Im Belebungsbecken einer Kläranlage liegt eine geschäftige „mikroskopisch kleine Lebensmittelstadt“. Hier gibt es keine Sterneköche, keine Essenskuriere und selbst fertige „Box-Mahlzeiten“ sind Mangelware. Die autotrophen Mikroorganismen im Belebtschlamm sind die unkonventionellsten „Gäste“ in diesem kulinarischen Zentrum – während andere eifrig um organische Abfälle im Abwasser konkurrieren, verlassen sie sich hartnäckig auf ihre eigenen Anstrengungen, gewinnen Energie aus „Luft und Stein“ und verwandeln anorganische Materie auf raffinierte Weise in ein „Festmahl chinesischer und westlicher Köstlichkeiten“. Heute werden wir aufdecken, wie diese „autarken Essenskönige“ „harte Zeiten“ in „reiche zweite Generation“ verwandeln, die im Abwasser lebt.
Lassen Sie mich Ihnen zunächst ein paar Hintergrundinformationen geben: Belebtschlamm ist im Klartext ein „umweltfreundliches Team“, das aus Milliarden von Mikroorganismen besteht. Ihre ultimative Aufgabe ist es, Abwasser durch den Abbau von Schadstoffen zu reinigen. Dieses Team gliedert sich in zwei große Fraktionen: Heterotrophe Mikroorganismen sind die „gefräßigen Esser“, die sich darauf spezialisiert haben, leicht verfügbare organische Stoffe (wie Stärke, Protein und Fett) im Abwasser zu fressen – sie fressen mit großem Appetit. Mittlerweile sind autotrophe Mikroorganismen die „harten Handwerker“, die von Natur aus mit einem „Küchenfan“ ausgestattet sind und diese „übrig gebliebenen Reste“ einfach verachten. Sie weigern sich, sich auf die Reste anderer zu verlassen und bestehen darauf, die Rohstoffe selbst zu beschaffen und „Bio-Feste“ von Grund auf zuzubereiten. Halten Sie sie für arrogant? Nein, sie haben die Supermacht entwickelt, „nicht um Nahrung konkurrieren zu müssen“. Im Umfeld des „Ressourcenwettbewerbs“ des Abwassers haben sie einen Weg zur „Selbstversorgung“ bei der Ernährung gefunden.
Wenn es um die „Top-Feinschmecker“ unter den sich selbst erhaltenden Mikroorganismen geht, hat die Familie der Nitritbakterien zweifellos die Nase vorn – diese kleinen Kerle sind die „chemischen Schlammköche“, die sich in der Kunst der „anorganischen Oxidation“ zum Kochen auszeichnen. Sie fragen sich vielleicht: Anorganische Materie? Gehören dazu nicht auch „harte“ Dinge wie Steine, Ammoniak und Sulfide? Was wir ungenießbar finden, ist in den Augen der Nitritbakterien tatsächlich der köstlichste Rohstoff – verlockender als selbst „Buddha springt über die Mauer“.
In der Familie der nitrifizierenden Bakterien gibt es zwei zentrale „Köche“: ammoniakoxidierende Bakterien und nitritoxidierende Bakterien. Sie sind das „perfekte Duo“ und arbeiten mit klar definierten Rollen, ähnlich wie Vorspeisen- und Hauptgerichtsköche in einem Restaurant. Zuerst tauchen die Ammoniak-oxidierenden Bakterien auf, deren „Signature-Fähigkeit“ darin besteht, Ammoniak-Stickstoff (NH3) im Abwasser als „Vorspeise“ zu behandeln. Unterschätzen Sie diesen Ammoniakstickstoff nicht – er ist im Abwasser nicht hochkonzentriert, hat aber einen stechenden „Toilettengeruch“. Heterotrophe Bakterien neigen dazu, es zu meiden, doch die Ammoniak oxidierenden Bakterien behandeln es wie einen Schatz. Mithilfe seiner „Oxidase-Werkzeuge“ in seinem Körper „spaltet und oxidiert“ es nach und nach den Ammoniakstickstoff. Dieser Vorgang ähnelt dem Anzünden von Erdgas mit einem Feuerzeug – obwohl keine offene Flamme vorhanden ist, wird kontinuierlich Energie freigesetzt, die als „Kochbrennstoff“ dient.
