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大年初五,破五崩穷:崩走穷气、晦气,还有沼气?!

撰文 | 李庆超(山东师范大学)

正月初五是农历新年很重要的日子之一,这一天俗称“破五”。人们在初五这一天痛痛快快的打扫卫生,放鞭炮(禁放地区的读者遵守禁放令哦),为的是把穷神扫地出门,用鞭炮赶走五穷(智穷、学穷、文穷、命穷、交穷),并且迎接财神,祈求开市之后买卖兴隆、财源广进。孩子们不爱干家务、打扫卫生,但是放鞭炮在行呀,炸冰炸雪啦、炸个大白菜啦(某些同学:我炸过更精彩的)。歪!燃放烟花爆竹可要注意安全,特别是家长要给孩子做好安全教育。今儿咱就聊聊“你崩它,它就崩你”的神秘力量。

“看动图都吓得一激灵,要是在现场,可能当场祛湿。”不对,你应该当场制止啊!“熊孩子,千万不要往下水道里丢鞭炮。要不然,一个跟头云,你可能就火光带响的走了!你这鞭炮可能没这么大神力,但是它有啊!”

它就是——

 

沼气

沼气(Biogas)是农业废弃物、城市垃圾、粪便、污水等富含有机质的物质在堆肥、垃圾堆、化粪池、污水沟等处经过厌氧发酵产生的气体(又是发酵!发完馒头发沼气)。沼气的主要成分是占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氢 (H2S)、氨 (NH3)、氮气、氢气、水分等。沼气的主要成分甲烷也是天然气(Natural gas)的主要成分,是一种易燃易爆的气体。

大多数人了解到的沼气,是从课本上讲的沼气池里产生的。这种收集起来可控利用的“有组织有纪律”的沼气,可以用来烧火做饭、照明发电。因此沼气属于二次能源,并且是可再生能源。沼气池除了可以产生沼气之外,一方面解决了人畜粪便、农业秸秆等废弃物焚烧等污染的问题,另一方面还可以产生肥效更高的生物肥,是我国生态农村建设的重要内容。

 

图1:沼气池的结构及用途[1]

实际上,臭水沟子里冒个泡,动物放个屁,很有可能就是沼气。但是这种释放到开放环境下的“散装”沼气马上就消散掉了,一般不必担心发生爆炸。而在密闭条件下,沼气“有组织无纪律”不断产生和聚集,到达一定数量,再遇上明火,就成了一个炸弹。可燃物质(可燃气体、蒸气或粉尘)与空气(或氧气)均匀混合后在一定的浓度范围内,遇着火源才会发生爆炸,这个浓度范围称为爆炸极限。空气中混合有5%~15%的甲烷气体时,遇到火星就会发生爆炸。1立方米甲烷的质量约0.657千克,爆炸产生的能量为36.5兆焦耳,相当于8.7公斤 的TNT炸药[2]。熊孩子可长点心吧,别惹下水道。

“无组织无纪律”的沼气就无害了吗?从小了说,沼气比较臭,因为沼气中除了二氧化碳和甲烷外,还有硫化氢等有毒气体。如果是在地势低洼、污染严重以及空气不流通的密闭空间,特别应当注意,不要贸然闯入此种环境。如果有人已经倒下,贸然下去救人可能还是送了人头。往大了说,沼气中的甲烷,是一种强效温室气体,城市垃圾填埋、畜牧养殖业等人类活动都会产生大量甲烷,加剧全球暖化。

图2.甲烷是最简单的有机物丨来源:wikipedia

 

厌氧微生物

万物生息,无非三种流转:物质、能量、信息。生命在倒腾各种化学物质、发生物质的分解和合成时,往往伴随着能量的产生和储存。

绿色植物在进行光合作用的时候,利用阳光的能量,把二氧化碳和水转化为糖类,并释放氧气,而能量也储存在糖类中(光能自养)。人类及动物等在分解糖类的时候,消耗氧气,产生二氧化碳和水,并生成能量供自己使用(化能异养)。

在这些过程中,发生了水的裂解、氧气的形成,或氧气的消耗、水的生成,实质上重点是电子、氢的流转,及其所伴随的大量能量的消耗或产生。

而在那些没有阳光照耀和氧气流通的地方,生命则有另一套方案。

没有阳光作为能量来源怎么办?利用还原性无机物在氧化过程中产生的能量作为能量来源,把二氧化碳还原成糖类(化能自养),比如氨气氧化为亚硝酸根、硝酸根的过程中释放的能量可以被硝化细菌储存起来。

