Organismer som bare kan vokse på enkarbonkilder (metanol (CH3OH), maursyre (HCOOH), metan (CH4)) kalles metylotrofe. Metylotrofe organismer er imidlertid ikke nødvendigvis metanotrofe. Bakterier som oksiderer metan inneholder enzymet metan monooksygenase som katalyserer innføring av et oksygenmolekyl i metan, bryter CH-bindingen og splitter O-O bindingen i oksygen, noe som leder til metanol (CH3OH).
CH4 (metan) + O2 +NAD(P)H + H+ → CH3OH (metanol) + NAD(P)+ + H2O
Metan monooksygenase kan også bruke ammonium (NH4+) som substrat, oksidert til hydroksylamin, men ammonium er vanligvis toksisk for de metanotrofe bakteriene som i stedet foretrekker nitrat (NO3-) som nitrogenkilde. Elektroner til oksidasjonen fra metan til metanol kommer fra reduksjonskraften nikotinamid dinukleotid i redusert form (NADH) via cytokrom c. Metanol oksideres videre til formaldehyd (CH2O, HCHO), format (maursyre, HCOO-) og deretter til CO2 samtidig som elektroner brukes til å lage redusert NADH. Metanol dehydrogenase katalyserer oksidasjonen av metanol til formaldehyd.
metanol + NAD+ → formaldehyd + NADH + H+
Det er flere alternative biokjemiske omsetningsveier fra formaldehyd. Formaldehyd blir videre oksidert til format via ribulosemonofosfatveien eller serin-glycin syklus. Format dehydrogenase katalyserer oksidasjonen av format til CO2, alternativt via ferricytokrom b1.
format + NAD+ → CO2 + NADH + H+
Via kinoner lages det en protongradient som kjemiosmotisk kan brukes til å lage kjemisk energi i form av adenosin trifosfat (ATP). Karbon til metabolismen kommer fra formaldehyd. Både metanotrofe og metylotrofe bakterier har til felles med de autotrofe at de bruker en enkarbonforbindelse, CO2, uten karbon-karbon-binding, men de metylotrofe trenger en mer redusert form av karbon enn CO2. Metanoksiderende bakterier inneholder store mengder steroler. De metanoksiderende (metanotrofe) bakteriene spiller en viktig rolle i oksidasjonen av metan produsert av anaerobe metanogene bakterier , drøvtyggere eller i geotermiske prosesser. De er således viktige i den globale metansyklus. Metan er også en drivhusgass som absorberer infrarød varmestråling, men mer effektivt enn karbondioksid.
Ut fra biokjemiske metabolismeveier for assimilasjon av karbon kan de metanotrofe bakteriene deles inn i to hovedgrupper (Whittenbury og medarbeidere):
1) De som bruker ribose monofosfatsyklus (type I), som dessuten mangler 2-oksoglutarat dehydrogenase og derved ikke har fullstendig sitronsyresyklus . Ribulosemonofosfat (ribulose-5-fosfat) reagerer med formaldehyd og danner heksulose-6-fosfat, som videre kan omdannes til fruktose-6-fosfat og videre til pyruvat via glykolysen eller Entner-Doudoroff omsetningsveien. Gamma-proteobakterier med slekter: Methylococcus, Methylomonas, Methylobacter.
Det er også hos noen metanotrofe Verrucomicrobia funnet i geotermiske ventiler som bruker Calvin-Benson-Bassham-syklus, som deltar i CO2-assimilasjonen i fotosyntesen hos planter. Disse metanotrofe oksiderer metan til CO2 og assimilerer CO2 via Calvin-syklus.
2) De med glycin-serin biosyntesevei (type II) (serin syklus) Format blir omdannet til methylen tetrahydrofolat, som deretter reagerer med aminosyren glycin og danner aminosyren serin.. Alfa-proteobakterier med slekter: Methylocystis, Methylosinus. Jfr. metabolittene glyoksylat, glycin, serin og 3-fosfoglyerat som inngår i fotorespirasjon hos planter.
Metanotrofe bakterier finnes i akvatiske og terrestre økosystemer som inneholder metan og mikromengder med oksygen (mikroaerofile betingelser) dvs. mindre oksygen enn det som tilsvarer vanlige oksygenkonsentrasjoner, for eksempel i tilknytning til søppelfyllinger, rismarker, akvatiske sedimenter, myrområder, samt i ekstreme miljøer med arkebakterier som acidofile (syreelskende), psykrofile (kuldeelskende), termofile (vermeelskende) og halofile (saltelskende) metanotrofe. Mange akvatiske metanotrofe kan også fiksere nitrogen ved biologisk nitrogenfiksering. Noen metanotrofe bakterier kan leve i symbiose med marine muslinger. 16S rRNA sekvensering blir brukt til artsidentifisering.
