```[ข้อมูลเชิงลึก] จุลินทรีย์ออโตโทรฟิคในตะกอนเร่ง''`

ในถังเติมอากาศของโรงบำบัดน้ำเสีย มี "เมืองอาหารขนาดเล็ก" ที่พลุกพล่าน ที่นี่ไม่มีเชฟระดับมิชลินสตาร์ ไม่มีบริการจัดส่งอาหาร และแม้แต่ "อาหารกล่อง" สำเร็จรูปก็ขาดแคลน จุลินทรีย์ออโตโทรฟิคในตะกอนเร่งคือ "นักชิม" ที่แหวกแนวที่สุดในศูนย์รวมการทำอาหารแห่งนี้ ในขณะที่คนอื่นๆ ต่างกระตือรือร้นที่จะแย่งชิงขยะอินทรีย์ในน้ำเสีย พวกเขาก็พึ่งพาความพยายามของตนเองอย่างหัวแข็ง โดยดึงพลังงานจาก "อากาศและหิน" และเปลี่ยนสารอนินทรีย์อย่างชาญฉลาดให้กลายเป็น "งานเลี้ยงอาหารจีนและอาหารตะวันตก" วันนี้เราจะมาเปิดเผยว่า "ราชาแห่งการรับประทานอาหารแบบพอเพียง" เหล่านี้เปลี่ยน "ช่วงเวลาที่ยากลำบาก" ให้เป็น "คนรวยรุ่นที่สอง" ที่อาศัยอยู่ในน้ำเสียได้อย่างไร

ผมขอเริ่มด้วยการให้ข้อมูลพื้นฐานแก่คุณสักหน่อย กล่าวง่ายๆ ก็คือ ตะกอนกัมมันต์คือ "ทีมที่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม" ที่ประกอบด้วยจุลินทรีย์หลายพันล้านตัว ภารกิจสูงสุดของพวกเขาคือการทำให้น้ำเสียบริสุทธิ์โดยการทำลายมลพิษ ทีมนี้แบ่งออกเป็นสองกลุ่มหลัก: จุลินทรีย์เฮเทอโรโทรฟิคคือ "สัตว์กินตะกละ" ซึ่งเชี่ยวชาญด้านการกินอาหารอินทรีย์ที่หาได้ง่าย (เช่น แป้ง โปรตีน และไขมัน) ในน้ำเสีย พวกมันกินอาหารด้วยความอยากอาหารมาก ในขณะเดียวกัน จุลินทรีย์ออโตโทรฟิกนั้นเป็น "ช่างฝีมือฮาร์ดคอร์" ซึ่งมาพร้อมกับ "คนชอบทำครัว" โดยธรรมชาติ และเพียงแต่รังเกียจ "เศษที่เหลือ" เหล่านั้น พวกเขาปฏิเสธที่จะพึ่งพาอาหารที่เหลือจากผู้อื่นและยืนกรานที่จะจัดหาวัตถุดิบด้วยตนเอง โดยประดิษฐ์ "งานฉลองออร์แกนิก" ตั้งแต่เริ่มต้น คุณคิดว่าพวกเขาหยิ่งไหม? ไม่ พวกมันได้พัฒนาพลังพิเศษที่ว่า "ไม่ต้องแย่งชิงอาหาร" ในสภาพแวดล้อม "การแข่งขันด้านทรัพยากร" ของน้ำเสีย พวกเขาได้สร้างเส้นทางสู่ "ความพอเพียง" ในการเลี้ยงดูตนเอง

