Στην δεξαμενή αερισμού ενός εργοστασίου επεξεργασίας λυμάτων βρίσκεται μια πολυσύχναστη «μικροσκοπική πόλη τροφίμων». Εδώ, δεν υπάρχουν σεφ με αστέρια Michelin, δεν υπάρχουν διανομείς φαγητού και ακόμη και έτοιμα «συσκευασμένα γεύματα» είναι σπάνια. Οι αυτοτροφικοί μικροοργανισμοί στην ενεργό ιλύ είναι οι πιο αντισυμβατικοί «δειπνούντες» σε αυτό το γαστρονομικό κέντρο—ενώ άλλοι ανταγωνίζονται με ανυπομονησία για οργανικά υπολείμματα στα λύματα, αυτοί βασίζονται πεισματικά στις δικές τους προσπάθειες, εξάγοντας ενέργεια από «αέρα και πέτρα» και μετατρέπουν επιδέξια την ανόργανη ύλη σε μια «γιορτή κινέζικων και δυτικών γεύσεων». Σήμερα, θα αποκαλύψουμε πώς αυτοί οι «αυτάρκεις βασιλιάδες του φαγητού» μετατρέπουν «δύσκολες στιγμές» σε «πλούσια ζωή δεύτερης γενιάς» στα λύματα.
Ας ξεκινήσω δίνοντάς σας λίγο υπόβαθρο: Η ενεργός ιλύ, με απλά λόγια, είναι μια «οικολογική ομάδα» που αποτελείται από δισεκατομμύρια μικροοργανισμούς. Η τελική τους αποστολή είναι να καθαρίσουν τα λύματα διασπώντας τους ρύπους. Αυτή η ομάδα χωρίζεται σε δύο μεγάλες φατρίες: οι ετερότροφοι μικροοργανισμοί είναι οι «λαίμαργοι τρώγοντες», που ειδικεύονται στο να τρέφονται με εύκολα διαθέσιμη οργανική ύλη (όπως άμυλο, πρωτεΐνη και λίπος) στα λύματα—τρώνε με μεγάλη όρεξη. Εν τω μεταξύ, οι αυτοτροφικοί μικροοργανισμοί είναι οι «σκληροπυρηνικοί τεχνίτες», εξοπλισμένοι φυσικά με ένα «μαγειρικό μπουφέ» και απλά περιφρονούν αυτά τα «υπολείμματα». Αρνούνται να βασιστούν στα υπολείμματα των άλλων και επιμένουν να προμηθεύονται πρώτες ύλες μόνοι τους, δημιουργώντας «οργανικές γιορτές» από την αρχή. Νομίζετε ότι είναι αλαζονικοί; Όχι, έχουν εξελίξει την υπερδύναμη του «να μην χρειάζεται να ανταγωνίζονται για φαγητό». Στο περιβάλλον «ανταγωνισμού πόρων» των λυμάτων, έχουν σφυρηλατήσει μια πορεία προς την «αυτάρκεια» στη διατροφή τους.
Όταν πρόκειται για τους «κορυφαίους γευσιγνώστες» μεταξύ των αυτοσυντηρούμενων μικροοργανισμών, η οικογένεια των βακτηρίων νιτρώδους αδιαμφισβήτητα παίρνει το στέμμα—αυτά τα μικρά παιδιά είναι οι «χημικοί σεφ της ιλύος», που διαπρέπουν στην τέχνη της «ανόργανης οξείδωσης» για να μαγειρέψουν. Μπορεί να αναρωτιέστε: ανόργανη ύλη; Δεν περιλαμβάνει αυτό «σκληροπυρηνικά» πράγματα όπως πέτρες, αμμωνία και σουλφίδια; Αυτό που βρίσκουμε μη εύγευστο είναι στην πραγματικότητα η πιο νόστιμη πρώτη ύλη στα μάτια των βακτηρίων νιτρώδους—πιο δελεαστικό ακόμη και από το «Buddha jumps over the wall».
