発酵
好気呼吸と並んで、発酵は分子からエネルギーを取り出す方法である。これは、すべての細菌と真核生物に共通する唯一の方法である。そのため発酵は、地球上に植物が誕生する以前の太古の環境、つまり大気中に酸素が存在する以前の原始的な環境に適した、最も古い代謝経路であると考えられている。
真菌の一種である酵母は、果物の皮から昆虫や哺乳類の内蔵、そして深海に至るまで、微生物が生息できるほぼあらゆる環境に存在する。酵母は糖分を多く含む分子を変換(分解)してエタノールと二酸化炭素を生成する。
発酵の基本的な機構は、高等生物のすべての細胞に依然として残されている。哺乳類の筋肉は、酸素の供給が制限される激しい運動中に発酵を行い、乳酸を産生する。無脊椎動物では、発酵によってコハク酸やアラニンも生成する。
発酵細菌は、家畜の第一胃、汚水処理槽、淡水成堆積物に至るさまざまな生息環境で、メタンの生産に重要な役割を果たしている。発酵細菌は、水素、二酸化炭素、ギ酸、酢酸、カルボン酸を生成する。その後、複合微生物系が、二酸化炭素と酢酸をメタンに変換する。また、酢酸生成菌はこれらの酸を酸化し、さらに酢酸と水素またはギ酸を生成する。最後に、メタン生成菌(古細菌の一種)が酢酸をメタンに変換する。
バッチプロセスでは、すべての原料が一度に組み合わされて、追加の投入なしで反応が進行する。バッチ発酵(batch fermentation)は、何千年もの間、パンやアルコール飲料の製造に使用されており、特にそのプロセスがよく理解されていない場合には、今でも一般的な方法である。しかし、バッチとバッチとの間で高圧蒸気で発酵槽を殺菌しなければならないため、費用が高くつくことがある。厳密には、pHを制御したり、泡立ちを抑制するために、しばしば少量の化学物質が添加される。
バッチ発酵は、いくつかの段階からなる。細胞が環境に適応する遅滞期(lag phase、ラグフェーズ)があり、その後、指数関数的成長期が続く。多くの栄養素が消費されると増殖は鈍化し、指数関数的ではなくなるが、二次代謝産物(商業的に重要な抗生物質や酵素が含まれる)の生成は加速する。栄養素がほとんど消費された後も、定常期を通じてこの状態が続き、その後に細胞は死滅する。
発酵の、特に酒類への利用は新石器時代から存在し、中国の賈湖(Jiahu)(英語版)では紀元前7000年から6600年頃にかけて、インドでは紀元前5000年、アーユルヴェーダには多くの薬用ワインが言及され、ジョージアでは紀元前6000年、古代エジプトでは紀元前3150年、バビロンでは紀元前3000年、古代メキシコでは紀元前2000年、スーダンでは紀元前1500年の記録がある。発酵食品はユダヤ主義やキリスト教的信仰(英語版) において宗教的な意味を持っている。バルト海の神(英語版)ルグティス(Rugutis)は、発酵を司る神として崇拝されていた。錬金術では、発酵(「腐敗」)は磨羯宮(まかつきゅう、、♑︎)によって象徴化されていた。
1837年、シャルル・カニャール・ド・ラ・ツール(英語版)(Charles Cagniard de la Tour)、テオドール・シュワン、フリードリヒ・トラウゴット・キュッツインクの3人はそれぞれ論文を発表し、顕微鏡による調査の結果、酵母は出芽によって繁殖する生物であると結論づけた。シュワンはブドウ果汁を煮沸して酵母を死滅させ、新しい酵母を加えるまで発酵が起こらないことを発見した。しかし、アントワーヌ・ラヴォアジエを含む多くの化学者は、発酵を単純な化学反応と見なし続け、生物が関与している可能性があるという考えを否定した。