W komorze napowietrzania oczyszczalni ścieków znajduje się tętniące życiem „mikroskopijne miasto jedzenia”. Nie ma tu szefów kuchni z gwiazdkami Michelin, kurierów z jedzeniem ani nawet gotowych „zestawów obiadowych”. Autotroficzne mikroorganizmy w osadzie czynnym to najbardziej niekonwencjonalni „goście” w tym kulinarnym centrum – podczas gdy inni z zapałem rywalizują o organiczne resztki w ściekach, oni uparcie polegają na własnych wysiłkach, wydobywając energię z „powietrza i kamieni” i pomysłowo przekształcając materię nieorganiczną w „ucztę chińskich i zachodnich przysmaków”. Dziś dowiemy się, jak ci „samowystarczalni królowie stołu” zamieniają „trudne czasy” w życie „bogatej drugiej generacji” w ściekach.
Pozwólcie, że zacznę od wprowadzenia: Osad czynny, mówiąc prosto, to „ekologiczny zespół” złożony z miliardów mikroorganizmów. Ich ostateczną misją jest oczyszczanie ścieków poprzez rozkładanie zanieczyszczeń. Zespół ten dzieli się na dwie główne frakcje: mikroorganizmy heterotroficzne to „żarłoczni jedzący”, specjalizujący się w ucztowaniu na łatwo dostępnej materii organicznej (takiej jak skrobia, białko i tłuszcz) w ściekach – ucztują z wielkim apetytem. Tymczasem mikroorganizmy autotroficzne to „twardzi rzemieślnicy”, naturalnie wyposażeni w „kuchenny buff” i po prostu gardzą tymi „resztkami”. Odmawiają polegania na resztkach innych i upierają się przy pozyskiwaniu surowców samodzielnie, tworząc „organiczne uczty” od podstaw. Myślisz, że są aroganccy? Nie, wyewoluowali supermoc „nie musząc konkurować o jedzenie”. W środowisku „konkurencji o zasoby” w ściekach wytyczyli ścieżkę do „samowystarczalności” w odżywianiu się.
Jeśli chodzi o „najwyższej klasy smakoszy” wśród samowystarczalnych mikroorganizmów, rodzina bakterii azotynowych niewątpliwie zdobywa koronę – te małe stworzenia to „chemiczni szefowie szlamu”, doskonale radzący sobie w sztuce „utleniania nieorganicznego” w gotowaniu. Możesz się zastanawiać: materia nieorganiczna? Czy to nie obejmuje „twardych” rzeczy, takich jak kamienie, amoniak i siarczki? To, co uważamy za niesmaczne, jest w rzeczywistości najsmaczniejszym surowcem w oczach bakterii azotynowych – bardziej kuszącym niż nawet „Budda przeskakuje przez ścianę”.
W rodzinie bakterii nitryfikacyjnych są dwaj główni „szefowie”: bakterie utleniające amoniak i bakterie utleniające azotyny. Są „idealnym duetem”, pracującym z jasno określonymi rolami, podobnie jak szefowie przystawek i dań głównych w restauracji. Pierwsze pojawiają się bakterie utleniające amoniak, których „sygnowaną umiejętnością” jest traktowanie azotu amonowego (NH3) w ściekach jako „przystawki”. Nie lekceważ tego azotu amonowego – nie jest on silnie skoncentrowany w ściekach, ale ma ostry „zapach toalety”. Bakterie heterotroficzne starają się go unikać, a bakterie utleniające amoniak traktują go jako skarb. Używając swoich „narzędzi oksydazy” wewnątrz ciała, stopniowo „rozkładają i utleniają” azot amonowy. Proces ten jest jak zapalanie gazu ziemnego zapalniczką – chociaż nie ma otwartego płomienia, uwalnia ciągłą energię, która służy jako ich „paliwo do gotowania”.
Ale „umiejętności kulinarne” bakterii utleniających amoniak kończą się na etapie przystawki. Po utlenieniu azotu amonowego do azotynu (NO2-), zaspokajają własny głód i pragnienie, a następnie przekazują pozostały „półprodukt” azotynu swojemu „dobremu bratu” – bakteriom utleniającym azotyny. Ten „mistrz dania głównego” jest jeszcze bardziej potężny, ponieważ może dalej utleniać azotyn do azotanu (NO3-), uwalniając kolejną falę energii. Myślisz, że przechodzą przez to wszystko tylko dla własnej korzyści? Nie, podczas utleniania tych związków nieorganicznych, potajemnie „angażują się w dodatkową działalność” – wykorzystując uwolnioną energię do traktowania dwutlenku węgla (CO2) z powietrza jako „mąki” i zbierając wodę (H2O) i sole nieorganiczne (takie jak potas, fosfor i żelazo) ze ścieków jako „przyprawy”, syntetyzując glukozę i białka w „organiczne przysmaki” w swoich ciałach. Ta operacja jest równoznaczna z tym, że podczas gdy inni walczą o mantou, oni już wyhodowali pszenicę, zmielili mąkę i ugotowali bułeczki na parze, osiągając „sufit samowystarczalności” w świecie mikrobów.
