微生物在废物处理和清除中的应用

Chapter 8 Microbes and Man

在上一章中，我讨论了微生物对物质的破坏作用。然而，我在开头就提到，这些破坏作用代表了微生物在本行星的自然经济中的一项重要功能：它们清除了高等动植物所产生的残留物，从而使它们体内含有的重要生物学元素得以再循环。微生物引起的变质、腐蚀和污染，只不过是这种普通功能的特例；污染物的处理与清除也是如此，这是人们专门利用微生物来除去无用物质的过程。

污水处理是微生物学处理过程的最重要例证，它对文明社会的健康甚为重要，也是应用微生物学最令人满意的形式，故我拟花些时间加以讨论。

当世界人口较少时，污水处理不成问题。古代希腊人和罗马人设有卫生系统，他们把浴室和厕所建在水上或靠近流水的地方。尤其是古罗马人，他们建成了永久性的浴室和污水排除系统，出人意料的是，这些排污系统有时是古罗马城镇出土后仅存的遗迹。到后来，生活标准就降低了。从中世纪和文艺复兴时代关于生活情况的资料中我们得知，那时的住所有时与猪圈无异，人们把台阶和偏僻的角落当作厕所，朝街上乱扔废物，往街上倒便壶，还很少洗澡。后来，人们才逐渐懂得了推广使用香料和香花。到19世纪中叶，工业革命引起了人口的增长，这些不良行为明显变得危险而令人生厌了。伤寒及霍乱等传染病流行起来，到1860年，雨水冲刷使伦敦的垃圾流进了河流，泰晤士河俨然变成了一条宽大的露天污水沟。英国在1845年和1875年颁发了公共卫生条例，并在1898年公布了皇家命令，实施了污水收集并处理的文明行动。到20世纪初，大多数城市中心进行了污水的集中排放。虽然当时的处理只是把污水排到本国的土地上，这些污水被用于灌溉西红柿等庄稼，于是就出现了“污水农场”这个名词。水经过土层过滤而变清，顺便肥沃了土壤。但没过多久，人们就发现这种净化方式是盲目的，地下水文知识的缺乏，可能会使受污染的水渗入饮水井，从而引起严重的危险。虽然仍然有少数污水农场存在，但在众多沿海地区，未经处理的污水一直是直接排入海中的。总体上说，近半个世纪以来，污水处理技术已大有进步，而在一些现代化的污水处理厂中，污水处理过程已高度自动化了，且效率不低。

我们现在来引用一些数据，从中不难对问题的严重程度有所认识。在伦敦的旧米德尔塞克斯区，每天超过人均220升的水被用来把污物冲刷进污水处理厂。一座用于150万以上人口的装置，每日必须处理3万吨以上的原始污水，它们收集从排水沟、厨房污水槽、浴室、厕所和工业废水排出管（污水系统）流入当地管网的污水。这些污水相当于约5000吨有机物。在把它们排放入河流和海洋以前，我们必须对其进行一些处理，否则水生微生物就会从中回收碳、氮、硫、磷等元素，并造成意想不到的污染。实际上，污水处理厂所做的事无非就是让这类循环过程在有控制的条件下进行，从而净化携带了污物的水，使污水的固体成分变得无害。对现代污水处理技术来说，这不算一件难事。固形物被加工成可销售的土壤改良剂或肥料，而水经处理后变得十分纯净，以致伦敦西部莫格登污水处理厂的工作人员能当着参观者的面喝进一杯水，以展示工业废水经处理后的净化程度。不过参观者未曾意识到，他们自身每天都在做那些工作人员演示过的动作。英国很注意节约用水，大量的净化水被送回饮用水库中。我过去常常纳闷，一杯普通的水在被我喝掉之前已经被别人喝过了几次。后来，我从纽约的哈特纳（Hutner）教授处得知，伦敦的水在饮用前平均已在7副肾脏中游历过。我倒是想知道，这是怎么算出来的。

如我所述，来自一座典型城市的污水，主要是由厨房污水槽、厕所和浴室等处的涮洗水组成的，还掺和了一些工业废水及一定量的天然排放水。稍加思索你就会明了，它的主要成分是人的排泄物，加上头发、纸、食物残渣和洗涤剂等。那是一种富含细菌且有机物浓度相当高的固态物质悬浮液，还是极适于细菌生长的培养基。为了最清楚地描述污水处理方式，我想通过一个虚构的污水处理厂，来对当今的主要污水处理过程加以介绍。

