Trong bể sục khí của nhà máy xử lý nước thải, tồn tại một "thành phố ẩm thực vi mô" nhộn nhịp. Ở đây, không có đầu bếp đạt sao Michelin, không có người giao đồ ăn, và thậm chí những "bữa ăn đóng hộp" làm sẵn cũng khan hiếm. Các vi sinh vật tự dưỡng trong bùn hoạt tính là những "thực khách" khác thường nhất trong trung tâm ẩm thực này—trong khi những người khác háo hức tranh giành các mảnh vụn hữu cơ trong nước thải, chúng kiên quyết dựa vào nỗ lực của bản thân, chiết xuất năng lượng từ "không khí và đá", và khéo léo biến đổi chất vô cơ thành một "bữa tiệc thịnh soạn các món Trung và Tây." Hôm nay, chúng ta sẽ khám phá cách những "vị vua ăn uống tự cung tự cấp" này biến "thời gian khó khăn" thành cuộc sống "giàu có đời thứ hai" trong nước thải.
Để tôi bắt đầu bằng cách cung cấp cho bạn một chút thông tin cơ bản: Bùn hoạt tính, nói một cách đơn giản, là một "đội thân thiện với môi trường" bao gồm hàng tỷ vi sinh vật. Nhiệm vụ cuối cùng của chúng là làm sạch nước thải bằng cách phân hủy các chất ô nhiễm. Đội này được chia thành hai phe chính: vi sinh vật dị dưỡng là những "kẻ ăn tham lam", chuyên ăn các chất hữu cơ có sẵn (như tinh bột, protein và dầu mỡ) trong nước thải—chúng ăn ngấu nghiến. Trong khi đó, vi sinh vật tự dưỡng là những "nghệ nhân cứng cỏi", tự nhiên được trang bị một "buff bếp", và đơn giản là khinh thường những "mảnh vụn còn sót lại". Chúng từ chối dựa vào thức ăn thừa của người khác và khăng khăng tự tìm nguồn nguyên liệu thô, chế tạo "bữa tiệc hữu cơ" từ đầu. Bạn có nghĩ rằng chúng kiêu ngạo không? Không, chúng đã phát triển siêu năng lực "không cần cạnh tranh thức ăn". Trong môi trường "cạnh tranh tài nguyên" của nước thải, chúng đã tạo ra một con đường đến với "tự cung tự cấp" trong việc tự nuôi sống bản thân.
Khi nói đến "những người sành ăn hàng đầu" trong số các vi sinh vật tự duy trì, gia đình vi khuẩn nitrite chắc chắn giành vương miện—những người bạn nhỏ này là "đầu bếp hóa học của bùn", xuất sắc trong nghệ thuật "oxy hóa vô cơ" để nấu ăn. Bạn có thể tự hỏi: chất vô cơ? Điều đó không bao gồm những thứ "cứng rắn" như đá, amoniac và sunfua sao? Những gì chúng ta thấy không ngon miệng thực sự là nguyên liệu thô ngon nhất trong mắt vi khuẩn nitrite—thậm chí còn hấp dẫn hơn cả "Phật nhảy tường.".
Trong gia đình vi khuẩn nitrat hóa, có hai "đầu bếp" cốt lõi: vi khuẩn oxy hóa amoniac và vi khuẩn oxy hóa nitrite. Chúng là "bộ đôi hoàn hảo", làm việc với vai trò được xác định rõ ràng, giống như đầu bếp món khai vị và món chính trong nhà hàng. Đầu tiên xuất hiện là vi khuẩn oxy hóa amoniac, có "kỹ năng đặc trưng" là xử lý nitơ amoniac (NH3) trong nước thải như một "món khai vị". Đừng đánh giá thấp nitơ amoniac này—nó không có nồng độ cao trong nước thải, nhưng nó mang một "mùi nhà vệ sinh" hăng nồng. Vi khuẩn dị dưỡng có xu hướng tránh nó, nhưng vi khuẩn oxy hóa amoniac lại coi nó là một kho báu. Sử dụng "công cụ oxidase" bên trong cơ thể, nó dần dần "phân hủy và oxy hóa" nitơ amoniac. Quá trình này giống như châm lửa khí đốt tự nhiên bằng bật lửa—mặc dù không có ngọn lửa trần, nó giải phóng năng lượng liên tục, đóng vai trò là "nhiên liệu nấu ăn" của chúng.
