间氢传递，如表1-3所示。来自瘤胃的Ruminococcus albus在纯培养时，通过EMP途径丙酮酸氧化获得NADH用于产氢，氢被用于产乙醇；与甲烷菌形成菌群后，氢通过产甲烷实现NAD+的再生，EMP过程中乙酰辅酶A产乙酸成为主要代谢途径。如Miller等[37]在R.albus 7降解微晶纤维素时，加入甲烷菌Methanobrevibacter smithii PS时，甲烷/乙酸比达到了0.54。如果再加入Methanosarcina barkeri 227，乙酸利用率达到了88%。Ruminococcus flavefaciens代谢中产生的电子和还原力NADH用于产琥珀酸和产氢，形成功能菌群后，产氢途径强化，琥珀酸消失。如R.flavefaciens C94与Methanobacterium ruminantium PS共培养降解纤维素时，乙酸与琥珀酸比提高了15倍[38]。Williams等[39]在利用Ruminococcus flavefaciens FD-1与Methanobrevibacter smithii菌群降解纤维素时，63h后乙酸浓度提高了2倍。另一中高效瘤胃水解菌Fibrobacter succinogenes形成菌群后同样提高了ATP和乙酸的产生[40]。拟杆菌属代谢途径存在差异，利用木聚糖的Bacteroides xylanolyticus与Methanospirillum hungatei形成菌群后，乙醛脱氢酶和乙醇脱氢酶活性降低，乙酸含量提高；而同一属的非水解菌Bacteroides succinogenes则不受影响[41]。在瘤胃水解稻秸强化实验中，发现Ruminococcus与Methanobrevibacter形成菌群强化了水解和产甲烷活性，甲烷产率提高了1.79～2.26倍[42]。由此可见，水解产甲烷菌功能菌群的形成，种间氢传递得到强化，实现了水解菌NAD+的再生，有利于ATP的生成及水解效率的提高。
表1-3 纤维素降解菌和嗜氢型甲烷菌形成功能菌群
续表
