Cách đây vài năm, nhóm nghiên cứu do Jana Milucka tại Viện Max Planck về Vi sinh vật học Biển (Bremen, Đức) dẫn đầu đã phát hiện một dạng cộng sinh vi khuẩn đặc biệt sống cùng trùng lông – sinh vật đơn bào có mặt ở hầu hết các môi trường nước. Các vi khuẩn cộng sinh này cung cấp năng lượng cho vật chủ, tương tự vai trò của ty thể trong tế bào người – một dạng liên kết chưa từng được ghi nhận trước đó. Dữ liệu ban đầu cho thấy những sinh vật này có thể đặc biệt phổ biến trong nước thải, từ đó thúc đẩy nhóm nghiên cứu mở rộng điều tra.

Thành phần phổ biến nhưng bị bỏ sót trong hệ vi sinh nước thải

Phân tích dữ liệu từ các nhà máy xử lý nước thải trên khắp thế giới, các nhà khoa học đã xác định 14 loài vi khuẩn nội cộng sinh mới. Theo tác giả chính Louison Nicolas-Asselineau, các vi khuẩn này tham gia vào quá trình khử nitrat (denitrification) – một bước then chốt trong xử lý nước thải.

“Bằng cách khử nitrat, vi khuẩn góp phần loại bỏ nitrat khỏi nước thải. Đồng thời, chúng giúp vật chủ tạo ra năng lượng bằng cách chuyển các nitrat có hại thành khí nitơ (N₂),” ông cho biết.

Nhóm nghiên cứu phát hiện các mối quan hệ cộng sinh này xuất hiện ở tới một nửa số nhà máy xử lý nước thải, cho thấy đây là thành phần phổ biến nhưng trước nay ít được chú ý của hệ sinh thái này. Thậm chí, mức độ hiện diện thực tế có thể còn cao hơn: “Số lượng vi khuẩn cộng sinh biến động mạnh theo thời gian trong từng nhà máy, nên có khả năng chúng tôi vẫn chưa ghi nhận hết,” Nicolas-Asselineau nói thêm.

Mối lo ngại về khí hậu

Các vi khuẩn nội cộng sinh khử nitrat, bao gồm những loài mới được phát hiện trong nước thải, thường mang đầy đủ bộ gen cho phép chúng hô hấp nitrat đến tận khí nitơ (N₂). Ngoài ra, phần lớn các loài này còn sở hữu enzyme cytochrome-cbb3 oxidase, cho phép chúng hô hấp bằng oxy song song với nitrat.

Tuy nhiên, có một ngoại lệ đáng chú ý: Candidatus Azoamicus parvus không chỉ không thể hô hấp oxy mà còn không có khả năng phân giải tiếp khí nitrous oxide (N₂O) – một chất trung gian trong quá trình khử nitrat. Thay vì chuyển N₂O thành khí N₂ vô hại, loài này lại thải N₂O trực tiếp ra môi trường nước. Đây là khí nhà kính có sức làm nóng mạnh gấp khoảng 300 lần CO₂, và các nhà máy xử lý nước thải vốn đã được biết là nguồn phát thải N₂O do con người tạo ra.

Đáng lo ngại hơn, loài vi khuẩn này lại phân bố rộng khắp trong các nhà máy xử lý nước thải trên toàn cầu. “Đây là lần đầu tiên chúng tôi phát hiện một vi khuẩn nội cộng sinh khử nitrat tạo ra khí nitrous oxide, và trớ trêu thay, nó lại là loài phổ biến nhất trong các hệ thống xử lý nước thải,” bà Jana Milucka, tác giả cao cấp của nghiên cứu, nhấn mạnh.

Xử lý nước thải là một trong những ứng dụng lớn nhất của vi sinh học, có ý nghĩa sống còn đối với môi trường tự nhiên và sức khỏe con người. Tuy vậy, các mối quan hệ cộng sinh vi sinh này lâu nay gần như bị bỏ qua. “Chúng tôi thực sự bất ngờ khi thấy các hệ nội cộng sinh khử nitrat lại phong phú và phổ biến đến vậy trong môi trường nước thải, vốn có điều kiện rất biến động và áp lực sinh thái cao,” Nicolas-Asselineau chia sẻ.

Theo nhóm nghiên cứu, việc hiểu rõ hơn vai trò của các vi sinh vật tham gia vào quá trình xử lý nước thải có thể là chìa khóa để tối ưu hiệu quả xử lý và giảm tác động tiêu cực đến môi trường trong tương lai.