微生物与人：污染、腐败和变质

Chapter 7　Microbes and Man

我是家庭中自豪的父亲。我长大成人，把血统延续到了新的一代。与此同时，我的孩子们也接受了一批“家庭财产”，我不了解别的家庭，但这点对我来说是相当出乎意料的。孩子们对这些财产却不觉陌生，我想读者们会发现自己也面临着相似的处境：家中积累了数量庞大的废品。为避免我的孙辈们中有人读到此处感觉不快，我得赶快加上一句话：这些东西对他们说来并不是废品。它们是每只赛璐珞鸭子、每块塑料砖、每只绒毛兔、每片彩色布头、每张流行唱片、每部散了架的半导体收音机，以及墙上的每幅流行艺术广告，桩桩件件都是每位子孙亲身经历之物，都记载着主人的一段完整的故事。记得我年幼时，玩具不多，其寿命也有限。例如一列装有发条的火车，玩一玩发条就断了，修了没几次后只好扔进垃圾箱。运气不好的话，某些玩具几周就坏了，一般的玩上数月，如果小心些或玩具特别结实也不过几年光景。而今，玩具似乎都很耐用。我36岁女儿的一只美国产的可洗涤的毛茸茸的尼龙贴身狗，已活过战前玩具熊平均寿命的5倍时间了，尽管用得有些发旧，却乖乖地陪伴我的孙女步入成年。好了，对于尼龙狗和我的子孙，我都很满意，但还有大量物品说不上有什么用处，它们往往是由某种塑料制成，已经弯曲变形，螺钉丢失。照我看来，再过10年，我们得把家里的房间全部腾出来，用以储藏我心爱的子孙们的那些心爱的玩具。

你一定会问，这与微生物有什么关系？啊！你的问题一语破的。还是让我来一点一点把它讲清楚吧。如同一个小家庭积攒了毁坏不了的物质垃圾那样，本行星上的文明人也聚集了一大堆工艺品，它们由木料、铁、石块、混凝土、砖头、塑料、洋铁皮、玻璃、陶瓷等原料制成，大多数都经久耐用。不仅如此，他们还向本行星的生物圈中抛弃衣物、食物残渣、断枝碎叶、同伴遗体、宠物和家畜的尸体、排泄物、纸张、头发和指甲屑。那么，是什么东西使我们避免生活在没过膝盖的垃圾中呢？

你会回答道，是微生物。正是如此！在土壤、水、下水道、垃圾堆中的微生物转化着人类社会的废弃物，把它们变成能被再利用或至少是无毒的物质。这里，微生物为人类贡献了它们最大的用处，否则木材不枯朽、尸体不腐烂、排泄物和草木散落各处却纹丝不变，世界会成什么样子我们可想而知。当然，这种情况不可能出现，因为如果那样的话，元素的生物循环在千万年前就该停止了。不过，要想理解微生物的经济价值，这种假设还是有用的。微生物把人从维持本行星生命过程的生物学循环中取走的物质（或碳、氮等）送了回来，当然，天然的或人为的火灾对这个过程也助了一臂之力。腐败、变质与破坏同生长、合成与生产是相反的过程，但它们对地球的经济十分重要。遗憾的是，它们对实业家的经营活动并非如此重要。因此，在概述这些过程时我必须指出，我们对这些过程的知识还有所欠缺。之所以如此，既是因为我们在了解微生物方面的研究工作步伐不够大，又是由于基金不足和从事经济微生物学基础研究的实验室数量有限。抱怨的话姑且不谈，让我们来看一下，在本行星经济的恢复中，究竟哪些微生物真正起了作用。

变质、腐败和垃圾处理是微生物学上对于类似过程的3种说法。人们用“变质”一词表示他们不希望发生的某些事情；“腐败”是一个完全中性的词；“垃圾处理”则是指人们受到鼓励去做什么事情。处理过程留待下章讨论。在本章中，我将把关注点放在情况不太妙的方面，说说人类在和无生命世界打交道时，微生物造成的影响——腐蚀、破坏及一般妨害。

我照例首先想到了我们的胃，并考虑到了食物的破坏过程。众所周知，食物放置过久就会变质，除非把它们进行腌制、灭菌、干燥或深低温冷冻。当食物中有微生物生长起来时，变质过程就会出现，食物的黏稠度、气味和味道将发生变化。用来保存食物的办法，关键都在于延缓或防止微生物的生长。读过第三章和第四章的人按说都会清楚，几乎各类食物都是细菌生长的良好培养基。把一块熟肉敞开放置在温暖的厨房中一两天，偶尔落入的空气中的微生物就会聚集其上，此外还有在其周围经过的人与宠物咳嗽和喷嚏时带进的、昆虫的翅膀散播的、厨师的头发和衣服上掉下的微生物。试想一下，菜肴在烹调之前，各种原料都要准备好，然后放在一起，因此它们就要受到来自厨师手上微生物的随意污染，还多少会沾染厨师口腔中丛生的杂菌，另外，炊事器具上也会留有一些细菌，只要他们在清洗后用污染过的抹布擦干过。听起来真令人忧虑；不过，准备阶段还算是十分卫生的。这时，微生物大多处于休眠状态，正在繁殖的即便有也为数甚少，且多半是无害的。如果厨师手指上有被感染的伤口，则少数有潜在危险的病原菌可能是存在的。不过即便是这样，这盘原材料仍是无害的，因为其中微生物的数量还是很少的。肉和蔬菜组织大都新鲜完好，水是很纯净的，食盐和调味料多不属于微生物所需的养分。若将它们在温暖环境中放置几小时，肉和蔬菜组织就会开始变坏，而这个过程部分是由微生物的作用引起的，部分则源于内部的化学过程，而许多养分就被微生物取作繁殖之用了。但是，这时的混合物还是十分安全的。接着，厨师把它们放在瓦罐或带柄小锅中烹煮几小时，则所有的微生物均被杀死了；全部孢子也会被杀灭，除非这位厨师很不走运。假设厨师正在做一锅炖肉，如果煮3小时后从炉子上端下供人享用，那么在这份热乎乎、营养丰富、味美可口的食物里，我曾提到过的微生物只能有难以觉察的小贡献。然而我们不妨设想一下，有一些肉剩了下来，当它们冷却后，空气中和头发里的微生物又掉了进去，而由于食物已经过烹煮，故各种最富营养的精华均从原料中被浸取了出来。于是，微生物就找到了一个完美的温暖培养基，并开始繁殖起来。