没有氧气接收氢离子或电子怎么办?那就把电子或氢离子变成氢气直接释放走(产氢细菌),或者把它们交给氧化物(比如产甲烷菌或产硫化氢的硫酸盐还原菌)。这种以外源无机氧化物或有机物作为氢及电子受体的生物氧化过程称为无氧呼吸。不需要氧气即可生长的生物称为厌氧生物。

Tips

如今的地球的大气中,氧气含量丰富。事实上,早期地球是缺乏氧气的厌氧环境。厌氧菌霸占地球,度过了愉快的十亿年。直到,蓝细菌出现,地球大气的氧含量逐渐增加。而大部分厌氧生物视氧气为毒气,如同泰坦,只能屈居泥沼、深渊。

 

图:具有四十六亿年历史的地球,有约十亿年的时间由厌氧生物主宰者[3]

 

沼气发酵

在含有大量有机质的环境中,初期,好氧细菌大量繁殖,有氧呼吸过程将氧气消耗殆尽,就产生了适合厌氧微生物生长的环境,其中产生甲烷的主要菌群是产甲烷菌(Methanogens)。产甲烷菌是一类在厌氧环境下可以产生甲烷的古生菌,它们存在于湿地沼泽、反刍动物的肠道、人类的肠道以及海底沉积物中,在污水处理中也发挥着不可或缺的作用。现已鉴定的产甲烷菌超过五十余种[4]

图4:产甲烷菌。a, Methanobrevibacter smithii 扫描电镜;b,Methanococcoides burtonii 透射电镜伪色图[5]

产甲烷菌以氢气为无机还原物、作为能量来源,将氢转移给外源无机氧化物二氧化碳,以此过程所释放的能量作为合成代谢的能量来源,因此产甲烷菌是一种化能自养微生物。

 

除此之外,甲烷也可以由乙酸或乙酸离子分解产生:

CH3COOH→CH4+CO2

等等,谁会往下水道排氢气和醋?

产氢细菌可以发酵小分子醇、脂肪酸及单糖转化为氢气、乙酸、甲酸等,供产甲烷菌作为产生甲烷的原材料。产氢菌(例如产氢梭菌、湿热产氢菌等)产生氢气的过程,实际上是有机营养物质分解代谢过程中不完全氧化的结果。

生物产氢过程如下:

微生物降解利用葡萄糖时,未彻底氧化,最终生成乙酸(和甲酸)、氢气及二氧化碳,并释放每摩尔216 或209 千卡的能量[6]。这种过程产生的能量远远小于有氧呼吸。

而产酸产氢菌所需要的营养物质则仰赖于一类可以水解大分子营养物质并进行初步发酵的微生物。例如棱菌属、拟杆菌属等细菌,它们将碳水化合物和蛋白质等大分子有机质降解为小分子有机化合物,如葡萄糖、氨基酸等,再由梭菌属、拟杆菌属及其他细菌(如乳酸菌类、丙酸杆菌属)进一步将水解的产物降解为小分子的醇类、有机酸类[7]

由此可以看出,甲烷发酵过程十分复杂,只有产甲烷菌是不够的:需要多种细菌类群,以微生物生态方式,共同合作,才可以完成。这个生态系统包含发酵性细菌、产氢产乙酸菌、耗氢产乙酸菌、食氢产甲烷菌、食乙酸产甲烷菌,共五个大的类群。

其中前三种类群不能产生甲烷,但是可以水解或初步发酵营养物质,为产甲烷菌提供原料。而后两者可以利用其他细菌所产生的氢气、乙酸等物质产生甲烷。它们之间互相支持,又互相制约,共同完成沼气发酵过程。

 

图5:沼气发酵需要多种微生物类群共同完成[8]

 

在有机质厌氧发酵过程中,并不是所有的氢气或还原力都是由二氧化碳接受的,如果硫氧化物或硫酸根接受氢,则会逐步被还原为硫化氢有毒气体。在富含磷的人或动物尸体腐烂过程中,还原力被磷酸盐接收,则磷元素被逐步还原为磷化氢。磷化氢极易自燃,产生蓝绿色跳动的火焰,就是传说中的“鬼火”。

 

图6:硫酸盐还原菌中,硫酸盐作为无机电子受体逐步被还原为硫化氢丨来源:wikipedia

 

结语

“我害怕鬼但鬼未伤我分毫”,我不害怕下水道,但下水道可能会带来实实在在的伤害。真正应当敬畏的不是鬼神,而是“敬科学,畏无知”。无知者,人均熊孩子。


大过年的看这个,太刺激了。喝杯酸奶压压惊,酸奶也是厌氧发酵的产物哦。
 

参考文献

[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《微生物学(第4版)》

 



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