污水流入沉淀池，固态物质作为污泥沉在池底，沉降下来的物质叫作沉降污泥，后面我将简要谈及对它的处理。液体部分流到专门的池中进行剧烈的充气搅拌。这样，需氧菌便在其中生长起来，并把大量有机物氧化成二氧化碳，后者逸入大气中，净化过程的一个步骤因此得以完成。然而，由于更多的细菌繁殖出来，故污水需要再次沉淀，生成了富含细菌的污泥，名为加菌污泥，其中的一些被收集起来放回充气池中，以加速原有的CO2形成过程。整个过程是一种需氧性连续培养，其中产生的一些微生物被放回原有的培养导管（相当于充气池）中。其余的加菌污泥要么被放进沉降污泥中，要么被包装起来当肥料出售。整个过程叫作加菌污泥工艺。经此种处理以后，水得到明显的净化，通常可排放进江河中；此外，还可以用人们在污水处理厂所见到的那种旋转喷头，将水喷到焦炭一类多孔物质上，使之透过240厘米的厚层后慢慢漏下。这种多孔物质上长有霉菌、链霉菌和细菌形成的膜，以除去微量的有机物，流出的水就几乎可供饮用了。有时，人们会再通过沙滤把颗粒滤掉，这样可使水相当洁净，足可立即向河中或海中排放。

沉降污泥处理起来要困难得多。污泥虽然沉淀了下来，但还是含有90%以上的水分，故可将其泵入名为消化器的大罐中。这些属于另一类连续性培养物，它不进行通气，故长出的多半是厌氧菌。硫酸盐还原菌利用溶于水中的硫酸盐生成硫化氢，分解纤维素的细菌破坏纸及其类似物，但生长的主要微生物是甲烷细菌。它们借助于其他厌氧菌来破坏有机物，主要生成CO2和甲烷，二者均为气体。甲烷是沼气或天然气中的主要成分，是一种有价值的能源，虽然某些老式的污水处理厂仍然将其烧掉，但大多数现代污水处理厂则把它收集起来用以驱动机器。污泥消化器需要进行缓慢的搅拌，甲烷被用来驱动搅拌器和气泵；还可把甲烷压缩进气缸中用以开动卡车，有时可以作为商品出售。因此，沉降污泥发酵出来的甲烷是现代污水处理厂的一种有用能源。

消化器的容量可以大到容纳4000立方米污泥。每天加入5%～10%的待处理污泥，于是消化器成为一种厌氧的连续培养物，其内容物每10～12天更新一次。发酵作用相当强烈，故必须对发酵罐进行冷却。消化了的污泥仍然大部分由水组成，在罐内静置一段时间，使细菌及固形物（微生物对其作用缓慢或根本没有作用）沉降下来。这个名为脱水的过程效率相当低，因为某些残余的甲烷在继续生成，从而阻止了固体的充分沉淀。此阶段中可以加入抑制甲烷生成的沉淀剂。沉淀之后，水被放入加菌污泥装置，最终进入江河或海洋。沉淀下来的经过消化的污泥必须用车运走，设法处理掉。这种污泥是完全无害的，可作为土壤改良剂，或用作肥料，不过其中大多数有用的可溶性成分（氮、硫、磷）已被浸取掉。为此，它通常需要被烘干，尽管有现成的甲烷可用作能源来将它加热，但该工艺并不见得经济。在英国，人们常用船将它运往海洋中倒掉。按照法律规定，它们必须被运出海岸约32千米以外的地方，这样它们对沿岸区域的污染可达到忽略不计的程度。

小型污水处理厂可能只采用上述工艺的一部分，但最现代的厂房则各项工艺齐备。人们一定记得那可怕的情景：1997年，在英国海岸附近的许多场所，当地自来水公司还在向海里排放未经处理的污水；英国的海滨有1/10尚未达到欧洲共同体的污水污染最低标准。

