厭氧呼吸的分子機制和生態學影響是微生物生物能學和生物地球化學循環的核心議題。
反硝化的酵素學與分子調控
- NarGHI（膜結合，Mo-bis-MGD 輔因子）在 NO₃⁻ 豐富時優先表達；Nap（周質，Mo-bis-MGD）在低 NO₃⁻ 時使用。Nar 氧化醌的同時泵質子，Nap 不泵——因此 Nar 的能量耦合效率較高。
- NirS（cd₁ heme）或 NirK（Cu-type）：這兩種 Nir 在系統發育上不重疊，是平行演化的例子。
- cNor（cytochrome c-dependent）或 qNor（quinol-dependent）：NO → N₂O。qNor 不泵質子。
- NosZ（Cu₄-Cu₂ 雙核銅中心）：N₂O → N₂。部分菌缺乏 NosZ（"truncated denitrifiers"），只還原到 N₂O——這對氣候具重要意義，因 N₂O 的溫室效應是 CO₂ 的 ~300 倍。
調控：O₂ 透過 FNR（[4Fe-4S] 感應器）總體性抑制所有厭氧酵素；NarXL 和 NarQP 正向調控 Nar；NNR（FNR-family）感應 NO 活化 Nir 和 Nor。調控層級確保 O₂ > NO₃⁻ > NO₂⁻ > N₂O 的優先使用順序。
異化硫酸鹽還原的能量問題
SO₄²⁻ 的活化需要 ATP sulfurylase 消耗 1 ATP 形成 APS（adenosine-5'-phosphosulfate），其 ΔG°' 極不利（+46 kJ/mol）。反應被焦磷酸酶水解 PPᵢ 拉動。APS reductase（AprBA，含 FAD 和 [Fe-S]）將 APS 還原為 SO₃²⁻；DsrAB（dissimilatory sulfite reductase，含 siroheme-[4Fe-4S]）經 DsrC 中間體完成 SO₃²⁻ → HS⁻ 的六電子還原。
整體來看，SO₄²⁻ + 4H₂ → HS⁻ + 3H₂O + OH⁻ 的 ΔG°' ≈ -152 kJ/mol，扣除 ATP 活化成本後淨能量有限。Desulfovibrio 靠 Hmc/Qmo/Rnf 等膜複合體進行 electron confurcation/bifurcation 來提升能量偶合效率。
產甲烷的獨特輔酶系統
產甲烷作用涉及至少 5 種獨特輔酶：甲烷呋喃（MFR）、甲烷蝶呤（H₄MPT）、輔酶 M（CoM-SH）、輔酶 B（CoB-SH）和 F₄₂₀（低電位電子載體，E°' = -0.36 V）。
CO₂ 還原至 CH₄ 的核心步驟：CO₂ 被 MFR 活化 → formyl-MFR → methenyl/methylene-H₄MPT → methyl-H₄MPT → methyl-CoM → MCR（methyl-coenzyme M reductase，含 F₄₃₀ 鎳卟啉）催化 methyl-CoM + CoB-SH → CH₄ + CoM-S-S-CoB。Hdr（heterodisulfide reductase）再生 CoM-SH + CoB-SH 的同時進行 electron bifurcation 偶聯低電位 Fdred 生成。
MCR 是所有產甲烷菌唯一共有且獨特的酵素，mcrA 基因是產甲烷菌的分子標記。最近在非古菌（Verrucomicrobia 的 Methylacidiphilales）和厭氧甲烷氧化古菌（ANME）中也發現了 MCR 同源物。
胞外電子傳遞（EET）
Geobacter 和 Shewanella 的鐵還原面臨獨特挑戰：Fe(III) 氧化物不溶，無法進入細胞。解決方案包括：
- Shewanella 的 Mtr 途徑：CymA（內膜 c-type cytochrome）→ MtrA（周質）→ MtrB（外膜 β-barrel）→ MtrC/OmcA（外膜表面 decaheme cytochrome）→ 直接接觸 Fe(III) 礦物
- Geobacter 的導電菌毛（e-pili）：由 PilA 蛋白組成的菌毛具有金屬般的電導率，可遠距離傳遞電子
- 電子穿梭分子（electron shuttles）：如 flavins（Shewanella 分泌的核黃素）和 humic acids
EET 的應用前景：微生物燃料電池（MFC）和微生物電合成（MES）利用 EET 在電極與微生物間雙向傳遞電子。