To właśnie w środowisku zewnętrznym, w którym żyją organizmy, poszukują niezbędnych substancji, zwanych również podstawowymi metabolitami, których potrzebują do utrzymania swojej aktywności, wzrostu, a nawet rozmnażania.

Woda jest nie tylko niezbędna dla wszystkich istot żywych, w których jest największym składnikiem, ale stanowi również środowisko szczególnie sprzyjające rozprzestrzenianiu się pokarmu i funkcjonowaniu łańcuchów pokarmowych. Poniższy rozdział dotyczy głównie życia wodnego.

pojęcia z zakresu metabolizmu

Metabolizm obejmuje wszystkie przemiany biochemiczne i energetyczne (którym towarzyszą zjawiska wchłaniania i wydalania), które umożliwiają istnienie istot żywych. Wszystkie omawiane reakcje są katalizowane przez enzymy (specjalne białka złożone) i dzielą się na dwie kategorie:

• metabolizm syntezy lub anabolizm, który ma charakter endoenergetyczny (polegający na zużyciu energii), umożliwiający organizmowi budowanie swojej substancji (zwłaszcza białek strukturalnych, zapasowych lub katalizujących enzymy);

• metabolizm energetyczny lub katabolizm, który wytwarza energię potrzebną do anabolizmu w wyniku reakcji egzoenergetycznych, polegających na rozkładzie substancji pokarmowych lub zapasowych (zwłaszcza węglowodanów), bogatych w potencjalną energię chemiczną, przy czym rolę w transporcie energii odgrywa ATP; najważniejszym procesem jest zespół reakcji utleniania, polegających na odwodornieniu związków organicznych, które dzieli się w zależności od charakteru wprowadzonego akceptora wodoru: oddychanie tlenowe (cechuje się obecnością wolnego tlenu, i które przyjmuje H w celu dostarczenia wody) lub anoksyczne (bez wolnego O2, ale z obecnością tlenowych wiązań mineralnych, takich jak NO3 lub SO4, które ulegają redukcji chemicznej, tracąc swoje O); lub fermentację beztlenową (rozkład związków organicznych w środowisku pozbawionym ani O2, ani tlenowych wiązań mineralnych).

żywienie istot żywych

Zależnie od sposobu odżywiania się istot żywych można wyróżnić dwie podstawowe grupy: autotrofy i heterotrofy (patrz rysunek 7).

autotrofia

Autotroficzne organizmy są zdolne do syntezy swoich niezbędnych metabolitów poprzez asymilację węgla nieorganicznego (CO2, HCO3-), a nawet metanu, dzięki czemu mogą budować swoje węglowodany, jednocześnie dodając do nich pewne sole mineralne: azot amonowy lub azot azotowy (do syntezy aminokwasów, białek itp.), fosforany (składniki DNA i ATP ), pierwiastki śladowe itp. Są one źródłem naturalnej materii organicznej występującej w wodzie, stąd ich nazwa producenci pierwotni; istnieją dwa możliwe źródła energii niezbędnej do tej asymilacji:

• energia słoneczna, wykorzystywana w barwnikach chlorofilowych fototropów (glonów, roślin wodnych, niektórych rzadkich form bakterii fotosyntezowych); złożone reakcje tej asymilacji chlorofilowej, zwanej fotosyntezą, symbolizuje powstanie cząsteczki glukozy:

Ten proces biologiczny jest najważniejszym w świecie przyrody pod względem ilościowym; Ponadto czerpią z niego praktycznie wszystkie inne istoty żywe i tradycyjne źródła energii, a także stanowi on główne źródło tlenu w wodzie i w naszej atmosferze.

Powyższą równowagę można odwrócić: od prawej do lewej strony jest to reakcja oddychania tlenowego, jak widzieliśmy powyżej.