让我举个例子来加以说明。假设晚餐之后的晚上8时，有10个葡萄球菌从某人的拇指上落入剩肉中。主人给菜碗扣上盖，放在一边就再没想起。厨房里面很暖和，葡萄球菌就开始繁殖起来。到晚上9时增为20个菌，晚上10时为40个菌，半夜12点时为160个菌。假设微生物每小时分裂一次，那么到第二天中午，剩肉中已有约60万个葡萄球菌了。事实上，在相当暖和的环境中，分裂速度可以加快到4倍。这时，人们开始闻到肉有点异味，不过外观依然如故，然而，其中正发生着一些相当使人担心的化学变化。因为当每一个顶针大小的体积中微生物数量达到约1亿时，人们才能看出肉质变坏。作为肉类和植物蛋白质的组成成分的氨基酸转变成叫作尸碱的物质，同时，更有毒的微生物产物也在形成。假设厨师没注意，把它放在炉上加热一下就给人吃了。微生物固然被杀死了，但在1/3的场合下尸碱依然存在。无论谁吃了它都会闹肚子，不过可能很快就好转了；或者人们只是吃起来发现有点变味，但没造成进一步的伤害；还有些人可能并未发现异常。究竟会发生哪种情况，取决于食物储藏时的环境温度。假如食物放在靠近火炉处过夜，它就会变得非常有毒，而在凉快的食品储藏间中，它可以很安全地放上一天。葡萄球菌在冰箱中完全不会生长。然而，嗜冷细菌能够在其中缓慢地生长，并进一步引起尸碱的形成，虽然这得花上几天工夫。

现在我们来设想一下，如果不是能再加热的炖肉，而是适于冷餐的馅饼一类食品，情况又会如何呢？无论是谁，只要吃了它，就咽下了数量可观的活菌，而如果那些菌正好是致病的，那么他们的口腔和胃肠就会出现严重的感染。大多数食物中毒是因为预处理食物的储存环境太暖和，结果食物不仅变质得更快，而且长出了来自厨师的病原菌。制作食物之所以要加防腐剂，是因为防腐剂其实是一种消毒剂，它对人的影响可以忽略不计，却能使微生物半死不活。就个人而言，我常不能忍受食品中带有普遍采用的防腐剂，不过那纯属口味问题。

虽然化学防腐剂是广泛使用和不可避免的，但仍有许多传统工艺可被用于储存食物，使之免受微生物的影响，例如酸浸法、糖腌法、盐腌法等。酸浸法就是把食物泡在醋酸（醋）中，它使食物变得很酸，以致微生物无法生长而食物得以保存；糖腌法也可防腐，果酱和糖浆罐头就是例子，因为能在浓糖液中生长的细菌甚少，酵母菌和霉菌倒是能在糖的保藏物中生长，但它们往往是无害的，否则显然不会有人愿意吃这种食物；盐腌是储存肉品和鱼类的一种方法。盐腌法的事实依据，是大多数引起腐败的细菌都不能在浓盐水里生长。如果盐水中含有硝酸钾（硝石）或硝酸钠，名为嗜盐脱氮副球菌的嗜盐微生物就会在其中生长，并把硝酸盐转变为具有防腐作用的物质亚硝酸盐，后者能与肉中蛋白质形成红色化合物，因而对普通微生物的攻击变得更不敏感。这样的肉被称为腌肉，这样的腌制工艺使腌肉呈红色。用微生物腌制肉类是没有必要的，因为化学品亚硝酸钠就有类似的功能，但由于这种化合物有轻微毒性，所以它的应用在许多国家受到了法律限制。不过，人们对硝酸盐和嗜盐脱氮副球菌的使用常是随心所欲的！人们之所以常把亚硝酸钠视为肉类罐头的原料，理由就在于此：它既是防腐剂，又是腌制剂。

如果灭菌不充分，罐头食品和瓶装食品就会变质。致黑脱硫肠状菌是一种嗜热菌，它能生长在热水中，而且会产生能抵抗长期加热的孢子。作为一种厌氧菌，它很乐意被封进罐头里；同时，作为一种硫酸盐还原菌，它能生成恶臭气体硫化氢。人们把罐头食品（如玉米罐头）的这类变质称作硫臭变，理由显然就在于此。幸好在20世纪30年代，人们就已经了解了这种特殊的变质，所以当今的罐头生产很少遇到这种情况。致黑脱硫肠状菌也喜欢生活在浓糖液中。糖蜜是没有精制的糖浆，加工时，要把它加热到很高的温度才能使它容易流动。这一高温加热过程足以杀死绝大多数的细菌，但是，致黑脱硫肠状菌却能在这种环境条件下生长良好，所以它在制糖工业中一直使人大伤脑筋。热解糖梭菌是另一种能产生芽孢的厌氧菌，它能在罐头食品中产生气体，使开罐头时出现爆炸。最危险的细菌之一是肉毒梭菌，它偶尔出现在罐装或瓶装食品（常为肉或鱼，虽然它也在蜂蜜中制造麻烦）中。虽然这种细菌本身仅在特别的环境下才有致病性，但其产生的毒素是剧毒物质。这种细菌已被推荐为生物战的一种病原。肉毒梭菌病就是吃了被该种细菌毒化了的食物引起的，常致人死命。

