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在污水處理廠的曝氣池里，藏著一個(gè)熱鬧非凡的“微觀美食城”。這里沒有米其林大廚，沒有外賣小哥，甚至連現(xiàn)成的“盒飯”都寥寥無幾。而活性污泥中的自養(yǎng)型微生物，就是這群美食城里最特立獨(dú)行的“干飯人”——別人搶著吃污水里的有機(jī)碎屑，它們卻偏要自己動(dòng)手，從“空氣和石頭”里摳出能量，硬生生把無機(jī)物做成“滿漢全席”。今天，咱們就來揭秘這群“自給自足的干飯王者”，是怎么在污水里把“窮日子”過成“富二代”的。
先給大家科普個(gè)小背景：活性污泥這玩意兒，說白了就是一團(tuán)由億萬微生物組成的“環(huán)保戰(zhàn)隊(duì)”，它們的終極使命是凈化污水，把里面的污染物啃干凈。戰(zhàn)隊(duì)里分兩大派系：異養(yǎng)型微生物是“貪吃的吃貨”，專撿污水里現(xiàn)成的有機(jī)物(比如淀粉、蛋白質(zhì)、油脂)當(dāng)大餐，吃嘛嘛香；而自養(yǎng)型微生物則是“硬核的手藝人”，天生自帶“廚房buff”，根本看不上那些“別人剩下的殘羹剩飯”，非要自己找原材料，從零開始做“有機(jī)大餐”。你以為它們是清高？不，是人家進(jìn)化出了“不用搶飯”的超能力，在污水這種“資源內(nèi)卷”的環(huán)境里，硬生生開辟出了一條“自給自足”的干飯之路。
要說自養(yǎng)型微生物里的“頂流干飯人”，那必須是硝化細(xì)菌家族——這群家伙堪稱“污泥里的化學(xué)大廚”，最擅長用“無機(jī)物氧化”這門手藝做飯。你可能會(huì)問：無機(jī)物？那不是石頭、氨氣、硫化物之類的“硬茬子”嗎？在咱們看來難以下咽的東西，在硝化細(xì)菌眼里，那可是比“佛跳墻”還鮮美的原材料。
硝化細(xì)菌家族里有兩位核心“大廚”：氨氧化細(xì)菌和亞硝酸鹽氧化細(xì)菌，它們倆是“最佳拍檔”，分工明確得像餐廳里的前菜師傅和主菜師傅。首先登場(chǎng)的是氨氧化細(xì)菌，它的“拿手絕活”是把污水里的氨氮(NH3)當(dāng)成“開胃小菜”。別小看這氨氮，在污水里濃度不算高，還帶著股刺鼻的“廁所味”，異養(yǎng)菌們都躲著走，氨氧化細(xì)菌卻視若珍寶。它會(huì)用自己體內(nèi)的“氧化酶工具”，把氨氮一點(diǎn)點(diǎn)“拆解氧化”，這個(gè)過程就像用打火機(jī)點(diǎn)燃天然氣，雖然沒有明火，但能釋放出源源不斷的能量——這就是它們的“烹飪?nèi)剂?rdquo;。
但氨氧化細(xì)菌的“廚藝”只到前菜為止，它把氨氮氧化成亞硝酸鹽(NO2-)后，自己就吃飽喝足了，剩下的“半成品”亞硝酸鹽，就交給了它的“好兄弟”亞硝酸鹽氧化細(xì)菌。這位“主菜師傅”更厲害，它能把亞硝酸鹽進(jìn)一步氧化成硝酸鹽(NO3-)，這個(gè)過程又能釋放出一波能量。你以為它們這么折騰只是為了自己吃？不，它們?cè)谘趸@些無機(jī)物的同時(shí)，還在偷偷“搞副業(yè)”——用釋放的能量，把空氣中的二氧化碳(CO2)當(dāng)成“面粉”，再從污水里撈點(diǎn)水(H2O)、無機(jī)鹽(比如鉀、磷、鐵)當(dāng)成“調(diào)料”，在體內(nèi)合成葡萄糖、蛋白質(zhì)這些“有機(jī)硬菜”。這操作，相當(dāng)于別人在搶饅頭的時(shí)候，它們已經(jīng)自己種小麥、磨面粉、蒸包子了，簡(jiǎn)直是微生物界的“自給自足天花板”。
