Ve vnějším prostředí, kde žijí, hledají organismy základní látky, nazývané také esenciální metabolity, které potřebují k udržení své činnosti, růstu, a dokonce i k rozmnožování.

Voda je nejen nezbytná pro všechny živé tvory, u nichž je největší složkou, ale představuje také prostředí, které je zvláště příznivé pro šíření potravy a fungování potravních řetězců. Následující oddíl se týká především vodních organismů.

pojetí metabolismu

Metabolismus zahrnuje všechny biochemické a energetické přeměny (doprovázené jevy vstřebávání a vylučování), které umožňují existenci živých tvorů. Všechny zmíněné reakce jsou katalyzovány enzymy (speciálními složitými bílkovinami) a dělí se do dvou kategorií:

• syntézní metabolismus neboli anabolismus, který je endoenergetický (zahrnuje spotřebu energie) a umožňuje organismu vytvářet jeho látky (zejména jeho strukturní, rezervní nebo enzymové katalytické bílkoviny);

• energetický metabolismus neboli katabolismus, který produkuje energii potřebnou pro anabolismus prostřednictvím exoenergetických reakcí, které rozkládají potravu nebo rezervní látky (zejména sacharidy) bohaté na potenciální chemickou energii, přičemž ATP hraje roli při přenosu energie; nejdůležitějším procesem je soubor oxidačních reakcí, které spočívají v dehydrogenaci organických sloučenin a které se dělí podle povahy akceptoru vodíku, jenž vstupuje do hry: dýchání, které je aerobní (vyznačuje se přítomností volného kyslíku, který přijímá H a poskytuje vodu) nebo anoxické (bez volného O2, ale s přítomností kyslíkových minerálních vazeb, jako jsou NO3 nebo SO4, které podléhají chemické redukci ztrátou O); nebo anaerobní fermentace (rozklad organických sloučenin v prostředí bez O2 nebo kyslíkové minerální vazby).

výživa živých bytostí

V závislosti na způsobu výživy živých bytostí lze rozlišit dvě základní skupiny: autotrofy a heterotrofy (viz obrázek 7).

autotrofie

Autotrofní organismy jsou schopny syntetizovat své základní metabolity asimilací anorganického uhlíku (CO2, HCO3-) a dokonce i metanu, takže mohou vytvářet své sacharidy a zároveň k nim přidávat některé minerální soli: amoniakální dusík nebo dusík dusičný (pro syntézu aminokyselin, bílkovin atd.), fosfáty (složky DNA a ATP ), stopové prvky atd. Jsou zdrojem přírodního organického materiálu, který se nachází ve vodě, odtud jejich název primární producenti; existují dva možné zdroje energie potřebné pro tuto asimilaci:

• sluneční energie, využívaná v chlorofylových pigmentech fototropů (řasy, vodní rostliny, některé vzácné formy fotosyntézy bakterií); složité reakce této chlorofylové asimilace, která se nazývá fotosyntéza, jsou symbolizovány vznikem molekuly glukózy:

Tento biologický proces je v přírodě kvantitativně nejdůležitější; navíc z něj čerpají prakticky všechny ostatní živé bytosti a tradiční zdroje energie a tvoří také hlavní zdroj kyslíku ve vodě a v naší atmosféře.

Výše uvedenou rovnováhu lze obrátit: zprava doleva jde o aerobní dýchací reakci, jak jsme viděli výše.

• chemická energie, z redoxní reakce na bázi minerálů v případě chemotropních bakterií: mnohé z nich jsou důležité z hlediska úpravy vody, zejména:
  • nitrifikátory: Bakterie patřící do rodu Nitrosomonas, které oxidují amonium na dusitany, bakterie patřící do rodu Nitrobacter, které přeměňují dusitany na dusičnany;
  • určité bakterie železa a/nebo manganu, které oxidují železnaté a manganové ionty na oxidy/hydroxidy manganu a železa;
  • sirné oxidační bakterie (známé také jako sirné bakterie), které oxidují redukované formy síry (zejména H2S) na koloidní síru (skupina Beggiatoa-Thiothrix) nebo na kyselinu sírovou (skupina Thiobacillus).

Tyto bakterie jsou obecně aerobní, až na několik výjimek, které žijí v anaerobním prostředí (například některé acetogenní a metanogenní bakterie podílející se na metanizaci).

heterotrofní

Heterotrofní živočichové se mohou živit pouze organickým materiálem, který již byl vytvořen (autotrofy nebo jinými heterotrofy, odtud pojem potravní řetězec).

Při katabolismu se tento substrát rozkládá na jednodušší molekuly, které jsou pak oxidovány, aby dodaly energii potřebnou pro anabolismus: oba jevy jsou tedy úzce propojeny a zahrnují spojené oxidačně-redukční reakce; organický substrát je využíván jak jako zdroj energie při katabolismu, tak jako zásoba buněčných složek při anabolismu.

Heterotrofní organismy zahrnují všechny nechlorofilní tvory: bakterie (kromě chemotrofních bakterií), houby a živočichy. Závěr této podkapitoly bude věnován především bakteriím.

Enzymy potřebné pro metabolismus mohou být buď uvnitř buňky, nebo vylučovány do vnějšího prostředí za účelem rozřezání příliš dlouhých molekul, aby se mohly šířit buněčnou stěnou.

V závislosti na typu prováděné respirace nebo fermentace (viz výše) je akceptorem vodíku potřebným pro oxidační reakce katabolismu buď volný kyslík v aerobním prostředí (např: bakterie v aktivovaném kalu), nebo v anoxickém prostředí vázaný kyslík v minerálních sloučeninách, jako jsou sírany (redukované ve smyslu H2S a sulfidů bakteriemi redukujícími sírany) nebo dusičnany (redukované ve smyslu dvouatomového dusíku denitrifikačními bakteriemi), nebo organická sloučenina v anaerobním prostředí (například: metanizační bakterie).

Konečnými produkty reakce jsou obvykle CO2 a H2O při práci v aerobní fázi a CO2 a CH4 při práci v anaerobní fázi. Mezi aerobními a anaerobními bakteriemi přísně vzato existují semi-anaerobní bakterie: jejich katabolismus závisí na fyzikálních a chemických podmínkách prostředí.

praktické důsledky

Použití těchto různých pojmů uvidíme v kapitole Jakou vodu máme upravovat ? a proč ? (dusíkový a sirný cyklus) a v kapitolách zabývajících se biologickou úpravou pitné vody a komunálních a průmyslových odpadních vod. Umožňují například pochopit, proč heterotrofní bakterie při denitrifikační úpravě potřebují organickou živinu, ačkoli autotrofní bakterie zapojené do nitrifikace žádnou nepotřebují; v prvním případě dusičnany dodávají kyslík používaný při dýchání, zatímco v druhém případě oxidace NH4 (kyslíkem dodávaným zvenčí) poskytuje energii potřebnou pro chemosyntézu základních metabolitů.

.