霉菌能使面包、干酪等类食品变质，一般来说肉眼可见且对人无害。但也有不少极端的情况。曲霉属的霉菌能使不够干燥的谷物变质。解决这一特殊问题的办法是在密封舱中湿储谷物，这样谷物就能通过自身的呼吸产生多量的二氧化碳，足以防止霉菌生长。烟曲霉是一种能使家禽致病的霉菌，它穿过蛋壳，在蛋内产生孢子，使孵出的雏鸡出现肺部感染。由于接触到病鸽，法国拔鸽毛的工人会染上假结核病。20世纪50年代曾发生一起与花生生产有关的惊人变质事件，系霉菌所为。黄曲霉是另一种霉菌，可污染已收获的花生，在其中产生叫作黄曲霉素的有毒物质。人们在以这种花生饲养的家禽中发现了肝脏损害，因而首次发现了这种物质。当发现黄曲霉素能够在人和动物中引起癌症，并在专供人消费的某些食物（如花生酱）中露面时，人们显然提高了警惕。虽然这种状态现已得到控制，但有一段时期，人们曾因花生制品中可能出现致癌物质而忧心忡忡。

微生物能导致食品变质这点现已家喻户晓。可以说，文明社会的整个购销贸易活动，都是基于通过或传统或现代的措施，设法延缓或阻止微生物造成的产品变质过程。我们不妨来考虑一下鱼类产品在销售过程中出现的问题及其解决办法。在食品工业中，基于对变质、污染和防护过程的了解和控制，我们已开发出一整套食品微生物学技术。到目前为止，在本章和第五章中所举出的例子，只是说明性的而无法包罗万象，因为本书中不论哪一章，要想就相应领域做出充分的概括，恐怕都要写一本书才行。既然本书是对微生物与人类的概述，我就不继续在食物上费笔墨了，下面我们讲点其他有趣的话题——微生物对非食用物质之破坏作用。

你见过一双发了霉的旧园艺鞋吗？你注意过老房子的墙上和天花板上的霉粉吗？这是微生物攻击和毁坏那些人们觉得本应很耐久的材料的两个例子。这两个例子其实是我仔细考虑后特意挑选的，因为在这两种情况下，材料本身都没有受到微生物的攻击。皮革对微生物的作用也具有相当强的抵抗性——即使在热带国家也是如此，而昆虫和蛆才是最严重的破坏因子——但是用于上光和改善皮革质地的涂料或附加制剂却会受到微生物的侵犯。这些成分通常是霉菌在皮革上生长时用作食料的物质，当微生物繁殖起来之后，它们产生的色素就会侵蚀皮革表面，形成难看的污秽。同样地，天花板灰泥和墙壁上的霉，也并不是由于微生物以灰泥本身为食，而是因为那些涂料、纸张以及常用以粘贴墙纸和天花板纸的糨糊是微生物生长所需的物质。大多数装饰材料中含有杀菌剂，可以阻止霉菌生长，但由于房屋（如刚修建的或废弃了的）格外潮湿，杀菌剂会被溶掉，于是霉菌得以生长起来。遍及全英国的家用中央暖气装置给人们带来了一点小麻烦：室内温暖空气中的水汽凝结到窗玻璃上，水滴汇集的窗框由于家人烹饪、呼吸、出汗等活动而积有微量营养物质；于是霉菌生起来，使局部呈墨绿色。这种使房主人极为恼火的颜色通常是霉菌孢子的颜色，因为霉菌本身是没有什么颜色的。在热带，霉菌可造成巨大的毁坏。电器设备的漆、树脂和绝缘层等物质中都含有维持霉菌生长的物质。局限曲霉和灰绿曲霉格外引人注目，因为它们生长时产生的物质能腐蚀玻璃。第二次世界大战期间，它们在玻璃上呈膜状生长，使照相机、望远镜等设配的透镜遭到损坏。

纸浆是一种温湿糊状物，其中含有制浆木材、再生纸、其他纤维材料及诸如白黏土、矿物沙和淀粉等各种添加剂，它系多种微生物（特别是细菌）的宿主。这些微生物难免被带进原料中，大多无害。但有些会产生黏液而干扰造纸过程，还有一两类会危及工人的身体健康。微生物杀灭剂可用来对它们进行控制。纸张的斑变（从事古老手稿、艺术品或版画保管工作的人对此再熟悉不过了）似乎与丝状微小真菌有关，但它们的存在究竟是造成损害的原因，还是损害导致的后果，我们尚不得而知。

木材是很有抗性的物质，但它还是会被真菌侵蚀，任何遇到过家具腐朽的人都该知道这种情况会造成多大的损失和麻烦。在这种情况下，没有任何油漆的木材本身就是微生物生长所需的物质。从森林中和倒下的圆木上常见到的牛排菌，到罕见但很具活力的孢漆斑菌，造成木材腐烂的真菌不胜枚举。杂酚油等木材保护剂可以保护木材免受使其腐烂的真菌侵害，每用一次甚至可以管用好几年，但保持木材干燥才是真正有效的措施。即使在像英国这样潮湿的国家中，只要避免受潮，屋顶的房梁就可经几个世纪而安然无恙。