当流入的污水含有使设备过载或对微生物有毒的物质时，问题就来了。例如，公共屠宰场的水和制酪场的污物就属这类废液，它们所含有机物相当丰富，必须用大量的水予以稀释之后，一般的污水厂才能对其进行处理。同大批这类物质打交道的产业常需建立起自身的污水厂来处理这些废物：此工艺名曰生物废水处理。化学工业和煤气厂也存在一定问题，因为它们的废水对普通污水微生物有毒。但是，如我在第二章所述，也有能够代谢各种各样奇怪化学物质的微生物存在，利用它们有可能建立起生物处理厂。英国克鲁依德郡卢阿本的蒙桑托化工厂产生含有各种酚类的废液，其中大多被用作普通微生物的防腐剂。通过在加菌污泥厂中建立能氧化酚的微生物群体并装配水淋滤过系统，废液可以得到充分净化，产生的水无须进一步处理即可排入河内。产生酚、氰化物和其他有毒物质的煤气厂以及产生生物废水的工厂，都配置有处理这些废物的设备。造纸厂产生的废液中含有大量从木材中浸出的有机物，还带有制备纸浆用的硫化物。这些废物是特别有害的液体，虽然这些硫化物对许多微生物有毒，却受到硫酸盐还原菌的欢迎，在该菌的代谢过程中，硫化物的用处不亚于硫酸盐。所以，若操作马虎，这些废物会立刻引起相当严重的污染。再者，必须对这些废液进行充分的稀释，以便普通污水厂对其做进一步的处理，否则，这类特殊工厂应建立特别的微生物群体，以便对废液进行处理。研究者们已经开发出了一些利用硫酸盐还原菌的技术，以求在一种特殊的水淋过滤器上除去硫化物，但据我所知，这些技术并未被工厂采纳。另外，这些细菌已被成功地用来从工业废水中除去有毒金属。例如，采矿工业产生的流出物和洗涤液常富含铁，特别是矿坑处于黄铁矿岩层时。若让这种废水流过富含还原硫酸盐微生物的生物滤层，它们产生的硫化物就能使溶解的金属沉淀为黑色的硫化铁，而液体部分则经传统的污水或排水装置流走。

在20世纪后期，饮水中的硝酸盐带来了一些麻烦。问题之所以出现，是因为氮肥（化肥或农家肥）以及在植物根内或周围由细菌固定的氮，要向土壤中释放含氮物质。氮迅速被土壤微生物转化为植物可以利用的硝酸盐。然而，植物吸收的硝酸盐几乎不到一半，余下的被雨水冲刷入河流、湖泊和地下水。随着农业活动的增多，尤其是肥料的应用，许多西欧国家（包括英国）及美国的饮水中硝酸盐含量日渐增高。由于流出或滤出的硝酸盐抵达水库需要花些时间，故其增高的势头至今未见衰减。长此以往，人体的健康势必遭到威胁，因为硝酸盐过量是有害的。因此，欧洲共同体对饮水中硝酸盐许可含量制定了上限。的确，在1979年和1990年干热的夏季里，英国的水库中硝酸盐含量超标了。好在通过混入各种来源的水，水利部门最终渡过了难关。为解决上述问题，荷兰开发出了一项令人满意的工艺来去除水中的硝酸盐。其原理是让水流过一根装有离子交换树脂的柱子，用碳酸氢根离子与之交换以捕获硝酸根离子，然后又以碳酸氢根离子交换而释放出硝酸根离子，再输送到一个容器中，让脱氮细菌将其转化为大气氮。这些细菌所必需的养料是少许甲醇。因此，以少量价格低廉的甲醇为代价，人们通过微生物使饮水变得纯净而含气，并且不再含有硝酸盐。

引起公众厌恶的污染物是海水中的石油，由于海中船舶泄漏石油，这种焦油状物质在海滨积聚。尽管有国际法制约，但意外或部分意外的海洋污染仍不时发生，且漏出的石油常被污染油罐底层水的海洋细菌所氧化，这正是我谈过的那些污染贮油罐底层水的细菌。不幸的是，这种胶黏的焦油状原油成分只能缓慢地被氧化，在当今多数欧洲海滨，这种焦油状物质使人们的衣物和儿童受到了玷污。

由于石油泄漏量较大，天然微生物难以把它们处理掉，于是它们会被冲到海滨，并带来麻烦。在整个20世纪里，世界石油被肆意消耗，越来越多的石油被巨型油槽船运输于世界海洋之上，在这种情况下，灾难性的泄漏就不可避免地会发生。公众首次遇到的危险是在1967年春出现的。托里坎宁号巨型油槽船在英格兰西南海岸外失事，数千吨石油流出，造成英格兰和法国海滨的污染。让那次事故相形见绌的灾难发生于1989年3月。那时，埃克松瓦尔迪兹号油轮所载的27万立方米油料中有5万立方米泄漏进阿拉斯加海岸外的威廉王子海峡中，在海上形成的油面蔓延范围超过260平方千米。更严重的污染直接产生自油井和贮油罐。1980年，伊克斯托克油井的一次爆炸使70万立方米的石油逸入墨西哥湾。由于军事行动，大量石油泄入波斯湾，首次发生于20世纪80年代中期两伊战争期间，然后是在1991年初，伊拉克在与联合国对抗时故意放出石油。这类环境灾难使成千上万的海鸟和海洋哺乳动物丧生，给鱼类和甲壳动物类的捕捞带来损失，还使海滨遭受污染。微生物只能缓慢地发挥效能，在它们起作用之前，我们只得忍受污染带来的损害。漂浮的水栅常被用来围住水面的油层；借助锯末可使油污下沉，并给微生物对石油发挥作用创造一片良好的表面。去污剂被用来净化海滩并有助于分散浮油，但它们的作用有限，下一次的潮水常把油带回看似洁净的海滩。无论如何，许多去污剂终归是消毒剂，它们能延缓微生物的作用。去污剂还会加重海内和海上其他生物遭受的损害。

