Đất ngập nước thường là nơi sinh sống của nhiều loài vi sinh vật và thực vật. Các điều kiện vật lý, hóa học lý tưởng có trong vùng đất ẩm ướt đã tạo ra sự đa dạng về sinh vật từ loài vi sinh vật nhỏ nhất cho đến các loại cây lớn nhất. Sự đa dạng sinh học này tạo ra sự tương tác giữa các loài, từ đó sử dụng tốt hơn các dòng năng lượng và mang lại hiệu quả vượt trội trong các quá trình xử lý tự nhiên của hệ sinh thái đất ngập nước. Các vùng đất ngập nước được thiết kế để xử lý nước thải dựa trên hoạt động của sinh vật dẫn đến chi phí đầu tư ban đầu thấp hơn, chi phí vận hành và bảo trì thấp hơn và hiệu suất của hệ thống ổn định hơn. 

Bài viết dưới đây sẽ trình bày về hệ sinh thái của các vùng đất ngập nước được ứng dụng trong xử lý nước thải.

Đất ngập nước và môi trường sống dưới nước cung cấp các điều kiện thích hợp cho sự phát triển và sinh sản của các vi sinh vật. Hai nhóm vi sinh vật quan trọng là vi khuẩn và nấm. Những vi sinh vật này đóng vai trò rất quan trọng trong các hệ thống xử lý nước thải bằng đất ngập nước chủ yếu do vai trò của chúng trong việc đồng hóa, biến đổi và tái sử dụng các thành phần hóa học có trong các loại nước thải khác nhau. 

Việc phân loại vi khuẩn trong đất ngập nước rất phức tạp và thường xuyên thay đổi, nhưng các nhóm vi khuẩn và nấm chung được công nhận tồn tại trong môi trường này. Vi khuẩn được xếp vào sinh vật nhân sơ (Procaryotae). Nấm được phân loại là sinh vật nhân thực (Eucaryotes) vì chúng có nhân ngăn cách với tế bào chất bằng màng nhân.

Vi khuẩn là sinh vật đơn bào, nhân sơ được phân loại theo hình thái, đặc điểm hóa học, dinh dưỡng và trao đổi chất. Bergey’s Manual xếp vi khuẩn vào 19 nhóm liên kết với các mối quan hệ tiến hóa. Hầu hết các vi khuẩn có thể được phân loại theo bốn hình thái: cầu khuẩn, trực khuẩn, xoắn khuẩn và dạng sợi. Những sinh vật này có thể phát triển đơn lẻ hoặc trong các nhóm tế bào chúng liên kết thành các cặp, chuỗi khuẩn lạc. Vi khuẩn thường sinh sản bằng cách phân đôi tế bào, trong đó các tế bào phân chia thành hai tế bào con bằng nhau. 

Hầu hết các vi khuẩn là dị dưỡng, có nghĩa là chúng có nhu cầu dinh dưỡng và năng lượng để phát triển từ các hợp chất hữu cơ. Ngoài ra, một số vi khuẩn tự dưỡng tổng hợp các phân tử hữu cơ từ nguồn carbon vô cơ (carbon dioxide, CO2). 

Một số vi khuẩn không thể tự di chuyển trong khi những vi khuẩn khác di động bằng cách sử dụng flagella. Ở vùng đất ngập nước, hầu hết vi khuẩn có mặt ở bề mặt rắn của thực vật, chất hữu cơ đang phân hủy và đất.

Nấm đại diện cho nhóm sinh vật nhân thực (eucaryotic organisms), bao gồm nấm men (yeasts), nấm mốc (molds) và nấm thể quả (fleshy fungi). Tất cả các loại nấm đều dị dưỡng, tức là có nhu cầu về năng lượng và lấy nguồn carbon hữu cơ. Hầu hết con đường dinh dưỡng của nấm là hoại sinh, dựa trên sự phân hủy của vật chất hữu cơ chết. Nấm có nhiều trong môi trường đất ngập nước và đóng vai trò quan trọng trong việc xử lý nước. 

Nấm rất quan trọng về mặt sinh thái ở vùng đất ngập nước vì chúng là trung gian trong quá trình tái sử dụng carbon (quá trình cộng sinh của vi khuẩn và tảo) và các chất dinh dưỡng khác trong môi trường đất ngập nước. Sau quá trình hoạt động của vi khuẩn, các thảm thực vật trở nên mục nát và trở thành môi trường cho nấm thủy sinh phát triển và thông qua quá trình hoại sinh, chất hữu cơ chết được phân giải. 