Jeszcze bardziej imponujący jest fakt, że bakterie nitryfikacyjne, ci „mistrzowie kuchni”, są szczególnie „wytrzymałe”. Chociaż ich „wydajność gotowania” nie jest szczególnie wysoka – synteza 1 grama materii organicznej może wymagać utlenienia dziesiątek, a nawet setek gramów azotu amonowego – rozwijają się dzięki swojej „nieskomplikowanej i niekonkurencyjnej” naturze. W osadzie czynnym, gdy bakterie heterotroficzne prawie wyczerpały materię organiczną w ściekach, głodnieją i nawet uciekają się do „konkurowania o jedzenie”. Tymczasem bakterie nitryfikacyjne mogą spokojnie „powoli pracować, aby uzyskać doskonałe wyniki”, przekształcając materię nieorganiczną w własne pożywienie, wykorzystując resztkowy azot amonowy w ściekach i dwutlenek węgla z powietrza.
To tak, jakby po festiwalu jedzenia, podczas gdy wszyscy inni zbierają okruchy przekąsek z ziemi, oni zamiast tego wyciągają własne narzędzia, aby przetworzyć „powietrze i kamienie” na miejscu w ucztę. Taka mądrość przetrwania jest naprawdę godna podziwu.
Oprócz „szkoły gotowania chemicznego” bakterii nitryfikacyjnych, w osadzie czynnym znajduje się kolejna grupa autotroficznych „smakoszy” – mikroorganizmy autotroficzne fototroficzne, takie jak sinice i purpurowe bakterie siarkowe, które można nazwać „szefami od słońca”. Jednak ich rola w oczyszczalniach ścieków jest mniej znacząca niż bakterii nitryfikacyjnych, ponieważ światła w komorze napowietrzania jest niewiele, a ciągłe mieszanie z systemu napowietrzania utrudnia cieszenie się spokojną kąpielą słoneczną. Jednak pomimo tych wyzwań, wyróżniają się „pozytywnym nastawieniem i wprawnymi rękami”. Nawet przy minimalnym świetle, w połączeniu ze „specjalnymi składnikami”, takimi jak siarkowodór (H2S) i jony żelaza (Fe²⁺) w ściekach, mogą aktywować „Tryb fotosyntezy 2.0”. Podczas gdy zwykłe rośliny wykorzystują dwutlenek węgla i wodę do syntezy materii organicznej z energią świetlną, uwalniając tlen w tym procesie, te autotroficzne mikroorganizmy fototroficzne są bardziej przyziemne. Mogą zastąpić wodę siarkowodorem, wykorzystać światło do przekształcenia dwutlenku węgla i siarkowodoru w materię organiczną i jednocześnie wydobywać siarkę z siarkowodoru, przechowując ją jako cząstki siarki elementarnej w swoich ciałach. To jak gotowanie i jednoczesne „gromadzenie zapasów”.
Możesz sobie wyobrazić tę scenę: w rogu komory napowietrzania świeci słaba wiązka światła, a niebieskie bakterie natychmiast stają się „pełne energii”, rozkładając swoje „skrzydła fotosyntetyczne” (warstwy fotosyntetyczne) jeden po drugim, jak grupa „małych szefów kuchni” trzymających panele słoneczne, opalających się i ładujących, jednocześnie traktując ostry siarkowodór w ściekach jako „sos sojowy”, a dwutlenek węgla jako „ryż”. Dzięki intensywnej operacji przygotowują pyszny „organiczny posiłek”, a także oczyszczają cuchnący siarkowodór – rozwiązując problem jedzenia i osiągając wskaźniki KPI środowiskowe, co jest po prostu wzorem „bez opóźnień w pracy z suchym ryżem”.
Jednak mówiąc o tym, chociaż te autotroficzne mikroorganizmy są „wysoce wykwalifikowane”, nie są „nie z tego świata”. Kiedy przygotowują „organiczne posiłki”, potrzebują również „przypraw śladowych” – takich jak minerały, takie jak żelazo, mangan i cynk wchłaniane ze ścieków, które są odpowiednikiem soli i glutaminianu sodu, których używamy do gotowania. Bez nich „posiłek”, który przygotowują, nie będzie miał smaku, a mikroorganizmy nie będą się same rozwijać. A ich „rytm gotowania” jest szczególnie powolny. Bakterie heterotroficzne mogą potrzebować zaledwie kilku godzin, aby zjeść posiłek, podczas gdy bakterie nitryfikacyjne mogą potrzebować kilku dni, a nawet tygodni, aby „zjeść i wypić wystarczająco dużo, aby rozwinąć swoje ciała”. Tak więc w osadzie czynnym, chociaż nie muszą konkurować o jedzenie, nadal muszą rozwijać się w sposób dyskretny, aby uniknąć „przypadkowego zranienia” przez bakterie heterotroficzne (w końcu bakterie heterotroficzne są liczne i szybko się rozmnażają, czasami zajmując ich przestrzeń życiową).