Aber die „kulinarischen Fähigkeiten“ der Ammoniak oxidierenden Bakterien enden bereits bei der Vorspeise. Nachdem sie Ammoniakstickstoff zu Nitrit (NO2-) oxidiert haben, stillen sie ihren eigenen Hunger und Durst und übergeben dann das verbleibende „Halbfertigprodukt“ Nitrit an ihre „guten Brüder“, die nitritoxidierenden Bakterien. Dieser „Hauptgerichtsmeister“ ist sogar noch beeindruckender, da er Nitrit weiter zu Nitrat (NO3-) oxidieren kann und so eine weitere Energiewelle freisetzt. Glauben Sie, dass sie all diese Schwierigkeiten nur zu ihrem eigenen Vorteil auf sich nehmen? Nein, während sie diese anorganischen Verbindungen oxidieren, gehen sie insgeheim auch einem „Nebengeschäft“ nach: Sie nutzen die freigesetzte Energie, um Kohlendioxid (CO2) aus der Luft zu „Mehl“ zu verarbeiten, und entfernen Wasser (H2O) und anorganische Salze (wie Kalium, Phosphor und Eisen) als „Gewürze“ aus dem Abwasser, wodurch sie in ihrem Körper Glukose und Proteine zu „organischen Köstlichkeiten“ synthetisieren. Dieser Vorgang ist vergleichbar damit, dass andere, während sie sich um Mantou bemühen, bereits Weizen, gemahlenes Mehl und gedämpfte Brötchen angebaut haben und so eine „Obergrenze für die Selbstversorgung“ in der mikrobiellen Welt erreicht haben.
Noch beeindruckender ist die Tatsache, dass nitrifizierende Bakterien, diese „Meisterköche“, besonders „hart“ sind. Obwohl ihre „Kocheffizienz“ nicht besonders hoch ist – die Synthese von 1 Gramm organischem Material kann die Oxidation von Dutzenden oder sogar Hunderten Gramm Ammoniakstickstoff erfordern – leben sie von ihrer „schnörkellosen und konkurrenzlosen“ Natur. Wenn heterotrophe Bakterien im Belebtschlamm die organische Substanz im Abwasser fast erschöpft haben, werden sie hungrig und greifen sogar zu „Konkurrenz um Nahrung“. In der Zwischenzeit können nitrifizierende Bakterien gemächlich „die Arbeit verlangsamen, um perfekte Ergebnisse zu erzielen“, indem sie anorganische Stoffe mithilfe des restlichen Ammoniakstickstoffs im Abwasser und Kohlendioxid aus der Luft in ihre eigene Nahrung umwandeln.
Es ist wie nach einem Food-Festival, während alle anderen Snackkrümel vom Boden aufsammeln, stattdessen ihr eigenes Werkzeug hervorholen, um die „Luft und Steine“ vor Ort zu einem Festmahl zu verarbeiten. Diese Überlebensweisheit ist wirklich bewundernswert.
