เหตุใดน้ำเสียเกลือที่มีความเข้มข้นสูงจึงมีผลกระทบต่อจุลินทรีย์เป็นพิเศษ?

ก่อนอื่นเรามาอธิบายการทดลองเกี่ยวกับความดันออสโมซิสกันก่อน โดยใช้เยื่อกึ่งซึมผ่าน (semi-permeable membrane) เพื่อแยกสารละลายเกลือสองชนิดที่มีความเข้มข้นต่างกัน โมเลกุลน้ำของสารละลายเกลือความเข้มข้นต่ำจะผ่านเยื่อกึ่งซึมผ่านเข้าไปในสารละลายเกลือความเข้มข้นสูง และโมเลกุลน้ำของสารละลายเกลือความเข้มข้นสูงก็จะผ่านเยื่อกึ่งซึมผ่านเข้าไปในสารละลายเกลือความเข้มข้นต่ำเช่นกัน แต่จำนวนโมเลกุลน้ำจะน้อยกว่า ดังนั้นระดับของเหลวที่ด้านสารละลายเกลือความเข้มข้นสูงจะสูงขึ้น เมื่อความแตกต่างของระดับของเหลวทั้งสองด้านสร้างแรงดันเพียงพอที่จะป้องกันไม่ให้น้ำไหลอีกครั้ง การออสโมซิสจะหยุดลง ณ จุดนี้ ความดันที่เกิดจากความแตกต่างของระดับของเหลวทั้งสองด้านคือความดันออสโมซิส โดยทั่วไป ยิ่งความเข้มข้นของเกลือสูง ความดันออสโมซิสก็จะยิ่งสูงขึ้น

สถานการณ์ของจุลินทรีย์ในสารละลายน้ำเกลือคล้ายคลึงกับการทดลองความดันออสโมซิส โครงสร้างหน่วยของจุลินทรีย์คือเซลล์ และผนังเซลล์เทียบเท่ากับเยื่อกึ่งซึมผ่าน เมื่อความเข้มข้นของคลอไรด์ไอออนน้อยกว่าหรือเท่ากับ 2,000 มิลลิกรัมต่อลิตร ความดันออสโมซิสที่ผนังเซลล์สามารถทนได้คือ 0.5-1.0 บรรยากาศ แม้ว่าผนังเซลล์และเยื่อหุ้มไซโทพลาสซึมจะมีความเหนียวและยืดหยุ่นในระดับหนึ่ง แต่ความดันออสโมซิสที่ผนังเซลล์สามารถทนได้จะไม่เกิน 5-6 บรรยากาศ อย่างไรก็ตาม เมื่อความเข้มข้นของคลอไรด์ไอออนในสารละลายน้ำสูงกว่า 5,000 มิลลิกรัมต่อลิตร ความดันออสโมซิสจะเพิ่มขึ้นเป็นประมาณ 10-30 บรรยากาศ ภายใต้ความดันออสโมซิสที่สูงเช่นนี้ โมเลกุลน้ำจำนวนมากในจุลินทรีย์จะแทรกซึมเข้าไปในสารละลายภายนอกร่างกาย ทำให้เกิดภาวะเซลล์ขาดน้ำและพลาสโมไลซิส และในกรณีที่รุนแรง จุลินทรีย์จะตาย ในชีวิตประจำวันผู้คนใช้เกลือ (โซเดียมคลอไรด์) เพื่อดองผักและปลา ฆ่าเชื้อและถนอมอาหาร ซึ่งเป็นการประยุกต์ใช้หลักการนี้

ข้อมูลประสบการณ์ด้านวิศวกรรมแสดงให้เห็นว่าเมื่อความเข้มข้นของไอออนคลอไรด์ในน้ำเสียสูงกว่า 2,000 มก./ล. กิจกรรมของจุลินทรีย์จะถูกยับยั้งและอัตราการกำจัด COD จะลดลงอย่างมีนัยสำคัญ เมื่อความเข้มข้นของไอออนคลอไรด์ในน้ำเสียสูงกว่า 8,000 มก./ล. จะทำให้ปริมาตรของตะกอนขยายตัว เกิดฟองจำนวนมากบนผิวน้ำ และจุลินทรีย์จะตายไปเรื่อยๆ

อย่างไรก็ตาม หลังจากเพาะเลี้ยงเป็นเวลานาน จุลินทรีย์จะค่อยๆ ปรับตัวให้เข้ากับการเจริญเติบโตและการสืบพันธุ์ในน้ำเกลือที่มีความเข้มข้นสูง ปัจจุบันมีจุลินทรีย์เพาะเลี้ยงบางชนิดที่สามารถปรับตัวให้เข้ากับความเข้มข้นของคลอไรด์ไอออนหรือซัลเฟตที่สูงกว่า 10,000 มิลลิกรัมต่อลิตรได้ อย่างไรก็ตาม หลักการของความดันออสโมซิสบอกเราว่าความเข้มข้นของเกลือในของเหลวในเซลล์ของจุลินทรีย์ที่ปรับตัวให้เข้ากับการเจริญเติบโตและการสืบพันธุ์ในน้ำเกลือที่มีความเข้มข้นสูงนั้นสูงมาก เมื่อความเข้มข้นของเกลือในน้ำเสียต่ำหรือต่ำมาก โมเลกุลน้ำจำนวนมากในน้ำเสียจะแทรกซึมเข้าไปในจุลินทรีย์ ทำให้เซลล์จุลินทรีย์บวม และในกรณีที่รุนแรงอาจแตกและตายได้ ดังนั้นจุลินทรีย์ที่ถูกทำให้เชื่องมาเป็นเวลานานและสามารถปรับตัวให้เจริญเติบโตและสืบพันธุ์ในน้ำเกลือที่มีความเข้มข้นสูงได้ จำเป็นต้องรักษาความเข้มข้นของเกลือในน้ำที่ไหลเข้าทางชีวเคมีให้อยู่ในระดับที่ค่อนข้างสูงอยู่เสมอ และไม่สามารถผันผวนได้ มิฉะนั้น จุลินทรีย์จะตายเป็นจำนวนมาก