这类泄漏的后果要持续几年，在各种微生物的活动都很迟缓的寒冷的阿拉斯加水域尤为如此。在波斯湾较暖和的水域，泄漏的恢复通常只需数月，这里有天然石油泄漏，所以相应的细菌业已存在且较为活跃，也为恢复提供了条件。利用微生物学方法控制石油污染的前景得到了改善。提供氮和磷的化肥似乎加快了阿拉斯加石油泄漏后的恢复，而且，通过起作用较快并能应急的基因操作，近年来，一些微生物品系被培育出来。例如，美国的杰格拉巴蒂（Chakrabarty）博士发现，在假单孢菌属的某些细菌中，分解石油和其他烃类的能力是位于质粒上的基因所特有的。通过遗传操作，他已能组建出使这些细菌较平时作用更快的质粒。

石油并不是能被细菌对付的唯一的自然环境污染物。第二章中我提到过肯特郡斯马登的原野，这里受到过氟乙酰胺这种用作杀虫剂的强烈毒物的污染；当地人曾采取紧急措施来清除和处理受污染的土壤，而后来人们才清楚，把氟乙酰胺分解成无害产物的细菌是存在的。用能够分解氟乙酰胺的细菌处理土壤或许是一项快捷而有效的措施。但问题在于，即便你运气再好，分离出能够分解氟乙酰胺的细菌也需耗时数月，而在受灾的情况下，人们不可能等待太久。1976年7月，意大利北部的塞韦索发生了一起相当严重的灾难，当时，用于消毒剂和除草剂生产的一种毒性很强的中间产物从化工厂逸出到该地的城镇和郊区。此化合物的缩写名为TCDD（全称是2，3，7，8-四氯二苯-对-二英）。该化合物可毒杀牲畜和草木，并在许多人中引起严重的皮肤损害，还导致胎儿畸形。为消除环境污染，人们仔细地移走了土壤。虽有能分解TCDD的微生物存在，但当时并没有现成的细菌可用。自然，这类细菌对消除人体的污染用处不大，但对以后环境的净化来说其价值却是无法估量的。由于微生物的作用（通常是多种微生物组合发挥作用的结果），选择性除草剂、杀虫剂等类物质才得以从土壤中被清除。除草剂2，4-D（2，4-二氯苯氧基醋酸）过3～4周即可消失，但一直被广泛使用的强力杀除草剂2，4，5-T（2，4，5-三氯苯氧基醋酸，其实是由TCDD制成的）作用却很持久，长达一年左右。能够降解此物的微生物群体已被开发出来。我刚才谈过的除草剂都是分子中含有氯原子的有机化合物，这组化学物质中常有微生物难于降解的成分。杀虫剂DDT是一个明显的例子。它对带病昆虫和农业害虫的控制具有神奇的效果，但不能被微生物降解，且会进入食物链和各种生物体内而在环境中持续存留。由于有使人厌恶的生态副作用，DDT在许多国家都被禁用。另一组长期存留的含氯有机化合物是多氯（代）联苯（PCBs），它曾广泛被用作绝缘液，处理起来很困难。不过，上述问题还是有希望得到解决的：在哈德生河水中已发现了能攻击那些物质的细菌，它们或它们的基因可能为此处理过程效力。

战争毒气的处理问题特别使人头疼。如果不将其焚毁或进行化学处理，如何才能在不给操作者及周围的人带来严重危险的情况下，摆脱那些陈旧的毒气储备呢？即使有可能将其埋掉、丢弃或储存起来，怎么保证它们不会因某些人或某些事而被重新找出来呢？这是长期以来困扰此类武器管理者的一大难题。不过，能降解神经毒气及有助于破坏芥子气的细菌已被从水中分离出来，具体发酵方法的开发工作正在美国进行着。