เมื่อพูดถึง "นักชิมชั้นยอด" ท่ามกลางจุลินทรีย์ที่เลี้ยงตัวเองได้ ไม่ต้องสงสัยเลยว่าตระกูลแบคทีเรียไนไตรท์จะครองตำแหน่งนี้อย่างแน่นอน คนตัวเล็กเหล่านี้คือ "พ่อครัวด้านเคมีที่ใช้กากตะกอน" และมีความเป็นเลิศในด้านศิลปะของ "การออกซิเดชันอนินทรีย์" ในการปรุงอาหาร คุณอาจสงสัยว่า: สารอนินทรีย์? นั่นไม่รวมถึงสิ่งที่ "ฮาร์ดคอร์" เช่น หิน แอมโมเนีย และซัลไฟด์ด้วยใช่หรือไม่ สิ่งที่เราพบว่าไม่อร่อยจริงๆ ก็คือวัตถุดิบที่อร่อยที่สุดในสายตาของแบคทีเรียไนไตรท์ ซึ่งน่าดึงดูดยิ่งกว่า "พระพุทธเจ้ากระโดดข้ามกำแพง"

ในครอบครัวของแบคทีเรียไนตริไฟเออร์ มี "เชฟ" หลักสองคน: แบคทีเรียที่ออกซิไดซ์แอมโมเนียและแบคทีเรียที่ออกซิไดซ์ไนไตรท์ พวกเขาเป็น "คู่หูที่สมบูรณ์แบบ" ซึ่งทำงานร่วมกับบทบาทที่กำหนดไว้อย่างชัดเจน เช่นเดียวกับอาหารเรียกน้ำย่อยและเชฟอาหารจานหลักในร้านอาหาร สิ่งแรกที่ปรากฏคือแบคทีเรียที่ออกซิไดซ์แอมโมเนียซึ่งมี "ทักษะเฉพาะตัว" ในการบำบัดแอมโมเนียไนโตรเจน (NH3) ในน้ำเสียเป็น "อาหารเรียกน้ำย่อย" อย่าประมาทแอมโมเนียไนโตรเจน เนื่องจากน้ำเสียไม่ได้มีความเข้มข้นสูงนัก แต่มี "กลิ่นห้องน้ำ" ฉุน แบคทีเรียเฮเทอโรโทรฟิคมักจะหลีกเลี่ยงมัน แต่แบคทีเรียที่ออกซิไดซ์แอมโมเนียก็ถือว่ามันเป็นสมบัติ ด้วยการใช้ "เครื่องมือออกซิเดส" ภายในร่างกาย มันจะค่อยๆ "สลายและออกซิไดซ์" แอมโมเนียไนโตรเจน กระบวนการนี้เหมือนกับการจุดแก๊สธรรมชาติด้วยไฟแช็ก แม้ว่าจะไม่มีเปลวไฟเปิด แต่ก็ปล่อยพลังงานออกมาอย่างต่อเนื่อง ซึ่งทำหน้าที่เป็น "เชื้อเพลิงในการประกอบอาหาร"

แต่ "ทักษะการทำอาหาร" ของแบคทีเรียที่ออกซิไดซ์แอมโมเนียจะหยุดอยู่แค่ในขั้นตอนของเรียกน้ำย่อย หลังจากออกซิไดซ์แอมโมเนียไนโตรเจนให้เป็นไนไตรต์ (NO2-) พวกมันจะสนองความหิวและความกระหายของตนเอง จากนั้นจึงส่งมอบไนไตรต์ "ผลิตภัณฑ์กึ่งสำเร็จรูป" ที่เหลือให้กับแบคทีเรียที่ออกซิไดซ์ไนไตรท์ "พี่ชายที่ดี" "อาหารจานหลัก" นี้ยิ่งน่าเกรงขามยิ่งขึ้น เนื่องจากสามารถออกซิไดซ์ไนไตรท์ให้เป็นไนเตรต (NO3-) ได้อีก และปล่อยพลังงานออกมาอีกระลอกหนึ่ง คุณคิดว่าพวกเขาผ่านปัญหาทั้งหมดนี้เพียงเพื่อผลประโยชน์ของตนเองหรือไม่? ไม่ ในขณะที่ออกซิไดซ์สารประกอบอนินทรีย์เหล่านี้ พวกมันยังแอบ "มีส่วนร่วมในธุรกิจเสริม" ด้วย