В аэротенке очистных сооружений царит оживленный «микроскопический город еды». Здесь нет шеф-поваров, отмеченных звездами Мишлен, нет курьеров доставки еды, и даже готовых «комплексных обедов» почти нет. Автотрофные микроорганизмы в активном иле — самые необычные «обедающие» в этом кулинарном центре — в то время как другие жадно борются за органический мусор в сточных водах, они упорно полагаются на собственные усилия, извлекая энергию из «воздуха и камня» и гениально превращая неорганическое вещество в «пиршество китайских и западных деликатесов». Сегодня мы узнаем, как эти «самодостаточные короли обеда» превращают «трудные времена» в жизнь «богатых второго поколения» в сточных водах.
Начну с того, что расскажу вам немного предыстории: Активный ил, проще говоря, это «экологичная команда», состоящая из миллиардов микроорганизмов. Их конечная миссия — очищать сточные воды, расщепляя загрязняющие вещества. Эта команда разделена на две основные фракции: гетеротрофные микроорганизмы — это «прожорливые едоки», специализирующиеся на поедании легкодоступного органического вещества (такого как крахмал, белок и жир) в сточных водах — они пируют с большим аппетитом. Между тем, автотрофные микроорганизмы — это «хардкорные ремесленники», от природы оснащенные «кухонным баффом» и просто презирающие эти «остатки». Они отказываются полагаться на чужие объедки и настаивают на самостоятельной добыче сырья, создавая «органические пиршества» с нуля. Вы думаете, они высокомерны? Нет, они развили суперспособность «не нуждаться в конкуренции за еду». В среде «конкуренции за ресурсы» сточных вод они проложили путь к «самообеспечению» в кормлении себя.
Когда дело доходит до «лучших гурманов» среди самоподдерживающихся микроорганизмов, семейство нитритных бактерий, несомненно, занимает первое место — эти маленькие ребята — «химические повара ила», преуспевающие в искусстве «неорганического окисления» для приготовления пищи. Вы можете задаться вопросом: неорганическое вещество? Разве это не включает в себя «хардкорные» вещи, такие как камни, аммиак и сульфиды? То, что мы находим несъедобным, на самом деле является самым вкусным сырьем в глазах нитритных бактерий — более заманчивым, чем даже «Будда перепрыгивает через стену».
В семействе нитрифицирующих бактерий есть два основных «шеф-повара»: аммиак-окисляющие бактерии и нитрит-окисляющие бактерии. Они — «идеальный дуэт», работающий с четко определенными ролями, как шеф-повара закусок и основных блюд в ресторане. Первыми появляются аммиак-окисляющие бактерии, чьим «фирменным навыком» является обработка аммиачного азота (NH3) в сточных водах в качестве «закуски». Не стоит недооценивать этот аммиачный азот — он не очень концентрирован в сточных водах, но имеет резкий «туалетный запах». Гетеротрофные бактерии, как правило, избегают его, но аммиак-окисляющие бактерии относятся к нему как к сокровищу. Используя свои «оксидазные инструменты» внутри своего тела, они постепенно «расщепляют и окисляют» аммиачный азот. Этот процесс похож на зажигание природного газа зажигалкой — хотя открытого пламени нет, он выделяет непрерывную энергию, которая служит их «топливом для приготовления пищи».
Но «кулинарные навыки» аммиак-окисляющих бактерий останавливаются на стадии закуски. После окисления аммиачного азота до нитрита (NO2-) они удовлетворяют свой голод и жажду, а затем передают оставшийся «полуфабрикат» нитрита своему «хорошему брату» нитрит-окисляющим бактериям. Этот «мастер основного блюда» еще более грозен, так как он может дополнительно окислять нитрит до нитрата (NO3-), высвобождая еще одну волну энергии. Вы думаете, они проходят через все эти трудности только для своей выгоды? Нет, окисляя эти неорганические соединения, они также тайно «занимаются побочным бизнесом» — используя высвобождаемую энергию для обработки углекислого газа (CO2) из воздуха в качестве «муки» и собирая воду (H2O) и неорганические соли (такие как калий, фосфор и железо) из сточных вод в качестве «приправ», синтезируя глюкозу и белки в «органические деликатесы» внутри своих тел. Эта операция эквивалентна тому, что в то время, как другие борются за маньтоу, они уже вырастили пшеницу, смололи муку и приготовили булочки на пару, достигнув «потолка самообеспечения» в микробном мире.
