也別炸井蓋！??！

撰文 | 李慶超（山東師范大學）

正月初五是農(nóng)歷新年很重要的日子之一，這一天俗稱“破五”。人們在初五這一天痛痛快快的打掃衛(wèi)生，放鞭炮（禁放地區(qū)的讀者遵守禁放令哦），為的是把窮神掃地出門，用鞭炮趕走五窮（智窮、學窮、文窮、命窮、交窮），并且迎接財神，祈求開市之后買賣興隆、財源廣進。孩子們不愛干家務(wù)、打掃衛(wèi)生，但是放鞭炮在行呀，炸冰炸雪啦、炸個大白菜啦（某些同學：我炸過更精彩的）。歪！燃放煙花爆竹可要注意安全，特別是家長要給孩子做好安全教育。今兒咱就聊聊“你崩它，它就崩你”的神秘力量。

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你崩下水道，下水道崩你丨圖源：網(wǎng)絡(luò)

“看動圖都嚇得一激靈，要是在現(xiàn)場，可能當場祛濕?！辈粚?，你應(yīng)該當場制止啊！“熊孩子，千萬不要往下水道里丟鞭炮。要不然，一個跟頭云，你可能就火光帶響的走了！你這鞭炮可能沒這么大神力，但是它有??！”

它就是——

沼氣

沼氣（Biogas）是農(nóng)業(yè)廢棄物、城市垃圾、糞便、污水等富含有機質(zhì)的物質(zhì)在堆肥、垃圾堆、化糞池、污水溝等處經(jīng)過厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的氣體（又是發(fā)酵！發(fā)完饅頭發(fā)沼氣）。沼氣的主要成分是占50%-80%的甲烷 (CH4)， 和20%-40%的二氧化碳 (CO2) 并且可能含有少量的硫化氫 (H2S)、氨 (NH3)、氮氣、氫氣、水分等。沼氣的主要成分甲烷也是天然氣（Natural gas）的主要成分，是一種易燃易爆的氣體。

大多數(shù)人了解到的沼氣，是從課本上講的沼氣池里產(chǎn)生的。這種收集起來可控利用的“有組織有紀律”的沼氣，可以用來燒火做飯、照明發(fā)電。因此沼氣屬于二次能源，并且是可再生能源。沼氣池除了可以產(chǎn)生沼氣之外，一方面解決了人畜糞便、農(nóng)業(yè)秸稈等廢棄物焚燒等污染的問題，另一方面還可以產(chǎn)生肥效更高的生物肥，是我國生態(tài)農(nóng)村建設(shè)的重要內(nèi)容。

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圖1：沼氣池的結(jié)構(gòu)及用途[1]

實際上，臭水溝子里冒個泡，動物放個屁，很有可能就是沼氣。但是這種釋放到開放環(huán)境下的“散裝”沼氣馬上就消散掉了，一般不必擔心發(fā)生爆炸。而在密閉條件下，沼氣“有組織無紀律”不斷產(chǎn)生和聚集，到達一定數(shù)量，再遇上明火，就成了一個炸彈?？扇嘉镔|(zhì)（可燃氣體、蒸氣或粉塵）與空氣（或氧氣）均勻混合后在一定的濃度范圍內(nèi)，遇著火源才會發(fā)生爆炸，這個濃度范圍稱為爆炸極限?？諝庵谢旌嫌?%~15%的甲烷氣體時，遇到火星就會發(fā)生爆炸。1立方米甲烷的質(zhì)量約0.657千克，爆炸產(chǎn)生的能量為36.5兆焦耳，相當于8.7公斤 的TNT炸藥[2]。熊孩子可長點心吧，別惹下水道。

“無組織無紀律”的沼氣就無害了嗎？從小了說，沼氣比較臭，因為沼氣中除了二氧化碳和甲烷外，還有硫化氫等有毒氣體。如果是在地勢低洼、污染嚴重以及空氣不流通的密閉空間，特別應(yīng)當注意，不要貿(mào)然闖入此種環(huán)境。如果有人已經(jīng)倒下，貿(mào)然下去救人可能還是送了人頭。往大了說，沼氣中的甲烷，是一種強效溫室氣體，城市垃圾填埋、畜牧養(yǎng)殖業(yè)等人類活動都會產(chǎn)生大量甲烷，加劇全球暖化。