โดยใช้พลังงานที่ปล่อยออกมาเพื่อบำบัดก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) จากอากาศเป็น "แป้ง" และขับน้ำ (H2O) และเกลืออนินทรีย์ (เช่น โพแทสเซียม ฟอสฟอรัส และเหล็ก) จากน้ำเสียเป็น "เครื่องปรุงรส" โดยสังเคราะห์กลูโคสและโปรตีนให้เป็น "อาหารอันโอชะออร์แกนิก" ภายในร่างกายของพวกมัน การดำเนินการนี้เทียบเท่ากับในขณะที่คนอื่นๆ กำลังแย่งชิงหมั่นโถว แต่พวกเขาก็ปลูกข้าวสาลี แป้งบด และซาลาเปาไปแล้ว ซึ่งบรรลุ "เพดานการพึ่งพาตนเอง" ในโลกของจุลินทรีย์

สิ่งที่น่าประทับใจยิ่งกว่านั้นคือความจริงที่ว่าแบคทีเรียไนตริไฟดิ้ง "พ่อครัวใหญ่" เหล่านี้มี "ความแข็งแกร่ง" เป็นพิเศษ แม้ว่า "ประสิทธิภาพในการปรุงอาหาร" ของพวกมันจะไม่สูงมากนัก แต่การสังเคราะห์อินทรียวัตถุ 1 กรัมอาจต้องใช้แอมโมเนียไนโตรเจนหลายสิบหรือหลายร้อยกรัมในการออกซิไดซ์ พวกมันเติบโตได้ดีในธรรมชาติที่ "ไม่ยุ่งยากและไม่สามารถแข่งขันได้" ในตะกอนเร่ง เมื่อแบคทีเรียเฮเทอโรโทรฟิคเกือบหมดอินทรียวัตถุในน้ำเสีย พวกมันจะหิวโหยและถึงกับหันไป "แย่งชิงอาหาร" ในขณะเดียวกัน แบคทีเรียไนตริไฟนิ่งสามารถ "ทำงานช้าเพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่สมบูรณ์แบบ" ได้อย่างสบายๆ โดยเปลี่ยนสารอนินทรีย์ให้กลายเป็นสารยังชีพของพวกมันเอง โดยใช้แอมโมเนียไนโตรเจนที่ตกค้างในน้ำเสียและคาร์บอนไดออกไซด์จากอากาศ

เหมือนกับหลังจากเทศกาลอาหาร ในขณะที่คนอื่นๆ หยิบเศษขนมจากพื้นดิน พวกเขากลับหยิบเครื่องมือของตัวเองขึ้นมาเพื่อแปรรูป "อากาศและก้อนหิน" ในสถานที่ให้เป็นงานฉลองแทน ภูมิปัญญาการเอาตัวรอดเช่นนี้น่าชื่นชมจริงๆ

นอกเหนือจาก "โรงเรียนสอนทำอาหารด้วยสารเคมี" ของแบคทีเรียไนตริไฟริ่งแล้ว ยังมีกลุ่ม "นักชิม" ออโตโทรฟิคอีกกลุ่มหนึ่งในจุลินทรีย์ออโตโทรฟิกแบบออโตโทรฟิคที่กระตุ้นการทำงานของตะกอน เช่น ไซยาโนแบคทีเรียและแบคทีเรียกำมะถันสีม่วง ซึ่งสามารถเรียกได้ว่าเป็น "เชฟแห่งแสงแดด" อย่างไรก็ตาม บทบาทของพวกเขาในโรงบำบัดน้ำเสียมีความโดดเด่นน้อยกว่าแบคทีเรียไนตริไฟอิง เนื่องจากแสงในถังเติมอากาศมีไม่มากนัก และความปั่นป่วนอย่างต่อเนื่องจากระบบเติมอากาศทำให้การอาบแดดอย่างเงียบ ๆ เป็นเรื่องยาก แม้จะมีความท้าทายเหล่านี้ แต่พวกเขาก็เก่งด้วย "กรอบความคิดเชิงบวกและมือที่มีทักษะ" แม้จะมีแสงเพียงเล็กน้อย เมื่อรวมกับ "ส่วนผสมพิเศษ" เช่น ไฮโดรเจนซัลไฟด์ (H2S) และไอออนของเหล็ก (Fe²⁺) ในน้ำเสีย พวกมันก็สามารถเปิดใช้งาน "โหมดการสังเคราะห์ด้วยแสง 2.0" ได้ ในขณะที่พืชทั่วไปใช้คาร์บอนไดออกไซด์และน้ำเพื่อสังเคราะห์อินทรียวัตถุด้วยพลังงานแสง เพื่อปล่อยออกซิเจนออกมาในกระบวนการ จุลินทรีย์ออโตโทรฟิกที่รับแสงเหล่านี้กลับติดดินมากกว่า พวกเขาสามารถแทนที่น้ำด้วยไฮโดรเจนซัลไฟด์ ใช้แสงเพื่อแปลงคาร์บอนไดออกไซด์และไฮโดรเจนซัลไฟด์ให้เป็นอินทรียวัตถุ และแยกซัลเฟอร์ออกจากไฮโดรเจนซัลไฟด์ไปพร้อมๆ กัน โดยจัดเก็บเป็นอนุภาคกำมะถันที่เป็นธาตุภายในร่างกาย เหมือนกับการปรุงอาหารไปพร้อมๆ กับการ "กักตุน"

คุณสามารถจินตนาการถึงฉากนี้: ที่มุมถังเติมอากาศ มีลำแสงจาง ๆ ส่องเข้ามา และแบคทีเรียสีน้ำเงินก็กลายเป็น "พลัง" ทันที โดยกาง "ปีกสังเคราะห์แสง" (ชั้นสังเคราะห์แสง) ของพวกมันออกไปทีละตัว เหมือนกลุ่ม "เชฟตัวน้อย" ถือแผงโซลาร์เซลล์ อาบแดด และชาร์จประจุไฟฟ้า ในขณะที่บำบัดไฮโดรเจนซัลไฟด์ที่ฉุนในน้ำเสียในน้ำเสียเป็น "ซีอิ๊ว" และคาร์บอนไดออกไซด์เป็น "ข้าว" ด้วยการดำเนินการที่ดุเดือด พวกเขาจึงผลิต "อาหารออร์แกนิก" ที่แสนอร่อย และยังบำบัดไฮโดรเจนซัลไฟด์ที่เป็นมลพิษที่มีกลิ่นเหม็นอีกด้วย ซึ่งช่วยแก้ปัญหาการกินและบรรลุ KPI ด้านสิ่งแวดล้อม ซึ่งเป็นเพียงตัวอย่างหนึ่งของ "งานข้าวแห้งที่ไม่ล่าช้า"

อย่างไรก็ตาม ถึงแม้ว่าจุลินทรีย์ออโตโทรฟิคเหล่านี้จะ "มีทักษะสูง" แต่ก็ไม่ใช่ "นอกโลก" เมื่อพวกเขาทำ "อาหารออร์แกนิก" พวกเขายังต้องมี "เครื่องปรุงรสที่มีธาตุ" เช่น แร่ธาตุ เช่น เหล็ก แมงกานีส และสังกะสีที่ดูดซึมจากน้ำเสีย ซึ่งเทียบเท่ากับเกลือและผงชูรสที่เราใช้ในการปรุงอาหาร หากไม่มีพวกมัน "อาหาร" ที่พวกเขาทำก็จะไม่มีรสชาติ และจุลินทรีย์ก็จะไม่เติบโตได้ด้วยตัวเอง และ "จังหวะการทำอาหาร" ของพวกเขาก็ช้าเป็นพิเศษ แบคทีเรียเฮเทอโรโทรฟิกอาจต้องใช้เวลาเพียงไม่กี่ชั่วโมงในการรับประทานอาหาร