一般认为，从各种复杂有机物的分解开始到最后生成沼气，共有五大生理类群的细菌参与，它们是发酵性细菌、产氢产乙酸菌、耗氢产乙酸菌、食氢产甲烷菌和食乙酸产甲烷菌。五群菌构成一条食物链，根据其代谢产物的不同，前三群细菌共同完成水解酸化过程，后两群细菌完成产甲烷过程。
可用于沼气发酵的有机物种类繁多，如禽畜粪便、作物秸秆、食物及酒精加工废物等，其主要化学成分包括多糖类（如纤维素、半纤维素、淀粉、果胶质等）、脂类和蛋白质。这些复杂有机物大多不溶于水，必须首先被发酵性细菌所分泌的胞外酶分解为可溶性的糖、氨基酸和脂肪酸后，才能被微生物吸收利用。发酵性细菌将上述可溶性物质吸收进入细胞后，经发酵作用将其转化为乙酸、丙酸、丁酸和醇类，同时产生一定量的氢气及二氧化碳。沼气发酵时发酵液中乙酸、丙酸、丁酸的总量称为总挥发酸（TVA）。在发酵正常的情况下，总发挥酸中以乙酸为主。蛋白类物质分解时，除生成产物外，还会有氨额硫化氢产生。参与水解发酵过程的发酵性细菌种类繁多，已知的就有几百种，包括梭状芽孢杆菌、拟杆菌、丁酸菌、乳酸菌、双歧杆菌和螺旋菌等。这些细菌多数为厌氧菌，也有兼性厌氧菌。
在沼气发酵过程中，甲烷的形成是由一群高度专业化的细菌—产甲烷菌引起的。产甲烷菌包括食氢产甲烷菌和食乙酸产甲烷菌，它们是厌氧消化过程食物链中的最后一组成员，尽管它们具有各种各样的形态，但它们在食物链中的地位使它们具有共同的生理特性。它们在厌氧条件下将前三群细菌代谢的终产物，在没有外源受氢体的情况下，把乙酸转化为气体产物甲烷和二氧化碳，使有机物在厌氧条件下的分解作用得以顺利完成。 2100433B
