في خزان التهوية لمحطة معالجة مياه الصرف الصحي تقع "مدينة الطعام المجهرية" الصاخبة. هنا، لا يوجد طهاة حائزون على نجمة ميشلان، ولا يوجد سعاة لتوصيل الطعام، وحتى "الوجبات المعبأة" الجاهزة نادرة. الكائنات الحية الدقيقة ذاتية التغذية الموجودة في الحمأة المنشطة هي "الكائنات الحية" غير التقليدية في مركز الطهي هذا - بينما يتنافس الآخرون بفارغ الصبر على الحطام العضوي في مياه الصرف الصحي، فهم يعتمدون بعناد على جهودهم الخاصة، واستخراج الطاقة من "الهواء والحجر"، وتحويل المواد غير العضوية ببراعة إلى "وليمة من الأطباق الصينية والغربية". اليوم، سنكتشف كيف يحول هؤلاء "ملوك الطعام المكتفون ذاتيًا" "الأوقات الصعبة" إلى "جيل ثانٍ غني" يعيشون في مياه الصرف الصحي.
اسمحوا لي أن أبدأ بإعطائكم القليل من المعلومات الأساسية: الحمأة المنشطة، بعبارات واضحة، هي "فريق صديق للبيئة" يتكون من مليارات الكائنات الحية الدقيقة. وتتمثل مهمتهم النهائية في تنقية مياه الصرف الصحي عن طريق تحليل الملوثات. ينقسم هذا الفريق إلى فصيلين رئيسيين: الكائنات الحية الدقيقة غير المتجانسة هي "الأكلة الشرهة"، المتخصصة في تناول المواد العضوية المتوفرة بسهولة (مثل النشا والبروتين والشحوم) في مياه الصرف الصحي - فهي تتغذى بشهية كبيرة. وفي الوقت نفسه، فإن الكائنات الحية الدقيقة ذاتية التغذية هي "الحرفيون المتشددون"، المجهزة بشكل طبيعي بـ "محفز المطبخ"، وهي ببساطة تحتقر تلك "القصاصات المتبقية". إنهم يرفضون الاعتماد على بقايا طعام الآخرين ويصرون على الحصول على المواد الخام بأنفسهم، وصياغة "الولائم العضوية" من الصفر. هل تعتقد أنهم متعجرفون؟ لا، لقد طوروا القوة الخارقة المتمثلة في "عدم الحاجة إلى التنافس على الطعام". وفي بيئة "التنافس على الموارد" الخاصة بمياه الصرف الصحي، فقد شقوا طريقًا نحو "الاكتفاء الذاتي" في إطعام أنفسهم.
عندما يتعلق الأمر بـ "عشاق الطعام من الدرجة الأولى" بين الكائنات الحية الدقيقة المكتفية ذاتيًا، فإن عائلة بكتيريا النتريت بلا شك هي التي تحتل التاج - فهؤلاء الصغار هم "الطهاة الكيميائيون للحمأة"، ويتفوقون في فن "الأكسدة غير العضوية" للطهي. قد تتساءل: مادة غير عضوية؟ ألا يشمل ذلك المواد "المتشددة" مثل الحجارة والأمونيا والكبريتيدات؟ ما نجده غير مستساغ هو في الواقع المادة الخام اللذيذة في عيون بكتيريا النتريت - أكثر إغراء حتى من "قفزات بوذا فوق الجدار".
في عائلة البكتيريا الآزوتية، هناك نوعان من "الطهاة" الأساسيين: البكتيريا المؤكسدة للأمونيا والبكتيريا المؤكسدة للنيتريت. إنهما "الثنائي المثالي"، حيث يعملان بأدوار محددة بوضوح، مثل طهاة المقبلات والطبق الرئيسي في المطعم. أول ما ظهر هو البكتيريا المؤكسدة للأمونيا، والتي تتمثل "مهارتها المميزة" في معالجة نيتروجين الأمونيا (NH3) في مياه الصرف الصحي باعتباره "فاتحًا للشهية". لا تقلل من شأن نيتروجين الأمونيا هذا، فهو لا يتركز بشكل كبير في مياه الصرف الصحي، ولكنه يحمل "رائحة المرحاض" النفاذة. تميل البكتيريا غيرية التغذية إلى تجنبها، لكن البكتيريا المؤكسدة للأمونيا تعاملها على أنها كنز. وباستخدام "أدوات الأكسيداز" داخل جسمه، يقوم تدريجياً "بتكسير وأكسدة" نيتروجين الأمونيا. تشبه هذه العملية إشعال الغاز الطبيعي بولاعة - على الرغم من عدم وجود لهب مفتوح، إلا أنه يطلق طاقة مستمرة، والتي تعمل بمثابة "وقود الطهي".