Στην οικογένεια των βακτηρίων νιτροποίησης, υπάρχουν δύο βασικοί «σεφ»: βακτήρια οξείδωσης αμμωνίας και βακτήρια οξείδωσης νιτρώδους. Είναι το «τέλειο δίδυμο», που εργάζεται με σαφώς καθορισμένους ρόλους, όπως οι σεφ ορεκτικών και κυρίως πιάτων σε ένα εστιατόριο. Πρώτα εμφανίζονται τα βακτήρια οξείδωσης αμμωνίας, η «υπογραφή δεξιότητα» των οποίων είναι η αντιμετώπιση του αζώτου αμμωνίας (NH3) στα λύματα ως «ορεκτικό». Μην υποτιμάτε αυτό το άζωτο αμμωνίας—δεν είναι ιδιαίτερα συγκεντρωμένο στα λύματα, αλλά φέρει μια έντονη «μυρωδιά τουαλέτας». Τα ετερότροφα βακτήρια τείνουν να το αποφεύγουν, ωστόσο τα βακτήρια οξείδωσης αμμωνίας το αντιμετωπίζουν ως θησαυρό. Χρησιμοποιώντας τα «εργαλεία οξειδάσης» μέσα στο σώμα τους, «διασπούν και οξειδώνουν» σταδιακά το άζωτο αμμωνίας. Αυτή η διαδικασία είναι σαν να ανάβεις φυσικό αέριο με έναν αναπτήρα—αν και δεν υπάρχει ανοιχτή φλόγα, απελευθερώνει συνεχόμενη ενέργεια, η οποία χρησιμεύει ως «καύσιμο μαγειρέματος».
Αλλά οι «μαγειρικές δεξιότητες» των βακτηρίων οξείδωσης αμμωνίας σταματούν στο στάδιο του ορεκτικού. Αφού οξειδώσουν το άζωτο αμμωνίας σε νιτρώδες (NO2-), ικανοποιούν την πείνα και τη δίψα τους και στη συνέχεια παραδίδουν το υπόλοιπο «ημιτελές προϊόν» του νιτρώδους στον «καλό τους αδελφό» βακτήριο οξείδωσης νιτρώδους. Αυτός ο «κύριος του κυρίως πιάτου» είναι ακόμη πιο τρομερός, καθώς μπορεί να οξειδώσει περαιτέρω το νιτρώδες σε νιτρικό (NO3-), απελευθερώνοντας ένα άλλο κύμα ενέργειας. Νομίζετε ότι περνούν όλη αυτή τη φασαρία μόνο για το δικό τους όφελος; Όχι, ενώ οξειδώνουν αυτές τις ανόργανες ενώσεις, «ασχολούνται μυστικά με μια παράπλευρη επιχείρηση»—χρησιμοποιώντας την απελευθερωμένη ενέργεια για να αντιμετωπίσουν το διοξείδιο του άνθρακα (CO2) από τον αέρα ως «αλεύρι» και καθαρίζοντας το νερό (H2O) και τα ανόργανα άλατα (όπως κάλιο, φώσφορος και σίδηρος) από τα λύματα ως «καρυκεύματα», συνθέτοντας γλυκόζη και πρωτεΐνες σε «οργανικές λιχουδιές» μέσα στα σώματά τους. Αυτή η λειτουργία ισοδυναμεί με το ότι ενώ άλλοι αγωνίζονται για μαντού, έχουν ήδη καλλιεργήσει σιτάρι, αλέσει αλεύρι και ατμίζουν ψωμάκια, επιτυγχάνοντας ένα «ταβάνι αυτοσυντήρησης» στον μικροβιακό κόσμο.
Ακόμη πιο εντυπωσιακό είναι το γεγονός ότι τα βακτήρια νιτροποίησης, αυτοί οι «μάστερ σεφ», είναι ιδιαίτερα «ανθεκτικά». Αν και η «απόδοση μαγειρέματος» τους δεν είναι ιδιαίτερα υψηλή—η σύνθεση 1 γραμμαρίου οργανικής ύλης μπορεί να απαιτεί την οξείδωση δεκάδων ή και εκατοντάδων γραμμαρίων αζώτου αμμωνίας—ευδοκιμούν στη «μη ιδιότροπη και μη ανταγωνιστική» φύση τους. Στην ενεργό ιλύ, όταν τα ετερότροφα βακτήρια έχουν εξαντλήσει σχεδόν την οργανική ύλη στα λύματα, πεινούν και καταφεύγουν ακόμη και στον «ανταγωνισμό για φαγητό». Εν τω μεταξύ, τα βακτήρια νιτροποίησης μπορούν να «δουλεύουν αργά για τέλεια αποτελέσματα», μετατρέποντας την ανόργανη ύλη στη δική τους τροφή χρησιμοποιώντας το υπολειμματικό άζωτο αμμωνίας στα λύματα και το διοξείδιο του άνθρακα από τον αέρα.