Ale nie lekceważ tych „powolnych kucharzy”, są „niewidzialnymi bohaterami” oczyszczalni ścieków. Pomyśl o tym, azot amonowy w ściekach to duży problem. Jeśli nie zostanie oczyszczony, może doprowadzić do eutrofizacji zbiornika wodnego po zrzucie do rzeki, powodując dużą liczbę zakwitów glonów i czerwonych pływów, które mogą zatruwać ryby i krewetki. A grupa „chemicznych szefów kuchni”, takich jak bakterie nitryfikacyjne, może stopniowo przekształcać azot amonowy w azotan, który następnie jest przekształcany w azot przez bakterie denitryfikacyjne i uwalniany do powietrza, skutecznie zamieniając „toksyczne odpady” w ściekach w „nieszkodliwy gaz”. Gdyby nie one, oczyszczalnia ścieków nie byłaby w stanie wykonać zadania „denitryfikacji”, a woda w naszych rzekach mogłaby dawno temu zamienić się w „zieloną zupę”.
Co jeszcze bardziej interesujące, te autotroficzne mikroorganizmy są szczególnie „zjednoczone”. Dwaj „mistrzowie” bakterii nitryfikacyjnych – bakterie utleniające amoniak i bakterie utleniające azotyny – nigdy „nie walczą samotnie”, zawsze łączą się, tworząc „społeczność bakterii nitryfikacyjnych”. Azotyn wytwarzany przez bakterie utleniające amoniak jest „pożywieniem” dla bakterii utleniających azotyny; A bakterie utleniające azotyny zjadają azotyn, co może zapobiec gromadzeniu się azotynu w środowisku, a z kolei chroni bakterie utleniające amoniak (wysokie stężenia azotynu są toksyczne dla bakterii utleniających amoniak). To milczące porozumienie „ty gotujesz, ja zmywam naczynia, ty produkujesz, ja konsumuję” jest po prostu „wzorem pary” w społeczności mikrobów. Nic dziwnego, że mogą na stałe zadomowić się w ściekach i stać się „wiecznie zielonymi drzewami” w przemyśle spożywczym.
Czasami naprawdę podziwiam tych mikrosferycznych „jedzących ryż”: nie mają oczu, ust, a nawet mózgu, ale potrafią dokładnie znaleźć „surowce”, których potrzebują, wykorzystują najbardziej pierwotne reakcje chemiczne do przekształcania substancji nieorganicznych w organiczne i zamieniania ścieków w czystą i suchą wodę. Nie jedzą wszystkiego, co widzą, jak bakterie heterotroficzne, ale upierają się przy „robieniu tego samemu i byciu dobrze odżywionym”. Podczas gdy inni konkurują o jedzenie, oni po cichu rozwijają swoje „umiejętności kulinarne” i ostatecznie zajmują niezastąpione miejsce w „mikro mieście jedzenia” osadu czynnego.
Właściwie myśląc o tym, „filozofia suchego jedzenia” tych autotroficznych mikroorganizmów jest warta naśladowania: nie polegają na zewnętrznych „gotowych zasobach”, ale rozwijają własne „kluczowe umiejętności”, tworzą wartość poprzez własne zdolności, nie tylko rozwiązują własne „problemy z jedzeniem”, ale także przyczyniają się do całego ekosystemu (oczyszczalni ścieków). Są jak grupa rzemieślników po cichu pracujących w ściekach, nie szukających wspaniałości, ale dążących do samowystarczalności, niezłomności i niezawodności.
Więc następnym razem, gdy przejdziesz obok oczyszczalni ścieków i poczujesz słaby „zapach dezynfekcji”, możesz pomyśleć o tych autotroficznych mikroorganizmach w komorze napowietrzania – mogą być zajęte utlenianiem azotu amonowego, opalaniem się w celu syntezy materii organicznej lub „współpracą” ze swoimi rówieśnikami, aby przygotować duży posiłek. Ci niepozorni „mikro kucharze ryżowi” piszą legendę samowystarczalności w ściekach na swój własny, niepowtarzalny sposób, a także wykorzystują swoje „umiejętności kulinarne” do ochrony naszego środowiska wodnego. Ukłon w stronę „króla samowystarczalnego suchego ryżu” w tych osadach czynnych, w końcu potrafią zamienić „powietrze i kamienie” w ucztę. Patrząc na całą społeczność mikrobów, tylko oni potrafią to zrobić!
