大年初五，破五崩窮：崩走窮氣、晦氣，還有沼氣？！

至下處升騰；

至暗處繁榮；

至幽閉處生生與共、息息相通。

這是塔爾塔羅斯的盛宴，

血楓林的劍鳴~

注：

1. 塔爾塔羅斯：泰坦戰(zhàn)敗后被關(guān)押的深淵。

2. 血楓林：蚩尤戰(zhàn)死后頭顱所化。

撰文 | 李慶超（山東師范大學(xué)）

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?cè)诔跷暹@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(mén)，用鞭炮趕走五窮（智窮、學(xué)窮、文窮、命窮、交窮），并且迎接財(cái)神，祈求開(kāi)市之后買(mǎi)賣(mài)興隆、財(cái)源廣進(jìn)。孩子們不愛(ài)干家務(wù)、打掃衛(wèi)生，但是放鞭炮在行呀，炸冰炸雪啦、炸個(gè)大白菜啦（某些同學(xué)：我炸過(guò)更精彩的）。歪！燃放煙花爆竹可要注意安全，特別是家長(zhǎng)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。

你崩下水道，下水道崩你丨圖源：網(wǎng)絡(luò)

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

它就是——

沼氣

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(lái)可控利用的“有組織有紀(jì)律”的沼氣，可以用來(lái)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(wèn)題，另一方面還可以產(chǎn)生肥效更高的生物肥，是我國(guó)生態(tài)農(nóng)村建設(shè)的重要內(nèi)容。

圖1：沼氣池的結(jié)構(gòu)及用途[1]

實(shí)際上，臭水溝子里冒個(gè)泡，動(dòng)物放個(gè)屁，很有可能就是沼氣。但是這種釋放到開(kāi)放環(huán)境下的“散裝”沼氣馬上就消散掉了，一般不必?fù)?dān)心發(fā)生爆炸。而在密閉條件下，沼氣“有組織無(wú)紀(jì)律”不斷產(chǎn)生和聚集，到達(dá)一定數(shù)量，再遇上明火，就成了一個(gè)炸彈?？扇嘉镔|(zhì)（可燃?xì)怏w、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(huì)發(fā)生爆炸，這個(gè)濃度范圍稱為爆炸極限?？諝庵谢旌嫌?%~15%的甲烷氣體時(shí)，遇到火星就會(huì)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(dāng)于8.7公斤 的TNT炸藥[2]。熊孩子可長(zhǎng)點(diǎn)心吧，別惹下水道。

“無(wú)組織無(wú)紀(jì)律”的沼氣就無(wú)害了嗎？從小了說(shuō)，沼氣比較臭，因?yàn)檎託庵谐硕趸己图淄橥猓€有硫化氫等有毒氣體。如果是在地勢(shì)低洼、污染嚴(yán)重以及空氣不流通的密閉空間，特別應(yīng)當(dāng)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(shuō)，沼氣中的甲烷，是一種強(qiáng)效溫室氣體，城市垃圾填埋、畜牧養(yǎng)殖業(yè)等人類活動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生大量甲烷，加劇全球暖化。

圖2.甲烷是最簡(jiǎn)單的有機(jī)物丨來(lái)源：wikipedia

厭氧微生物

萬(wàn)物生息，無(wú)非三種流轉(zhuǎn)：物質(zhì)、能量、信息。生命在倒騰各種化學(xué)物質(zhì)、發(fā)生物質(zhì)的分解和合成時(shí)，往往伴隨著能量的產(chǎn)生和儲(chǔ)存。

綠色植物在進(jìn)行光合作用的時(shí)候，利用陽(yáng)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(chǔ)存在糖類中（光能自養(yǎng)）。人類及動(dòng)物等在分解糖類的時(shí)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(guò)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(shí)質(zhì)上重點(diǎn)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(méi)有陽(yáng)光照耀和氧氣流通的地方，生命則有另一套方案。

沒(méi)有陽(yáng)光作為能量來(lái)源怎么辦？利用還原性無(wú)機(jī)物在氧化過(guò)程中產(chǎn)生的能量作為能量來(lái)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(guò)程中釋放的能量可以被硝化細(xì)菌儲(chǔ)存起來(lái)。

沒(méi)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(xì)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(wú)機(jī)氧化物或有機(jī)物作為氫及電子受體的生物氧化過(guò)程稱為無(wú)氧呼吸。不需要氧氣即可生長(zhǎng)的生物稱為厭氧生物。

Tips

如今的地球的大氣中，氧氣含量豐富。事實(shí)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(guò)了愉快的十億年。直到，藍(lán)細(xì)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。

圖：具有四十六億年歷史的地球，有約十億年的時(shí)間由厭氧生物主宰者[3]

沼氣發(fā)酵

在含有大量有機(jī)質(zhì)的環(huán)境中，初期，好氧細(xì)菌大量繁殖，有氧呼吸過(guò)程將氧氣消耗殆盡，就產(chǎn)生了適合厭氧微生物生長(zhǎng)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(dòng)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?，F(xiàn)已鑒定的產(chǎn)甲烷菌超過(guò)五十余種[4]。

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(wú)機(jī)還原物、作為能量來(lái)源，將氫轉(zhuǎn)移給外源無(wú)機(jī)氧化物二氧化碳，以此過(guò)程所釋放的能量作為合成代謝的能量來(lái)源，因此產(chǎn)甲烷菌是一種化能自養(yǎng)微生物。

微生物降解利用葡萄糖時(shí)，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(guò)程產(chǎn)生的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于有氧呼吸。

而產(chǎn)酸產(chǎn)氫菌所需要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)則仰賴于一類可以水解大分子營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)并進(jìn)行初步發(fā)酵的微生物。例如棱菌屬、擬桿菌屬等細(xì)菌，它們將碳水化合物和蛋白質(zhì)等大分子有機(jī)質(zhì)降解為小分子有機(jī)化合物，如葡萄糖、氨基酸等，再由梭菌屬、擬桿菌屬及其他細(xì)菌（如乳酸菌類、丙酸桿菌屬）進(jìn)一步將水解的產(chǎn)物降解為小分子的醇類、有機(jī)酸類[7]。

由此可以看出，甲烷發(fā)酵過(guò)程十分復(fù)雜，只有產(chǎn)甲烷菌是不夠的：需要多種細(xì)菌類群，以微生物生態(tài)方式，共同合作，才可以完成。這個(gè)生態(tài)系統(tǒng)包含發(fā)酵性細(xì)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(gè)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(yíng)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(xì)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(guò)程。

圖5：沼氣發(fā)酵需要多種微生物類群共同完成[8]

在有機(jī)質(zhì)厭氧發(fā)酵過(guò)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(huì)逐步被還原為硫化氫有毒氣體。在富含磷的人或動(dòng)物尸體腐爛過(guò)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(lán)綠色跳動(dòng)的火焰，就是傳說(shuō)中的“鬼火”。

圖6：硫酸鹽還原菌中，硫酸鹽作為無(wú)機(jī)電子受體逐步被還原為硫化氫丨來(lái)源：wikipedia

結(jié)語(yǔ)

“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(huì)帶來(lái)實(shí)實(shí)在在的傷害。真正應(yīng)當(dāng)敬畏的不是鬼神，而是“敬科學(xué)，畏無(wú)知”。無(wú)知者，人均熊孩子。

煙頭也不要亂扔哦丨圖源：網(wǎng)絡(luò)

大過(guò)年的看這個(gè)，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(xiàn)

[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(xué)（第4版)》

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