• energia chemiczna, z reakcji redoks opartej na minerałach w przypadku bakterii chemotropowych: wiele z nich jest ważnych z punktu widzenia uzdatniania wody, szczególnie:
  • nitryfikatory: te należące do rodzaju Nitrosomonas, które utleniają amon do azotynów, te należące do rodzaju Nitrobacter, które przekształcają azotyny w azotany;
  • niektóre bakterie żelazowe i/lub manganowe, które utleniają jony żelaza i manganu do tlenków/wodorotlenków manganu i żelaza;
  • bakterie utleniające siarkę (znane również jako bakterie siarkowe), które utleniają zredukowane formy siarki (w szczególności H2S) do siarki koloidalnej (grupa Beggiatoa-Thiothrix) lub do kwasu siarkowego (grupa Thiobacillus).

Bakterie te są na ogół tlenowe, poza kilkoma wyjątkami, które żyją w środowiskach beztlenowych (niektóre bakterie acetogenne i metanogenne zaangażowane w metanizację, na przykład).

heterotrofia

Heterotroficzne istoty mogą odżywiać się tylko materiałem organicznym, który został już zbudowany (przez autotrofy lub inne heterotrofy, stąd koncepcja łańcucha pokarmowego).

Podczas katabolizmu substrat ten jest rozbijany na prostsze cząsteczki, które są następnie utleniane w celu dostarczenia energii potrzebnej do anabolizmu: te dwa zjawiska są zatem ściśle powiązane i pociągają za sobą sprzężone reakcje utleniania-redukcji; substrat organiczny jest wykorzystywany zarówno jako źródło energii w katabolizmie, jak i jako źródło składników komórki w anabolizmie.

Do organizmów heterotroficznych należą wszystkie istoty niechlorofilne: bakterie (z wyjątkiem bakterii chemotroficznych), grzyby i zwierzęta. Koniec tego podrozdziału będzie poświęcony głównie bakteriom.

Enzymy potrzebne do metabolizmu mogą być albo wewnątrz komórki, albo wydalane do środowiska zewnętrznego w celu pocięcia zbyt długich cząsteczek, aby mogły być rozprzestrzenione przez ścianę komórkową.

Zależnie od rodzaju przeprowadzanego oddychania lub fermentacji (patrz wyżej), akceptorem wodoru wymaganym dla reakcji utleniania katabolizmu jest albo wolny tlen w środowisku tlenowym (na przykład: bakterie w osadzie czynnym), albo, w środowisku anoksycznym, tlen związany w związkach mineralnych, takich jak siarczany (zredukowane pod względem H2S i siarczków przez bakterie redukujące siarczany) lub azotany (zredukowane pod względem azotu dwuatomowego przez bakterie denitryfikacyjne), albo związek organiczny w środowisku beztlenowym (na przykład: bakterie metanizacyjne).

Ostatecznymi produktami reakcji są zwykle CO2 i H2O, gdy pracujemy w fazie tlenowej, oraz CO2 i CH4, gdy pracujemy w fazie beztlenowej. Pomiędzy bakteriami tlenowymi i beztlenowymi, ściśle mówiąc, znajdują się bakterie pół-anaerobowe: ich katabolizm zależy od warunków fizyko-chemicznych ośrodka.

konsekwencje praktyczne

Zastosowanie tych różnych pojęć zobaczymy w rozdziale jaką wodę powinniśmy uzdatniać ? i dlaczego ? (cykle azotowe i siarkowe) oraz w rozdziałach dotyczących biologicznego oczyszczania wody pitnej oraz ścieków komunalnych i przemysłowych. Na przykład, pozwalają one zrozumieć, dlaczego bakterie heterotroficzne w procesie denitryfikacji wymagają organicznego składnika odżywczego, podczas gdy żaden nie jest wymagany przez bakterie autotroficzne zaangażowane w nitryfikację; w pierwszym przypadku, azotany dostarczają tlenu wykorzystywanego w oddychaniu, podczas gdy w drugim przypadku, utlenianie NH4 (przez tlen dostarczany z zewnątrz) dostarcza energii wymaganej do chemosyntezy niezbędnych metabolitów.