Είναι σαν μετά από ένα φεστιβάλ φαγητού, ενώ όλοι οι άλλοι μαζεύουν ψίχουλα σνακ από το έδαφος, αυτοί αντ' αυτού βγάζουν τα δικά τους εργαλεία για να επεξεργαστούν τον «αέρα και τις πέτρες» επί τόπου σε μια γιορτή. Αυτή η σοφία επιβίωσης είναι πραγματικά αξιοθαύμαστη.
Εκτός από τη «σχολή χημικού μαγειρέματος» των βακτηρίων νιτροποίησης, υπάρχουν μια άλλη ομάδα αυτοτροφικών «γευσιγνωστών» στην ενεργό ιλύ—φωτοτροφικοί αυτοτροφικοί μικροοργανισμοί, όπως τα κυανοβακτήρια και τα βακτήρια θείου, που μπορούν να ονομαστούν «σεφ του ηλιακού φωτός». Ωστόσο, ο ρόλος τους στα εργοστάσια επεξεργασίας λυμάτων είναι λιγότερο σημαντικός από αυτόν των βακτηρίων νιτροποίησης, καθώς το φως στη δεξαμενή αερισμού δεν είναι άφθονο και η συνεχής ανατάραξη από το σύστημα αερισμού καθιστά δύσκολο να απολαύσουν ένα ήσυχο ηλιακό λουτρό. Ωστόσο, παρά αυτές τις προκλήσεις, διαπρέπουν με μια «θετική νοοτροπία και επιδέξια χέρια». Ακόμη και με ελάχιστο φως, σε συνδυασμό με «ειδικά συστατικά» όπως το υδρόθειο (H2S) και τα ιόντα σιδήρου (Fe²⁺) στα λύματα, μπορούν να ενεργοποιήσουν τη «Λειτουργία Φωτοσύνθεσης 2.0». Ενώ τα συνηθισμένα φυτά χρησιμοποιούν διοξείδιο του άνθρακα και νερό για να συνθέσουν οργανική ύλη με ενέργεια φωτός, απελευθερώνοντας οξυγόνο στη διαδικασία, αυτοί οι φωτοτροφικοί αυτοτροφικοί μικροοργανισμοί είναι πιο προσγειωμένοι. Μπορούν να αντικαταστήσουν το νερό με υδρόθειο, να χρησιμοποιήσουν το φως για να μετατρέψουν το διοξείδιο του άνθρακα και το υδρόθειο σε οργανική ύλη και ταυτόχρονα να εξαγάγουν θείο από το υδρόθειο, αποθηκεύοντάς το ως σωματίδια στοιχειακού θείου μέσα στα σώματά τους. Αυτό είναι σαν να μαγειρεύεις ενώ ταυτόχρονα «αποθηκεύεις».
Μπορείτε να φανταστείτε αυτή τη σκηνή: στη γωνία της δεξαμενής αερισμού, μια αμυδρή δέσμη φωτός λάμπει και τα μπλε βακτήρια γίνονται αμέσως «ενεργητικά», απλώνοντας τα «φωτοσυνθετικά φτερά» (φωτοσυνθετικά στρώματα) το ένα μετά το άλλο, σαν μια ομάδα «μικρών σεφ» που κρατούν ηλιακούς συλλέκτες, κάνουν ηλιοθεραπεία και φορτίζουν, ενώ αντιμετωπίζουν το έντονο υδρόθειο στα λύματα ως «σάλτσα σόγιας» και το διοξείδιο του άνθρακα ως «ρύζι». Με μια έντονη λειτουργία, φτιάχνουν ένα νόστιμο «οργανικό γεύμα» και αντιμετωπίζουν επίσης τον δύσοσμο ρύπο υδρόθειο - λύνοντας το πρόβλημα της κατανάλωσης και επιτυγχάνοντας περιβαλλοντικούς ΔΤΚ, που είναι απλά ένα μοντέλο «χωρίς καθυστέρηση στην ξηρή εργασία ρυζιού».
