In der äußeren Umgebung, in der sie leben, suchen die Organismen nach den essentiellen Stoffen, auch essentielle Metaboliten genannt, die sie zur Aufrechterhaltung ihrer Aktivitäten, ihres Wachstums und sogar ihrer Fortpflanzung benötigen.

Wasser ist nicht nur essentiell für alle Lebewesen, in denen es der größte Bestandteil ist, es stellt auch eine Umgebung dar, die für die Verbreitung von Nahrung und das Funktionieren von Nahrungsketten besonders günstig ist. Der folgende Abschnitt befasst sich hauptsächlich mit dem Leben im Wasser.

Stoffwechselkonzepte

Der Stoffwechsel umfasst alle biochemischen und energetischen Umwandlungen (begleitet von Absorptions- und Ausscheidungsphänomenen), die den Lebewesen ihre Existenz ermöglichen. Alle diese Reaktionen werden durch Enzyme (spezielle komplexe Proteine) katalysiert und fallen in zwei Kategorien:

• der Synthesestoffwechsel oder Anabolismus, der endoenergetisch ist (mit Energieverbrauch) und es dem Organismus ermöglicht, seine Substanz aufzubauen (insbesondere seine Struktur-, Reserve- oder Enzymkatalyseproteine);

• Energiestoffwechsel oder Katabolismus, bei dem die für den Anabolismus benötigte Energie durch exoenergetische Reaktionen gewonnen wird, bei denen Nahrungs- oder Reservestoffe (insbesondere Kohlenhydrate), die reich an potenzieller chemischer Energie sind, abgebaut werden, wobei ATP eine Rolle beim Energietransport spielt; der wichtigste Prozess ist eine Reihe von Oxidationsreaktionen, die in der Dehydrierung organischer Verbindungen bestehen und die je nach Art des ins Spiel gebrachten Wasserstoffakzeptors unterteilt werden: Die aerobe Atmung (mit freiem Sauerstoff, der H aufnimmt, um Wasser zu liefern) oder die anoxische Atmung (ohne freies O2, aber mit Sauerstoffmineralbindungen wie NO3 oder SO4, die eine chemische Reduktion durchmachen, indem sie ihr O verlieren); oder die anaerobe Fermentation (der Abbau organischer Verbindungen in einem Medium ohne O2 oder eine Sauerstoffmineralbindung).

Die Ernährung der Lebewesen

Abhängig von der Art und Weise, wie sich die Lebewesen ernähren, kann man zwei grundlegende Gruppen unterscheiden: Autotrophe und Heterotrophe (siehe Abbildung 7).

Autotrophe Organismen sind in der Lage, ihre lebenswichtigen Stoffwechselprodukte zu synthetisieren, indem sie anorganischen Kohlenstoff (CO2, HCO3-) und sogar Methan assimilieren, um ihre Kohlenhydrate aufzubauen und ihnen bestimmte Mineralsalze hinzuzufügen: Ammoniak- oder Nitratstickstoff (für die Synthese von Aminosäuren, Proteinen usw.), Phosphate (Bestandteile von DNA und ATP ), Spurenelemente usw. Sie sind die Quelle des natürlichen organischen Materials, das im Wasser zu finden ist, daher der Name Primärproduzenten; es gibt zwei mögliche Quellen für die Energie, die für diese Assimilation benötigt wird:

• Sonnenenergie, die in den Chlorophyllpigmenten der Phototropen (Algen, Wasserpflanzen, einige seltene Formen von Photosynthesebakterien) verwendet wird; die komplexen Reaktionen dieser Chlorophyllassimilation, die Photosynthese genannt wird, werden durch die Bildung eines Glukosemoleküls symbolisiert:

Dieser biologische Prozess ist der quantitativ wichtigste in der Natur; Darüber hinaus schöpfen praktisch alle anderen Lebewesen und die traditionellen Energiequellen aus ihm, und er bildet auch die Hauptquelle für Sauerstoff im Wasser und in unserer Atmosphäre.

Das obige Gleichgewicht kann umgekehrt werden: von rechts nach links ist es eine aerobe Atmungsreaktion, wie wir oben gesehen haben.

