È nell’ambiente esterno in cui vivono che gli organismi cercano le sostanze essenziali, chiamate anche metaboliti essenziali, di cui hanno bisogno per mantenere le loro attività, la loro crescita e anche la loro riproduzione.

L’acqua non solo è essenziale per tutti gli esseri viventi, di cui è il maggior componente, ma costituisce anche un ambiente particolarmente favorevole alla diffusione degli alimenti e al funzionamento delle catene alimentari. La sezione seguente riguarda principalmente la vita acquatica.

concetti di metabolismo

Il metabolismo comprende tutte le trasformazioni biochimiche ed energetiche (accompagnate da fenomeni di assorbimento ed escrezione) che permettono agli esseri viventi di esistere. Tutte le reazioni in questione sono catalizzate da enzimi (speciali proteine complesse) e rientrano in due categorie:

• metabolismo di sintesi o anabolismo, che è endoenergetico (comporta un consumo di energia) e permette all’organismo di costruire la sua sostanza (in particolare le sue proteine strutturali, di riserva o di catalisi enzimatica);

• il metabolismo energetico o catabolismo, che produce l’energia necessaria all’anabolismo attraverso reazioni esoenergetiche che scompongono sostanze alimentari o di riserva (in particolare carboidrati) ricche di energia chimica potenziale, con l’ATP che gioca un ruolo nel trasporto dell’energia; il processo più importante è un insieme di reazioni di ossidazione che consiste nella deidrogenazione di composti organici e che si suddivide in base alla natura dell’accettore di idrogeno messo in gioco: respirazione aerobica (caratterizzata dalla presenza di ossigeno libero, e che accetta H per fornire acqua) o anossica (senza O2 libero ma con la presenza di legami minerali di ossigeno come NO3 o SO4, che subiscono una riduzione chimica perdendo il loro O); o fermentazione anaerobica (la degradazione di composti organici in un mezzo senza O2 o un legame minerale di ossigeno).

La nutrizione degli esseri viventi

A seconda del modo in cui gli esseri viventi si nutrono, si può distinguere tra due gruppi fondamentali: autotrofi ed eterotrofi (vedi figura 7).

autotrofia

Gli organismi autotrofi sono capaci di sintetizzare i loro metaboliti essenziali assimilando il carbonio inorganico (CO2, HCO3-) e persino il metano per costruire i loro carboidrati e aggiungendovi alcuni sali minerali: azoto ammoniacale o azoto nitrico (per sintetizzare gli aminoacidi, le proteine, ecc.), fosfati (componenti del DNA e dell’ATP), oligoelementi, ecc. Essi sono la fonte del materiale organico naturale che si trova nell’acqua, da cui il loro nome di produttori primari; ci sono due possibili fonti dell’energia necessaria per questa assimilazione:

• l’energia solare, utilizzata nei pigmenti clorofilliani dei fototropi (alghe, piante acquatiche, alcune rare forme di batteri fotosintetici); le complesse reazioni di questa clorofilliana assimilazione, che si chiama fotosintesi, sono simbolizzate dalla formazione di una molecola di glucosio:

Questo processo biologico è il più importante del mondo naturale in termini quantitativi; inoltre, praticamente tutti gli altri esseri viventi e le fonti di energia tradizionali attingono ad esso, e costituisce anche la principale fonte di ossigeno nell’acqua e nella nostra atmosfera.

L’equilibrio di cui sopra può essere invertito: da destra a sinistra, è una reazione di respirazione aerobica, come abbiamo visto sopra.

• energia chimica, da una reazione redox basata sui minerali nel caso dei batteri chemiotropici: molti di loro sono importanti per il trattamento delle acque, in particolare:
  • nitrificanti: quelli appartenenti al genere Nitrosomonas, che ossidano l’ammonio in nitriti, quelli appartenenti al genere Nitrobacter, che trasformano i nitriti in nitrati;
  • certi batteri del ferro e/o del manganese, che ossidano gli ioni ferrosi e manganosi in ossidi/idrossidi manganici e ferrici;
  • batteri ossidanti lo zolfo (noti anche come batteri dello zolfo) che ossidano forme ridotte di zolfo (in particolare H2S) in zolfo colloidale (gruppo Beggiatoa-Thiothrix) o in acido solforico (gruppo Thiobacillus).

Questi batteri sono generalmente aerobi, a parte alcune eccezioni che vivono in ambienti anaerobi (certi batteri acetogeni e metanogeni coinvolti nella metanizzazione, per esempio).

eterotrofi

Gli eterotrofi possono nutrirsi solo di materiale organico che è già stato accumulato (da autotrofi o altri eterotrofi, da cui il concetto di catena alimentare).

Durante il catabolismo, questo substrato viene scisso in molecole più semplici che vengono poi ossidate per fornire l’energia necessaria all’anabolismo: i due fenomeni sono quindi strettamente legati e comportano reazioni di ossido-riduzione accoppiate; il substrato organico viene utilizzato sia come fonte di energia nel catabolismo che come rifornimento di componenti cellulari nell’anabolismo.

Gli organismi eterotrofi comprendono tutti gli esseri non clorofilliani: batteri (tranne i batteri chemiotropi), funghi e animali. La fine di questo sottocapitolo sarà dedicata principalmente ai batteri.

Gli enzimi necessari al metabolismo possono essere sia all’interno della cellula, sia escreti nell’ambiente esterno per tagliare le molecole troppo lunghe in modo che possano essere diffuse attraverso la parete cellulare.

A seconda del tipo di respirazione o fermentazione effettuata (vedi sopra), l’accettore di idrogeno necessario per le reazioni di ossidazione del catabolismo è l’ossigeno libero in un mezzo aerobico (per esempio: i batteri dei fanghi attivi), o, in un mezzo anossico, l’ossigeno legato in composti minerali come i solfati (ridotti in termini di H2S e solfuri dai batteri solfato-riduttori) o i nitrati (ridotti in termini di azoto biatomico dai batteri denitrificanti), o un composto organico in un ambiente anaerobico (per esempio: batteri di metanizzazione).

I prodotti finali della reazione sono normalmente CO2 e H2O quando si lavora in fase aerobica, e CO2 e CH4 quando si lavora in fase anaerobica. Tra i batteri aerobi e anaerobi in senso stretto, ci sono i batteri semi-anaerobi: il loro catabolismo dipende dalle condizioni fisiche e chimiche del mezzo.

conseguenze pratiche

Vedremo l’applicazione di questi vari concetti nel capitolo quali acque trattare e perché? (cicli dell’azoto e dello zolfo) e nei capitoli che trattano i trattamenti biologici per l’acqua potabile e gli effluenti municipali e industriali. Per esempio, questi permettono di capire perché i batteri eterotrofi in un trattamento di denitrificazione richiedono un nutriente organico, mentre nessuno è necessario per i batteri autotrofi coinvolti nella nitrificazione; nel primo caso, i nitrati forniscono l’ossigeno utilizzato nella respirazione, mentre nel secondo caso, l’ossidazione di NH4 (con ossigeno fornito dall’esterno) fornisce l’energia necessaria per la chemiosintesi dei metaboliti essenziali.