Neben der „chemischen Kochschule“ der nitrifizierenden Bakterien gibt es im Belebtschlamm eine weitere Gruppe autotropher „Feinschmecker“ – phototrophe autotrophe Mikroorganismen wie Cyanobakterien und Purpurschwefelbakterien, die man als „Sonnenlichtköche“ bezeichnen kann. Ihre Rolle in Kläranlagen ist jedoch weniger ausgeprägt als die der nitrifizierenden Bakterien, da das Licht im Belebungsbecken nicht reichlich vorhanden ist und die ständige Bewegung durch das Belüftungssystem es schwierig macht, ein ruhiges Sonnenbad zu genießen. Doch trotz dieser Herausforderungen zeichnen sie sich durch eine „positive Einstellung und geschickte Hände“ aus. Selbst bei minimalem Licht, kombiniert mit „besonderen Inhaltsstoffen“ wie Schwefelwasserstoff (H2S) und Eisenionen (Fe²⁺) im Abwasser, können sie den „Photosynthese 2.0-Modus“ aktivieren. Während gewöhnliche Pflanzen Kohlendioxid und Wasser nutzen, um organisches Material mit Lichtenergie zu synthetisieren und dabei Sauerstoff freizusetzen, sind diese phototrophen autotrophen Mikroorganismen bodenständiger. Sie können Wasser durch Schwefelwasserstoff ersetzen, Kohlendioxid und Schwefelwasserstoff mithilfe von Licht in organische Stoffe umwandeln und gleichzeitig Schwefel aus Schwefelwasserstoff extrahieren und ihn als elementare Schwefelpartikel in ihrem Körper speichern. Das ist so, als würde man kochen und gleichzeitig „Vorräte anlegen“.
Sie können sich diese Szene vorstellen: In der Ecke des Belebungsbeckens scheint ein schwacher Lichtstrahl hinein, und die blauen Bakterien werden sofort „energisch“ und breiten ihre „photosynthetischen Flügel“ (photosynthetische Schichten) eine nach der anderen aus, wie eine Gruppe „kleiner Köche“, die Sonnenkollektoren halten, sich sonnen und aufladen, während sie den scharfen Schwefelwasserstoff im Abwasser als „Sojasauce“ und Kohlendioxid als „Reis“ behandeln. Mit einem harten Einsatz bereiten sie eine köstliche „Bio-Mahlzeit“ zu und behandeln auch den geruchsintensiven Schadstoff Schwefelwasserstoff – wodurch das Problem des Essens gelöst und Umwelt-KPI erreicht werden, was einfach ein Musterbeispiel für „keine Verzögerung bei der Trockenreisarbeit“ ist.
Apropos: Obwohl diese autotrophen Mikroorganismen „hochqualifiziert“ sind, sind sie nicht „außerweltlich“. Wenn sie „Bio-Mahlzeiten“ zubereiten, benötigen sie auch einige „Spurenelementgewürze“ – etwa Mineralien wie Eisen, Mangan und Zink, die aus dem Abwasser aufgenommen werden und dem Salz und MSG entsprechen, das wir zum Kochen verwenden. Ohne sie wird die von ihnen zubereitete „Mahlzeit“ keinen Geschmack haben und Mikroorganismen können nicht von selbst wachsen. Und ihr „Kochrhythmus“ ist besonders langsam. Heterotrophe Bakterien brauchen möglicherweise nur ein paar Stunden, um eine Mahlzeit zu sich zu nehmen, während nitrifizierende Bakterien mehrere Tage oder sogar Wochen brauchen können, um „genug zu essen und zu trinken, um ihren Körper wachsen zu lassen“. Obwohl sie im Belebtschlamm nicht um Nahrung konkurrieren müssen, müssen sie sich dennoch auf eine zurückhaltende Art und Weise entwickeln, um nicht durch heterotrophe Bakterien „versehentlich geschädigt“ zu werden (heterotrophe Bakterien sind schließlich reichlich vorhanden und vermehren sich schnell und nehmen manchmal ihren Lebensraum ein).
Aber unterschätzen Sie diese „langsamen Köche“ nicht, sie sind die „unsichtbaren Helden“ der Kläranlagen. Denken Sie darüber nach, der Ammoniakstickstoff im Abwasser ist ein großes Problem. Ohne Behandlung kann es bei der Einleitung in den Fluss zu einer Eutrophierung des Gewässers kommen, was zu zahlreichen Algenblüten und roten Fluten führt, die Fische und Garnelen vergiften können. Und die Gruppe der „Chemieköche“ wie nitrifizierende Bakterien kann Ammoniakstickstoff nach und nach in Nitrat umwandeln, das dann durch denitrifizierende Bakterien in Stickstoff umgewandelt und in die Luft abgegeben wird, wodurch der „giftige Abfall“ im Abwasser effektiv in ein „harmloses Gas“ umgewandelt wird. Ohne sie wäre die Kläranlage nicht in der Lage gewesen, die Aufgabe der „Denitrifizierung“ zu erfüllen, und unser Flusswasser hätte sich möglicherweise längst in „grüne Suppe“ verwandelt.