前文我曾讲过，具有破坏性的微生物也有它好的一面，即它在生物元素的再循环中起着重要的作用，而使木材腐烂的真菌在自然界中的价值，是它们能使木质中的碳返回生物学循环中。纤维素溶解菌，如其大名所示，能把木料、纸质及植物材料的纤维素断裂成能被其他微生物利用的简单的脂肪酸。它们甚至能生活在钻木昆虫胃肠道中，助其消化木质。真菌的生长需要空气，因此，譬如菜园的垃圾堆等地方就更容易受到细菌而非真菌的破坏，而肥堆的内部则常由大量的各类厌氧菌组成，它们靠纤维素溶解菌由纤维素形成的产物为生。如我在第六章中所述，甲烷（天然气）是该过程的终末产物。这类天然肥堆或许在石炭纪时代就出现了，并最终形成了煤。自然，以园艺规模来说，该过程由于受到干扰甚至到不了形成泥炭的阶段，但即使在此小规模下，堆肥也产生了很多热量，这些热量部分来自微生物代谢，以热的形式释放，就像你我在跑步时产生热那样。人们由此得以明白，本行星上嗜热菌何以如此般遍及各处。它们在大规模的大自然发酵作用中繁盛起来。

羊毛也会受到微生物的侵蚀，温带国家的房主或许更熟悉一种昆虫幼虫的破坏现象，我父母称它们为“羊毛熊”。在潮湿的环境中，尤其是在土壤里，霉菌和细菌对羊毛的分解速度都是十分快的。由于羊毛基本上是一种动物蛋白质（角蛋白），故分解后会放出含氮物质。所以我的父母曾告诉我千万别扔掉羊毛外套，把它埋进大黄的苗床里，你会得到大黄的好收成。我确定此话是灵验的，只是没过多久，我就吃大黄吃腻了。

微生物能降解用于皮革和墙面上的涂料，同样地，它们利用的是其中的添加剂，而非颜料本身。亚麻仁油等油酸及其相关物质被广泛用来承载涂料中的色素。尤其在热带地区，涂料被暴露于温湿环境中，细菌和真菌就会攻击这些物质，使涂料迅速遭到破坏。此间还有一个小插曲。到20世纪30年代为止，砷的化合物曾一直在某些涂料和壁纸中被用作色素，而当曲霉属、毛霉属和青霉属等许多更原始的霉菌在含有砷色素的其他材料上生长时，它们能够把砷化物转变为气体砷，后者带大蒜气味并有强烈毒性。由于人们长期呼吸含砷的空气，死亡现象时有发生，据记载，英国的最后一例死亡者死于1931年。

橡胶轮胎被认为是十分稳定的物质，但实际上，它会受到特种放线菌的侵害。1950年，荷兰的拉·里维埃（La Rivière）博士表明，世界各地的橡胶垫圈和衬垫，乃是随处可见的特种放线菌的肥沃培养基。这些微生物攻击组成橡胶的聚合物（胶乳）。橡胶受微生物侵蚀的方式还有一种，这是由天然橡胶在使用前要进行硬化所致。硬化过程指的是给橡胶加硫。如果橡胶是潮湿的，则氧化硫黄的细菌氧化硫硫杆菌就会利用这些硫而生长起来，并将其转变为硫酸。产生的硫酸又与橡胶及相连的纤维织物发生作用。在第二次世界大战期间，国家消防局的消防水管因此受到严重损坏。补救的办法是充分保持水管干燥，这就是消防训练常在一些看似琐碎的细节上严格要求的理由。对于类似的事件，大家应该也有耳闻，比如微生物导致瓶装水果的密封橡胶垫圈及其他材料的破坏。在所有这些事例中，橡胶的破坏都和产生硫酸有关。

据我所知，氯化橡胶、硅橡胶等合成橡胶和某些聚氟塑料，都在微生物的攻击下丝毫无损。人们一度认为像聚氯乙烯这类氯化塑料会受到细菌的影响，但事实似乎并非如此：某些成分或添加剂有时能促进细菌生长，而塑料本身却不受其害。幸好那些细菌无法作用的化合物还可进行燃烧和光分解，所以当代人类的塑料垃圾才得以最终返回生物圈。微生物能分解的物质被称作可生物降解的物质，而那些完全不受微生物作用的物质则被称为难降解物质。在碳原子的化合物中，后者是很少的，只有我刚才提到的合成聚合物、碳元素本身以及某些实验室合成的化学物质等。一些化合物的降解速度很慢，如土壤中由腐烂的植物形成的腐殖酸和煤焦油中某些复杂有机化合物。使人感兴趣的是，那些产生孢子的微生物的孢子外衣，对微生物的攻击是很有抵抗力的，仔细想想，这点也是挺合理的，但是它们迟早都会死去，否则我们周围就全是孢子了。

许多微生物可以消耗天然的烃类。最常见的是氧化甲烷的细菌，这种细菌能够靠氧化天然气来生长，据了解还有能氧化石油中烃化合物的细菌、霉菌和酵母菌。我曾介绍过氧化甲烷的细菌和能利用石油烃类的酵母菌，二者似乎都可能成为食物蛋白的来源。氧化烃类的微生物天然出现于油田中，在渗出区周围可见到它们的身影，这一现象常被用于石油勘探。而它们一旦进入储存的石油产品中，麻烦就来了。因为它们能使燃料变质。石油和煤油被储存于巨大的油罐中，罐底常有一层水。底层的水通常是无法避免的。如果储油罐靠近海，那么通常燃料是从油槽船泵入油罐里的，而与泵相连的管中首先是注满海水的。照这样说，内陆的油罐是不应带进水的，但是石油中溶入的水量可观，遇冷就会析出，所以即便是内陆，油罐的底部也会积聚一层水。氧化烃类的微生物就生长在这层水中，主要位于水和油的交界面。