Nhưng "kỹ năng ẩm thực" của vi khuẩn oxy hóa amoniac dừng lại ở giai đoạn khai vị. Sau khi oxy hóa nitơ amoniac thành nitrite (NO2-), chúng thỏa mãn cơn đói và khát của mình, sau đó giao "sản phẩm dở dang" còn lại của nitrite cho "người anh em tốt" vi khuẩn oxy hóa nitrite. "Bậc thầy món chính" này thậm chí còn đáng gờm hơn, vì nó có thể oxy hóa nitrite thành nitrate (NO3-), giải phóng một làn sóng năng lượng khác. Bạn có nghĩ rằng chúng gặp rắc rối này chỉ vì lợi ích của riêng mình không? Không, trong khi oxy hóa các hợp chất vô cơ này, chúng cũng bí mật "tham gia vào một công việc phụ"—sử dụng năng lượng được giải phóng để xử lý carbon dioxide (CO2) từ không khí làm "bột mì", và thu gom nước (H2O) và muối vô cơ (như kali, phốt pho và sắt) từ nước thải làm "gia vị", tổng hợp glucose và protein thành "món ngon hữu cơ" trong cơ thể chúng. Hoạt động này tương đương với việc trong khi những người khác đang tranh giành bánh bao, chúng đã trồng lúa mì, xay bột và hấp bánh bao, đạt được "trần tự cung tự cấp" trong thế giới vi sinh vật.
Điều ấn tượng hơn nữa là thực tế vi khuẩn nitrat hóa, những "đầu bếp bậc thầy" này, đặc biệt "cứng cỏi". Mặc dù "hiệu quả nấu ăn" của chúng không đặc biệt cao—tổng hợp 1 gam chất hữu cơ có thể yêu cầu oxy hóa hàng chục hoặc thậm chí hàng trăm gam nitơ amoniac—chúng phát triển mạnh nhờ bản chất "không cầu kỳ và không cạnh tranh". Trong bùn hoạt tính, khi vi khuẩn dị dưỡng đã gần như cạn kiệt chất hữu cơ trong nước thải, chúng trở nên đói và thậm chí phải "cạnh tranh thức ăn". Trong khi đó, vi khuẩn nitrat hóa có thể thong thả "làm việc chậm để có kết quả hoàn hảo", biến đổi chất vô cơ thành chất dinh dưỡng của riêng chúng bằng cách sử dụng nitơ amoniac còn lại trong nước thải và carbon dioxide từ không khí.
Nó giống như sau một lễ hội ẩm thực, trong khi mọi người khác nhặt những mẩu vụn đồ ăn nhẹ từ mặt đất, thì chúng lại lấy công cụ của riêng mình để chế biến "không khí và đá" tại chỗ thành một bữa tiệc. Trí tuệ sinh tồn như vậy thực sự đáng ngưỡng mộ.
Ngoài "trường dạy nấu ăn hóa học" của vi khuẩn nitrat hóa, còn có một nhóm "người sành ăn" tự dưỡng khác trong bùn hoạt tính—vi sinh vật tự dưỡng quang hợp, chẳng hạn như vi khuẩn lam và vi khuẩn lưu huỳnh màu tím, có thể được gọi là "đầu bếp ánh sáng mặt trời". Tuy nhiên, vai trò của chúng trong các nhà máy xử lý nước thải ít nổi bật hơn so với vi khuẩn nitrat hóa, vì ánh sáng trong bể sục khí không dồi dào, và sự khuấy động liên tục từ hệ thống sục khí khiến chúng khó có thể tận hưởng một buổi tắm nắng yên tĩnh. Tuy nhiên, bất chấp những thách thức này, chúng xuất sắc với "tư duy tích cực và đôi tay khéo léo". Ngay cả với ánh sáng tối thiểu, kết hợp với "thành phần đặc biệt" như hydro sunfua (H2S) và ion sắt (Fe²⁺) trong nước thải, chúng có thể kích hoạt "Chế độ quang hợp 2.0". Trong khi các loài thực vật thông thường sử dụng carbon dioxide và nước để tổng hợp chất hữu cơ bằng năng lượng ánh sáng, giải phóng oxy trong quá trình này, thì những vi sinh vật tự dưỡng quang hợp này lại thực tế hơn. Chúng có thể thay thế nước bằng hydro sunfua, sử dụng ánh sáng để chuyển đổi carbon dioxide và hydro sunfua thành chất hữu cơ, và đồng thời chiết xuất lưu huỳnh từ hydro sunfua, lưu trữ nó dưới dạng các hạt lưu huỳnh nguyên tố trong cơ thể chúng. Điều này giống như nấu ăn đồng thời "tích trữ.".
