در مخزن هوادهی یک تصفیه خانه فاضلاب، یک "شهر غذایی میکروسکوپی" شلوغ قرار دارد. در اینجا، هیچ سرآشپز ستارهدار میشلینی وجود ندارد، پیکهای تحویل غذا وجود ندارند و حتی "غذاهای بستهبندی شده" آماده نیز کمیاب هستند. میکروارگانیسمهای اتوتروف در لجن فعال، غیرمتعارفترین "غذاخوریها" در این مرکز آشپزی هستند—در حالی که دیگران مشتاقانه برای زبالههای آلی در فاضلاب رقابت میکنند، آنها سرسختانه به تلاشهای خود متکی هستند، انرژی را از "هوا و سنگ" استخراج میکنند و به طرز ماهرانهای مواد معدنی را به یک "جشن از غذاهای چینی و غربی" تبدیل میکنند. امروز، ما فاش خواهیم کرد که چگونه این "پادشاهان غذاخوری خودکفا"، "روزهای سخت" را به زندگی "نسل دوم ثروتمند" در فاضلاب تبدیل میکنند.
اجازه دهید با ارائه کمی پیشزمینه شروع کنم: لجن فعال، به زبان ساده، یک "تیم دوستدار محیط زیست" است که از میلیاردها میکروارگانیسم تشکیل شده است. مأموریت نهایی آنها تصفیه فاضلاب با تجزیه آلایندهها است. این تیم به دو جناح اصلی تقسیم میشود: میکروارگانیسمهای هتروتروف، "خورندگان حریص" هستند که در خوردن مواد آلی آماده (مانند نشاسته، پروتئین و چربی) در فاضلاب تخصص دارند—آنها با اشتهای فراوان غذا میخورند. در همین حال، میکروارگانیسمهای اتوتروف، "صنعتگران سرسخت" هستند که به طور طبیعی به یک "بوفه آشپزخانه" مجهز شدهاند و به سادگی از آن "ضایعات باقیمانده" بیزارند. آنها از تکیه بر باقیماندههای دیگران خودداری میکنند و اصرار دارند که خودشان مواد اولیه را تهیه کنند و "جشنهای ارگانیک" را از ابتدا بسازند. آیا فکر میکنید آنها متکبر هستند؟ نه، آنها ابرقدرت "عدم نیاز به رقابت برای غذا" را تکامل دادهاند. در محیط "رقابت بر سر منابع" فاضلاب، آنها مسیری را برای "خودکفایی" در تغذیه خود ایجاد کردهاند.
وقتی صحبت از "غذاخورهای درجه یک" در میان میکروارگانیسمهای خودپایدار میشود، خانواده باکتریهای نیتریت بدون شک تاج را به دست میآورند—این بچههای کوچک "سرآشپزهای شیمیایی لجن" هستند که در هنر "اکسیداسیون غیرآلی" برای پخت و پز برتری دارند. ممکن است تعجب کنید: مواد معدنی؟ آیا این شامل چیزهای "سخت" مانند سنگ، آمونیاک و سولفیدها نمیشود؟ آنچه ما ناخوشایند میدانیم در واقع خوشمزهترین ماده اولیه در چشم باکتریهای نیتریت است—حتی وسوسهانگیزتر از "بودا از روی دیوار میپرد".
در خانواده باکتریهای نیتریفایر، دو "سرآشپز" اصلی وجود دارد: باکتریهای اکسیدکننده آمونیاک و باکتریهای اکسیدکننده نیتریت. آنها "زوج ایدهآل" هستند که با نقشهای مشخصی کار میکنند، درست مانند سرآشپزهای پیشغذا و غذای اصلی در یک رستوران. اولین کسی که ظاهر میشود باکتریهای اکسیدکننده آمونیاک هستند که "مهارت امضایی" آنها این است که نیتروژن آمونیاک (NH3) در فاضلاب را به عنوان یک "پیشغذا" در نظر میگیرند. این نیتروژن آمونیاک را دست کم نگیرید—در فاضلاب غلظت بالایی ندارد، اما یک "بوی توالت" تند دارد. باکتریهای هتروتروف تمایل دارند از آن اجتناب کنند، اما باکتریهای اکسیدکننده آمونیاک آن را به عنوان یک گنج در نظر میگیرند. با استفاده از "ابزارهای اکسیداز" خود در داخل بدن، به تدریج نیتروژن آمونیاک را "تجزیه و اکسید" میکند. این فرآیند مانند روشن کردن گاز طبیعی با فندک است—اگرچه شعلهای وجود ندارد، اما انرژی پیوستهای آزاد میکند که به عنوان "سوخت پخت و پز" آنها عمل میکند.