我想重点强调一件事，那就是微生物是生长在水中的，而不是在油（汽油或煤油）里。我曾见过一些学术性相当强的报道，讲述微生物在石油工艺学中的作用，但这些报道里都没有澄清这一点。因此我更应强调：在石油工艺学的许多方面，微生物都会露面，包括我正要讨论的变质。但所有在这些环境中，它们都只生长在水里。请原谅我离题几句，这个原理还可以解释生活中一个常见的现象：在同一个食柜或冰箱中，奶油腐败极慢而很耐储存，乳脂却会迅速变恶臭。奶油属油包水乳剂，因为细菌只能在水里繁殖，陷进水滴里的细菌生长受限，故无法蔓延开来；而乳脂是水包油乳剂，单个细菌就可繁殖起来并蔓延各处，造成严重破坏。

让我们回到石油工艺学的话题上来。微生物常常生长于燃料罐底层的水中，一般说来没什么危害。如果适量的微生物淤渣出现于水层，微量地消耗着燃料，那么它们是没多大危害的。但是，若淤渣积得太厚，加之燃料周转缓慢，微生物就会把溶解氧消耗殆尽，水中就会缺氧，于是问题接踵而来。因为借助烃氧化菌生成的可用有机物，硫酸盐还原菌生长起来，它们使溶于水中的硫酸盐还原，于是硫的绝氧环境得以建立。长期以来，某些石油工艺学家认为，硫酸还原菌能利用硫酸盐亲自使烃类氧化，但许多科学家对此表示怀疑，因为经证明，菌株很难单独去啃烃这块“硬骨头”。不过，这些工艺学家的看法可能是对的：20世纪90年代，人们发现一种油脱硫杆菌能干这事。硫化氢的产生使燃料受到污染，至少有一部分转变成游离硫黄，进而对飞机喷油系统的某些部件造成腐蚀。在热带和亚热带地区，这类问题更容易出现：1952年，后又于1956年，因储油罐中燃料受到细菌的损害，英国空军的一些部门处于政治上困难的境地。铜片腐蚀试验，测量的是硫化物使燃料中光亮的铜出现暗带的速度，而油料变坏的征兆就是这一速度的提高。一旦油料变坏，除了降级使用——即把燃料用于像摩托车这类不大敏感的发动机——别无良策。预防措施主要靠定期清除罐底的水层，某些对硫酸盐还原菌有作用的化学药品也能生效。

微生物使石油变质的后果通常只是一桩简单的财政问题。因为变质的石油不如正常情况下那样容易售出，从而给油料的卖主带来经济损失。但在某些情况下会有更严重的后果出现。细菌的硫酸盐还原作用会形成的硫化铁，后者在暴露于空气时会受到氧化；而在罕有的情况下，清理油罐时，硫化铁氧化作用生成的热量足以点燃油罐中的石油蒸汽。由于此种原因，20世纪30年代，英国曾发生两起严重的油罐爆炸事件。

当进行金属器具和零件的工业生产时，人们常需在车床上切割金属，还必须同时对切割部件进行冷却和润滑。此道工序靠喷射油水乳状液（切削乳胶）来进行。某些乳胶是细菌绝好的栖息场所，尤其是在工厂停工而乳胶凝滞不动的时候。一旦烃氧化菌在乳胶中开始活动，其他的细菌就能生长，而有害的甚至是传染性的发酵过程就会一反初衷地产生出来。在这方面制定的一些卫生标准也有不尽如人意之处。20世纪50年代，一位权威人士主张：“不许工人向乳胶中吐痰、便溺及倒残汤剩饭。”我相信，能意识到问题的存在就是件好事。果不其然，现在向切削乳胶中加消毒剂已成为常规了。(www.xing528.com)

石油和其他油类都是具有经济重要性的烃类。普通沥青和小亚细亚沥青是碳和烃的混合物，均被用于敷设路面。在温湿地带，这两种沥青都能被土壤细菌分解。在美国南部，这种分解过程使道路受到了明显的损坏。这种情况在别处也可能出现，但其特有的变质原因一直未被大家认识到。沥青涂层被用于保护地下管道，而又是以其为食的土壤细菌缩短了这类涂层的寿命。煤堆的自燃可称得上是微生物攻击烃类的极端事例，即使在气候温和的地区，煤堆也会莫名其妙地变热，有时甚至自己着起火来。一种可能的解释是，就像堆肥那样，细菌使煤或其中某些成分氧化了，而某些能量以热的形式释放，因此在热量不易散发的特定条件下，不断进行的氧化作用就可引起燃烧。然而必须承认，这类细菌的存在既缺乏令人完全信服的证据，且细菌也不太可能产生如此大量的热能以致达到煤的闪点。但是，既有鬼火这种先例存在，而目前对此又无更好的解释，我们只能姑且做此推测。

你或许认为铁管或钢管能够抵御细菌的攻击，其实不然。铁管，以及其他一切没有采取防护措施的铁质构件，都会在潮湿的空气中生锈。这一事实众所周知，而水和空气对生锈不可缺少这点也是常识。如果你把一根铁钉浸入缺乏空气的纯水中，并保持密封以防空气进入，那么它将多年保持光洁明亮。一旦空气进入，铁钉就会迅速生锈。但是，埋在土壤中的铁管其实是相当隔绝空气的，尤其是当土壤被水浸泡而周围又有大量微生物耗尽透向铁管的所有空气的时候。然而在这种情况下，铁管反倒比它们在空气中腐蚀得更快，而引起这种腐蚀的元凶，乃是本书反复提到的细菌——硫酸盐还原菌。据估计，1990年，美国地下铁管的腐蚀造成了16亿～50亿美元的损失。这是非常严重的损失，故我拟特别花些篇幅来探讨其间的奥妙。