遗传操作大有用武之地，科学家们有意地组建起各种微生物，使之能够清除自然环境中不需要的有毒物质。与除草剂和杀虫剂生产有关的产业正自觉地遵守环境法，并沿着遗传操作这一方向发起令人神往的生物技术研究。现在，我们把有意地使用适宜微生物（纯培养或混合群体）去解决局部工业污染的手段称为“生物补救法”。此法被成功地用于普通油类和石油的泄漏处理，但对于更多的其他外来污染物，它基本上还处于实验阶段。在实践中，几个困难浮现出来。首先，经过定向操作培养，有些细菌可以消耗像杀虫剂这类污染物，但它们常优先摄取土壤或水中的普通营养成分，而随后出现的变种更是不把分解污染物当回事。因此，补救办法渐趋失效。其次，如果起补救作用的微生物群体工作正常，它们将旺盛生长并繁殖开来，而天然生活在土壤或水中的原生动物和线虫等掠食者很快就会发现这一丰富的食物来源，并开始以那些起补救作用的细菌为食，随之繁殖起来，导致补救过程的停顿。为对付上述两类问题，明智之举是不断加入生物补救群体，以使其活力保持在较高水平，而且要间歇地加入而不是连续地加入。如果需要处理的土质精细，有时还存在别的非微生物性问题：污染物潜入土壤颗粒的亚显微裂隙中或颗粒表面太紧密，以致补救措施根本够不着污染物。生物补救措施大有希望，但万事开头难，存在问题不足为怪。(www.xing528.com)

污水处理技术中的一个重要问题就是如何处理那些完全不受微生物作用的物质。比如来自镀铬工业的废物含有铬酸根离子，它能使污水处理厂的微生物群体机能紊乱，从而引起整个污水处理过程失常。由于这些工厂所产生的此等废水种类一般是已知的，因此污水向下水道中排放受严格限制，以避免带来不必要的麻烦。更使人伤脑筋的是民用的一些难处理物质。几十年前使用的某些去污剂常干扰污水处理，其作用途径有二：第一，微生物或许有能力从化学上处理去污剂，但在加菌污泥设备中产生了很多泡沫，以致通往污水的空气入口变窄，因而使整个净化过程减慢。我回想起20世纪50年代初某地方污水处理厂的经理告诉我的故事：当时其所在地区的商行正竞相销售去污剂，他的加菌污泥厂却在去污剂泡沫的淹没下倒闭了，因为必须使用昂贵的消泡剂。这种措施并不总能奏效，而去污剂的泡沫则得以顺利通过污水处理厂而污染河流。我见到过浮着泡沫的河流，但这种情况目前已不常见了。

餐饮业和家用洗碗机中使用的某些非发泡性去污剂，带来了更潜在的危险。这类物质中有些非常难处理。我们根本不了解何种微生物能迅速对这类物质起作用，结果它们可以安然无恙地通过污水处理流程，进入了饮用水供应池中。据了解，到1960年，人们在英国的几个饮水库中均发现了这类物质的痕迹。虽然它们未能引起明显的危害，但随着其含量日渐显著地增高，不幸就可能发生。虽然有人正在开发对这类物质起作用的微生物菌株，并取得了一些成功，但问题的进一步解决还有赖于改变去污剂的化学性质，使之易于受到微生物的作用，即专家们所说的能生物降解的去污剂。英国和美国对非降解性去污剂的交易已制定了相应法律，但我相信，去污剂工业多半会自动放弃难处理去污剂的生产。

现代的污水处理通常是高度自动化的。液体传送、沉淀、消化器进料等操作一般都是由污水处理工程师通过中央控制台的按钮来指挥的。高度自动化的操作一定程度上是为了克服人力处理污水所带来的不愉快，此外，污水处理厂的另一个特点也促成了这种自动化，即能量可自给自足。如我前面所述，由厌氧菌污泥的消化作用所产生的甲烷，足以为污水处理中所用的泵和机器供能，一些污水处理厂还有多余的甲烷销往国家气体供应站。我也曾提起，在像印度这样的热带国家中，一些由家庭和农业废料生成甲烷的小型污水处理厂，已安装了向冰箱和家用机器供能的设备。

废物处理的生产特性使科学家们思考：除了甲烷，我们还能从污水中得到哪些有用的产品？这种探索孕育了许多使人感兴趣的项目。我曾谈到，硫是一种正在变得稀少的元素，至少其还原态是如此。我提到过20世纪50年代由巴特林和他的同事开发出来的、利用污水污泥制备硫黄的方法：把污水污泥断断续续地同石膏（硫酸钙）混合，细菌则将其转变为硫化钙。污水气体（甲烷加二氧化碳）把硫化钙转变为碳酸盐，并以H2S的形式释放出硫化物。通过这样的方式，硫化物可以被除去。结果，污水被完全净化了。据巴特林计算，伦敦北部的一个日处理4500立方米污泥的污水厂每天可以生产大量硫黄，只不过那样就得不到甲烷了。实际上，硫化物和甲烷发酵作用之间是一定会达到平衡的，这不仅是由于甲烷对带走H2S有用，而且与甲烷相伴而生的CO2对代替H2S也是必要的。我还提到过，按污水处理工程师的观点，这种过程经证明还有一个额外的优点，即比起平常经甲烷消化的污泥，经硫化物消化的污泥沉淀得更充分。其原因是硫酸盐还原菌与产甲烷细菌竞争，并阻止了沉降污泥的发泡和搅动。因此，对已消化产物的处理是一步非常经济的工艺流程，因为其携带的水分较少。巴特林的工艺曾被视为缓解工业硫短缺的一种办法，如今它却更有希望成为一项废物处理技术，而硫黄的产生与销售只是附加利益。

