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微生物群落的结构与功能之间存在密切的关联。通过比较元基因组学(Comparativemetagenomics)的研究，可以找到与微生物群落功能变化相关的重要微生物物种、代谢途径和基因。本文对产气效率存在明显差异的两个厌氧沼气发酵系统之间，以及厌氧ABR反应器中降解丙酮丁醇发酵废水能力存在明显差异的不同小室之间的厌氧沼气发酵微生物群落进行了解析和比较，揭示了沼气发酵群落中的主要功能菌群以及关键功能基因与系统功能之间的联系。
本实验室以同一接种物建立了两个以猪粪为主要原料的中温厌氧沼气反应器Z7和Z8。Z7的产气效率比Z8高的一倍，且有机酸的积累显著低于Z8。因此本文通过16SrRNA基因克隆文库和454焦磷酸测序等分子生态学方法对Z7和Z8中的微生物群落结构和元基因组进行解析和比较，以揭示这一现象的原因。结果表明虽然Z7和Z8主要的细菌菌群都属于厚壁菌门和拟杆菌门，主要的古菌菌群都属于甲烷微菌目的产甲烷菌，但其中的优势物种有明显差异。Z7细菌16S rRNA基因克隆文库中一些可能与纤维素降解和有机酸氧化相关的优势物种在Z8中都没有检测到，同时比较元基因组的分析也表明与纤维素降解和有机酸互生氧化相关的厚壁菌门细菌（特别是Clostridium thermocellum类似的纤维素降解菌和与Syntrophomonas wolfei类似的丁酸互生氧化菌）在Z7中的丰度要高于Z8，并且Z7中水解纤维素和半纤维素相关的基因的丰度都明显高于Z8。以上这些结果都可以很好地解释Z7产气效率高且有机酸积累少的原因。两个系统中的优势产甲烷菌都属于甲烷微菌目的氢营养型产甲烷菌，但与预期结果不一致的是，Z8中产甲烷菌的丰度是Z7的一倍，这可能是由于产甲烷菌的种类组成和比甲烷产率YCH4（产生每摩尔甲烷的菌体产量）不一致造成的。
其次，通过功能筛选和序列筛选的方法从Z7的元基因组Fosmid文库中筛选与降解纤维素产沼气相关的重要基因和代谢途径。通过功能筛选，从约11万个克隆中筛选得到了121个具有外切葡聚糖酶活性的克隆，对其中21个进行测序找到4个可能编码外切葡聚糖酶的基因，它们与己知纤维素酶的氨基酸序列一致性均<48％，这说明这些酶是新的纤维素酶，在以木质纤维素为原料的工业生产中具有潜在的应用价值。此外，本文通过设计和优化针对产甲烷途径中关键基因mcrA（Methyl coenzyme M reductase的a亚基基因）的引物对上述Fosmid文库进行了序列筛选。从大约3.3万个克隆中筛选得到了30个含有mcrA基因的阳性克隆。对其中1个阳性克隆测序找到了MCR的完整基因簇，还在该基因簇上下游附近找到4个编码产甲烷代谢途径相关酶的基因。这些基因都与M. marisnigriJR1的相应酶最为近似（氨基酸序列一致性74.2%~94.2%），它们的分布排列也与M.marisnigri JR1几乎一致，而与目前已测序的其它属的甲烷菌存在较大的差异。
此外，本文还以Z7沼液为接种物，构建了一个能高效处理丙酮丁醇发酵废水并产沼气的厌氧折流板(ABR)反应器（有四个小室，由入水口向出水口方向标记为C1-C4）。ABR反应器的优点在于群落空间演替，即各个小室中具有不同的微生物群落，负责废水中污染物在不同阶段的降解。通过基于16SrRNA基因的分子生态学方法对C1-C4室中微生物的群落结构进行比较，来研究该ABR反应器中群落空间演替的规律，结果发现ABR反F反应器的群落空间演替模式与反应器的有机负荷有着密切联系。在高有机负荷下(5.4kg COD m-3d-1)，由C1室向C4室方向厚壁菌门细菌（尤其是优势物种ABRB07和ABRB10）和甲烷囊菌属的产甲烷菌的丰度大幅下降，而拟杆菌门的细菌和甲烷粒菌属的产甲烷菌丰度上升成为优势菌群。微生物种群ABRB07（可能是互生菌）和的ABRB10（可能是同性产乙酸菌）以及ABRA01（甲烷囊菌）丰度的下降与群落对丙酮和丁醇降解能力的变化密切关联，这提示它们可能是降解丙酮和丁醇的关键种群。此外在整个群落演替中，乙酸营养型产甲烷菌和互生乙酸氧化菌丰度都很低，这可能导致了反应器出水中乙酸降解不完全。
本文通过对不同功能的群落进行比较元基因组学研究，找到了部分与产沼气效率密切相关的种群、基因和代谢途径，以及与溶剂降解相关的重要微生物种群。这些结果为厌氧沼气发酵的群落监控，ABR反应器的优化以及重要基因资源的挖掘提供了依据。