更絕的是，硝化細(xì)菌這群“大廚”還特別“耐餓”。它們的“烹飪效率”雖然不算高——合成1克有機(jī)物，可能要氧化幾十克甚至上百克的氨氮，但架不住它們“不挑食、不搶食”。在活性污泥里，當(dāng)污水中的有機(jī)物被異養(yǎng)菌搶得差不多的時(shí)候，異養(yǎng)菌們餓得嗷嗷叫，甚至開始“內(nèi)卷互吃”，而硝化細(xì)菌卻能靠著污水里殘留的一點(diǎn)點(diǎn)氨氮和空氣中的二氧化碳，悠哉悠哉地“慢工出細(xì)活”，把無機(jī)物慢慢變成自己的口糧。就像在美食節(jié)散場(chǎng)后，別人都在撿地上的零食碎屑，它們卻拿出自帶的工具，把現(xiàn)場(chǎng)的“空氣和石頭”加工成了大餐，這生存智慧，不得不服。
除了硝化細(xì)菌這個(gè)“化學(xué)烹飪流派”，活性污泥里還有另一波自養(yǎng)“干飯人”——光合自養(yǎng)微生物，比如藍(lán)細(xì)菌、紫硫細(xì)菌之類的“陽光大廚”。不過它們?cè)谖鬯幚韽S的“戲份”不如硝化細(xì)菌多，畢竟曝氣池里光線不算充足，而且整天被曝氣裝置攪得“天旋地轉(zhuǎn)”，想安安靜靜曬太陽都難。但架不住它們“心態(tài)好、手藝巧”，只要有一點(diǎn)點(diǎn)光線，再加上污水里的硫化氫(H2S)、亞鐵離子(Fe²+)這些“特殊調(diào)料”，它們就能開啟“光合作用2.0模式”——普通植物的光合作用是用二氧化碳和水，靠光能合成有機(jī)物，還會(huì)釋放氧氣；而這些光合自養(yǎng)微生物更“接地氣”，它們能用硫化氫代替水，用光能把二氧化碳和硫化氫變成有機(jī)物，同時(shí)還能把硫化氫里的硫元素“摳”出來，變成單質(zhì)硫顆粒儲(chǔ)存在體內(nèi)，相當(dāng)于一邊做飯一邊“囤貨”。
你可以想象一下這個(gè)場(chǎng)景：在曝氣池的角落里，一束微弱的光線照進(jìn)來，藍(lán)細(xì)菌們立刻“精神抖擻”，紛紛展開自己的“光合小翅膀”(光合片層)，像一群拿著太陽能板的“小廚師”，一邊曬太陽充電，一邊把污水里臭烘烘的硫化氫當(dāng)成“醬油”，把二氧化碳當(dāng)成“米飯”，一頓操作猛如虎，硬是做出了香噴噴的“有機(jī)套餐”，還順便把硫化氫這種臭味污染物給處理了——既解決了吃飯問題，又完成了環(huán)保KPI，簡(jiǎn)直是“干飯工作兩不耽誤”的典范。
不過話說回來，這些自養(yǎng)型微生物雖然“手藝高超”，但也不是“不食人間煙火”。它們?cè)谧?ldquo;有機(jī)大餐”的時(shí)候，也需要一些“微量元素調(diào)料”——比如從污水里吸收的鐵、錳、鋅這些礦物質(zhì)，就相當(dāng)于咱們做飯用的鹽、味精，少了它們，做出來的“大餐”就沒味道，微生物自己也長不大。而且它們的“烹飪節(jié)奏”特別慢，異養(yǎng)菌吃一頓飯可能只需要幾小時(shí)，而硝化細(xì)菌想“吃飽喝足長身體”，可能需要幾天甚至幾周的時(shí)間。所以在活性污泥里，它們雖然不用搶飯，但也得“低調(diào)發(fā)育”，避免被異養(yǎng)菌們“誤傷”(畢竟異養(yǎng)菌數(shù)量多、繁殖快，有時(shí)候會(huì)搶占它們的生存空間)。
