Cột Winogradsky là một ống trong suốt nhồi bùn trộn nguồn carbon (giấy vụn) và nguồn lưu huỳnh (lòng đỏ trứng), đổ nước lên trên rồi để ra ánh sáng vài tuần đến vài tháng. Các nhóm vi khuẩn tự chia nhau thành những dải màu xanh, đỏ tía, đen theo độ sâu, vì mỗi nhóm cần một mức oxy, ánh sáng và hợp chất lưu huỳnh khác nhau. Đây là cách rẻ nhất để nhìn bằng mắt thường một hệ sinh thái vi sinh có tầng lớp, thứ thường chỉ thấy được qua kính hiển vi.
Sergei Winogradsky và ý tưởng "nuôi cả cộng đồng"
Sergei Winogradsky (1856–1953) là nhà vi sinh vật học gốc Nga, làm việc nhiều năm ở Strasbourg, Zürich, Saint Petersburg và sau cùng là Viện Pasteur ở Pháp. Những năm 1880, ông nghiên cứu vi khuẩn lưu huỳnh và phát hiện ra rằng có những sinh vật sống bằng cách oxy hoá chất vô cơ, không cần ánh sáng hay chất hữu cơ. Khái niệm này về sau gọi là hoá tự dưỡng. Ông cũng góp phần tìm ra các vi khuẩn chuyển hoá nitơ trong đất.
Điểm khác thường trong cách làm của Winogradsky là ông không chỉ nuôi từng loài vi khuẩn riêng rẽ trong đĩa thạch như nhiều người thời đó. Ông muốn xem vi sinh vật sống chung trong môi trường gần giống tự nhiên. Ống bùn mang tên ông chính là một môi trường như thế: không cấy loài nào vào, chỉ tạo điều kiện rồi để các nhóm có sẵn trong bùn tự tìm chỗ.
Vì sao cột tự chia tầng
Ngay sau khi làm, trong bùn có hàng tỉ vi khuẩn đủ loại sống lẫn lộn. Rồi hai thứ bắt đầu tạo ra hai "dốc" ngược chiều nhau:
- Dốc oxy: oxy từ không khí chỉ thấm được vào lớp nước và bùn trên cùng. Bên dưới, vi khuẩn phân huỷ giấy dùng hết oxy, bùn trở nên kỵ khí.
- Dốc sunfua: ở đáy, vi khuẩn khử sunfat dùng lưu huỳnh trong lòng đỏ trứng và thạch cao (nếu có) để "thở", thải ra khí H₂S. Khí này lan dần lên trên, đậm ở đáy, nhạt ở trên.
Mỗi nhóm vi khuẩn chịu được, hay cần, một khoảng oxy và sunfua nhất định. Vì vậy chúng dồn về đúng tầng hợp với mình, giống như cây trên núi chia đai theo độ cao. Ánh sáng chiếu từ bên cạnh thêm một yếu tố nữa: các nhóm quang hợp sẽ mọc dày ở phía ống quay ra cửa sổ.
Các tầng màu thường thấy
| Vị trí | Màu thường gặp | Nhóm vi sinh chiếm ưu thế | Sống bằng gì |
|---|---|---|---|
| Nước và bùn trên cùng | Xanh lục | Vi khuẩn lam, tảo | Quang hợp, thải oxy |
| Ngay dưới lớp xanh | Đỏ, đỏ nâu | Vi khuẩn tía không lưu huỳnh | Quang hợp ở nơi ít oxy, dùng chất hữu cơ |
| Giữa cột | Đỏ tía, tím | Vi khuẩn tía lưu huỳnh | Quang hợp không thải oxy, dùng H₂S thay cho nước |
| Dưới nữa | Xanh lục sẫm, xanh ô liu | Vi khuẩn lục lưu huỳnh | Quang hợp với rất ít ánh sáng, chịu H₂S đậm |
| Đáy | Đen | Vi khuẩn khử sunfat, vi khuẩn lên men | Phân huỷ chất hữu cơ không cần oxy, tạo H₂S; sắt sunfua làm bùn đen |
Không phải cột nào cũng hiện đủ các tầng. Màu sắc tuỳ vào loại bùn, ánh sáng, nhiệt độ và thời gian. Có cột lên màu tía rất đẹp sau sáu tuần, có cột chỉ đen và xanh. Mỗi ống là một kết quả riêng, đó chính là điều thú vị.
Quang hợp không cần thải oxy
Điều cột Winogradsky dạy rõ nhất là quang hợp có nhiều kiểu. Cây xanh tách nước để lấy electron, và oxy là "rác" thải ra. Vi khuẩn tía và lục lưu huỳnh thì tách H₂S thay cho nước, thải ra lưu huỳnh chứ không thải oxy. Kiểu quang hợp này được nhiều nhà khoa học cho là cổ hơn kiểu của cây xanh. Trước khi vi khuẩn lam làm bầu khí quyển giàu oxy (khoảng 2,4 tỉ năm trước, trong sự kiện thường gọi là Đại Oxy hoá), Trái Đất có lẽ đầy những cộng đồng vi sinh tương tự lớp bùn đáy ống.
Vì vậy, cột bùn trên bàn học vừa là một hệ sinh thái nhỏ, vừa là một cửa sổ nhìn về quá khứ rất xa của hành tinh.