Еще более впечатляющим является тот факт, что нитрифицирующие бактерии, эти «мастера-шефы», особенно «выносливы». Хотя их «эффективность приготовления пищи» не особенно высока — для синтеза 1 грамма органического вещества может потребоваться окисление десятков или даже сотен граммов аммиачного азота — они процветают благодаря своей «неприхотливости и неконкурентоспособности». В активном иле, когда гетеротрофные бактерии почти исчерпали органическое вещество в сточных водах, они испытывают голод и даже прибегают к «борьбе за еду». Между тем, нитрифицирующие бактерии могут неторопливо «медленно работать для достижения совершенных результатов», превращая неорганическое вещество в свое собственное питание, используя остаточный аммиачный азот в сточных водах и углекислый газ из воздуха.
Это как после продовольственного фестиваля, когда все остальные подбирают крошки закусок с земли, они вместо этого достают свои собственные инструменты, чтобы переработать «воздух и камни» на месте в пиршество. Такая мудрость выживания поистине восхитительна.
В дополнение к «химической кулинарной школе» нитрифицирующих бактерий, в активном иле есть еще одна группа автотрофных «гурманов» — фототрофные автотрофные микроорганизмы, такие как цианобактерии и пурпурные серные бактерии, которых можно назвать «шеф-поварами солнечного света». Однако их роль в очистных сооружениях менее заметна, чем у нитрифицирующих бактерий, так как света в аэротенке недостаточно, а постоянное перемешивание от системы аэрации затрудняет наслаждение тихой солнечной ванной. Тем не менее, несмотря на эти трудности, они преуспевают с «позитивным мышлением и умелыми руками». Даже при минимальном освещении в сочетании со «специальными ингредиентами», такими как сероводород (H2S) и ионы железа (Fe²⁺) в сточных водах, они могут активировать «Режим фотосинтеза 2.0». В то время как обычные растения используют углекислый газ и воду для синтеза органического вещества с помощью световой энергии, выделяя при этом кислород, эти фототрофные автотрофные микроорганизмы более приземлены. Они могут заменить воду сероводородом, использовать свет для преобразования углекислого газа и сероводорода в органическое вещество и одновременно извлекать серу из сероводорода, храня ее в виде элементарных серных частиц внутри своих тел. Это как готовить, одновременно «запасаясь».
Вы можете представить себе эту сцену: в углу аэротенка пробивается слабый луч света, и синие бактерии мгновенно становятся «энергичными», распространяя свои «фотосинтетические крылья» (фотосинтетические слои) одно за другим, как группа «маленьких поваров», держащих солнечные панели, загорающих и заряжающихся, в то время как они обрабатывают едкий сероводород в сточных водах как «соевый соус», а углекислый газ как «рис». С помощью интенсивной операции они готовят вкусную «органическую еду», а также обрабатывают зловонный загрязнитель сероводород — решая проблему питания и достигая экологических показателей, что является просто образцом «без задержек в сухой рисовой работе».
Однако, говоря об этом, хотя эти автотрофные микроорганизмы «высококвалифицированы», они не «из другого мира». Когда они готовят «органическую еду», им также нужны некоторые «приправы из микроэлементов» — такие как минералы, такие как железо, марганец и цинк, поглощаемые из сточных вод, которые эквивалентны соли и глутамату натрия, которые мы используем для приготовления пищи. Без них «еда», которую они готовят, не будет иметь вкуса, и микроорганизмы не будут расти сами по себе. И их «кулинарный ритм» особенно медленный. Гетеротрофным бактериям может потребоваться всего несколько часов, чтобы съесть еду, в то время как нитрифицирующим бактериям может потребоваться несколько дней или даже недель, чтобы «есть и пить достаточно, чтобы вырастить свои тела». Поэтому в активном иле, хотя им не нужно конкурировать за еду, им все равно нужно развиваться сдержанно, чтобы избежать «случайного вреда» со стороны гетеротрофных бактерий (в конце концов, гетеротрофные бактерии многочисленны и быстро размножаются, иногда занимая их жизненное пространство).