اما "مهارتهای آشپزی" باکتریهای اکسیدکننده آمونیاک در مرحله پیشغذا متوقف میشود. پس از اکسید کردن نیتروژن آمونیاک به نیتریت (NO2-)، آنها گرسنگی و تشنگی خود را برطرف میکنند، سپس "محصول نیمهتمام" باقیمانده نیتریت را به "برادر خوب" خود، باکتریهای اکسیدکننده نیتریت، تحویل میدهند. این "استاد غذای اصلی" حتی قدرتمندتر است، زیرا میتواند نیتریت را بیشتر به نیترات (NO3-) اکسید کند و موج دیگری از انرژی را آزاد کند. آیا فکر میکنید آنها فقط برای منافع خودشان این همه دردسر را متحمل میشوند؟ نه، در حالی که این ترکیبات غیرآلی را اکسید میکنند، آنها همچنین مخفیانه در حال "انجام یک تجارت جانبی" هستند—با استفاده از انرژی آزاد شده برای درمان دیاکسید کربن (CO2) از هوا به عنوان "آرد" و جمعآوری آب (H2O) و نمکهای معدنی (مانند پتاسیم، فسفر و آهن) از فاضلاب به عنوان "چاشنی"، گلوکز و پروتئینها را به "غذاهای لذیذ ارگانیک" در بدن خود سنتز میکنند. این عملیات معادل این است که در حالی که دیگران در حال دست و پا زدن برای مانتو هستند، آنها قبلاً گندم را پرورش دادهاند، آرد را آسیاب کردهاند و نان بخارپز کردهاند و به یک "سقف خودکفایی" در دنیای میکروبی دست یافتهاند.
حتی چشمگیرتر این واقعیت است که باکتریهای نیتریفایر، این "سرآشپزهای استاد"، به ویژه "سرسخت" هستند. اگرچه "بازده پخت و پز" آنها به طور خاص بالا نیست—سنتز 1 گرم ماده آلی ممکن است نیاز به اکسید کردن دهها یا حتی صدها گرم نیتروژن آمونیاک داشته باشد—آنها در طبیعت "بیتکلف و غیررقابتی" خود رشد میکنند. در لجن فعال، هنگامی که باکتریهای هتروتروف تقریباً مواد آلی موجود در فاضلاب را تمام کردهاند، گرسنه میشوند و حتی به "رقابت برای غذا" متوسل میشوند. در همین حال، باکتریهای نیتریفایر میتوانند با آرامش "کار آهسته برای نتایج عالی" را انجام دهند و مواد معدنی را با استفاده از نیتروژن آمونیاک باقیمانده در فاضلاب و دیاکسید کربن از هوا به غذای خود تبدیل کنند.
مثل این است که بعد از یک جشنواره غذا، در حالی که همه خردههای میان وعده را از زمین جمع میکنند، آنها به جای آن ابزارهای خود را بیرون میآورند تا "هوا و سنگها" را در محل به یک جشن تبدیل کنند. چنین خرد بقایی واقعاً قابل تحسین است.
علاوه بر "مدرسه آشپزی شیمیایی" باکتریهای نیتریفایر، گروه دیگری از "غذاخورهای" اتوتروف در لجن فعال وجود دارد—میکروارگانیسمهای اتوتروف فتوسنتزی، مانند سیانوباکتریها و باکتریهای گوگردی بنفش، که میتوان آنها را "سرآشپزهای نور خورشید" نامید. با این حال، نقش آنها در تصفیه خانههای فاضلاب کمتر از باکتریهای نیتریفایر است، زیرا نور در مخزن هوادهی فراوان نیست و هم زدن مداوم از سیستم هوادهی، لذت بردن از حمام آفتاب آرام را دشوار میکند. با این حال، علیرغم این چالشها، آنها با "ذهنیت مثبت و دستان ماهر" برتری دارند. حتی با حداقل نور، همراه با "مواد تشکیلدهنده خاص" مانند سولفید هیدروژن (H2S) و یونهای آهن (Fe²⁺) در فاضلاب، آنها میتوانند "حالت فتوسنتز 2.0" را فعال کنند. در حالی که گیاهان معمولی از دیاکسید کربن و آب برای سنتز مواد آلی با انرژی نور استفاده میکنند و اکسیژن را در این فرآیند آزاد میکنند، این میکروارگانیسمهای اتوتروف فتوسنتزی زمینیتر هستند. آنها میتوانند آب را با سولفید هیدروژن جایگزین کنند، از نور برای تبدیل دیاکسید کربن و سولفید هیدروژن به مواد آلی استفاده کنند و همزمان گوگرد را از سولفید هیدروژن استخراج کرده و آن را به عنوان ذرات گوگرد عنصری در بدن خود ذخیره کنند. این مانند پخت و پز در حالی است که همزمان "ذخیرهسازی" میکنید.