لكن "مهارات الطهي" للبكتيريا المؤكسدة للأمونيا تتوقف عند مرحلة المقبلات. بعد أكسدة نيتروجين الأمونيا إلى نتريت (NO2-)، يشبعون جوعهم وعطشهم، ثم يسلمون "المنتج نصف النهائي" المتبقي من النتريت إلى "أخيهم الجيد" البكتيريا المؤكسدة للنيتريت. يعد "سيد الطبق الرئيسي" هذا أكثر روعة، حيث يمكنه أكسدة النتريت بشكل أكبر إلى نترات (NO3-)، مما يطلق موجة أخرى من الطاقة. هل تعتقد أنهم يمرون بكل هذه المشاكل من أجل مصلحتهم فقط؟ كلا، أثناء أكسدة هذه المركبات غير العضوية، فإنها أيضًا "تنخرط بشكل سري في عمل جانبي" - حيث تستخدم الطاقة المنطلقة لمعالجة ثاني أكسيد الكربون (CO2) من الهواء على شكل "دقيق"، وتنقية الماء (H2O) والأملاح غير العضوية (مثل البوتاسيوم والفوسفور والحديد) من مياه الصرف الصحي باعتبارها "توابل"، وتصنيع الجلوكوز والبروتينات إلى "أطعمة عضوية شهية" داخل أجسامها. هذه العملية تعادل بينما يتدافع الآخرون للحصول على المنتو، فقد قاموا بالفعل بزراعة القمح والدقيق المطحون والكعك المطبوخ على البخار، محققين "سقف الاكتفاء الذاتي" في عالم الميكروبات.
والأكثر إثارة للإعجاب هو حقيقة أن البكتيريا الآزوتية، هؤلاء "الطهاة الرئيسيون"، هم "شديدو التحمل" بشكل خاص. على الرغم من أن "كفاءة الطهي" الخاصة بها ليست عالية بشكل خاص - فقد يتطلب تصنيع جرام واحد من المادة العضوية أكسدة العشرات أو حتى مئات الجرامات من نيتروجين الأمونيا - إلا أنها تزدهر بطبيعتها "غير المعقدة وغير التنافسية". في الحمأة المنشطة، عندما تستنفد البكتيريا غير المتجانسة تقريبًا المادة العضوية الموجودة في مياه الصرف الصحي، فإنها تشعر بالجوع وتلجأ حتى إلى "التنافس على الغذاء". وفي الوقت نفسه، يمكن للبكتيريا الآزوتية أن تبطئ "العمل البطيء للحصول على نتائج مثالية"، وتحول المواد غير العضوية إلى قوتها باستخدام نيتروجين الأمونيا المتبقي في مياه الصرف الصحي وثاني أكسيد الكربون من الهواء.
يبدو الأمر كما لو أنه بعد مهرجان طعام، بينما يلتقط الجميع فتات الوجبات الخفيفة من الأرض، فإنهم بدلاً من ذلك يأخذون أدواتهم الخاصة لمعالجة "الهواء والحجارة" في الموقع وتحويلها إلى وليمة. إن حكمة البقاء هذه مثيرة للإعجاب حقًا.
بالإضافة إلى "مدرسة الطبخ الكيميائي" للبكتيريا الآزوتية، هناك مجموعة أخرى من "الأطعمة" ذاتية التغذية في الحمأة المنشطة - الكائنات الحية الدقيقة ذاتية التغذية الضوئية، مثل البكتيريا الزرقاء وبكتيريا الكبريت الأرجواني، والتي يمكن أن يطلق عليها "طهاة ضوء الشمس". ومع ذلك، فإن دورها في محطات معالجة مياه الصرف الصحي أقل بروزا من دور البكتيريا الآزوتية، حيث أن الضوء الموجود في خزان التهوية ليس وفيرًا، والتحريك المستمر من نظام التهوية يجعل من الصعب الاستمتاع بحمام شمس هادئ. ومع ذلك، وعلى الرغم من هذه التحديات، فإنهم يتفوقون "بعقلية إيجابية وأيدي ماهرة". وحتى مع الحد الأدنى من الضوء، بالإضافة إلى "مكونات خاصة" مثل كبريتيد الهيدروجين (H2S) وأيونات الحديدوز (Fe²⁺) في مياه الصرف الصحي، يمكنها تنشيط "وضع التمثيل الضوئي 2.0". في حين أن النباتات العادية تستخدم ثاني أكسيد الكربون والماء لتصنيع المواد العضوية بالطاقة الضوئية، وإطلاق الأكسجين في هذه العملية، فإن هذه الكائنات الحية الدقيقة ذاتية التغذية الضوئية هي أكثر واقعية. يمكنهم استبدال الماء بكبريتيد الهيدروجين، واستخدام الضوء لتحويل ثاني أكسيد الكربون وكبريتيد الهيدروجين إلى مادة عضوية، وفي الوقت نفسه استخراج الكبريت من كبريتيد الهيدروجين، وتخزينه كجزيئات كبريت عنصرية داخل أجسامهم. هذا يشبه الطهي وفي نفس الوقت "التخزين".