Bạn có thể hình dung cảnh này: ở góc của bể sục khí, một luồng ánh sáng mờ nhạt chiếu vào, và vi khuẩn lam ngay lập tức trở nên "năng động", trải rộng "đôi cánh quang hợp" (lớp quang hợp) của chúng lần lượt, giống như một nhóm "đầu bếp nhỏ" cầm tấm pin mặt trời, tắm nắng và sạc, đồng thời xử lý hydro sunfua hăng nồng trong nước thải như "xì dầu" và carbon dioxide như "gạo". Với một hoạt động mạnh mẽ, chúng tạo ra một "bữa ăn hữu cơ" ngon miệng và cũng xử lý chất ô nhiễm có mùi hôi hydro sunfua - giải quyết vấn đề ăn uống và đạt được KPI môi trường, đây đơn giản là một mô hình của "không chậm trễ trong công việc gạo khô".
Tuy nhiên, nói đến điều này, mặc dù những vi sinh vật tự dưỡng này "có kỹ năng cao", chúng không phải là "ngoài thế giới". Khi chúng tạo ra "bữa ăn hữu cơ", chúng cũng cần một số "gia vị vi lượng" - chẳng hạn như các khoáng chất như sắt, mangan và kẽm được hấp thụ từ nước thải, tương đương với muối và bột ngọt mà chúng ta sử dụng để nấu ăn. Nếu không có chúng, "bữa ăn" mà chúng tạo ra sẽ không có hương vị, và vi sinh vật sẽ không tự phát triển. Và "nhịp điệu nấu ăn" của chúng đặc biệt chậm. Vi khuẩn dị dưỡng có thể chỉ cần vài giờ để ăn một bữa, trong khi vi khuẩn nitrat hóa có thể mất vài ngày hoặc thậm chí vài tuần để "ăn và uống đủ để phát triển cơ thể". Vì vậy, trong bùn hoạt tính, mặc dù chúng không phải cạnh tranh thức ăn, chúng vẫn cần phát triển một cách khiêm tốn để tránh bị "vô tình làm hại" bởi vi khuẩn dị dưỡng (rốt cuộc, vi khuẩn dị dưỡng rất dồi dào và sinh sản nhanh chóng, đôi khi chiếm không gian sống của chúng).
Nhưng đừng đánh giá thấp những 'đầu bếp chậm chạp' này, chúng là 'anh hùng vô hình' của các nhà máy xử lý nước thải. Hãy nghĩ về nó, nitơ amoniac trong nước thải là một vấn đề lớn. Nếu không được xử lý, nó có thể dẫn đến hiện tượng phú dưỡng của nguồn nước khi thải ra sông, dẫn đến một số lượng lớn tảo nở hoa và thủy triều đỏ có thể đầu độc cá và tôm. Và nhóm "đầu bếp hóa học" như vi khuẩn nitrat hóa có thể dần dần chuyển đổi nitơ amoniac thành nitrat, sau đó được chuyển đổi thành nitơ bởi vi khuẩn khử nitrat và thải ra không khí, biến chất "thải độc" trong nước thải thành "khí vô hại" một cách hiệu quả. Nếu không có chúng, nhà máy xử lý nước thải đã không thể hoàn thành nhiệm vụ "khử nitrat hóa", và nước sông của chúng ta có thể đã biến thành "canh xanh" từ lâu.
