Dấu ấn của carbon quá khứ: Hé lộ khả năng thích nghi ấn tượng của quần thể vi sinh vật quang hợp trong xử lý nước thải

Lách Tách

29-03-2025

“With the words out, he has no choice but to improve his observation, reasoning, and rhetorical argumentation skills.”

Trích “The Philisopher Bird”; Wild Wise Weird [1]

Oxygenic photogranules (OPGs) – các tập hợp vi sinh vật dạng hạt nhỏ gọn, chủ yếu gồm vi khuẩn lam (cyanobacteria) và các vi sinh vật cộng sinh – đang nổi lên như một giải pháp sinh học đầy hứa hẹn trong lĩnh vực xử lý nước thải. Các hạt sinh học tự hình thành này có khả năng loại bỏ đồng thời carbon, nitơ và phospho khỏi nước thải, đồng thời sản sinh oxy thông qua quang hợp, giúp giảm đáng kể nhu cầu sục khí cơ học tiêu tốn năng lượng [2,3].

Tuy nhiên, khả năng thích nghi chuyển hóa của OPGs khi môi trường thay đổi – chẳng hạn như biến động cường độ ánh sáng hoặc mức độ sẵn có của carbon – vẫn chưa được hiểu rõ.

Trong một nghiên cứu mới đây, Della-Negra và cộng sự [4] đã sử dụng công nghệ phân tích chuyển hóa học bằng cộng hưởng từ hạt nhân (nuclear magnetic resonance metabolomics) để khám phá phản ứng chuyển hóa của OPGs trước các điều kiện thay đổi về ánh sáng và nguồn carbon (acetate). Kết quả cho thấy OPGs sở hữu một khả năng thích nghi chuyển hóa đáng kinh ngạc, chịu ảnh hưởng mạnh mẽ bởi lịch sử tiếp xúc với carbon trước đó.

Khi thiếu carbon, các photogranule kích hoạt cơ chế dự trữ nội tại, huy động các axit amin như L-alanine, hypotaurine, và đường phức N-acetylneuraminate – vốn là thành phần của chất nền polymer ngoại bào (extracellular polymeric substances - EPS). Dù cơ chế này cho phép OPGs duy trì hoạt động sống còn, nó lại đe dọa đến tính ổn định cấu trúc của hạt, vì EPS là yếu tố then chốt giữ cho cấu trúc photogranule bền vững. Ngược lại, khi acetate được cung cấp từ sớm, photogranule duy trì sự cân bằng giữa quá trình quang hợp và dị dưỡng (photosynthetic and heterotrophic processes), ổn định các tuyến chuyển hóa chính, và đồng thời bảo vệ và tăng cường tổng hợp EPS [4].

Đặc biệt, nhóm nghiên cứu phát hiện rằng ký ức dinh dưỡng – tức là điều kiện carbon trong quá khứ – để lại dấu ấn lâu dài trong chuyển hóa của photogranule. Khi bị chuyển sang môi trường tối đột ngột, các photogranule từng trải qua giai đoạn thiếu carbon có phản ứng rối loạn mạnh về chuyển hóa acid béo và sự mất cân bằng các axit amin then chốt như L-alanine (liên quan đến quang hợp) và linoleic acid, L-argininosuccinate (liên quan đến bảo vệ stress). Đáng chú ý, những rối loạn này kéo dài vượt xa tác động tức thời của việc thay đổi ánh sáng, cho thấy carbon trong quá khứ đóng vai trò quan trọng trong cách photogranule thích nghi với tương lai.

Nghiên cứu này mở ra một mối liên kết quan trọng giữa hệ sinh thái vi sinh tự nhiên và hệ thống công nghệ do con người thiết kế. Bằng cách thấu hiểu nhịp sinh học chuyển hóa của các quần thể vi sinh vật quang hợp, chúng ta có thể tối ưu hóa hiệu quả xử lý nước thải đồng thời giảm thiểu nhu cầu năng lượng. Điều chỉnh lịch cấp dinh dưỡng và chế độ chiếu sáng sao cho phù hợp với khả năng thích nghi của hệ vi sinh không chỉ nâng cao hiệu quả công nghệ mà còn đóng góp vào một mô hình xử lý nước thải linh hoạt và bền vững hơn – vì lợi ích của con người lẫn hệ sinh thái mà chúng ta phụ thuộc [5].

Tài liệu tham khảo

[1] Vuong QH. (2024). Wild Wise Weird. https://www.amazon.com/dp/B0BG2NNHY6/ 

[2] Milferstedt K, et al. (2017).The importance of filamentous cyanobacteria in the development of oxygenic photogranules. Scientific Reports, 7, 17944. https://www.nature.com/articles/s41598-017-16614-9 

[3] Abouhend AS, et al. (2018). The oxygenic photogranule process for aeration-free wastewater treatment. Environmental Science & Technology, 52(6), 3503-3511. https://doi.org/10.1021/acs.est.8b00403.

[4] Della-Negra O, et al. (2025). History of carbon supply shapes the metabolic response of photogranules to light shifts. Water Research, 281, 123557. https://doi.org/10.1016/j.watres.2025.123557 

[5] Nguyen MH. (2024). How can satirical fables offer us a vision for sustainability? Visions for Sustainability. https://ojs.unito.it/index.php/visions/article/view/11267