يمكنك أن تتخيل هذا المشهد: في زاوية خزان التهوية، يسطع شعاع خافت من الضوء، وتصبح البكتيريا الزرقاء على الفور "نشيطة"، وتنشر "أجنحتها الضوئية" (طبقات التمثيل الضوئي) الواحدة تلو الأخرى، مثل مجموعة من "الطهاة الصغار" يحملون الألواح الشمسية، ويأخذون حمامات الشمس ويشحنون، بينما يتعاملون مع كبريتيد الهيدروجين اللاذع في مياه الصرف الصحي على أنه "صلصة الصويا" وثاني أكسيد الكربون على أنه "أرز". من خلال عملية شرسة، يصنعون "وجبة عضوية" لذيذة ويعالجون أيضًا كبريتيد الهيدروجين الملوث ذو الرائحة - مما يحل مشكلة الأكل وتحقيق مؤشر الأداء الرئيسي البيئي، والذي يعد ببساطة نموذجًا لـ "عدم التأخير في عمل الأرز الجاف".
ومع ذلك، وبالحديث عن ذلك، على الرغم من أن هذه الكائنات الحية الدقيقة ذاتية التغذية "تتمتع بمهارة عالية"، إلا أنها ليست "من عالم آخر". عندما يقومون بإعداد "وجبات عضوية"، فإنهم يحتاجون أيضًا إلى بعض "توابل العناصر النزرة" - مثل المعادن مثل الحديد والمنغنيز والزنك الممتصة من مياه الصرف الصحي، والتي تعادل الملح والغلوتامات أحادية الصوديوم التي نستخدمها في الطهي. وبدونها، لن يكون للوجبة التي يصنعونها أي طعم، ولن تنمو الكائنات الحية الدقيقة من تلقاء نفسها. و"إيقاع الطبخ" الخاص بهم بطيء بشكل خاص. قد تحتاج البكتيريا غيرية التغذية إلى بضع ساعات فقط لتناول وجبة، بينما قد تستغرق البكتيريا الآزوتية عدة أيام أو حتى أسابيع "لتناول الطعام والشراب بما يكفي لنمو أجسامها". لذا، في الحمأة المنشطة، على الرغم من أنها لا تحتاج إلى التنافس على الغذاء، إلا أنها لا تزال بحاجة إلى التطور بطريقة منخفضة المستوى لتجنب "التعرض للأذى عن طريق الخطأ" بواسطة البكتيريا غير التغذية (بعد كل شيء، البكتيريا غير التغذية وفيرة وتتكاثر بسرعة، وتحتل مساحة معيشتها في بعض الأحيان).
لكن لا تقلل من شأن هؤلاء "الطهاة البطيئين"، فهم "الأبطال غير المرئيين" في محطات معالجة مياه الصرف الصحي. فكر في الأمر، نيتروجين الأمونيا الموجود في مياه الصرف الصحي يمثل مشكلة كبيرة. وإذا لم تتم معالجته، فإنه يمكن أن يؤدي إلى إثراء المسطح المائي عند تصريفه في النهر، مما يؤدي إلى تكاثر عدد كبير من الطحالب والمد الأحمر الذي يمكن أن يسمم الأسماك والروبيان. ويمكن لمجموعة "الطهاة الكيميائيين" مثل البكتيريا الآزوتية تحويل نيتروجين الأمونيا تدريجيا إلى نترات، والتي يتم تحويلها بعد ذلك إلى نيتروجين عن طريق إزالة النتروجين من البكتيريا وتصريفها في الهواء، مما يحول بشكل فعال "النفايات السامة" في مياه الصرف الصحي إلى "غاز غير ضار". ولولاهم، لما تمكنت محطة معالجة مياه الصرف الصحي من إكمال مهمة "نزع النتروجين"، وربما تحولت مياه نهرنا إلى "حساء أخضر" منذ فترة طويلة.
