É no ambiente externo onde vivem que os organismos procuram as substâncias essenciais, também chamadas metabolitos essenciais, que necessitam para manter as suas actividades, o seu crescimento e mesmo a sua reprodução.

A água não é apenas essencial para todos os seres vivos, nos quais é o seu maior componente, constitui também um ambiente particularmente favorável à disseminação dos alimentos e ao funcionamento das cadeias alimentares. A secção seguinte refere-se principalmente à vida aquática.

Conceitos de metabolismo

Metabolismo compreende todas as transformações bioquímicas e energéticas (acompanhadas por fenómenos de absorção e excreção) que permitem a existência de seres vivos. Todas as reacções em questão são catalisadas por enzimas (proteínas complexas especiais) e dividem-se em duas categorias:

• metabolismo de síntese ou anabolismo, que é endoenergético (envolvendo consumo de energia), permitindo ao organismo construir a sua substância (particularmente as suas proteínas estruturais, de reserva, ou de catálise enzimática);

• metabolismo energético ou catabolismo, que produz a energia necessária para o anabolismo através de reacções exoenergéticas que decompõem os alimentos ou substâncias de reserva (particularmente os hidratos de carbono) que são ricas em energia química potencial, com o ATP a desempenhar um papel no transporte da energia; o processo mais importante é um conjunto de reacções de oxidação que consistem na desidrogenação de compostos orgânicos e que se subdividem em função da natureza do aceitador de hidrogénio que entra em acção: respiração que é aeróbica (apresenta a presença de oxigênio livre, e que aceita H para fornecer água) ou anóxica (sem O2 livre, mas com a presença de ligações minerais de oxigênio como NO3 ou SO4, que sofrem uma redução química pela perda do seu O); ou fermentação anaeróbica (a decomposição de compostos orgânicos em um meio sem O2 ou uma ligação mineral de oxigênio).

a nutrição dos seres vivos

Dependente do modo como os seres vivos se alimentam, uma distinção pode ser feita entre dois grupos fundamentais: autotrofos e heterótrofos (ver figura 7).

autotrofia

Os organismos autotróficos são capazes de sintetizar os seus metabolitos essenciais assimilando carbono inorgânico (CO2, HCO3-) e mesmo metano para que possam acumular os seus hidratos de carbono enquanto lhes adicionam certos sais minerais: azoto amoniacal ou azoto nítrico (para sintetizar aminoácidos, proteínas, etc.), fosfatos (componentes do ADN e ATP ), oligoelementos, etc. São a fonte da matéria orgânica natural que se encontra na água, daí o seu nome de produtores primários; existem duas fontes possíveis da energia necessária para esta assimilação:

• energia solar, utilizada nos pigmentos clorofílicos de fototropos (algas, plantas aquáticas, algumas formas raras de bactérias fotossintéticas); as reacções complexas desta clorofilianassimilação, que se chama fotossíntese, são simbolizadas pela formação de uma molécula de glucose:

Este processo biológico é o mais importante do mundo natural em termos quantitativos; Além disso, praticamente todos os outros seres vivos e fontes de energia tradicionais extraem dele, e também forma a principal fonte de oxigênio na água e em nossa atmosfera.

O equilíbrio acima pode ser invertido: da direita para a esquerda, é uma reação respiratória aeróbica, como vimos acima.

• energia química, de uma reacção redox baseada em minerais no caso de bactérias quimiotrópicas: muitas delas são importantes em termos de tratamento de água, particularmente:
  • nitrificantes: os pertencentes ao género Nitrosomonas, que oxidam o amónio em nitritos, os pertencentes ao género Nitrobacter, que transformam os nitritos em nitratos;
  • certain ferro e/ou bactérias manganês, que oxidam iões ferrosos e manganosos em óxidos/hidróxidos mangânicos e férricos;

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  • bactérias oxidantes do enxofre (também conhecidas como bactérias sulfurosas) que oxidam formas reduzidas de enxofre (particularmente H2S) em enxofre coloidal (grupo Beggiatoa-Thiothrix) ou em ácido sulfúrico (grupo Thiobacillus).

Estas bactérias são geralmente aeróbias, à excepção de algumas excepções que vivem em ambientes anaeróbios (certas bactérias acetogénicas e metanogénicas envolvidas na metanização, por exemplo).

heterotrofia

Os seres heterotróficos só se podem alimentar de material orgânico que já tenha sido construído (por autotrofos ou outros heterotróficos, daí o conceito de cadeia alimentar).

Durante o catabolismo, este substrato é quebrado em moléculas mais simples que são depois oxidadas para fornecer a energia necessária para o anabolismo: os dois fenómenos estão portanto intimamente ligados e implicam reacções de oxidação-redução acopladas; o substrato orgânico é usado tanto como fonte de energia no catabolismo como como um fornecimento de componentes celulares no anabolismo.

Os organismos heterotróficos incluem todos os seres não clorofílicos: bactérias (excepto bactérias quimiotrópicas), fungos e animais. O final deste sub-capítulo será dedicado principalmente às bactérias.

As enzimas necessárias para o metabolismo podem estar dentro da célula, ou excretadas no ambiente externo, a fim de cortar moléculas que são muito longas para que elas possam ser disseminadas através da parede celular.

Dependente do tipo de respiração ou fermentação efectuada (ver acima), o aceitador de hidrogénio necessário para as reacções de oxidação do catabolismo é o oxigénio livre num meio aeróbico (por exemplo: as bactérias em lodo ativado), ou, num meio anóxico, o oxigênio ligado em compostos minerais como sulfatos (reduzido em termos de H2S e sulfeto por bactérias redutoras de sulfato) ou nitratos (reduzido em termos de nitrogênio diatômico por bactérias desnitrificadoras), ou um composto orgânico num ambiente anaeróbico (por exemplo: bactérias de metanização).

Os produtos de reacção final são normalmente CO2 e H2O quando se trabalha na fase aeróbica, e CO2 e CH4 quando se trabalha na fase anaeróbica. Entre bactérias aeróbias e anaeróbias existem bactérias semi-anaeróbias: o seu catabolismo depende das condições físicas e químicas do meio.

aplicações práticas

Vemos a aplicação destes vários conceitos no Capítulo que água devemos tratar ? e porquê ? (ciclos de azoto e enxofre) e nos capítulos que tratam dos tratamentos biológicos da água potável e dos efluentes municipais e industriais. Por exemplo, estes permitem compreender porque é que as bactérias heterotróficas num tratamento de desnitrificação requerem um nutriente orgânico, embora não seja necessário nenhum para as bactérias autotróficas envolvidas na nitrificação; no primeiro caso, os nitratos fornecem o oxigénio utilizado na respiração, enquanto no segundo caso, a oxidação NH4 (pelo oxigénio fornecido do exterior) fornece a energia necessária para a quimossíntese dos metabolitos essenciais.