Но не стоит недооценивать этих «медлительных поваров», они — «невидимые герои» очистных сооружений. Подумайте об этом, аммиачный азот в сточных водах — большая проблема. Если его не обработать, это может привести к эвтрофикации водоема при сбросе в реку, что приведет к большому количеству цветения водорослей и красных приливов, которые могут отравить рыбу и креветок. А группа «химических поваров», таких как нитрифицирующие бактерии, может постепенно превращать аммиачный азот в нитрат, который затем превращается в азот денитрифицирующими бактериями и сбрасывается в воздух, эффективно превращая «токсичные отходы» в сточных водах в «безвредный газ». Если бы не они, очистные сооружения не смогли бы выполнить задачу «денитрификации», и наша речная вода, возможно, давно превратилась бы в «зеленый суп».
Что еще интереснее, так это то, что эти автотрофные микроорганизмы особенно «объединены». Два «мастера» нитрифицирующих бактерий — аммиак-окисляющие бактерии и нитрит-окисляющие бактерии — никогда не «сражаются в одиночку», они всегда собираются вместе, чтобы сформировать «нитрифицирующую бактериальную общину». Нитрит, производимый аммиак-окисляющими бактериями, оказывается «пищей» для нитрит-окисляющих бактерий; А нитрит-окисляющие бактерии едят нитрит, что может предотвратить накопление нитрита в окружающей среде и, в свою очередь, защитить аммиак-окисляющие бактерии (высокие концентрации нитрита токсичны для аммиак-окисляющих бактерий). Это молчаливое понимание «ты готовишь, я мою посуду, ты производишь, я потребляю» — просто «образцовая пара» в микробном сообществе. Неудивительно, что они могут прочно обосноваться в сточных водах и стать «вечнозелеными деревьями» в индустрии сухой пищи.
Иногда я действительно восхищаюсь этими микромировыми «едоками риса»: у них нет глаз, нет рта и даже нет мозга, но они могут точно находить необходимые им «сырьевые материалы», использовать самые примитивные химические реакции для превращения неорганических веществ в органические вещества и превращать сточные воды в чистую и сухую воду. Они не едят все, что видят, как гетеротрофные бактерии, а настаивают на том, чтобы «делать это самим и быть хорошо накормленными». В то время как другие борются за еду, они молчаливо развивают свои «кулинарные навыки» и в конечном итоге занимают незаменимое место в «микро-городе еды» активного ила.
На самом деле, если подумать, то «философия сухой пищи» этих автотрофных микроорганизмов вполне достойна изучения: они не полагаются на внешние «готовые ресурсы», а развивают свои собственные «основные навыки», создают ценность посредством своих собственных способностей, не только решают свои собственные «проблемы с едой», но и вносят вклад во всю экосистему (очистные сооружения). Они как группа ремесленников, молчаливо работающих в сточных водах, не стремящихся к величию, а стремящихся к самообеспечению, стойкости и надежности.
Поэтому в следующий раз, когда вы будете проходить мимо очистных сооружений и почувствуете слабый «запах дезинфицирующего средства», вы можете подумать об этих автотрофных микроорганизмах в аэротенке — они могут быть заняты окислением аммиачного азота, загорать для синтеза органического вещества или «сотрудничать» со своими коллегами, чтобы приготовить большую еду. Эти незаметные «микро-рисовые повара» пишут легенду о самообеспечении в сточных водах своим уникальным способом, а также используют свои «кулинарные навыки» для защиты нашей водной среды. Салют «королю самообеспечивающегося сухого риса» в этих активных илах, в конце концов, они могут превратить «воздух и камни» в пиршество. Глядя на все микробное сообщество, только они могут это сделать!