Noch interessanter ist, dass diese autotrophen Mikroorganismen besonders „vereint“ sind. Die beiden „Meister“ der nitrifizierenden Bakterien – Ammoniak oxidierende Bakterien und Nitrit oxidierende Bakterien – „kämpfen nie alleine“, sondern schließen sich immer zu einer „nitrifizierenden Bakteriengemeinschaft“ zusammen. Das von Ammoniak oxidierenden Bakterien produzierte Nitrit ist zufällig die „Nahrung“ für nitritoxidierende Bakterien; Und nitritoxidierende Bakterien fressen Nitrit, was die Anreicherung von Nitrit in der Umwelt verhindern und wiederum ammoniakoxidierende Bakterien schützen kann (hohe Nitritkonzentrationen sind für ammoniakoxidierende Bakterien giftig). Dieses stillschweigende Verständnis von „Du kochst, ich spüle Geschirr, du produzierst, ich konsumiere“ ist einfach ein „Modellpaar“ in der mikrobiellen Gemeinschaft. Kein Wunder, dass sie sich im Abwasser fest etablieren und in der Trockenlebensmittelindustrie zu „immergrünen Bäumen“ werden können.
Manchmal bewundere ich diese Mikrowelt-„Reisfresser“ wirklich: Sie haben keine Augen, keinen Mund und nicht einmal ein Gehirn, aber sie können genau die „Rohstoffe“ finden, die sie brauchen, nutzen die primitivsten chemischen Reaktionen, um anorganische Substanzen in organische Substanzen umzuwandeln, und verwandeln Abwasser in sauberes und trockenes Wasser. Sie fressen nicht alles, was sie sehen, wie heterotrophe Bakterien, sondern bestehen darauf, „es selbst zu tun und gut ernährt zu werden“. Während andere um Nahrung konkurrieren, kultivieren sie stillschweigend ihre „Kochkünste“ und nehmen letztlich einen unverzichtbaren Platz in der „Mikro-Food-Stadt“ des Belebtschlamms ein.
Wenn man darüber nachdenkt, ist die „Trockennahrungsphilosophie“ dieser autotrophen Mikroorganismen durchaus lernenswert: Sie verlassen sich nicht auf externe „vorgefertigte Ressourcen“, sondern kultivieren ihre eigenen „Kernkompetenzen“, schaffen Werte durch ihre eigenen Fähigkeiten, lösen nicht nur ihre eigenen „Ernährungsprobleme“, sondern leisten auch einen Beitrag zum gesamten Ökosystem (Kläranlagen). Sie sind wie eine Gruppe von Handwerkern, die schweigend im Abwasser arbeiten und nicht nach Größe streben, sondern nach Selbstständigkeit, Standhaftigkeit und Zuverlässigkeit.
Wenn Sie also das nächste Mal an einer Kläranlage vorbeikommen und den schwachen „Desinfektionsmittelgeruch“ riechen, möchten Sie vielleicht an die autotrophen Mikroorganismen im Belebungsbecken denken – sie sind möglicherweise damit beschäftigt, Ammoniakstickstoff zu oxidieren, sich zu sonnen, um organisches Material zu synthetisieren, oder „zusammenzuarbeiten“ mit Gleichgesinnten, um eine große Mahlzeit zuzubereiten. Diese unauffälligen „Mikro-Reisköche“ schreiben auf ihre ganz eigene Weise die Legende der Selbstversorgung mit Abwasser und nutzen ihre „Kochkünste“, um unsere Wasserumwelt zu schützen. Hommage an den „König des autarken Trockenreises“ in diesem Belebtschlamm, denn schließlich können sie „Luft und Steine“ in ein Festmahl verwandeln. Betrachtet man die gesamte mikrobielle Gemeinschaft, sind sie die Einzigen, die das können!