Cách làm cột Winogradsky an toàn
Thí nghiệm này có liên quan đến vi khuẩn từ bùn và khí H₂S mùi trứng thối, nên cần người lớn làm cùng và tuân thủ mấy điều sau:
- Đậy kín ống bằng màng bọc thực phẩm và dây chun, hoặc nắp vặn. Không mở ra hít ngửi. Khí H₂S ở nồng độ cao là khí độc.
- Đeo găng tay khi lấy và trộn bùn, rửa tay bằng xà phòng ngay sau đó.
- Không để trẻ nhỏ cầm ống hay tự mở nắp. Học sinh lớn quan sát qua thành ống.
- Dùng chai nhựa trong cứng thay cho ống thuỷ tinh để tránh vỡ.
- Kết thúc: đổ bỏ ở nơi phù hợp với bùn đất (bón gốc cây ngoài vườn, chôn xuống đất), không đổ vào bồn rửa trong bếp.
Vật liệu và các bước
- Lấy khoảng nửa lít bùn ở mép ao, mương hoặc ruộng, chỗ nước nông. Chỉ lấy bùn, để lại mọi con vật thấy được.
- Trộn khoảng một phần ba lượng bùn với một nắm giấy báo xé vụn và một lòng đỏ trứng sống. Có thể thêm một thìa phấn viết bảng nghiền (canxi carbonat) để ổn định độ pH.
- Cho hỗn hợp vào đáy chai nhựa trong, nén chặt cho hết bọt khí.
- Đổ phần bùn còn lại lên trên, nén tiếp, chừa vài cm trên cùng để đổ nước ao hoặc nước máy đã để qua đêm.
- Đậy kín, ghi ngày, đặt cạnh cửa sổ có ánh sáng gián tiếp, tránh nắng gắt chiếu thẳng.
Theo dõi theo thời gian
- Tuần 1–2: gần như chưa thấy gì, có thể có bọt khí nhỏ do vi khuẩn phân huỷ giấy.
- Tuần 2–4: đáy bắt đầu đen dần, phía trên hơi xanh.
- Tuần 4–8: các mảng đỏ, tía xuất hiện, thường dày hơn ở phía hướng ra sáng.
- Sau vài tháng: các tầng rõ nét hơn hoặc dịch chuyển. Có những cột được giữ trong phòng thí nghiệm nhiều năm.
Thử làm hai cột giống hệt nhau, một để chỗ sáng, một bọc giấy bạc để tối. Cột tối sẽ không có tầng xanh và tía, chỉ có đen. Đó là bằng chứng gọn nhất cho thấy các tầng màu là do vi khuẩn quang hợp.
Góc nhìn hôm nay: một công cụ nghiên cứu còn sống
Cột Winogradsky không chỉ là thí nghiệm lớp học. Các nhà khoa học vẫn dùng nó để làm giàu những nhóm vi sinh khó nuôi, tìm vi khuẩn có khả năng phân huỷ chất ô nhiễm, hay nghiên cứu cách các cộng đồng vi sinh tự sắp xếp. Với kỹ thuật giải trình tự DNA ngày nay, người ta có thể lấy mẫu từng tầng và biết chính xác nhóm nào đang sống ở đó.
Ở nhà, giá trị lớn nhất của cột là tập nhìn sự sống không nằm ở những gì to và động đậy. Một nắm bùn tưởng như bẩn thỉu thật ra là một hệ sinh thái đầy đủ, có sinh vật sản xuất, có phân giải, có cạnh tranh chỗ đứng. Để đọc thêm, có thể tìm chương về vi sinh vật và chu trình lưu huỳnh trong Campbell Biology, hoặc các tài liệu thực hành vi sinh của các trường đại học.
Câu hỏi thường gặp
Cột Winogradsky là gì?
Là một ống trong chứa bùn trộn giấy vụn và lòng đỏ trứng, đổ nước lên rồi để ra sáng. Sau vài tuần, các nhóm vi khuẩn tự chia thành những tầng màu theo độ sâu. Nó được đặt theo tên nhà vi sinh vật học Sergei Winogradsky.
Vì sao cột Winogradsky có nhiều màu?
Mỗi nhóm vi khuẩn chứa sắc tố riêng và cần một mức oxy, ánh sáng, khí H₂S khác nhau. Chúng dồn về tầng hợp với mình nên tạo thành các dải xanh, đỏ tía, xanh ô liu và đen.
Làm cột Winogradsky có nguy hiểm không?
Có một số rủi ro: bùn chứa vi khuẩn và cột sinh khí H₂S mùi trứng thối. Cần người lớn làm cùng, đậy kín, không mở ra hít, rửa tay sau khi chạm bùn và không để trẻ nhỏ cầm.
Bao lâu thì cột Winogradsky lên màu?
Thường đáy đen dần sau hai đến bốn tuần, các mảng đỏ tía xuất hiện sau khoảng một đến hai tháng. Thời gian tuỳ vào bùn, nhiệt độ và ánh sáng.
Lòng đỏ trứng và giấy báo dùng để làm gì?
Giấy báo là nguồn carbon dạng cellulose cho vi khuẩn phân giải. Lòng đỏ trứng cung cấp lưu huỳnh để vi khuẩn khử sunfat tạo H₂S, nguồn sống của vi khuẩn lưu huỳnh quang hợp.