ในขณะที่แบคทีเรียไนตริไฟดิ้งอาจใช้เวลาหลายวันหรือหลายสัปดาห์ในการ "กินและดื่มให้เพียงพอต่อการเจริญเติบโตของร่างกาย" ดังนั้นในตะกอนเร่ง แม้ว่าพวกมันจะไม่ต้องแย่งชิงอาหาร แต่ก็ยังต้องพัฒนาในลักษณะที่ไม่ซับซ้อนเพื่อหลีกเลี่ยงการ "ได้รับอันตรายโดยบังเอิญ" จากแบคทีเรียเฮเทอโรโทรฟิค (ท้ายที่สุดแล้ว แบคทีเรียเฮเทอโรโทรฟิคนั้นมีอยู่มากมายและแพร่พันธุ์อย่างรวดเร็ว ซึ่งบางครั้งก็กินพื้นที่อาศัยของพวกมัน)

แต่อย่าดูถูกดูแคลน 'พ่อครัวที่เดินช้า' เหล่านี้ พวกเขาคือ 'วีรบุรุษที่มองไม่เห็น' ของโรงบำบัดน้ำเสีย ลองคิดดู แอมโมเนียไนโตรเจนในน้ำเสียเป็นปัญหาใหญ่ หากไม่บำบัดอาจนำไปสู่การยูโทรฟิเคชั่นของแหล่งน้ำเมื่อปล่อยลงสู่แม่น้ำ ส่งผลให้เกิดสาหร่ายจำนวนมากและกระแสน้ำสีแดงที่อาจทำให้ปลาและกุ้งเป็นพิษได้ และกลุ่มของ "เชฟด้านเคมี" เช่น แบคทีเรียไนตริไฟริ่ง สามารถค่อยๆ เปลี่ยนแอมโมเนียไนโตรเจนเป็นไนเตรต ซึ่งจากนั้นจะถูกแปลงเป็นไนโตรเจนโดยการแยกแบคทีเรียออกและปล่อยออกสู่อากาศ ซึ่งเปลี่ยน "ของเสียพิษ" ในน้ำเสียให้เป็น "ก๊าซที่ไม่เป็นอันตราย" ได้อย่างมีประสิทธิภาพ หากไม่เป็นเช่นนั้น โรงงานบำบัดน้ำเสียก็คงไม่สามารถทำงาน "กำจัดไนตริฟิเคชั่น" ได้สำเร็จ และน้ำในแม่น้ำของเราก็อาจกลายเป็น "ซุปสีเขียว" ไปนานแล้ว

สิ่งที่น่าสนใจยิ่งกว่านั้นคือจุลินทรีย์ออโตโทรฟิกเหล่านี้มีความ 'รวมกัน' เป็นพิเศษ "ผู้เชี่ยวชาญ" สองคนของแบคทีเรียไนตริไฟนิ่ง ได้แก่ แบคทีเรียแอมโมเนียออกซิไดซ์และแบคทีเรียออกซิไดซ์ไนไตรท์ ไม่เคย "ต่อสู้เพียงลำพัง" พวกมันมักจะมารวมตัวกันเพื่อสร้าง "ชุมชนแบคทีเรียไนตริไฟติ้ง" ไนไตรต์ที่ผลิตโดยแบคทีเรียออกซิไดซ์แอมโมเนียนั้นเป็น "อาหาร" สำหรับแบคทีเรียที่ออกซิไดซ์ไนไตรท์ และแบคทีเรียที่ออกซิไดซ์ไนไตรต์จะกินไนไตรต์ซึ่งสามารถป้องกันการสะสมของไนไตรท์ในสิ่งแวดล้อม และในทางกลับกันก็ป้องกันแบคทีเรียที่ออกซิไดซ์แอมโมเนีย (ไนไตรต์ที่มีความเข้มข้นสูงจะเป็นพิษต่อแบคทีเรียที่ออกซิไดซ์แอมโมเนีย) ความเข้าใจโดยปริยายของ "คุณทำอาหาร ฉันล้างจาน คุณผลิต ฉันบริโภค" เป็นเพียง "คู่ต้นแบบ" ในชุมชนจุลินทรีย์ ไม่น่าแปลกใจเลยที่พวกมันสามารถตั้งถิ่นฐานอย่างมั่นคงในสิ่งปฏิกูลและกลายเป็น "ต้นไม้ไม่ผลัดใบ" ในอุตสาหกรรมอาหารแห้ง

