În mediul extern în care trăiesc, organismele caută substanțele esențiale, numite și metaboliți esențiali, de care au nevoie pentru a-și menține activitățile, creșterea și chiar reproducerea.

Apa nu este numai esențială pentru toate ființele vii, la care este cea mai importantă componentă, ci constituie și un mediu deosebit de favorabil pentru diseminarea alimentelor și pentru funcționarea lanțurilor trofice. Următoarea secțiune se referă în principal la viața acvatică.

Noțiuni de metabolism

Metabolismul cuprinde ansamblul transformărilor biochimice și energetice (însoțite de fenomene de absorbție și excreție) care permit existența ființelor vii. Toate reacțiile în cauză sunt catalizate de enzime (proteine complexe speciale) și se împart în două categorii:

• metabolismul de sinteză sau anabolismul, care este endoenergetic (implică un consum de energie), permițând organismului să își constituie substanța (în special proteinele de structură, de rezervă sau de cataliză enzimatică);

• metabolismul energetic sau catabolismul, care produce energia necesară anabolismului prin reacții exoenergetice care descompun substanțele alimentare sau de rezervă (în special glucidele) bogate în energie chimică potențială, ATP având rol de transport al energiei; cel mai important proces este un ansamblu de reacții de oxidare care constau în deshidrogenarea compușilor organici și care se subîmpart în funcție de natura acceptorului de hidrogen pus în joc: respirația aerobă (caracteristici ale prezenței oxigenului liber și care acceptă H pentru a furniza apă) sau anoxică (fără O2 liber, dar cu prezența legăturilor minerale de oxigen, cum ar fi NO3 sau SO4, care suferă o reducere chimică prin pierderea O); sau fermentația anaerobă (descompunerea compușilor organici într-un mediu fără O2 sau o legătură minerală de oxigen); sau fermentația anaerobă (descompunerea compușilor organici într-un mediu fără O2 sau o legătură minerală de oxigen).

Nutriția ființelor vii

În funcție de modul în care se hrănesc ființele vii, se pot distinge două grupe fundamentale: autotrofe și heterotrofe (vezi figura 7).

autotrofia

Organismele autotrofe sunt capabile să-și sintetizeze metaboliții esențiali prin asimilarea carbonului anorganic (CO2, HCO3-) și chiar a metanului, astfel încât să-și poată construi glucidele, adăugându-le în același timp anumite săruri minerale: azot amoniacal sau azotat (pentru sintetizarea aminoacizilor, proteinelor etc.), fosfați (componente ale ADN și ATP ), oligoelemente etc. Ei sunt sursa materiei organice naturale care se găsește în apă, de unde și denumirea lor de producători primari; există două surse posibile de energie necesară acestei asimilări:

• energia solară, utilizată în pigmenții clorofilieni ai fototropilor (alge, plante acvatice, unele forme rare de bacterii fotosintetizante); reacțiile complexe ale acestei asimilări clorofiliene, care se numește fotosinteză, sunt simbolizate prin formarea unei molecule de glucoză:

Acest proces biologic este cel mai important din punct de vedere cantitativ din lumea naturală; mai mult decât atât, practic toate celelalte ființe vii și sursele tradiționale de energie se alimentează din el și constituie, de asemenea, principala sursă de oxigen din apă și din atmosfera noastră.

Equilibrul de mai sus poate fi inversat: de la dreapta la stânga, este o reacție de respirație aerobă, așa cum am văzut mai sus.

• energie chimică, dintr-o reacție redox bazată pe minerale în cazul bacteriilor chimiotrope: multe dintre ele sunt importante în ceea ce privește tratarea apei, în special:
  • nitrificatorii: cele aparținând genului Nitrosomonas, care oxidează amoniul în nitriți, cele aparținând genului Nitrobacter, care transformă nitriții în nitrați;
  • anumite bacterii ale fierului și/sau manganului, care oxidează ionii feros și manganos în oxizi/hidroxizi manganici și ferici;
  • bacterii oxidante de sulf (cunoscute și sub numele de bacterii sulfuroase) care oxidează formele reduse de sulf (în special H2S) în sulf coloidal (grupul Beggiatoa-Thiothrix) sau în acid sulfuric (grupul Thiobacillus).

Aceste bacterii sunt în general aerobe, cu câteva excepții care trăiesc în medii anaerobe (anumite bacterii acetogene și metanogene implicate în metanizare, de exemplu).

heterotrofe

Serințele heterotrofe nu se pot hrăni decât din materia organică deja constituită (de către autotrofe sau alte heterotrofe, de unde și conceptul de lanț trofic).

În timpul catabolismului, acest substrat este descompus în molecule mai simple, care sunt apoi oxidate pentru a furniza energia necesară anabolismului: cele două fenomene sunt deci strâns legate și implică reacții de oxido-reducere cuplate; substratul organic este utilizat atât ca sursă de energie în catabolism, cât și ca sursă de componente celulare în anabolism.

Organismele heterotrofe includ toate ființele neclorofile: bacterii (cu excepția bacteriilor chimiotrofe), ciuperci și animale. Sfârșitul acestui subcapitol va fi dedicat în principal bacteriilor.

Enzimele necesare metabolismului pot fi fie în interiorul celulei, fie excretate în mediul exterior pentru a tăia moleculele prea lungi, astfel încât acestea să poată fi diseminate prin peretele celular.

În funcție de tipul de respirație sau fermentație efectuată (vezi mai sus), acceptorul de hidrogen necesar pentru reacțiile de oxidare din catabolism este fie oxigenul liber într-un mediu aerob (de ex: bacteriile din nămolul activat), fie, într-un mediu anoxic, oxigenul legat din compuși minerali, cum ar fi sulfații (redus în termeni de H2S și sulfuri de către bacteriile sulfato-reducătoare) sau nitrații (redus în termeni de azot diatomic de către bacteriile denitrificatoare), fie un compus organic într-un mediu anaerob (de exemplu: bacteriile de metanizare).

Produsele finale de reacție sunt, în mod normal, CO2 și H2O atunci când se lucrează în faza aerobă, și CO2 și CH4 atunci când se lucrează în faza anaerobă. Între bacteriile aerobe și cele anaerobe propriu-zise, există bacterii semi-anaerobe: catabolismul lor depinde de condițiile fizice și chimice ale mediului.

Consecințe practice

Vom vedea aplicarea acestor diverse concepte în capitolul ce apă trebuie să tratăm ? și de ce ? (ciclurile azotului și sulfului) și în capitolele care tratează tratamentele biologice pentru apa potabilă și pentru efluenții municipali și industriali. De exemplu, acestea permit să se înțeleagă de ce bacteriile heterotrofe dintr-un tratament de denitrificare au nevoie de un nutrient organic, deși nu este nevoie de niciunul pentru bacteriile autotrofe implicate în nitrificare; în primul caz, nitrații furnizează oxigenul utilizat în respirație, în timp ce în al doilea caz, oxidarea NH4 (prin oxigenul furnizat din exterior) furnizează energia necesară pentru chimiosinteza metaboliților esențiali.

.