印度、美国和捷克斯洛伐克已经开发出与上面相似的工艺。在捷克，硫黄发酵已经被成功用于对浓废液的预处理。这种工艺可以处理来自酵母菌生产和柠檬酸工厂的废水，因为这些废水太浓而难以用一般的污水净化工艺进行处理。预先进行的硫酸盐发酵作用，使废水降解得足以使普通污水处理厂所接受，同时额外产出硫黄。前文中我曾提到过，造纸工业废水的特别有害之处在于含有硫化物和其他有机物，也讲到硫酸盐还原菌怎样被用来对其进行预处理，但照俄罗斯的工作者看来，此过程产生的硫黄太少，从经济角度看不值得收集。美国的工作者已用造纸的废水来培养酵母菌，再把后者用作动物饲料，他们还制订了一项用造纸和木材加工废料培养蘑菇菌丝以制造罐装蘑菇汁的方案。照我看，其味道不会太正宗。污水污泥本身是维生素B12的有用来源，虽然目前我并未意识到这种资源的开发有何商业价值。

污水也含有种种重金属。例如，在各种洗涤水和排放液中都有铁盐；一旦它们进入污水排除系统，铁会同污水中的硫起反应，浓缩成黑色硫化铁淤积物，其中有些附着在污水里的固体有机物（微生物和腐质）上。由于管道、尘土和各种家用材料中通常都含有少量的铜、锌和铝的化合物，故它们也是普通污水中的成分；这些物质也都逐渐浓集于污泥里，其中部分作为硫化物沉积下来，部分黏附于真菌和细菌这类污泥微生物的细胞壁上。令人惊奇的是，污泥也含有微量诸如锆、锗、镓、硒等有价值的稀有元素的化合物。有人建议将其提取成产品出售，但据我所知，该方案还仅处于计划阶段。

基于重金属靠附着在污泥微生物表面而浓集出来的这一事实，有人产生了利用微生物去清除废水中有毒金属化合物的想法。铜、锌和镉的化合物在非常低的浓度下就很有毒，它们存在于多种工业废水中；铅盐也具毒性，出现于铅矿、练铅废水及电池厂的洗涤液里。用微生物（细菌、真菌或二者并用）从废水中吸收这类毒物的办法叫作“生物吸收法”。此法可行，若微生物组合得当，效果会非常好，因为不管是死是活，微生物细胞常常都是优秀的拾荒者。但生物吸收法为一较新的技术，尚未被广泛采用——至少不是人们有意使用的。

微生物也能被用于处理那些最棘手的废液，后者近半个世纪才由使用放射性同位素物质的工厂、实验室和医院产生出来。例如，英国和美国的核燃料工业资助了一项研究——利用柠檬酸菌属细菌从工业废液中去除最后残留的微量铀。其中有一步工序是把细菌固定在一个滤盒中，使其捕获临近细胞表面的金属，比如不溶性的磷酸铀结晶。多种微生物能够自动浓缩放射性同位素，这个特性可被开发作生物补救之用。然而，这种办法有时并不方便，因为即使在生产中把放射活性稀释到了无害水平，我们也不敢保证放射性同位素的浓度就一成不变；它能在某处被自然出现的微生物再次浓缩。霉菌、藻类和细菌，还有植物，都可能浓缩放射性同位素，究竟哪种生物能浓缩哪类物质，答案似乎尚未被找到。因此，我们必须仔细地对这类废液进行分离，普通污水处理厂一般不接受这类废水；已有人建议利用微生物和植物从这类废液中提取有用的同位素，但据我了解这个办法还没付诸实施。

