产甲烷活动是地球上早期生命活动形式之一。伴随着早期地球的形成和演化,厌氧代谢过程有着久远的进化历程,被认为是最古老的产能及碳代谢途径之一,在自然界中厌氧消化产甲烷途径实现了有机物彻底矿化(另一条途径是氧化分解为二氧化碳),甲烷是全球碳循环的重要参与者。统计显示,大气中每年有10亿吨的甲烷产自于产甲烷古菌,相当于全球年固定碳量的2%。这些甲烷气体不仅参与了生物圈的碳循环,同时作为全球温室效应影响仅次于CO2的温室气体影响着全球气候变化。
近代微生物学的发展,为认识生命的起源、了解并深入研究产甲烷菌、揭示生命进化规律提供了可能。早在1776年,意大利物理学家Alessandro Volta完成了他的经典实验,发现沼泽中有“可燃气体”,生物甲烷科学从此诞生。之后各国科学家从沼气中收集到甲烷,直到1883年法国巴斯德微生物研究所证实了沼气是通过厌氧微生物代谢产生的。
随着现代生物化学科学技术的进步,1930年C. B. van Niel提出二氧化碳的甲烷形成理论,在其学生H. A. Barker的巴克假说和R. E. Hungate的厌氧菌分离培养技术的推动下,产甲烷菌能量与物质代谢、酶系统以及厌氧消化工艺均取得了全面突破。
进入20世纪70年代,利用简单的厌氧消化技术取代昂贵且不可持续的传统污水处理系统获得成功,随之厌氧消化技术在废水处理领域占有越来越重要的地位,厌氧微生物、厌氧生化反应、碳氮硫等元素循环理论日趋完善。
进入21世纪,防止全球气候变暖成为世界共同主题。中国政府在全球碳减排工作、清洁能源回收、污染物减量化治理、农耕有机肥料还田等方面投入巨大的物力财力,再次激起人们对厌氧消化在全球生态调节以及碳循环中所起到的作用做深入探究。
随着测序技术的不断发展,结合宏基因组学和其他技术,人们先后发现产甲烷古菌新型、独特的甲烷代谢通路以及广泛的生态分布,对厌氧消化的认知取得了很大的飞跃,甲烷菌的分类已达6个纲、8个目之多。虽然这些新型产甲烷古菌大部分未通过传统方法获得纯培养,其确切的生理代谢机制和生态功能也在不断深入研究中,但我们都能感受到新的技术手段对传统认知带来的冲击和震撼。
受国际厌氧消化前沿的渲染和激励,得到国内前辈同行的支持和帮助,我们试图对厌氧消化生理生化基础知识做一个肤浅的梳理,以表入行之衷心。本书结合编者们多年工作的基础,参阅国内外丰富的文献资料和研究成果整理而成。
《厌氧消化微生物生理生化基础》在完成过程中,得到了编者家人和亲朋的关心与鼓励,也得到了编者单位领导、同事以及研究生们的支持和帮助,在此特别感谢刘莹、徐锐、柳静、李国良、杨红、王昌梅、赵兴玲、杨斌、吴凯、梁承月、夏涛、许国芹、韩本勇、刘健峰、邓芳等老师对成书所做的努力。本书的出版得到了国家自然科学基金(51366015)、中国-老挝可再生能源联合实验室、云南师范大学农业工程学科建设基金、云南省沼气工程技术研究中心和云南省农村能源工程重点实验室以及相关项目的支持,在此一并衷心感谢!
成书过程中,虽然认真求全,但仍存在疏漏之处,还望读者批评指正。