Es en el medio externo en el que viven donde los organismos buscan las sustancias esenciales, también llamadas metabolitos esenciales, que necesitan para mantener sus actividades, su crecimiento e incluso su reproducción.

El agua no sólo es esencial para todos los seres vivos, en los que es el mayor componente, sino que constituye un medio especialmente favorable para la difusión de los alimentos y para que las cadenas alimentarias funcionen. La siguiente sección se refiere principalmente a la vida acuática.

Conceptos de metabolismo

El metabolismo comprende todas las transformaciones bioquímicas y energéticas (acompañadas de fenómenos de absorción y excreción) que permiten la existencia de los seres vivos. Todas las reacciones en cuestión son catalizadas por enzimas (proteínas complejas especiales) y se clasifican en dos categorías:

• el metabolismo de síntesis o anabolismo, que es endoenergético (implica un consumo de energía), que permite al organismo construir su sustancia (en particular sus proteínas estructurales, de reserva o de catálisis enzimática);

• el metabolismo energético o catabolismo, que produce la energía necesaria para el anabolismo a través de reacciones exoenergéticas que descomponen las sustancias alimenticias o de reserva (en particular los hidratos de carbono) ricas en energía química potencial, en cuyo transporte interviene el ATP; el proceso más importante es un conjunto de reacciones de oxidación que consisten en la deshidrogenación de los compuestos orgánicos y que se subdividen según la naturaleza del aceptor de hidrógeno puesto en juego: respiración aeróbica (presenta la presencia de oxígeno libre, y que acepta H para proporcionar agua) o anóxica (sin O2 libre pero con presencia de enlaces minerales de oxígeno como NO3 o SO4, que sufren una reducción química perdiendo su O); o fermentación anaeróbica (descomposición de compuestos orgánicos en un medio sin O2 ni enlace mineral de oxígeno).

La nutrición de los seres vivos

En función de la forma de alimentación de los seres vivos, se pueden distinguir dos grupos fundamentales: los autótrofos y los heterótrofos (ver figura 7).

autotrofia

Los organismos autótrofos son capaces de sintetizar sus metabolitos esenciales asimilando el carbono inorgánico (CO2, HCO3-) e incluso el metano, por lo que pueden acumular sus hidratos de carbono al tiempo que les añaden ciertas sales minerales: nitrógeno amoniacal o nítrico (para sintetizar aminoácidos, proteínas, etc.), fosfatos (componentes del ADN y del ATP ), oligoelementos, etc. Son la fuente de la materia orgánica natural que se encuentra en el agua, de ahí su nombre de productores primarios; hay dos fuentes posibles de la energía necesaria para esta asimilación:

• la energía solar, utilizada en los pigmentos clorofílicos de los fotótropos (algas, plantas acuáticas, algunas formas raras de bacterias fotosintéticas); las reacciones complejas de esta asimilación clorofílica, que se llama fotosíntesis, se simbolizan por la formación de una molécula de glucosa:

Este proceso biológico es el más importante del mundo natural en términos cuantitativos; además, prácticamente todos los demás seres vivos y las fuentes de energía tradicionales se nutren de él, y también constituye la principal fuente de oxígeno en el agua y en nuestra atmósfera.

El equilibrio anterior puede invertirse: de derecha a izquierda, es una reacción de respiración aeróbica, como vimos anteriormente.

• energía química, a partir de una reacción redox a base de minerales en el caso de las bacterias quimiotrópicas: muchas de ellas son importantes en cuanto al tratamiento del agua, en particular:
  • nitrificantes: los pertenecientes al género Nitrosomonas, que oxidan el amonio en nitritos, los pertenecientes al género Nitrobacter, que transforman los nitritos en nitratos;
  • ciertas bacterias del hierro y/o del manganeso, que oxidan los iones ferrosos y manganosos en óxidos/hidróxidos mangánicos y férricos;
  • bacterias oxidantes del azufre (también conocidas como bacterias del azufre) que oxidan las formas reducidas del azufre (especialmente el H2S) en azufre coloidal (grupo Beggiatoa-Thiothrix) o en ácido sulfúrico (grupo Thiobacillus).

Estas bacterias son generalmente aeróbicas, salvo algunas excepciones que viven en medios anaeróbicos (ciertas bacterias acetógenas y metanógenas implicadas en la metanización, por ejemplo).

Heterotrofia

Los seres heterótrofos sólo pueden alimentarse de la materia orgánica ya acumulada (por autótrofos u otros heterótrofos, de ahí el concepto de cadena alimentaria).

Durante el catabolismo, este sustrato se rompe en moléculas más simples que luego se oxidan para suministrar la energía necesaria para el anabolismo: los dos fenómenos están, pues, estrechamente ligados e implican reacciones de oxidación-reducción acopladas; el sustrato orgánico se utiliza a la vez como fuente de energía en el catabolismo y como suministro de componentes celulares en el anabolismo.

Los organismos heterótrofos incluyen todos los seres no clorofílicos: las bacterias (excepto las bacterias quimiótropas), los hongos y los animales. El final de este subcapítulo se dedicará principalmente a las bacterias.

Las enzimas necesarias para el metabolismo pueden estar en el interior de la célula, o ser excretadas al medio exterior para cortar las moléculas demasiado largas para que puedan diseminarse a través de la pared celular.

Dependiendo del tipo de respiración o fermentación llevada a cabo (ver arriba), el aceptor de hidrógeno requerido para las reacciones de oxidación del catabolismo es el oxígeno libre en un medio aeróbico (por ejemplo: las bacterias de los lodos activados), o bien, en un medio anóxico, el oxígeno enlazado en compuestos minerales como los sulfatos (reducidos en términos de H2S y sulfuros por las bacterias reductoras de sulfatos) o los nitratos (reducidos en términos de nitrógeno diatómico por las bacterias desnitrificantes), o bien un compuesto orgánico en un medio anaerobio (por ejemplo: las bacterias de metanización).

Los productos finales de la reacción son normalmente CO2 y H2O cuando se trabaja en la fase aeróbica, y CO2 y CH4 cuando se trabaja en la fase anaeróbica. Entre las bacterias aeróbicas y las anaeróbicas propiamente dichas, existen las bacterias semi-anaeróbicas: su catabolismo depende de las condiciones físicas y químicas del medio.

Consecuencias prácticas

Veremos la aplicación de estos distintos conceptos en el capítulo ¿qué agua debemos tratar? y ¿por qué? (ciclos del nitrógeno y del azufre) y en los capítulos dedicados a los tratamientos biológicos del agua potable y de los efluentes municipales e industriales. Por ejemplo, permiten comprender por qué las bacterias heterótrofas de un tratamiento de desnitrificación necesitan un nutriente orgánico, mientras que las bacterias autótrofas implicadas en la nitrificación no necesitan ninguno; en el primer caso, los nitratos suministran el oxígeno utilizado en la respiración, mientras que en el segundo, la oxidación del NH4 (por el oxígeno suministrado desde el exterior) proporciona la energía necesaria para la quimiosíntesis de los metabolitos esenciales.