如果你把一块未生锈的纯铁放入水中，它将引起水分子裂解，而生成氢和氢氧化铁，其化学反应式为：

Fe＋2H2O→Fe（OH）2＋H2

若只有水存在，则反应一开始就会停下来，因为氢会附着于铁的表面而阻止反应继续进行。然而，如果有空气存在，则其中的氧就会同氢起反应，将其转变回水，这样，反应就会不断进行下去，直到铁全部锈光。有点化学知识的读者会注意到，Fe（OH）2并不是铁锈。这不要紧，我所描述的过程只是生锈的第一步反应，接下来还会出现各种反应，最终形成铁锈。虽然如此，但只要这第一步反应不发生，铁是不会长生锈的。如我在第二章中所述，硫酸盐还原菌不利用空气进行呼吸，而以还原硫酸盐代替之。我再以硫酸钙为例重写一遍反应式：

CaSO4＋食物→CaS＋被氧化的食物

当氧化任何能作为食物的物质时，细菌使硫酸钙变成了硫化钙。其中大多数的细菌，特别是脱硫弧菌，还具有能够利用氢的特性，反应式如下所示：

4H2＋CaSO4→CaS＋4H2O

严格说来，氢并不是一种食物（它不含碳），但是这个反应却可供给细菌能量，使其更经济地去利用含碳的食物。细菌一碰到铁管，接触到铁管的氢保护膜，就要利用这些氢去还原硫酸盐，并把氢转变成水。结果铁遭到腐蚀。进一步的反应是硫化物同某些铁反应而生成硫化铁。你常见到的发生在地下的腐蚀过程就属于这一类，因为这种腐蚀的产物含有硫化铁。它呈黑色而不是棕色，气味相当臭。

●被细菌腐蚀的铁管照片。图示为一段剖开的铁水管，表明硫酸盐还原菌的腐蚀作用。水管两面都受到了侵蚀。内面见到的壳层可能就是铁细菌引起的，这些壳层使厌氧的硫酸盐还原菌和溶于水中的空气相隔绝。

铁管的地下腐蚀是造成最大损失的微生物腐蚀作用，人们对其发生的过程和预防措施已有相当充分的了解。细菌侵犯水、气总管和排水管，而由于硫酸盐还原菌要被排到海水中，故它又会破坏海洋设施及损害船体。这些问题很难得到解决。从原则上说，不要把铁管埋进地下，除非你别无他法，而如果你一定得将其埋入地下，那就要注意让空气能自由接近管道，并在它的外面覆盖足够厚的涂料，使细菌无法穿透到金属层。（请记住，布帛、沥青、蜡、多种涂料和塑料都会受到土壤细菌的分解；也别忘了，不论多么牢靠的密封涂层，只需一位马虎的工人偶尔用鹤嘴锄一敲，它就又与外界贯通了。有些电化学防护方法虽耗资甚巨，却可望一劳永逸。）即使热水系统也难逃此类腐蚀。因为某些硫酸盐还原菌菌株是嗜热的，例如我在讨论食物变质时介绍过的致黑脱硫肠状菌，在适当的环境中，它们甚至能腐蚀家用热水系统的铜管，因为它们可以在循环系统的冷却部分生长，而形成的硫化物可扩散到整个管道，使铜变为硫化铜而使铜管毁损。在美国，我曾经在热水淋浴时闻过类似巴斯温泉水的气味，仔细观察后，我遗憾地发现，房主人的家用供水系统再过上一两年就该坏了。又是一个“博士该不该揭露真相” 的尴尬局面。那一次，我鼓起勇气告诉房主人，热水闻起来有臭蛋味，结果房主人非常狼狈而茫然不知所措。由于这种气味的产生过程很缓慢，他和他的家人都习以为常了，令人高兴的是，作为微生物学家的房主人很快就明白过来。他是怎么应对的？他卖掉这房子，另外购置了一套。

你自然会问：如果硫酸盐还原菌的硫酸盐还原作用是引起地下腐蚀的基本过程，那何不除去硫酸盐使整个过程得以停止呢？说得不错，但清除硫酸盐是不可能的。普通自来水的硬度主要来自硫酸钙，各种土壤水中都带着硫酸盐，墙粉和其他建筑材料都含有大量的硫酸钙。因此，日常生活中3种不可避免的物质——水、泥和灰尘——都是这些微生物的硫酸盐来源。我们这个行星上几乎没有一处会长期完全缺乏硫酸盐的。总之，细菌用不了多少硫酸盐，而且它们一点也不急，因为水管干线出现腐蚀最快也得3年左右。即使我将在第十一章中提到的缺乏硫酸盐的土壤中所含的硫酸盐，也足够那些细菌生长之需。只有当农作物需要大量硫酸盐时，土壤中才会缺乏它。

地下腐蚀并不全是由微生物侵害金属所造成的。为了使论述完整，我应当提一下非细菌干预所引起的地下腐蚀，这其中原理很不一般。地下腐蚀一词虽广为使用，却有几分不恰当，最好改为细菌腐蚀。生长于金属水膜中的普通微生物，是通过改变金属表面的电化学特性来加速普通的腐蚀过程的。像硫杆菌这类产酸菌，就能生成足量的酸去破坏金属和机器。如前所述，霉菌能侵犯电缆和金属丝的涂层，而受其作用之处，这些霉菌利用涂料而形成的产物就会破坏金属。铅和锌都是通过这种方式受到腐蚀的。在这些例子中，具有腐蚀性的是微生物作用所生成的产物。