میتوانید این صحنه را تصور کنید: در گوشه مخزن هوادهی، یک پرتو ضعیف از نور میدرخشد و باکتریهای آبی بلافاصله "پرانرژی" میشوند و "بالهای فتوسنتزی" (لایههای فتوسنتزی) خود را یکی پس از دیگری پخش میکنند، مانند گروهی از "سرآشپزهای کوچک" که صفحات خورشیدی را در دست دارند، حمام آفتاب میگیرند و شارژ میشوند، در حالی که سولفید هیدروژن تند موجود در فاضلاب را به عنوان "سس سویا" و دیاکسید کربن را به عنوان "برنج" در نظر میگیرند. با یک عملیات شدید، آنها یک "غذای ارگانیک" خوشمزه درست میکنند و همچنین آلاینده بدبوی سولفید هیدروژن را درمان میکنند—حل مشکل غذا خوردن و دستیابی به شاخصهای کلیدی عملکرد زیستمحیطی، که به سادگی یک مدل از "بدون تأخیر در کار برنج خشک" است.
با این حال، با صحبت در مورد آن، اگرچه این میکروارگانیسمهای اتوتروف "بسیار ماهر" هستند، اما "جهانی" نیستند. هنگامی که آنها "غذاهای ارگانیک" درست میکنند، به برخی از "چاشنیهای عناصر کمیاب" نیز نیاز دارند—مانند مواد معدنی مانند آهن، منگنز و روی که از فاضلاب جذب میشوند، که معادل نمک و MSG است که ما برای پخت و پز استفاده میکنیم. بدون آنها، "غذایی" که درست میکنند هیچ طعمی نخواهد داشت و میکروارگانیسمها به خودی خود رشد نخواهند کرد. و "ریتم پخت و پز" آنها به ویژه کند است. باکتریهای هتروتروف ممکن است فقط به چند ساعت زمان نیاز داشته باشند تا یک وعده غذایی بخورند، در حالی که باکتریهای نیتریفایر ممکن است چندین روز یا حتی هفتهها طول بکشد تا "به اندازه کافی غذا بخورند و بنوشند تا بدنشان رشد کند". بنابراین در لجن فعال، اگرچه آنها مجبور نیستند برای غذا رقابت کنند، اما همچنان باید به شیوهای کماهمیت رشد کنند تا از "آسیب تصادفی" توسط باکتریهای هتروتروف جلوگیری شود (به هر حال، باکتریهای هتروتروف فراوان هستند و به سرعت تکثیر میشوند، گاهی اوقات فضای زندگی آنها را اشغال میکنند).
اما این "آشپزهای کندرو" را دست کم نگیرید، آنها "قهرمانان نامرئی" تصفیه خانههای فاضلاب هستند. به آن فکر کنید، نیتروژن آمونیاک در فاضلاب یک مشکل بزرگ است. اگر درمان نشود، میتواند منجر به اوتروفی شدن بدنه آبی شود که هنگام تخلیه در رودخانه، منجر به شکوفایی جلبکی و جزر و مدهای قرمز میشود که میتواند ماهیها و میگوها را مسموم کند. و گروه "سرآشپزهای شیمیایی" مانند باکتریهای نیتریفایر میتوانند به تدریج نیتروژن آمونیاک را به نیترات تبدیل کنند، که سپس توسط باکتریهای دنیتریفایر به نیتروژن تبدیل شده و در هوا تخلیه میشود و به طور موثر "زبالههای سمی" موجود در فاضلاب را به یک "گاز بیضرر" تبدیل میکند. اگر آنها نبودند، تصفیه خانه فاضلاب نمیتوانست کار "دنیتریفیکاسیون" را تکمیل کند و آب رودخانه ما ممکن بود خیلی وقت پیش به "سوپ سبز" تبدیل شود.