Điều thú vị hơn nữa là những vi sinh vật tự dưỡng này đặc biệt 'đoàn kết'. Hai "bậc thầy" của vi khuẩn nitrat hóa - vi khuẩn oxy hóa amoniac và vi khuẩn oxy hóa nitrite - không bao giờ "chiến đấu một mình", chúng luôn đến với nhau để tạo thành một "cộng đồng vi khuẩn nitrat hóa". Nitrite do vi khuẩn oxy hóa amoniac tạo ra tình cờ là "thức ăn" cho vi khuẩn oxy hóa nitrite; Và vi khuẩn oxy hóa nitrite ăn nitrite, điều này có thể ngăn chặn sự tích tụ của nitrite trong môi trường, và đến lượt nó bảo vệ vi khuẩn oxy hóa amoniac (nồng độ nitrite cao có độc tính đối với vi khuẩn oxy hóa amoniac). Sự hiểu ngầm này về "bạn nấu, tôi rửa bát, bạn sản xuất, tôi tiêu thụ" đơn giản là một "cặp đôi kiểu mẫu" trong cộng đồng vi sinh vật. Không có gì ngạc nhiên khi chúng có thể tự khẳng định mình trong nước thải và trở thành "cây xanh" trong ngành công nghiệp thực phẩm khô.
Đôi khi tôi thực sự ngưỡng mộ những 'người ăn gạo' thế giới vi mô này: chúng không có mắt, không có miệng, và thậm chí không có não, nhưng chúng có thể tìm thấy chính xác 'nguyên liệu thô' mà chúng cần, sử dụng các phản ứng hóa học nguyên thủy nhất để biến các chất vô cơ thành các chất hữu cơ, và biến nước thải thành nước sạch và khô. Chúng không ăn bất cứ thứ gì chúng nhìn thấy như vi khuẩn dị dưỡng, mà khăng khăng "tự làm và được nuôi dưỡng tốt". Trong khi những người khác đang cạnh tranh thức ăn, chúng lặng lẽ trau dồi "kỹ năng nấu ăn" của mình và cuối cùng chiếm một vị trí không thể thiếu trong "thành phố ẩm thực vi mô" của bùn hoạt tính.
Trên thực tế, khi nghĩ về nó, "triết lý thực phẩm khô" của những vi sinh vật tự dưỡng này rất đáng để học hỏi: chúng không dựa vào "tài nguyên làm sẵn" bên ngoài, mà trau dồi "kỹ năng cốt lõi" của riêng mình, tạo ra giá trị thông qua khả năng của riêng mình, không chỉ giải quyết "vấn đề thức ăn" của riêng mình, mà còn đóng góp cho toàn bộ hệ sinh thái (nhà máy xử lý nước thải). Chúng giống như một nhóm thợ thủ công lặng lẽ làm việc trong nước thải, không tìm kiếm sự vĩ đại, mà tìm kiếm sự tự cung tự cấp, sự kiên định và độ tin cậy.
Vì vậy, lần tới khi bạn đi ngang qua một nhà máy xử lý nước thải và ngửi thấy "mùi khử trùng" thoang thoảng, bạn có thể muốn nghĩ về những vi sinh vật tự dưỡng trong bể sục khí - chúng có thể đang bận rộn oxy hóa nitơ amoniac, tắm nắng để tổng hợp chất hữu cơ, hoặc "hợp tác" với các đồng nghiệp của chúng để làm một bữa ăn lớn. Những 'đầu bếp gạo vi mô' không đáng chú ý này đang viết nên huyền thoại về sự tự cung tự cấp trong nước thải theo cách độc đáo của riêng họ, và cũng sử dụng 'kỹ năng nấu ăn' của họ để bảo vệ môi trường nước của chúng ta. Xin chào "vua gạo khô tự duy trì" trong những bùn hoạt tính này, sau tất cả, chúng có thể biến "không khí và đá" thành một bữa tiệc. Nhìn vào toàn bộ cộng đồng vi sinh vật, chúng là những người duy nhất có thể làm được điều đó!