真菌也能侵蚀建筑石材、石质饰品和混凝土。来自车辆尾气和燃物烟雾的烃类会沉积在石料上，真菌利用它们生成有机酸，进而腐蚀石料。破坏石料的就是这些酸。近来，研究者们观察到颇为相似的情况，即通常在土壤中使氨高效转变为硝酸盐的微生物——硝化菌能够把大气中的氨转化成硝酸，从而引起建筑物的广泛损伤。但是，有关微生物产物的腐蚀作用，更典型的事例是石料和混凝土的剥蚀。柬埔寨的吴哥窟寺庙早于多数欧洲建筑，显然是早期东南亚建筑的光辉遗迹。随着时间的推移，该处渐渐风化瓦解，灌木丛生。20世纪50年代，法国巴斯德研究所波雄（J. Pochon）博士找到了破坏的原因：该建筑所在地的热带土壤受到相当程度污染，其中的硫化物使石料遭到了侵蚀。无须我多费唇舌读者们也应该知道，这些硫化物是由硫酸盐还原菌产生的。在石料表面，借助于硫杆菌的作用，硫化物被氧化成硫和硫酸，而造成石料破坏的正是这种酸。吴哥窟是微生物腐蚀石料的悲剧案例，而可怕的战争、内乱及贫穷，对其更如雪上加霜。据了解，这类事例在我家乡附近也不少。巴黎的石像上就出现了这种腐蚀现象。下水管常用混凝土制成，它也会因同样的原因出现腐蚀。在这种情况下，硫化物来自污水本身，它以硫化氢的形式扩散到管顶，并在该处经硫杆菌作用而转化为硫酸。这类腐蚀的一个特点是管顶起坑。许多工业污水含有硫化物，所以冷却塔、混凝土管和混凝土入口井盖的腐蚀已经被证实是由类似原因引起的。然而，千万不要以为建筑物的各种腐蚀都是细菌性的。氧化硫是大气污染的主要成分，而在大城市中，这些化学物质的影响绝不亚于细菌的作用。例如，由于硫酸生成等过程的影响，西敏寺正在受到腐蚀，但腐蚀性酸的主要来源为伦敦的大气污染，硫杆菌的作用即使有也微不足道。

关于微生物变质作用，我可以没完没了地讲下去。我尚未涉及的问题还有很多，包括造纸工业中的霉菌、纤维溶解菌和硫酸盐还原菌所能产生的损害；蓝细菌是怎样破坏法国拉斯科的那些新近发掘出的石器时代岩画的；油井是如何被硫酸盐还原菌和与其相伴的细菌阻塞的；以及铁细菌和藻类是何以导致自来水管线与滤器的堵塞，使给水工程师们对供水故障的排除大伤脑筋的。

但是，我要就此打住，转而聊聊水污染问题了，因为凡在英国的海洋和河流中沐浴过的人都会对这种污染引起的伤害有所了解。我将在下一章中讨论海洋的石油污染问题；一般来说，只要有任何有机物（比如树叶、纸张、食物等）在水中沉淀，微生物就会生长，水就将受到污染。海洋或流动的河水可以容纳相当量的污染物，因为其中有大量的空气，而微生物能够将这些有机物氧化成二氧化碳，以及木质素、腐殖质等产物，后者几乎不受微生物的影响，而作为无害的沉淀全部沉降下来。但是，当水停滞不动，以致微生物耗掉全部可用的空气时，严重的污染就出现了。厌氧菌开始生长并产生腐烂的气味，鱼和植物也死亡了，污染更趋严重。硫酸盐还原菌迟早也会生长起来，由于它们所产生的十分难闻的硫化氢对多数生物都具有毒性，污染又加剧了。因此，水的微生物污染是自生自存的：若不早做预防，一旦发生再去制止，就为时晚矣。

●细菌的硫酸盐还原作用使鱼类丧生。1971年，南斯拉夫的帕里奇湖遭受严重污染，需氧细菌生长起来，耗尽水中的溶解氧，使厌氧的硫酸盐还原菌得以大量繁殖。它们产生的硫化氢引起大批鲤鱼中毒死亡。［蒙瓦莫斯（R. Vamos）博士特许］

在天然湖泊和池塘的底部，有游离的硫化物存在的地方常常会形成污染区。不出意料的话，这一层的正上方，通常就是氧化这些硫化物的细菌生活的区域。由于许多硫化物氧化菌是光能自养生物，即它们需要光照才能生长，所以这一层的深度取决于水的透明度和光的穿透距离。这层之上生长着鱼、藻类及浮游生物，整个湖泊是一个稳定的系统，硫循环在其下部静谧地进行着。湖泊、沟渠甚至海洋（如黑海）都是如此。下图所示为一典例。

例如，由污水或工业废物所造成的人工污染会对自然平衡造成灾难性的影响，它能使厌氧区扩展，并波及整个水系统。有时，由于着色硫细菌的生长，湖水和河水会在短时间内转变成红色。我曾在伦敦西部见过一个风景湖，它看起来好像含有红色颜料，但这种现象有赖于保持相当精确的硫化物浓度，所以很难长期存在。你还记得圣经上的这段话吗：“所有的河水变成了血，河里的鱼全都死去；河水发臭，埃及人不可能喝这河里的水。”（《圣经·出埃及记》，第7章，第20、21节）摩西或许就是得到了红硫细菌属的着色硫化物氧化菌的帮助，因为富含这些微生物的埃及奈特伦洼地与历史上最早的鼠疫有关。许多有色的水源都是由硫细菌所致，特别是当这些水源呈硫化氢气味时。不过，情况并不总是这样。在东非有一些苏打盐湖，它们的碱性相当强以致有硫化氢逸出；某种特殊的红硫菌栖息湖内，使水呈亮红色。显然，火烈鸟以这些细菌为食，而红色素使鸟的羽毛呈粉红色。