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圖2.甲烷是最簡單的有機物丨來源：wikipedia

厭氧微生物

萬物生息，無非三種流轉(zhuǎn)：物質(zhì)、能量、信息。生命在倒騰各種化學物質(zhì)、發(fā)生物質(zhì)的分解和合成時，往往伴隨著能量的產(chǎn)生和儲存。

綠色植物在進行光合作用的時候，利用陽光的能量，把二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為糖類，并釋放氧氣，而能量也儲存在糖類中（光能自養(yǎng)）。人類及動物等在分解糖類的時候，消耗氧氣，產(chǎn)生二氧化碳和水，并生成能量供自己使用（化能異養(yǎng)）。

在這些過程中，發(fā)生了水的裂解、氧氣的形成，或氧氣的消耗、水的生成，實質(zhì)上重點是電子、氫的流轉(zhuǎn)，及其所伴隨的大量能量的消耗或產(chǎn)生。

而在那些沒有陽光照耀和氧氣流通的地方，生命則有另一套方案。

沒有陽光作為能量來源怎么辦？利用還原性無機物在氧化過程中產(chǎn)生的能量作為能量來源，把二氧化碳還原成糖類（化能自養(yǎng)），比如氨氣氧化為亞硝酸根、硝酸根的過程中釋放的能量可以被硝化細菌儲存起來。

沒有氧氣接收氫離子或電子怎么辦？那就把電子或氫離子變成氫氣直接釋放走（產(chǎn)氫細菌），或者把它們交給氧化物（比如產(chǎn)甲烷菌或產(chǎn)硫化氫的硫酸鹽還原菌）。這種以外源無機氧化物或有機物作為氫及電子受體的生物氧化過程稱為無氧呼吸。不需要氧氣即可生長的生物稱為厭氧生物。

Tip

如今的地球的大氣中，氧氣含量豐富。事實上，早期地球是缺乏氧氣的厭氧環(huán)境。厭氧菌霸占地球，度過了愉快的十億年。直到，藍細菌出現(xiàn)，地球大氣的氧含量逐漸增加。而大部分厭氧生物視氧氣為毒氣，如同泰坦，只能屈居泥沼、深淵。

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圖：具有四十六億年歷史的地球，有約十億年的時間由厭氧生物主宰者[3]

沼氣發(fā)酵

在含有大量有機質(zhì)的環(huán)境中，初期，好氧細菌大量繁殖，有氧呼吸過程將氧氣消耗殆盡，就產(chǎn)生了適合厭氧微生物生長的環(huán)境，其中產(chǎn)生甲烷的主要菌群是產(chǎn)甲烷菌（Methanogens）。產(chǎn)甲烷菌是一類在厭氧環(huán)境下可以產(chǎn)生甲烷的古生菌，它們存在于濕地沼澤、反芻動物的腸道、人類的腸道以及海底沉積物中，在污水處理中也發(fā)揮著不可或缺的作用。現(xiàn)已鑒定的產(chǎn)甲烷菌超過五十余種[4]。

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圖4：產(chǎn)甲烷菌。a,Methanobrevibacter smithii掃描電鏡；b，Methanococcoides burtonii透射電鏡偽色圖[5]

產(chǎn)甲烷菌以氫氣為無機還原物、作為能量來源，將氫轉(zhuǎn)移給外源無機氧化物二氧化碳，以此過程所釋放的能量作為合成代謝的能量來源，因此產(chǎn)甲烷菌是一種化能自養(yǎng)微生物。

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除此之外，甲烷也可以由乙酸或乙酸離子分解產(chǎn)生：

