Det är i den yttre miljön där organismerna lever som de letar efter de essentiella ämnen, även kallade essentiella metaboliter, som de behöver för att upprätthålla sina aktiviteter, sin tillväxt och till och med sin fortplantning.

Vatten är inte bara viktigt för alla levande varelser, där det är den viktigaste beståndsdelen, utan det är också en miljö som är särskilt gynnsam för spridning av föda och för att livsmedelskedjorna ska fungera. Följande avsnitt handlar huvudsakligen om vattenlevande organismer.

Metabolismbegrepp

Metabolismen omfattar alla de biokemiska och energimässiga omvandlingar (åtföljda av absorptions- och utsöndringsfenomen) som gör det möjligt för levande varelser att existera. Alla reaktioner i fråga katalyseras av enzymer (särskilda komplexa proteiner) och kan delas in i två kategorier:

• syntesmetabolism eller anabolism, som är endoenergetisk (innebär energiförbrukning) och gör det möjligt för organismen att bygga upp sin substans (särskilt sina strukturella proteiner, reservproteiner eller proteiner för enzymkatalys);

• energimetabolism eller katabolism, som producerar den energi som krävs för anabolism genom exoenergetiska reaktioner som bryter ner mat- eller reservsubstanser (särskilt kolhydrater) som är rika på potentiell kemisk energi, där ATP spelar en roll för att transportera energin; den viktigaste processen är en uppsättning oxidationsreaktioner som består av dehydrering av organiska föreningar och som är uppdelade beroende på vilken typ av väteacceptor som tas i bruk: De viktigaste reaktionerna är följande: andning som är aerob (med förekomst av fritt syre och som accepterar H för att ge vatten) eller anoxisk (utan fritt O2 men med förekomst av syremineralbindningar, t.ex. NO3 eller SO4, som genomgår en kemisk reduktion genom att förlora sitt O) eller anaerob fermentation (nedbrytning av organiska föreningar i ett medium som varken innehåller O2 eller syremineralbindningar).

Livande varelsers näring

Avhängigt av hur de levande varelserna livnär sig kan man skilja mellan två grundläggande grupper: autotrofer och heterotrofer (se figur 7).

autotrofi

Autotrofa organismer kan syntetisera sina essentiella metaboliter genom att assimilera oorganiskt kol (CO2, HCO3-) och till och med metan så att de kan bygga upp sina kolhydrater samtidigt som de tillsätter vissa mineralsalter till dem: ammoniakkväve eller kvävekväve (för att syntetisera aminosyror, proteiner, etc.), fosfater (beståndsdelar i DNA och ATP ), spårämnen, etc. De är källan till det naturliga organiska material som finns i vatten, därav namnet primärproducenter. Det finns två möjliga energikällor för den energi som krävs för denna assimilering:

• solenergi, som används i klorofyllpigmenten hos fototropa organismer (alger, vattenväxter, vissa sällsynta former av fotosyntesbakterier); de komplexa reaktionerna i denna klorofyllassimilering, som kallas fotosyntes, symboliseras av bildandet av en glukosmolekyl:

Denna biologiska process är den kvantitativt viktigaste i naturen; Dessutom använder sig praktiskt taget alla andra levande varelser och traditionella energikällor av den, och den utgör också den viktigaste källan till syre i vatten och i vår atmosfär.

Den ovanstående jämvikten kan vändas: från höger till vänster är det en aerob respirationsreaktion, som vi såg ovan.

• Kemisk energi, från en redoxreaktion baserad på mineraler i fallet med kemotropa bakterier: många av dem är viktiga när det gäller vattenrening, särskilt:
  • nitrifikationer: De som tillhör släktet Nitrosomonas, som oxiderar ammonium till nitriter, de som tillhör släktet Nitrobacter, som omvandlar nitriter till nitrater.
  • Vissa järn- och/eller manganbakterier, som oxiderar järn- och manganjoner till mangan- och järnoxider/hydroxider;
  • svaveloxiderande bakterier (även kallade svavelbakterier) som oxiderar reducerade former av svavel (särskilt H2S) till kolloidalt svavel (gruppen Beggiatoa-Thiothrix) eller till svavelsyra (gruppen Thiobacillus).

Dessa bakterier är i allmänhet aeroba, bortsett från några få undantag som lever i anaeroba miljöer (vissa acetogena och metanogena bakterier som är inblandade i metanisering, till exempel).

heterotrofi

Heterotrofa varelser kan endast livnära sig på organiskt material som redan har byggts upp (av autotrofer eller andra heterotrofer, därav begreppet näringskedja).

Under katabolismen bryts detta substrat ner till enklare molekyler som sedan oxideras för att tillföra den energi som krävs för anabolismen: de två fenomenen är därför nära sammankopplade och medför kopplade oxidations-reduktionsreaktioner; det organiska substratet används både som energikälla vid katabolismen och som tillförsel av cellkomponenter vid anabolismen.

Heterotrofa organismer innefattar alla icke klorofylliska varelser: bakterier (med undantag av kemotropa bakterier), svampar och djur. Slutet av detta underkapitel kommer huvudsakligen att ägnas åt bakterier.

Enzymerna som krävs för ämnesomsättningen kan antingen finnas inne i cellen eller utsöndras i den yttre miljön för att skära upp för långa molekyler så att de kan spridas genom cellväggen.

Beroende på vilken typ av respiration eller fermentation som utförs (se ovan) är den väteacceptor som krävs för katabolismens oxidationsreaktioner antingen fritt syre i ett aerobt medium (t.ex: Bakterierna i aktiverat slam), eller, i ett anoxiskt medium, det bundna syret i mineralföreningar som sulfater (som reduceras till H2S och sulfider av sulfatreducerande bakterier) eller nitrater (som reduceras till tvåatomigt kväve av denitrifikationsbakterier), eller en organisk förening i en anaerob miljö (t.ex. metaniseringsbakterier).

De slutliga reaktionsprodukterna är normalt CO2 och H2O när man arbetar i aerob fas och CO2 och CH4 när man arbetar i anaerob fas. Mellan aeroba och anaeroba bakterier i strikt mening finns det semi-anaeroba bakterier: deras katabolism beror på mediets fysikaliska och kemiska förhållanden.

Praktiska konsekvenser

Vi kommer att se tillämpningen av dessa olika begrepp i kapitel Vilket vatten ska vi behandla ? och varför ? (kväve- och svavelcyklerna) och i kapitlen om biologisk behandling av dricksvatten och kommunala och industriella avloppsvatten. De gör det till exempel möjligt att förstå varför de heterotrofa bakterierna i en denitrifikationsbehandling behöver ett organiskt näringsämne, medan de autotrofa bakterierna som deltar i nitrifikationen inte behöver något sådant. I det första fallet ger nitratet det syre som används i andningen, medan i det andra fallet ger oxidationen av NH4 (genom syre som tillförs utifrån) den energi som krävs för kemosyntesen av viktiga metaboliter.