Ωστόσο, μιλώντας για αυτό, αν και αυτοί οι αυτοτροφικοί μικροοργανισμοί είναι «υψηλής εξειδίκευσης», δεν είναι «εξωγήινοι». Όταν φτιάχνουν «οργανικά γεύματα», χρειάζονται επίσης μερικά «καρυκεύματα ιχνοστοιχείων» - όπως μέταλλα όπως σίδηρος, μαγγάνιο και ψευδάργυρος που απορροφώνται από τα λύματα, τα οποία είναι ισοδύναμα με το αλάτι και το MSG που χρησιμοποιούμε για το μαγείρεμα. Χωρίς αυτά, το «γεύμα» που φτιάχνουν δεν θα έχει γεύση και οι μικροοργανισμοί δεν θα αναπτυχθούν από μόνοι τους. Και ο «ρυθμός μαγειρέματος» τους είναι ιδιαίτερα αργός. Τα ετερότροφα βακτήρια μπορεί να χρειαστούν μόνο λίγες ώρες για να φάνε ένα γεύμα, ενώ τα βακτήρια νιτροποίησης μπορεί να χρειαστούν αρκετές ημέρες ή και εβδομάδες για να «φάνε και να πιουν αρκετά για να αναπτύξουν τα σώματά τους». Έτσι, στην ενεργό ιλύ, αν και δεν χρειάζεται να ανταγωνίζονται για φαγητό, πρέπει ακόμα να αναπτυχθούν με χαμηλούς τόνους για να αποφύγουν να «τραυματιστούν κατά λάθος» από ετερότροφα βακτήρια (άλλωστε, τα ετερότροφα βακτήρια είναι άφθονα και αναπαράγονται γρήγορα, μερικές φορές καταλαμβάνοντας τον χώρο διαβίωσής τους).
Αλλά μην υποτιμάτε αυτούς τους «αργούς μάγειρες», είναι οι «αόρατοι ήρωες» των εργοστασίων επεξεργασίας λυμάτων. Σκεφτείτε το, το άζωτο αμμωνίας στα λύματα είναι ένα μεγάλο πρόβλημα. Εάν δεν αντιμετωπιστεί, μπορεί να οδηγήσει σε ευτροφισμό του υδάτινου σώματος όταν εκκενωθεί στο ποτάμι, με αποτέλεσμα την εμφάνιση μεγάλου αριθμού ανθοφοριών φυκιών και κόκκινων παλιρροιών που μπορούν να δηλητηριάσουν ψάρια και γαρίδες. Και η ομάδα των «χημικών σεφ» όπως τα βακτήρια νιτροποίησης μπορούν σταδιακά να μετατρέψουν το άζωτο αμμωνίας σε νιτρικό, το οποίο στη συνέχεια μετατρέπεται σε άζωτο από βακτήρια απονιτροποίησης και εκκενώνεται στον αέρα, μετατρέποντας αποτελεσματικά τα «τοξικά απόβλητα» στα λύματα σε ένα «αβλαβές αέριο». Αν δεν ήταν αυτοί, το εργοστάσιο επεξεργασίας λυμάτων δεν θα μπορούσε να ολοκληρώσει το έργο της «απονιτροποίησης» και το νερό του ποταμού μας μπορεί να είχε μετατραπεί σε «πράσινη σούπα» εδώ και πολύ καιρό.
Αυτό που είναι ακόμη πιο ενδιαφέρον είναι ότι αυτοί οι αυτοτροφικοί μικροοργανισμοί είναι ιδιαίτερα «ενωμένοι». Οι δύο «μάστερ» των βακτηρίων νιτροποίησης - βακτήρια οξείδωσης αμμωνίας και βακτήρια οξείδωσης νιτρώδους - ποτέ δεν «μάχονται μόνα τους», πάντα ενώνονται για να σχηματίσουν μια «κοινότητα βακτηρίων νιτροποίησης». Το νιτρώδες που παράγεται από τα βακτήρια οξείδωσης αμμωνίας τυχαίνει να είναι η «τροφή» για τα βακτήρια οξείδωσης νιτρώδους. Και τα βακτήρια οξείδωσης νιτρώδους τρώνε νιτρώδες, το οποίο μπορεί να αποτρέψει τη συσσώρευση νιτρώδους στο περιβάλλον και με τη σειρά του να προστατεύσει τα βακτήρια οξείδωσης αμμωνίας (οι υψηλές συγκεντρώσεις νιτρώδους είναι τοξικές για τα βακτήρια οξείδωσης αμμωνίας). Αυτή η σιωπηρή κατανόηση του «μαγειρεύεις, εγώ πλένω τα πιάτα, εσύ παράγεις, εγώ καταναλώνω» είναι απλά ένα «υποδειγματικό ζευγάρι» στην μικροβιακή κοινότητα. Δεν είναι περίεργο που μπορούν να εδραιωθούν στα λύματα και να γίνουν «αιώνια δέντρα» στην ξηρή βιομηχανία τροφίμων.