并非所有带色的水华都是由硫菌引起，褐藻、绿藻、小型水生植物及有色原生动物都可产生这样的颜色。红海的微红色归功于束毛藻属的一种丝状蓝细菌。在池塘、湖泊、流动缓慢的河水中，有时在相当广阔的海域中，有色蓝细菌旺盛生长的情况偶尔出现。伴其出现的还有微生藻类和各种原生动物，它们在水面形成有色的水华。这类水华通常表明了来自别处的某种污染：在海中，它们或许是一股富含营养的上涌的冷水，或许是人为的污染物；在湖泊、河流和池塘里，常见的原因是农田肥料的流入。一旦出现上述灾难，旺盛生长的蓝细菌中或许有某些品种存在，它们能产生致死鱼类和其他动物的毒素：养殖的牡蛎就曾因此使人中毒。无论如何，过了几周或数月，随着营养被水华逐渐用尽，微生物就先后死去。这些细菌将在海中消亡，但在较为封闭的新鲜水体中，它们在解体时会产生更严重的污染，别的细菌以此为养分繁殖起来，耗尽了氧的储备，更高等的有机体因之窒息死亡，于是，我们的老朋友硫酸盐还原菌取而代之，使硫的绝氧环境建立起来。

20世纪50年代的泰晤士河下游是河流污染的典型实例。在多数情况下，它的可溶性硫化物浓度都相当高，对鱼的毒性很强。船身的水下部分遭到了腐蚀，油漆变暗，周围散发出一股刺鼻的臭味。由于状况日趋恶化，政府在60年代实施了处罚条例。到了80年代，情况得到了惊人的改善，以致对污染最敏感的鲑鱼的数量都有望恢复。尽管政府在控制污染中发挥了作用，但工厂用水还是屡屡被污染。工业常常和污染的产生有关，好在较大型的产业部门现在都能自觉地担负起不污染内河的责任。但是大家忽略了那些小业主、水上人家和排水管道，问题从而日渐增多。污水只有经过严格处理才能向河道排放，这样通常不会带来危害。泄入大海的水较少受到限制，值得我们庆幸的是，大多数污水中的微生物均能够被海水中的盐分杀灭。但是江河入海口处的污染常常十分严重。英国的海峡疗养地黑沙滩之所以是黑色，是因为硫酸盐还原菌生成的硫化物与沙地里的铁盐发生了反应，形成了黑色的硫化铁。沙土一接触到空气又变成了棕色，则是由于硫化物被氧化为棕色的氧化铁。在温暖的天气里，尤其是热带气候条件下，这些受污染的沙和水能够形成荧光细菌的水华，因此，每个有水的脚印和旋涡都在夜间发出亮光。费希氏弧菌等细菌常常和这些现象有关。由于人的走动和浆的划动而接触到氧气时，它们就会发光。自然，这种现象是浪漫而吸引人的。遗憾的是，它的气味常常令人不敢恭维。

美丽的城市威尼斯也是一个受到微生物污染的海港。威尼斯的平底小船是黑色的。这些船不管起初是什么颜色，很快都会变成黑色。我的朋友——已故的巴特林（K. R. Butlin）曾向我解释过为何如此。原因是水道中硫化氢的污染。那么，硫化物又是从何而来的呢？没错！自然是来自硫酸盐还原菌。假如没有人为的干预，水的污染在自然界会走向极端。在非洲西南海岸外的鲸湾港，由于受到定期从海床喷发出的硫化氢的危害，几平方千米范围内的鱼全部死于非命。海风吹来大量的硫化氢，使海滨城市斯瓦科普蒙德的金属构件和颜料失去光泽，人们连大钟表面上的字码板都辨认不清了。当地记者曾说过这样的话：“傍晚的潮汐到来时，鲨鱼来到海面上艰难地喘气。”1954年，在斯瓦科普蒙德附近的海滩上，我见到死鱼堆积厚达1米，烂鱼臭气夹带着硫黄的刺鼻气味扑面袭来。这是硫酸盐还原菌作用所造成的最严重的结果。要扭转这种状况简直难上加难。

这些夏末的臭气都是由微生物引起大气污染的证据，无论它们是来自威尼斯、发黑的海港，还是沤熟的垃圾堆。这些臭气来源于微生物分解它们周围各种有机物时所产生的硫化氢、氨气和其他挥发性物质。这些环境问题远不是暂时的，人类工业活动造成的麻烦和这种污染相比，简直相形见绌。就连微生物也常常不能忍受这些臭味。生活在树叶上的玫瑰色掷孢酵母菌是比较容易计数的，因为它可以在琼脂上形成粉红色的菌落。这种酵母菌对二氧化硫这种都市空气中常见的有害污染物非常敏感。利用许多观赏植物叶片上的玫瑰色掷孢酵母菌，英国的微生物学家得以在一些欧洲城市中测定二氧化硫的污染情况。

我在上面所举出的例子足以说明，有些特别的微生物会对人类的经济发展产生消极的影响。在关注这些反面影响之前，我们在利用微生物的作用方面有什么教训值得记取呢？我想是有的。例如，比较一下投入在通过基因操作进行激素生产或开发新抗生素上的钱，和花在研究硫酸盐还原菌或水微生物上的钱，你就会得出一个悲观的结论。能为公司挣钱的研究是肯定会得到支持的，而多数实业家都是十分关心科学的，所以有利可图的研究都大有希望。至于只注重经济发展的研究，或只着眼于公共利益的研究，由于它们对特定的个人或集团没有明显好处，就没有什么吸引力可言。细心的读者也许会发现，上一张的重点——分子遗传学和生物工程在本章几乎没被提及。在下文关于废物处理的部分，它们会再次现身，但其中维持生物圈平衡的讲解过程似乎还是无人问津。只有当情况失控时，人们才会展开相关的研究，而且一些不怎么样的人也非要来试试，结果某些工作十分糟糕，但居然还发表了文章。更糟糕的是，个别优秀的研究项目徒劳无功，因为这些项目缺乏援助，科学家们只能孤独地跋涉在这片远离科学主流的荒凉滩涂上。根本问题出在管理上，因为从科学角度讲，这些研究没有任何理由被忽视。我在本章讨论了与破坏过程有关的微生物，这些形形色色的微生物所引起的问题具有极大的科学意义，因为它们处于生物的化学前沿，或者说它们属于地球生物化学的尖端课题。