批量得自污水处理的有用产品主要是甲烷和硫（不如说硫化氢）。其他产物是水和消化后的污泥，后者虽可用作肥料和土壤改良剂，但这通常是不太妥当的，因为其中含的铜、锌、铅和微量元素都不利于植物生长。常规污水处理的一个令人失望之处在于，它们导致了对农业有益的无机成分的丧失。钾、磷酸盐、硫酸盐和硝酸盐在处理过程中被从污水中除去。它们为净化水所稀释并最终流入大海。在加菌污泥工艺及随后的沉淀期间，细菌的脱氮作用产生氮气，使大量的硝酸盐流失。这样，有益于农业的一些元素就出现了从陆地散失到海洋和空气的净亏损。文明社会长期存在的一个问题，就是怎样使这些元素返回陆地。在过去，人们用污水灌溉田地，污水农场也得以运行，那时候的排水只引起土壤内肥力的轻度丧失。现在，土壤中有用元素的亏损必须靠化肥和细心耕作来弥补。

说起田地，现在让我们畅想一下乡村风光。河水沿着山谷缓缓地蜿蜒流淌，岸边长着芦苇和绿草，两旁青葱的原野平缓地朝点缀有乔木和灌木的溪流方向伸展开去，健壮的群牛在水草丰茂的原野上享用着美餐，这一场景标志着农场主人对田园的精心照料和土地的肥沃。或许溪底有少量沉泥和零星的腐枝烂叶，但水体清澈，水生植物繁茂，成为鱼类、昆虫幼虫、水鸟、两栖类及大河鼠等动物的家园。此乃一幅令人心旷神怡的宁静画面，不是吗？但是请冷静想一想，要是带有牛群排泄物、残余肥料、农用化学物质的地表水以及腐败的植物汁日夜混入溪流中，溪水能不被污染吗？此外，不是还有飞扬的尘土、污物及表层风化土砾不时地经雨水冲刷或风暴吹拂进溪流里（更别说路人不经意的污染）吗？的确如此。那么，为何溪水还能如此清澈呢？答案是，溪边的芦苇丛以及多少管点用的树根形成了一组有效的生物滤器：在植物材料网架上生长的细菌和真菌的菌膜，起着污水滤层的作用；此膜对流进来的地表水中的污染物进行消耗、分解和氧化。某种原生动物群体以繁殖起来的菌类为盘中餐；它们偶尔会把动物排泄物中的病原体吃光。线虫、昆虫幼虫和小鱼则以目前滤入溪流中的高度纯化的地表水里的残余微生物为食。这是一个运转良好的自净化系统，而有的农场主认为溪边的灯芯草带严重干扰了自己钓鱼或划船，竟决定用挖泥机将其清除。天将降灾于他！在对为细菌提供成膜网架的植物及生长于其上的细菌的价值有广泛了解之前，英国有许多溪流呈绿黑色，臭气熏天，几乎没有生物存在。自然，污水处理厂的大规模污染将会使这个自净化系统不堪重负，但通常它还能正常运转；有时，人们还会特意用植物及其根部的微生物群落组成的滤层去对付小批量废液。

很早以前有一种特殊而有趣的污水处理方式。在某种情况下，小的村落可以把污水排进池塘和小湖泊中，有时则排进叫作废物稳定池的一连串水塘里，让它们经历天然的微生物降解过程，使水得以自身净化。细菌、蠕虫、水虫、植物——池塘的整个植物区系和动物区系都繁茂起来，而最终的受益者是鱼类和靠鱼为生的水鸟。藻类在这种进行氧化作用的池塘中长得特别好，因为藻类通过光合作用生成有助于水净化的氧气，并成为鱼类的美餐。有人建议以污水来肥沃池塘以促进养鱼，据相关信息，此法已为印度尼西亚这类发展中国家所采用。

污水处理的对象是液体废料，尽管它含有固体物质，但依然可用泵把巨大体积的废液输送到各个污水处理厂里。但是，许多城市、农业和家庭废料是固体或半固体。它们中不少可以被烧掉，许多则不然。而为了处理它们，许多地方当局所采取的措施与园丁的堆肥法相似。城市的垃圾含有大量来自纸张和食物残渣的植物性物质，而在清除掉可以回收并出售的洋铁罐头盒等有用物品后，许多城市垃圾场把垃圾堆积成巨大的肥堆，使微生物的降解作用得以在其中进行。肥堆内部变得相当热，以致嗜热菌生长起来并使有机物迅速遭到破坏。我们必须在这类垃圾堆的表面控制昆虫的生长和啮齿动物的繁殖，几年以后，十分肥沃的土壤就不可思议地形成了。制成堆肥是处理城市垃圾的一种经济而方便的方法，但要把能被生物降解的废品同玻璃、金属、塑料等分开。德国的许多社区要求住户、商店等把这类废物分开，成百万吨的生物可降解城市垃圾被制成堆肥售出，供农业和垦荒之用。