Μερικές φορές θαυμάζω πραγματικά αυτούς τους «φαγάδες ρυζιού» του μικρόκοσμου: δεν έχουν μάτια, ούτε στόμα, ούτε καν εγκέφαλο, αλλά μπορούν να βρουν με ακρίβεια τις «πρώτες ύλες» που χρειάζονται, να χρησιμοποιήσουν τις πιο πρωτόγονες χημικές αντιδράσεις για να μετατρέψουν ανόργανες ουσίες σε οργανικές ουσίες και να μετατρέψουν τα λύματα σε καθαρό και στεγνό νερό. Δεν τρώνε ό,τι βλέπουν σαν τα ετερότροφα βακτήρια, αλλά επιμένουν να «το κάνουν μόνοι τους και να τρέφονται καλά». Ενώ άλλοι ανταγωνίζονται για φαγητό, καλλιεργούν σιωπηρά τις «μαγειρικές τους δεξιότητες» και τελικά καταλαμβάνουν μια απαραίτητη θέση στη «μικρο-πόλη τροφίμων» της ενεργού ιλύος.
Στην πραγματικότητα, σκεπτόμενος το, η «φιλοσοφία ξηρής τροφής» αυτών των αυτοτροφικών μικροοργανισμών αξίζει πολύ να τη μάθουμε: δεν βασίζονται σε εξωτερικούς «έτοιμους πόρους», αλλά καλλιεργούν τις δικές τους «βασικές δεξιότητες», δημιουργούν αξία μέσω των δικών τους ικανοτήτων, όχι μόνο λύνουν τα δικά τους «προβλήματα τροφίμων», αλλά συμβάλλουν και σε ολόκληρο το οικοσύστημα (εργοστάσια επεξεργασίας λυμάτων). Είναι σαν μια ομάδα τεχνιτών που εργάζονται σιωπηλά στα λύματα, δεν επιδιώκουν μεγαλείο, αλλά επιδιώκουν την αυτάρκεια, τη σταθερότητα και την αξιοπιστία.
Έτσι, την επόμενη φορά που θα περάσετε από ένα εργοστάσιο επεξεργασίας λυμάτων και θα μυρίσετε την αμυδρή «μυρωδιά απολυμαντικού», ίσως θελήσετε να σκεφτείτε αυτούς τους αυτοτροφικούς μικροοργανισμούς στη δεξαμενή αερισμού - μπορεί να είναι απασχολημένοι με την οξείδωση του αζώτου αμμωνίας, κάνοντας ηλιοθεραπεία για να συνθέσουν οργανική ύλη ή «συνεργάζονται» με τους συναδέλφους τους για να φτιάξουν ένα μεγάλο γεύμα. Αυτοί οι απαρατήρητοι «μικροί μάγειρες ρυζιού» γράφουν τον θρύλο της αυτάρκειας στα λύματα με τον δικό τους μοναδικό τρόπο και χρησιμοποιούν επίσης τις «μαγειρικές τους δεξιότητες» για να προστατεύσουν το υδάτινο περιβάλλον μας. Χαιρετισμός στον «βασιλιά του αυτοσυντηρούμενου ξηρού ρυζιού» σε αυτήν την ενεργό ιλύ, άλλωστε, μπορούν να μετατρέψουν «αέρα και πέτρες» σε μια γιορτή. Κοιτάζοντας ολόκληρη τη μικροβιακή κοινότητα, είναι οι μόνοι που μπορούν να το κάνουν!