والأمر الأكثر إثارة للاهتمام هو أن هذه الكائنات الحية الدقيقة ذاتية التغذية "متحدة" بشكل خاص. إن "سيدي" البكتيريا الآزوتية - بكتيريا مؤكسدة الأمونيا وبكتيريا مؤكسدة النتريت - لا "يقاتلون بمفردهم" أبدًا، بل يجتمعون دائمًا معًا لتشكيل "مجتمع بكتيري آزوتي". النتريت الذي تنتجه البكتيريا المؤكسدة للأمونيا هو "الغذاء" للبكتيريا المؤكسدة للنيتريت. وتأكل البكتيريا المؤكسدة النتريت النتريت، مما يمكن أن يمنع تراكم النتريت في البيئة، وبالتالي يحمي البكتيريا المؤكسدة للأمونيا (التركيزات العالية من النتريت سامة للبكتيريا المؤكسدة للأمونيا). هذا الفهم الضمني لـ "أنت تطبخ، وأنا أغسل الأطباق، وأنت تنتج، وأنا أستهلك" هو ببساطة "زوج نموذجي" في المجتمع الميكروبي. لا عجب أن يتمكنوا من ترسيخ أنفسهم بقوة في مياه الصرف الصحي ويصبحوا "أشجارًا دائمة الخضرة" في صناعة الأغذية الجافة.
في بعض الأحيان أنا معجب حقًا بهؤلاء "آكلي الأرز" في العالم الصغير: ليس لديهم عيون ولا فم ولا حتى دماغ، لكنهم يستطيعون العثور بدقة على "المواد الخام" التي يحتاجونها، ويستخدمون التفاعلات الكيميائية الأكثر بدائية لتحويل المواد غير العضوية إلى مواد عضوية، وتحويل مياه الصرف الصحي إلى مياه نظيفة وجافة. إنهم لا يأكلون ما يرونه مثل البكتيريا غير المتجانسة، لكنهم يصرون على "القيام بذلك بأنفسهم والحصول على تغذية جيدة". بينما يتنافس الآخرون على الطعام، فإنهم يطورون "مهاراتهم في الطهي" بصمت ويحتلون في النهاية مكانًا لا غنى عنه في "مدينة الطعام الصغيرة" للحمأة المنشطة.
في الواقع، عند التفكير في الأمر، فإن "فلسفة الغذاء الجاف" لهذه الكائنات الحية الدقيقة ذاتية التغذية تستحق التعلم: فهي لا تعتمد على "موارد خارجية جاهزة"، ولكنها تزرع "مهاراتها الأساسية"، وتخلق قيمة من خلال قدراتها الخاصة، ولا تحل "مشاكلها الغذائية" فحسب، بل تساهم أيضًا في النظام البيئي بأكمله (محطات معالجة مياه الصرف الصحي). إنهم مثل مجموعة من الحرفيين يعملون بصمت في المجاري، لا يبحثون عن العظمة، بل يبحثون عن الاكتفاء الذاتي والصمود والاعتمادية.
لذلك، في المرة القادمة التي تمر فيها بمحطة معالجة مياه الصرف الصحي وتشم "رائحة المطهر" الخافتة، قد ترغب في التفكير في تلك الكائنات الحية الدقيقة ذاتية التغذية الموجودة في خزان التهوية - فقد تكون مشغولة بأكسدة نيتروجين الأمونيا، أو حمامات الشمس لتصنيع المواد العضوية، أو "التعاون" مع أقرانها لإعداد وجبة كبيرة. هؤلاء "طهاة الأرز الصغار" غير الواضحين يكتبون أسطورة الاكتفاء الذاتي من مياه الصرف الصحي بطريقتهم الفريدة، ويستخدمون أيضًا "مهاراتهم في الطبخ" لحماية بيئتنا المائية. تحية لـ "ملك الأرز الجاف المستدام ذاتيًا" في هذه الحمأة المنشطة، ففي نهاية المطاف، يمكنها تحويل "الهواء والحجارة" إلى وليمة. بالنظر إلى مجتمع الميكروبات بأكمله، فهم الوحيدون الذين يمكنهم القيام بذلك!