บางครั้งฉันก็ชื่นชม 'ผู้กินข้าว' ในโลกใบเล็กๆ เหล่านี้จริงๆ พวกเขาไม่มีตา ไม่มีปาก และแม้แต่สมอง แต่พวกเขาสามารถค้นหา 'วัตถุดิบ' ที่พวกเขาต้องการได้อย่างแม่นยำ ใช้ปฏิกิริยาเคมีดั้งเดิมที่สุดเพื่อเปลี่ยนสารอนินทรีย์ให้เป็นสารอินทรีย์ และเปลี่ยนน้ำเสียให้เป็นน้ำที่สะอาดและแห้ง พวกมันไม่กินสิ่งที่พวกเขาเห็นว่าเป็นแบคทีเรียเฮเทอโรโทรฟิค แต่ยืนกรานที่จะ "ทำเองและได้รับอาหารอย่างดี" ในขณะที่คนอื่นๆ แข่งขันกันแย่งชิงอาหาร พวกเขาก็ปลูกฝัง "ทักษะการทำอาหาร" ของตนอย่างเงียบๆ และท้ายที่สุดก็เข้าครอบครองสถานที่ที่ขาดไม่ได้ใน "เมืองอาหารขนาดเล็ก" ของตะกอนเร่ง

ในความเป็นจริงเมื่อคิดถึงเรื่องนี้ "ปรัชญาอาหารแห้ง" ของจุลินทรีย์ออโตโทรฟิคเหล่านี้ก็คุ้มค่าที่จะเรียนรู้: พวกเขาไม่ได้พึ่งพา "ทรัพยากรสำเร็จรูป" ภายนอก แต่ปลูกฝัง "ทักษะหลัก" ของตนเองสร้างมูลค่าผ่านความสามารถของตนเอง ไม่เพียงแต่แก้ปัญหา "ปัญหาอาหาร" ของตัวเองเท่านั้น แต่ยังมีส่วนช่วยต่อระบบนิเวศทั้งหมดด้วย (โรงบำบัดน้ำเสีย) พวกเขาเปรียบเสมือนช่างฝีมือกลุ่มหนึ่งที่ทำงานเงียบๆ ในบ่อบำบัดน้ำเสีย ไม่แสวงหาความยิ่งใหญ่ แต่แสวงหาความพอเพียง ความมั่นคง และความน่าเชื่อถือ

ดังนั้น ครั้งต่อไปที่คุณผ่านโรงบำบัดน้ำเสียและได้กลิ่น "กลิ่นยาฆ่าเชื้อ" จางๆ คุณอาจต้องนึกถึงจุลินทรีย์ออโตโทรฟิคในถังเติมอากาศ พวกมันอาจยุ่งอยู่กับการออกซิไดซ์แอมโมเนียไนโตรเจน อาบแดดเพื่อสังเคราะห์สารอินทรีย์ หรือ "ร่วมมือกัน" กับเพื่อนเพื่อทำอาหารมื้อใหญ่ 'หม้อหุงข้าวจิ๋ว' ที่ไม่โดดเด่นเหล่านี้กำลังเขียนตำนานของการพึ่งพาตนเองในเรื่องสิ่งปฏิกูลด้วยวิธีที่เป็นเอกลักษณ์ของตนเอง และยังใช้ 'ทักษะการทำอาหาร' เพื่อปกป้องสิ่งแวดล้อมทางน้ำของเราด้วย ขอคารวะต่อ "ราชาแห่งข้าวแห้งที่พึ่งตนเองได้" ในกากตะกอนเร่งเหล่านี้ เพราะสามารถเปลี่ยน "อากาศและก้อนหิน" ให้เป็นงานเลี้ยงได้ เมื่อพิจารณาจากชุมชนจุลินทรีย์ทั้งหมดแล้ว มีเพียงพวกเขาเท่านั้นที่สามารถทำได้!