Khi nước thải chứa nhiều chất hữu cơ (từ con người, động vật hoặc thực phẩm) chảy vào sông hồ, nó không biến mất mà tham gia vào một chuỗi phản ứng sinh học phức tạp.
Các vi sinh vật dị dưỡng bắt đầu “ăn” các chất hữu cơ đó, phân hủy chúng thành những hợp chất đơn giản hơn. Trong khi đó, tảo lại sử dụng các sản phẩm này để quang hợp và tạo ra oxy, cung cấp ngược lại cho vi khuẩn.
Đây chính là chu trình cộng sinh vi khuẩn – tảo, một cơ chế tự nhiên giúp nguồn nước có khả năng tự làm sạch mà không cần sự can thiệp nhân tạo.
1. Quá trình Phân hủy Chất hữu cơ – Hiếu khí và Yếm khí
1.1. Phản ứng Hiếu khí (có Oxy)
Khi trong nước có đủ oxy hòa tan, vi khuẩn hiếu khí sẽ hoạt động mạnh. Có hai quá trình chính:
a. Oxy hóa (dị hóa)
Vi khuẩn sử dụng oxy để phân hủy chất hữu cơ, giải phóng năng lượng và tạo ra các chất vô cơ đơn giản:
b. Tổng hợp (đồng hóa)
Một phần năng lượng được sử dụng để tổng hợp tế bào vi khuẩn mới:
Trong đó, C5H7O2NC_5H_7O_2NC5H7O2N là công thức đại diện cho thành phần hóa học trung bình của tế bào vi khuẩn.
1.2. Phản ứng Yếm khí (thiếu Oxy)
Khi môi trường không còn oxy, vi khuẩn yếm khí sẽ tiếp quản quá trình phân hủy. Chúng phân giải chất hữu cơ tạo ra các khí như methane (CH₄), hydrogen sulfide (H₂S) và CO₂:
Đây chính là cơ chế hoạt động của các bể yếm khí hoặc bể biogas trong hệ thống xử lý nước thải.
1.3. Hô hấp Nội bào (Tự Oxy hóa)
Khi nguồn chất hữu cơ bên ngoài cạn kiệt, vi khuẩn sẽ sử dụng chính tế bào của mình để duy trì sự sống – quá trình này gọi là hô hấp nội bào:
Các sản phẩm của quá trình này, như CO₂ và NH₃, lại trở thành nguồn dinh dưỡng cho tảo phát triển.
2. Chu trình Cộng sinh Vi khuẩn – Tảo
2.1. Quang hợp của Tảo
Dưới ánh sáng mặt trời, tảo sử dụng CO₂ và NH₃ do vi khuẩn tạo ra để quang hợp, sinh trưởng và tạo ra oxy:
Oxy được sinh ra là nguồn cung cấp cho quá trình phân hủy hiếu khí của vi khuẩn, duy trì sự cân bằng trong môi trường nước.
2.2. Sự Cộng sinh Giữa Vi khuẩn và Tảo
Trong hệ sinh thái nước, vi khuẩn và tảo tồn tại trong mối quan hệ cộng sinh khép kín:
-
Vi khuẩn phân hủy chất hữu cơ, tạo ra CO₂ và NH₃.
-
Tảo sử dụng các hợp chất đó để quang hợp, tạo ra O₂.
-
O₂ do tảo cung cấp lại được vi khuẩn sử dụng cho quá trình oxy hóa chất hữu cơ.
Mối quan hệ này hình thành nên chu trình cộng sinh vi khuẩn – tảo (Oswald & Gotaas), đảm bảo cân bằng oxy hòa tan (DO) trong nước và giúp nguồn nước tự làm sạch hiệu quả.
2.3. Cơ chế Tự Làm sạch và Chuỗi Thức ăn
Cơ chế tự làm sạch của nước không chỉ dựa vào vi khuẩn và tảo, mà còn mở rộng thành chuỗi thức ăn tự nhiên:
Nhờ chuỗi này, các chất hữu cơ và dinh dưỡng được tuần hoàn, duy trì sự cân bằng sinh thái.
3. Ảnh hưởng của Việc Xả thải Quá mức
Khi lượng chất thải vượt quá khả năng tự làm sạch của nguồn nước, hệ sinh thái bị rối loạn nghiêm trọng.
Suy giảm Oxy hòa tan (DO):
Vi khuẩn tiêu thụ nhiều oxy hơn để phân hủy lượng hữu cơ lớn, làm hàm lượng DO giảm mạnh.
Hô hấp ban đêm của tảo:
Vào ban đêm, tảo không quang hợp mà chuyển sang hô hấp, cũng tiêu thụ oxy. Điều này khiến DO giảm sâu nhất vào buổi sáng sớm.
Cạn kiệt oxy và ô nhiễm:
Khi oxy hòa tan bị cạn kiệt, môi trường chuyển sang yếm khí. Nước có thể chuyển sang màu đen, bốc mùi hôi do H₂S và CH₄, hệ sinh thái thủy sinh bị hủy hoại, và chất lượng môi trường suy giảm nghiêm trọng.
Tự nhiên có cơ chế cân bằng và tự làm sạch nhờ chu trình cộng sinh giữa vi khuẩn và tảo. Chu trình này giúp duy trì oxy hòa tan, chuyển hóa chất hữu cơ, và nuôi dưỡng hệ sinh thái nước.
Tuy nhiên, nếu con người xả thải vượt quá giới hạn chịu tải của môi trường, sự cân bằng này sẽ bị phá vỡ, dẫn đến tình trạng thiếu oxy, ô nhiễm và suy thoái sinh thái.
Do đó, việc kiểm soát và xử lý nước thải trước khi xả ra môi trường là điều kiện bắt buộc để bảo vệ nguồn nước và duy trì sự sống của hệ sinh thái tự nhiên.