要将复杂的大分子有机污染物，如碳水化合物、脂肪和蛋白质等降解的第一步是要将它们水解为能够被微生物利用的小分子单体，因此在厌氧处理系统中必须存在能够产生水解酶的微生物群。如果有机污染物主要以大分子的形式存在，水解作用往往是整个消化过程的速率限制步骤，也是影响污染物降解效果的关键。
碳水化合物的代表是淀粉和纤维素。淀粉的水解比较容易，许多厌氧细菌都能够分泌淀粉酶，如：丁酸羧菌（Clostridium bifermentus）、乳杆菌（Lactobacillus）、枯草芽孢杆菌、蜡状芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌等，它们都能产生水解α-1,4和α-1,6-糖苷键的淀粉酶，因此能将淀粉、糖原及其他多糖降解成单糖，以便于这些细菌本身及其他微生物利用。在厌氧消化液中，产淀粉酶的细菌浓度约为4×104个/ml。
纤维素的水解要比淀粉困难得多。纤维素是由葡萄糖经β-1,4糖苷键连接而成的大分子，纤维素的水解是外切纤维素酶、内切纤维素酶和β-葡萄糖苷酶共同作用的结果。在厌氧消化液中，纤维分解菌的浓度约为4×105个/ml。有人在处理猪粪的消化液中分离得到了11种中温纤维素分解菌，除一种外，其余都是革兰阴性菌。热纤梭菌（Clostridium thermocellum）是一种高温菌，能够将纤维素直接转化为乙醇和乙酸。半纤维素酶在厌氧消化的初期起着重要作用。同样，在处理猪粪的消化液中分离得到了4种产半纤维素酶的菌种，其中一种经鉴定为瘤胃拟杆菌（Bacteroides ruminicola）。
在厌氧消化器中，脂肪的水解尚未得到普遍证实，其原因可能是在细菌的混合培养时脂肪酶的活力会受到蛋白酶的抑制，但也有实验证明乳品加工工业废物中的脂肪可以被脂肪酶水解为脂肪酸和甘油。许多微生物产生的脂肪酶只能作用于甘油酯的1和3位的酯键，只有少数作用于甘油酯的所有3个酯键。消化液中分解脂肪菌的浓度约为104~105个/ml，主要是梭菌和微球菌。
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