把堆肥材料用于土地开垦是挺不错的，但英国等地历来都把城市垃圾填入巨大的堆肥坑等场所进行处理。生垃圾经处理后是很受青睐的材料，它们可被取来修补旧土坑，充填采石矿，特别是满足新建筑工地的燃眉之急。然而，我们必须警惕这类垃圾坑的气体分解产物。众所周知，一些热心的垃圾处理机构会在堆肥完成之前，过早地用土壤和硬石去覆盖这些垃圾堆，并将它们用于建筑工地。而在我们的老朋友产甲烷细菌（其中有些是嗜热菌）的作用下，甲烷会从残余的垃圾中产生出来，积聚于邻近的地层。如果甲烷可通过表层土壤散发出去，则它不致带来危害，但当其被建筑物的地基所阻时，甲烷会喷出或大量漏入建筑物内，稍有不慎，就会引起严重的爆炸。堆肥过程中的这种情况其实不难处理，甚至可以变成好事：如果我们以非降解性塑料板把可堆肥的垃圾堆密闭起来，就能将甲烷经管道输出，然后用作能源或直接烧掉。一个中等大小的堆肥坑可不断产生甲烷达数年之久，一些国家的法律规定，新建的堆肥点必须用上述方式围起来并加以控制。塑料外套也可防止污染液渗入地下水中。

关于城市废物处理及荒地利用问题，位于伦敦郊外的斯泰恩斯和特威克纳姆周边地区采取了与上不同的解决办法。这一区域遗留了一些积水的沙石坑，它们是巨大却无用的人工池塘，因为可开采的沙石均被挖走，这些坑就被废弃了。由于当地建筑急需地皮，人们打算用城市垃圾将其填平。可是，把未经处理的生垃圾倒入水坑一定会招来大麻烦：几周之内将会出现最严重的污染，臭气熏天，涂料与金属制品遭到腐蚀，各种抱怨、禁止和控诉的信件雪片般飞向地方当局。直到20世纪50年代，特威克纳姆的自治城市工程师诺尔斯（A. S. Knolles）博士想出了一个巧妙的办法，既没造成污染，又填平了土地。他用来自城市垃圾可燃部分的熔块把每一个土坑分割成多个小池塘，生垃圾在污染出现前被尽快填进每个池塘中。只要在倒入垃圾前把池塘墙建好，就能够把所有的池塘填平而恢复土地原貌，放心地供建筑使用。熔块含有硫酸盐，垃圾则含有机物，因此细菌若利用这些成分发生硫酸盐还原作用，就可导致广泛的污染，并可能产生最有毒的那类污染，不过甲烷的生成确实减到了最低限度。然而，掌握了相关微生物学知识的人都该知道，只要该过程迅速进行，填坑拓地的愿望就得以实现，有百利而无一害。

城市垃圾中有些是可以燃烧的，但人们常常不愿意这样做。当今，大家广泛地使用和处理聚氯乙烯等氯化烃类塑料，而若将其燃烧，盐酸就会被释放出来，损害熔炉及烟道，还会产生有害烟雾。有人声称发现了能够降解这些物质的细菌，如果一切顺利，则对这些物质进行堆肥比烧掉更有用。废轮胎的处理一直成问题。给我留下深刻印象的一个项目，是轮胎经粉碎后用硫杆菌或其他硫氧化菌清除橡皮中的硫，使橡皮得以再利用。这项开发工作的灵感，来自细菌腐蚀消防水管的现象，至于它的效果如何及是否经济，我还不得而知。

因此，从废物处理的观点来看，微生物对文明社会的运行是至关紧要的，而且，如我所指出的，若没有微生物的作用，我们大家都会被活埋在由人类活动形成的骇人的废物沼泽中。微生物之所以如此神通广大，是因为它们具有非凡的化学易变性。自然界似乎存在着破坏和降解几乎所有人类产物的种种微生物。科学家们对这些过程的生物化学知识实在有限，对所涉及的微生物的了解也还很模糊。这种无知源于对前一章讨论过的腐蚀与变质过程的基础理论研究落后于实践经验。有关甲烷菌、硫酸盐还原菌及去污剂和塑料降解菌的作用，科学家们所掌握的支离破碎的知识清楚地表明，对微生物学处理过程坚持不懈地进行基础科学研究是多么有益的。问题在于，谁来提供研究经费呢？

在这最后三章里，我试图表明微生物对我们的经济是何等重要。还希望读者留心不时出现的文献资料。这些资料包括基因操作令人担忧的一面、环境危害物，甚至像在“不结冰”的假单胞菌的故事中讲到的，由微生物学研究和应用所产生的军事对抗等。下面，让我暂时离开我的主题去讲解一下这些内容。那是一片凄惨的景象，不过费不了多少篇幅。