在缺氧條件下降解有機質產生沼氣的一群微生物。沼氣常形成於富含有機質的沼澤、塘、湖等水下缺氧沉積物中，是一種可燃性氣體，其主要成分為甲烷（占55～70％）和二氧化碳（占30～45％）。
1776年，A.伏打發現池沼沉積物中有一種可燃性氣體。1868年，E.貝香提出沼氣是由微生物降解有機質而產生的。沼氣微生物是一群種類龐雜、對缺氧程度要求不同的細菌。關於它們的種類和生物學性狀還不十分清楚。在複雜有機質轉化為沼氣的過程中，它們們協同地在4個階段起作用（圖1）。①水解作用：由棱菌屬、擬桿菌屬等細菌將碳水化合物和蛋白質等大分子有機質降解為小分子有機化合物，如葡萄糖、氨基酸等；②發酵作用：由梭菌屬、擬桿菌屬及其他細菌（如乳酸菌類、丙酸桿菌屬）進一步將水解的產物降解為小分子的醇類、有機酸類、二氧化碳、氫氣、氨氣等；③產乙酸和產氫作用：把發酵作用所產生的小分子醇類和一些脂肪酸降解為乙酸、甲酸、二氧化碳和氫。人們對這類細菌瞭解尚少，甚至連種、屬都還沒有明確。但已肯定這類細菌所產生的氫對其自身進一步生長繁殖有抑制作用。因此，產乙酸和氫的細菌，必須與能利用氫的細菌，如產甲烷細菌和伍氏乙酸桿菌等共同生存；④產甲烷作用：由產甲烷細菌將前3階段所產生的氫氣、二氧化碳以及甲酸、乙酸、甲醇和甲胺類等轉化為甲烷。產甲烷細菌形態多樣，但生理特性卻大致相同，在缺氧條件下，均以甲烷為主要代謝產物（見甲烷桿菌科）。上述階段是按生物化學轉化過程劃分的，其中參與水解作用的細菌也參與發酵作用（圖2）。
根據最適生長溫度，可將沼氣微生物劃分為中溫群(30～40℃)和高溫群(55～60℃)。雖然有人認為在4℃時仍然產生沼氣，但至今尚未分離到嗜低溫的菌種。沼氣微生物的種類龐雜，在純培養條件下，最適生長的酸堿度有很大差異，但在沼氣池中pH7左右最適於產生沼氣。
沼氣微生物使自然界中缺氧環境的有機質降解，進入碳、氮等物質循環圈。所產生的甲烷最終又被氧化為二氧化碳。產生於深海沉積物中的甲烷則可能轉化為甲烷水合物，進而轉化為天然氣。中國廣大農村正在利用沼氣微生物的作用，以秸稈、糞便等制取沼氣，作為一種再生性補充能源，同時也有利於農村生態平衡，保持、提高土壤肥力並改善環境衛生。