Nấm sống cộng sinh với các loài tảo (địa y) và thực vật bậc cao (mycorhizzae), làm tăng hiệu quả hấp thụ chất dinh dưỡng từ không khí, nước và đất của vật chủ. Nếu nấm bị ức chế do tác động của các kim loại độc hại và các hóa chất khác trong môi trường đất ngập nước, chu trình phân giải các chất dinh dưỡng có thể bị giảm, hạn chế năng suất xử lý đáng kể của tảo và thực vật bậc cao. Ở các vùng đất ngập nước, nấm thường được tìm thấy tại các cây thực vật đã chết và mục nát.

Hầu hết các biến đổi hóa học quan trọng do vi khuẩn thực hiện đều được kiểm soát bởi các enzym, đây là các protein đặc hiệu xúc tác các phản ứng hóa học. Ở mức độ khác nhau, vi khuẩn và nấm được phân loại theo khả năng xúc tác cho một số phản ứng nhất định. Sự trao đổi chất của vi sinh vật bao gồm việc sử dụng các enzym để phá vỡ các hợp chất hữu cơ phức tạp thành các hợp chất đơn giản hơn cùng với sự giải phóng năng lượng hoặc tổng hợp các hợp chất hữu cơ bằng cách sử dụng năng lượng dự trữ hóa học. 

Quá trình trao đổi chất của vi sinh vật không chỉ phụ thuộc vào sự có mặt của các enzym thích hợp mà còn phụ thuộc vào các điều kiện môi trường như nhiệt độ, oxy hòa tan (DO) và nồng độ ion hydro (pH). Ngoài ra, nồng độ của chất nền hóa học qua quá trình biến đổi đóng vai trò quan trọng trong việc xác định tốc độ phản ứng.

Trong quá trình chuyển hóa của vi sinh vật, carbohydrate được phân hủy thành axit pyruvic với việc tạo ra hai phân tử axit pyruvic và hai phân tử adenosine triphosphate (ATP) cho mỗi phân tử glucose và quá trình phân hủy tiếp theo của axit pyruvic thông qua quá trình lên men hoặc hô hấp.

– Quá trình lên men bằng cách phosphoryl hóa ở điều kiện cơ chất không cần oxy, hình thành nhiều loại sản phẩm hữu cơ cuối cùng như axit lactic, etanol và các axit hữu cơ khác. 

– Hô hấp hiếu khí là quá trình phản ứng sinh hóa mà nhờ đó carbohydrate được phân hủy thành CO₂, nước và năng lượng (38 phân tử ATP cho mỗi phân tử glucose được oxy hóa hoàn toàn). Chu trình Krebs dẫn đến việc mất carbon dioxide (khử carboxyl hóa) và dự trữ năng lượng (hai phân tử ATP trên mỗi phân tử glucose). Phản ứng chung cho hô hấp hiếu khí có thể được tóm tắt như sau:

C₆H₁₂O₆+6H₂O+6O₂+38 ADP +38 P = 6CO₂+12H₂O+38 ATP

Thêm vào đó, khoảng 60% năng lượng của phân tử glucôzơ ban đầu bị mất dưới dạng nhiệt trong quá trình hô hấp hiếu khí hoàn toàn. 

– Hô hấp kỵ khí là một quá trình dị hóa thay thế xảy ra khi không có khí oxy tự do. Trong hô hấp yếm khí, một số hợp chất vô cơ khác được sử dụng làm chất nhận điện tử cuối cùng. Quá trình hô hấp kị khí sẽ tạo ra một lượng năng lượng thấp hơn. Hình thức hô hấp này rất quan trọng đối với một số nhóm vi khuẩn xuất hiện ở vùng đất ngập nước và môi trường sống dưới nước. Vi khuẩn thuộc giống Pseudomonas và Bacillus sử dụng nitơ nitrat làm chất nhận điện tử cuối cùng, tạo ra nitrit, oxit nitơ (N₂O) hoặc khí nitơ (N₂) bằng quá trình khử nitrat. Vi khuẩn Desulfovibrio sử dụng sunfat (SO₄^2-) là chất nhận điện tử dẫn đến sự hình thành H₂S. Methanobacterium sử dụng cacbonat (CO₃^2-) hình thành khí metan (CH₄).