但千萬別小看這些“慢節(jié)奏的干飯人”，它們可是污水處理廠的“隱形功臣”。你想啊，污水里的氨氮是個(gè)大麻煩，要是不處理掉，排到河里會(huì)導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化，長出一大堆水華、赤潮，把魚蝦都毒死。而硝化細(xì)菌這群“化學(xué)大廚”，能把氨氮一步步變成硝酸鹽，后續(xù)再由反硝化細(xì)菌把硝酸鹽變成氮?dú)馀诺娇諝庵校喈?dāng)于把污水里的“有毒廢料”徹底變成了“無害氣體”。要是沒有它們，污水處理廠根本沒法完成“脫氮”任務(wù)，咱們的河水可能早就變成“綠湯”了。
更有意思的是，這些自養(yǎng)型微生物還特別“團(tuán)結(jié)”。硝化細(xì)菌的兩個(gè)“大廚”——氨氧化細(xì)菌和亞硝酸鹽氧化細(xì)菌，從來不會(huì)“單打獨(dú)斗”，它們總是湊在一起，形成“硝化菌群”。氨氧化細(xì)菌產(chǎn)生的亞硝酸鹽，剛好是亞硝酸鹽氧化細(xì)菌的“口糧”；而亞硝酸鹽氧化細(xì)菌把亞硝酸鹽吃掉，又能避免亞硝酸鹽在環(huán)境中積累，反過來保護(hù)了氨氧化細(xì)菌(高濃度亞硝酸鹽對(duì)氨氧化細(xì)菌有毒)。這種“你做飯我洗碗，你生產(chǎn)我消耗”的默契，簡(jiǎn)直是微生物界的“模范夫妻”，難怪它們能在污水里穩(wěn)穩(wěn)立足，成為“干飯界的常青樹”。
有時(shí)候我真的會(huì)佩服這些微觀世界的“干飯人”：它們沒有眼睛，沒有嘴巴，甚至沒有大腦，卻能精準(zhǔn)地找到自己需要的“原材料”，用最原始的化學(xué)反應(yīng)，把無機(jī)物變成有機(jī)物，把污水變成干凈的水。它們不像異養(yǎng)菌那樣“見啥吃啥”，而是堅(jiān)持“自己動(dòng)手，豐衣足食”，在別人內(nèi)卷搶食的時(shí)候，默默修煉自己的“廚藝”，最終在活性污泥這個(gè)“微觀美食城”里，占據(jù)了不可或缺的一席之地。
其實(shí)想想，這些自養(yǎng)型微生物的“干飯哲學(xué)”，還挺值得我們學(xué)習(xí)的：不依賴外界的“現(xiàn)成資源”，而是培養(yǎng)自己的“核心技能”，靠著自身的能力創(chuàng)造價(jià)值，既解決了自己的“吃飯問題”，又為整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)(污水處理廠)做出了貢獻(xiàn)。它們就像一群在污水里“默默搞事業(yè)”的手藝人，不求轟轟烈烈，但求自給自足、踏實(shí)靠譜。
所以下次當(dāng)你路過污水處理廠，聞到那股淡淡的“消毒水味”時(shí)，不妨想想曝氣池里的那些自養(yǎng)型微生物——它們可能正在忙著氧化氨氮，可能正在曬太陽合成有機(jī)物，可能正在和同伴們“分工合作”做大餐。這群不起眼的“微觀干飯人”，用自己獨(dú)特的方式，在污水里書寫著“自給自足”的傳奇，也用自己的“廚藝”，守護(hù)著我們的水環(huán)境。向這些活性污泥里的“自養(yǎng)干飯王者”致敬，畢竟能把“空氣和石頭”做成大餐的，放眼整個(gè)微生物界，也就它們能做到了！
原標(biāo)題：【干貨】活性污泥中的自養(yǎng)型微生物