• Chemische Energie aus einer Redoxreaktion auf der Basis von Mineralien im Falle der chemotropen Bakterien: viele von ihnen sind wichtig für die Wasseraufbereitung, insbesondere:
  • Nitrifikanten: Bakterien der Gattung Nitrosomonas, die Ammonium zu Nitriten oxidieren, Bakterien der Gattung Nitrobacter, die Nitrite in Nitrate umwandeln;
  • bestimmte Eisen- und/oder Manganbakterien, die Eisen- und Manganionen zu Mangan- und Eisen(III)-Oxiden/Hydroxiden oxidieren;
  • schwefeloxidierende Bakterien (auch Schwefelbakterien genannt), die reduzierte Formen von Schwefel (insbesondere H2S) zu kolloidalem Schwefel (die Beggiatoa-Thiothrix-Gruppe) oder zu Schwefelsäure (die Thiobacillus-Gruppe) oxidieren.

Diese Bakterien sind im Allgemeinen aerob, abgesehen von einigen Ausnahmen, die in anaerober Umgebung leben (bestimmte acetogene und methanogene Bakterien, die z. B. an der Methanisierung beteiligt sind).

Heterotrophie

Heterotrophe Lebewesen können sich nur von organischem Material ernähren, das bereits aufgebaut wurde (durch Autotrophe oder andere Heterotrophe, daher das Konzept der Nahrungskette).

Im Katabolismus wird dieses Substrat in einfachere Moleküle zerlegt, die dann oxidiert werden, um die für den Anabolismus benötigte Energie zu liefern: die beiden Phänomene sind also eng miteinander verknüpft und führen zu gekoppelten Oxidations-Reduktionsreaktionen; das organische Substrat wird sowohl als Energiequelle im Katabolismus als auch als Lieferant von Zellbestandteilen im Anabolismus verwendet.

Heterotrophe Organismen umfassen alle nicht-chlorophyllischen Lebewesen: Bakterien (außer chemotropen Bakterien), Pilze und Tiere. Das Ende dieses Unterkapitels ist hauptsächlich den Bakterien gewidmet.

Die für den Stoffwechsel benötigten Enzyme können sich entweder innerhalb der Zelle befinden, oder sie werden in die äußere Umgebung ausgeschieden, um zu lange Moleküle zu zerschneiden, damit sie durch die Zellwand verbreitet werden können.

Abhängig von der Art der durchgeführten Atmung oder Fermentation (siehe oben) ist der für die Oxidationsreaktionen des Katabolismus benötigte Wasserstoffakzeptor entweder freier Sauerstoff in einem aeroben Medium (z. B.: Bakterien im Belebtschlamm), oder, in einem anoxischen Medium, der gebundene Sauerstoff in mineralischen Verbindungen wie Sulfaten (reduziert in Form von H2S und Sulfiden durch sulfatreduzierende Bakterien) oder Nitraten (reduziert in Form von zweiatomigem Stickstoff durch denitrifizierende Bakterien), oder eine organische Verbindung in einem anaeroben Milieu (zum Beispiel: Methanisierungsbakterien).

Die endgültigen Reaktionsprodukte sind normalerweise CO2 und H2O, wenn sie in der aeroben Phase arbeiten, und CO2 und CH4, wenn sie in der anaeroben Phase arbeiten. Zwischen den aeroben und anaeroben Bakterien gibt es streng genommen noch die semi-anaeroben Bakterien, deren Abbau von den physikalischen und chemischen Bedingungen des Mediums abhängt.

Praktische Konsequenzen

Die Anwendung dieser verschiedenen Konzepte werden wir im Kapitel „Welches Wasser sollten wir behandeln – und warum? (Stickstoff- und Schwefelkreislauf) und in den Kapiteln über die biologische Behandlung von Trinkwasser und kommunalen und industriellen Abwässern. Sie ermöglichen beispielsweise das Verständnis dafür, warum die heterotrophen Bakterien in einer Denitrifikationsbehandlung einen organischen Nährstoff benötigen, während die autotrophen Bakterien, die an der Nitrifikation beteiligt sind, keinen benötigen; im ersten Fall liefern die Nitrate den für die Atmung benötigten Sauerstoff, während im zweiten Fall die NH4-Oxidation (durch von außen zugeführten Sauerstoff) die für die Chemosynthese essentieller Metaboliten erforderliche Energie liefert.