CH3COOH→CH4+CO2

等等，誰會往下水道排氫氣和醋？

產(chǎn)氫細菌可以發(fā)酵小分子醇、脂肪酸及單糖轉(zhuǎn)化為氫氣、乙酸、甲酸等，供產(chǎn)甲烷菌作為產(chǎn)生甲烷的原材料。產(chǎn)氫菌（例如產(chǎn)氫梭菌、濕熱產(chǎn)氫菌等）產(chǎn)生氫氣的過程，實際上是有機營養(yǎng)物質(zhì)分解代謝過程中不完全氧化的結(jié)果。

生物產(chǎn)氫過程如下：

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微生物降解利用葡萄糖時，未徹底氧化，最終生成乙酸（和甲酸）、氫氣及二氧化碳，并釋放每摩爾216 或209 千卡的能量[6]。這種過程產(chǎn)生的能量遠遠小于有氧呼吸。

而產(chǎn)酸產(chǎn)氫菌所需要的營養(yǎng)物質(zhì)則仰賴于一類可以水解大分子營養(yǎng)物質(zhì)并進行初步發(fā)酵的微生物。例如棱菌屬、擬桿菌屬等細菌，它們將碳水化合物和蛋白質(zhì)等大分子有機質(zhì)降解為小分子有機化合物，如葡萄糖、氨基酸等，再由梭菌屬、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(chǎn)物降解為小分子的醇類、有機酸類[7]。

由此可以看出，甲烷發(fā)酵過程十分復雜，只有產(chǎn)甲烷菌是不夠的：需要多種細菌類群，以微生物生態(tài)方式，共同合作，才可以完成。這個生態(tài)系統(tǒng)包含發(fā)酵性細菌、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌、耗氫產(chǎn)乙酸菌、食氫產(chǎn)甲烷菌、食乙酸產(chǎn)甲烷菌，共五個大的類群。

其中前三種類群不能產(chǎn)生甲烷，但是可以水解或初步發(fā)酵營養(yǎng)物質(zhì)，為產(chǎn)甲烷菌提供原料。而后兩者可以利用其他細菌所產(chǎn)生的氫氣、乙酸等物質(zhì)產(chǎn)生甲烷。它們之間互相支持，又互相制約，共同完成沼氣發(fā)酵過程。

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圖5：沼氣發(fā)酵需要多種微生物類群共同完成[8]

在有機質(zhì)厭氧發(fā)酵過程中，并不是所有的氫氣或還原力都是由二氧化碳接受的，如果硫氧化物或硫酸根接受氫，則會逐步被還原為硫化氫有毒氣體。在富含磷的人或動物尸體腐爛過程中，還原力被磷酸鹽接收，則磷元素被逐步還原為磷化氫。磷化氫極易自燃，產(chǎn)生藍綠色跳動的火焰，就是傳說中的“鬼火”。

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圖6：硫酸鹽還原菌中，硫酸鹽作為無機電子受體逐步被還原為硫化氫丨來源：wikipedia

結(jié)語

“我害怕鬼但鬼未傷我分毫”，我不害怕下水道，但下水道可能會帶來實實在在的傷害。真正應(yīng)當敬畏的不是鬼神，而是“敬科學，畏無知”。無知者，人均熊孩子。

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煙頭也不要亂扔哦丨圖源：網(wǎng)絡(luò)

大過年的看這個，太刺激了。喝杯酸奶壓壓驚，酸奶也是厭氧發(fā)酵的產(chǎn)物哦。

參考文獻

[1] https://www.sohu.com/a/122710853_545662

[2] http://china.cnr.cn/xwwgf/20210210/t20210210_525412787.shtml

[3] https://slideplayer.com/slide/5758625/

[4] https://en.wikipedia.org/wiki/Methanogen

[5] Prescotts Microbiology 11th Edition by Joanne Willey, Kathleen

[6] https://en.wikipedia.org/wiki/Fermentative_hydrogen_production

[7] https://baike.baidu.com/item/%E6%B2%BC%E6%B0%94/

[8] 辛明秀等《微生物學（第4版)》