A szervezetek a külső környezetben, ahol élnek, keresik azokat az esszenciális anyagokat, más néven esszenciális metabolitokat, amelyekre szükségük van tevékenységük, növekedésük, sőt szaporodásuk fenntartásához.

A víz nemcsak minden élőlény számára nélkülözhetetlen, amelynek legnagyobb összetevője, hanem olyan környezetet is alkot, amely különösen kedvező a táplálék elterjedéséhez és a táplálékláncok működéséhez. A következő fejezet elsősorban a vízi élővilágra vonatkozik.

Az anyagcsere fogalmai

Az anyagcsere magában foglalja mindazokat a biokémiai és energiaátalakulásokat (felszívódási és kiválasztási jelenségekkel kísérve), amelyek lehetővé teszik az élőlények létezését. Az összes szóban forgó reakciót enzimek (speciális összetett fehérjék) katalizálják, és két kategóriába sorolhatók:

• szintézisanyagcsere vagy anabolizmus, amely endoenergetikus (energiafelhasználással járó), és lehetővé teszi, hogy a szervezet felépítse az anyagát (különösen a szerkezeti, tartalék vagy enzimkatalizáló fehérjéket);

• energia-anyagcsere vagy katabolizmus, amely az anabolizmushoz szükséges energiát exoenergetikus reakciók révén állítja elő, amelyek a potenciális kémiai energiában gazdag táplálékot vagy tartalékanyagokat (különösen szénhidrátokat) bontják le, az ATP pedig az energia szállításában játszik szerepet; a legfontosabb folyamat a szerves vegyületek dehidrogénezéséből álló oxidációs reakciók összessége, amelyek a játékba hozott hidrogénakceptor jellegétől függően oszlanak meg: A légzés aerob (szabad oxigén jelenlétében történik, és H-t vesz fel, hogy vizet szolgáltasson) vagy anoxikus (szabad O2 nélkül, de oxigén ásványi kötések jelenlétében, mint például NO3 vagy SO4, amelyek kémiai redukción mennek keresztül az O elvesztésével); vagy anaerob erjedés (szerves vegyületek lebontása olyan közegben, amelyben nincs O2 vagy oxigén ásványi kötés).

az élőlények táplálkozása

Az élőlények táplálkozási módjától függően két alapvető csoportot különböztethetünk meg: autotrófok és heterotrófok (lásd a 7. ábrát).

autotrófia

Autotróf szervezetek szervetlen szén (CO2, HCO3-) vagy akár metán asszimilálásával képesek szintetizálni alapvető anyagcseretermékeiket, így képesek szénhidrátjaikat felépíteni, miközben bizonyos ásványi sókat adnak hozzá: ammónia- vagy salétromos nitrogén (aminosavak, fehérjék stb. szintéziséhez), foszfátok (a DNS és ATP alkotórészei ), nyomelemek stb. Ők a forrásai a vízben található természetes szerves anyagoknak, ezért nevezik őket elsődleges termelőknek; az ehhez az asszimilációhoz szükséges energiának két lehetséges forrása van:

• napenergia, amelyet a fototrópok (algák, vízinövények, a fotoszintézis baktériumok néhány ritka formája) klorofil pigmentjei használnak fel; ennek a klorofil asszimilációnak az összetett reakcióit, amelyet fotoszintézisnek nevezünk, egy glükózmolekula képződésével jelképezik:

Ez a biológiai folyamat mennyiségi szempontból a legfontosabb a természetben; ráadásul gyakorlatilag minden más élőlény és hagyományos energiaforrás is ebből táplálkozik, és ez képezi a víz és a légkör oxigénjének fő forrását is.

A fenti egyensúly megfordítható: jobbról balra haladva aerob légzési reakcióról van szó, ahogy fentebb láttuk.

• kémiai energia, ásványi anyagokon alapuló redoxireakcióból a kemotróp baktériumok esetében: sok közülük fontos a víztisztítás szempontjából, különösen:
  • nitrifikátorok: a Nitrosomonas nemzetséghez tartozók, amelyek az ammóniumot nitritekké oxidálják, a Nitrobacter nemzetséghez tartozók, amelyek a nitriteket nitrátokká alakítják át;
  • bizonyos vas- és/vagy mangánbaktériumok, amelyek a vas- és mangánionokat mangán- és vas-oxidokká/hidroxidokká oxidálják;
  • kénoxidáló baktériumok (más néven kénbaktériumok), amelyek a kén redukált formáit (különösen H2S) kolloid kénné (Beggiatoa-Thiothrix csoport) vagy kénsavvá (Thiobacillus csoport) oxidálják.

Ezek a baktériumok általában aerobok, néhány kivételtől eltekintve, amelyek anaerob környezetben élnek (például bizonyos acetogén és metanogén baktériumok, amelyek a metanizációban vesznek részt).

Heterotrófia

A heterotróf élőlények csak a már felépített szerves anyagból (autotrófok vagy más heterotrófok által, innen a tápláléklánc fogalma) képesek táplálkozni.

A katabolizmus során ez a szubsztrát egyszerűbb molekulákra bomlik, amelyeket aztán oxidálnak, hogy az anabolizmushoz szükséges energiát szolgáltassák: a két jelenség tehát szorosan összefügg, és kapcsolt oxidációs-redukciós reakciókat von maga után; a szerves szubsztrátot a katabolizmusban egyszerre használják energiaforrásként és az anabolizmusban a sejtalkotók ellátására.

A heterotróf szervezetek közé tartozik minden nem klorofil lény: baktériumok (a kemotróf baktériumok kivételével), gombák és állatok. Az alfejezet végén elsősorban a baktériumokkal foglalkozunk.

Az anyagcseréhez szükséges enzimek vagy a sejten belül vannak, vagy a külső környezetbe ürülnek, hogy a túl hosszú molekulákat feldarabolják, hogy azok a sejtfalon keresztül szétterjedhessenek.

Az elvégzett légzés vagy fermentáció típusától függően (lásd fentebb) a katabolizmus oxidációs reakcióihoz szükséges hidrogénakceptor vagy szabad oxigén aerob közegben (pl: az aktív iszap baktériumai), vagy anoxikus közegben az ásványi vegyületek, például a szulfátok (a szulfátredukáló baktériumok által H2S és szulfidok formájában redukált) vagy a nitrátok (a denitrifikáló baktériumok által kétatomos nitrogén formájában redukált), vagy anaerob környezetben valamely szerves vegyület (például: metanizáló baktériumok).

A végső reakciótermékek általában CO2 és H2O, ha aerob fázisban működnek, és CO2 és CH4, ha anaerob fázisban működnek. Az aerob és anaerob baktériumok között szigorúan véve fél-anaerob baktériumok vannak: katabolizmusuk a közeg fizikai és kémiai viszonyaitól függ.

gyakorlati következmények

Ezeknek a különböző fogalmaknak az alkalmazását a fejezetben fogjuk látni Milyen vizet kezeljünk ? és miért ? (nitrogén- és kénkörforgás), valamint az ivóvíz, illetve a kommunális és ipari szennyvíz biológiai kezelésével foglalkozó fejezetekben. Ezek lehetővé teszik például annak megértését, hogy a denitrifikációs kezelésben részt vevő heterotróf baktériumok miért igényelnek szerves tápanyagot, holott a nitrifikációban részt vevő autotróf baktériumok számára nincs rá szükség; az első esetben a nitrátok biztosítják a légzéshez szükséges oxigént, míg a második esetben az NH4 oxidációja (a kívülről bevitt oxigénnel) biztosítja az alapvető metabolitok kemoszintéziséhez szükséges energiát.