جالبتر این است که این میکروارگانیسمهای اتوتروف به ویژه "متحد" هستند. دو "استاد" باکتریهای نیتریفایر—باکتریهای اکسیدکننده آمونیاک و باکتریهای اکسیدکننده نیتریت—هرگز "به تنهایی مبارزه نمیکنند"، آنها همیشه با هم جمع میشوند تا یک "جامعه باکتریایی نیتریفایر" را تشکیل دهند. نیتریت تولید شده توسط باکتریهای اکسیدکننده آمونیاک اتفاقاً "غذای" باکتریهای اکسیدکننده نیتریت است. و باکتریهای اکسیدکننده نیتریت نیتریت میخورند، که میتواند از تجمع نیتریت در محیط جلوگیری کند و به نوبه خود از باکتریهای اکسیدکننده آمونیاک محافظت کند (غلظتهای بالای نیتریت برای باکتریهای اکسیدکننده آمونیاک سمی است). این درک ضمنی از "شما آشپزی میکنید، من ظرفها را میشویم، شما تولید میکنید، من مصرف میکنم" به سادگی یک "زوج مدل" در جامعه میکروبی است. جای تعجب نیست که آنها میتوانند خود را در فاضلاب محکم مستقر کنند و به "درختان همیشه سبز" در صنعت غذای خشک تبدیل شوند.
گاهی اوقات من واقعاً این "برنجخورهای" دنیای میکرو را تحسین میکنم: آنها چشم ندارند، دهان ندارند و حتی مغز ندارند، اما میتوانند با دقت "مواد اولیه" مورد نیاز خود را پیدا کنند، از ابتداییترین واکنشهای شیمیایی برای تبدیل مواد معدنی به مواد آلی استفاده کنند و فاضلاب را به آب تمیز و خشک تبدیل کنند. آنها مانند باکتریهای هتروتروف هر چیزی را که میبینند نمیخورند، بلکه بر "انجام آن خودشان و سیر شدن" اصرار دارند. در حالی که دیگران در حال رقابت برای غذا هستند، آنها بیصدا "مهارتهای آشپزی" خود را پرورش میدهند و در نهایت جایگاهی ضروری در "شهر غذایی میکروسکوپی" لجن فعال اشغال میکنند.
در واقع، با فکر کردن به آن، "فلسفه غذای خشک" این میکروارگانیسمهای اتوتروف کاملاً ارزش یادگیری دارد: آنها به "منابع آماده" خارجی متکی نیستند، بلکه "مهارتهای اصلی" خود را پرورش میدهند، از طریق تواناییهای خود ارزش ایجاد میکنند، نه تنها "مشکلات غذایی" خود را حل میکنند، بلکه به کل اکوسیستم (تصفیه خانههای فاضلاب) نیز کمک میکنند. آنها مانند گروهی از صنعتگران هستند که بیصدا در فاضلاب کار میکنند، نه به دنبال عظمت، بلکه به دنبال خودکفایی، استواری و قابلیت اطمینان هستند.
بنابراین دفعه بعد که از کنار یک تصفیه خانه فاضلاب عبور کردید و بوی ضعیف "ضدعفونی کننده" را استشمام کردید، ممکن است بخواهید به آن میکروارگانیسمهای اتوتروف در مخزن هوادهی فکر کنید—آنها ممکن است مشغول اکسید کردن نیتروژن آمونیاک باشند، حمام آفتاب میگیرند تا مواد آلی را سنتز کنند، یا با همتایان خود "همکاری" میکنند تا یک وعده غذایی بزرگ درست کنند. این "آشپزهای برنج ریز" نامحسوس، افسانه خودکفایی را در فاضلاب به روش منحصر به فرد خود مینویسند و همچنین از "مهارتهای آشپزی" خود برای محافظت از محیط زیست آبی ما استفاده میکنند. درود بر "پادشاه برنج خشک خودپایدار" در این لجن فعال، به هر حال، آنها میتوانند "هوا و سنگها" را به یک جشن تبدیل کنند. با نگاهی به کل جامعه میکروبی، آنها تنها کسانی هستند که میتوانند این کار را انجام دهند!
