生物氣是厭氧環(huán)境下特殊的生物-產(chǎn)甲烷菌的代謝產(chǎn)物,，通常出現(xiàn)在較淺的未成熟沉積物中,，它們在地史過程中對碳循環(huán)起重要作用,，大氣中約80%～90%的甲烷為生物氣,，是溫室效應(yīng)的主要?dú)庠?。生物成因氣的?jīng)濟(jì)意義也相當(dāng)明顯,，20年前的估計顯示它占全球天然氣資源的20%,。近年來隨深部生物圈研究程度的不斷深入，發(fā)現(xiàn)微生物賦存深度可以很大,，微生物活動持續(xù)時間很長,，生物氣儲量比以前的預(yù)計要高。另外,，除近代沉積物外,，煤、富有機(jī)質(zhì)頁巖和原油生物降解均能形成大量生物氣,，它們對天然氣生產(chǎn)也能作很大貢獻(xiàn),。經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境對潔凈能源需求都需要天然氣,，隨常規(guī)油氣資源的逐漸枯竭，未來天然氣勘探在很大程度上依賴于生物成因氣的發(fā)現(xiàn),。  

        生物氣是微生物使有機(jī)質(zhì)再礦化生物化學(xué)過程中重要終極產(chǎn)物,，形成途徑主要有乙酸發(fā)酵和二氧化碳還原兩種。沉積物中氧化劑的性質(zhì)決定了反應(yīng)過程,，如果有游離氧存在,，則以有氧分解為主，之后硝酸鹽還原起主要作用,，接著金屬氧化物（MnO2和Fe2O3）成為主要氧化劑,，隨后進(jìn)入硫酸鹽還原帶，最后進(jìn)入產(chǎn)甲烷菌還原帶,，由各種微生物分解出的單分子化合物被產(chǎn)甲烷菌還原形成甲烷,。由于沉積物中氧化劑的局限，有機(jī)質(zhì)分解的主要反應(yīng)是硫酸鹽還原和甲烷形成,。

        近年來,，深部微生物學(xué)受到巨大的關(guān)注，特別是對深部自養(yǎng)性厭氧微生物群的檢測,，極大地擴(kuò)展了對深部生物多樣性和生物地球化學(xué)作用的認(rèn)識,。微生物可以棲息在從地表到4000m或者更深的地方，在洋底的熱泉和深部油田水中都發(fā)現(xiàn)了活的微生物,，其習(xí)性和地球化學(xué)行為與地表所發(fā)現(xiàn)的不同,。因此，硫酸鹽還原帶以下微生物甲烷形成的重要性需要重新考慮,。

        從聚合有機(jī)物到生物甲烷過程非常復(fù)雜,。首先，有機(jī)物被細(xì)菌和其它微生物分解成產(chǎn)甲烷菌能利用的底物,，如氫和二氧化碳,、甲酸鹽等，然后,，產(chǎn)甲烷菌通過二氧化碳還原和氫氧化形成甲烷,。

        溫度、有機(jī)底物性質(zhì)和沉積環(huán)境對兩種甲烷形成途徑起控制作用,。通常認(rèn)為乙酸發(fā)酵主要出現(xiàn)在淡水環(huán)境,，二氧化碳還原主要在海相環(huán)境。溫度適中的陸相環(huán)境中乙酸發(fā)酵形成的甲烷占70%,，二氧化碳還原占30％,。隨環(huán)境溫度的變化，這個比例會發(fā)生變化,。在深度剖面上乙酸發(fā)酵和二氧化碳還原可同時出現(xiàn),，但其重要性不同,，深部主要是二氧化碳還原成因。這可以很好地解釋為什么許多商業(yè)性生物氣聚集都是二氧化碳還原成因,。

        甲烷形成需要的碳元素一般來自乙酸鹽或二氧化碳,，不需要額外氧化劑的供給。二氧化碳的主要來源是有機(jī)質(zhì)的成巖作用,，這些反應(yīng)與早期干酪根的演化有關(guān),，并且受熱的控制。還有一部分二氧化碳可以來自深部的非生物反應(yīng),，這些二氧化碳對淺層沉積物生物甲烷形成所做的貢獻(xiàn)難以量化,。

        當(dāng)發(fā)酵生物體不存在時，產(chǎn)甲烷菌需要其它電子供體,，甲烷桿菌依賴于氫把二氧化碳還原成甲烷,，氫在有機(jī)物厭氧生物降解生成甲烷過程中起關(guān)鍵作用,，氫的可利用程度是生物甲烷形成的最終制約因素,。不同地質(zhì)體系中氫的起源有多種，許多地球化學(xué)和生物化學(xué)反應(yīng)都可以產(chǎn)生氫,，如生物膜-巖石相互反應(yīng)降低含還原金屬礦物表面的pH并從水中釋放出質(zhì)子,。另外，微生物作用過程可能對地下氫的形成有貢獻(xiàn),，有機(jī)質(zhì)成熟或石油中無環(huán)和環(huán)烷芳烴的芳構(gòu)化可提供補(bǔ)充氫源,。