Zastosowanie biologii w inżynierii środowiska

Biologia w inżynierii środowiska ma duże zastosowania. Dzięki niej można określić jakie niebezpieczeństwa mogą zagrażać środowisku ze strony człowieka. Można określić jakie związki organiczne podlegają rozkładowi, a które ulegają akumulacji. Wreszcie można ocenić toksyczny wpływ na środowisko. Może także pełnić ważną funkcję przy współpracy z inżynierami nad ulepszeniem metod prowadzących do unieszkodliwiania ścieków i osadów, do czego często stosuje się mikroorganizmy, które z powodzeniem dokonują rozkładu zanieczyszczeń. Dzięki wiedzy biologicznej podjęto prace mające na celu eliminację mikroorganizmów, które działają niszcząco na urządzenia techniczne, wykorzystywane w oczyszczalniach ścieków, oraz niekorzystnie zmieniają właściwości fizyko- chemiczne wody. Jest to również sposób zapobiegania infekcji chorobotwórczych. Mikroorganizmy mają również zastosowanie wyznaczaniu zasięgu stref o charakterze ochronnym w pobliżu obiektów komunalnych. Dzięki zastosowaniu wiedzy biologicznej opracowano również skuteczne metody eliminacji mikrobiologicznych zanieczyszczeń powietrza.

Elementarne pojęcia w ekologii.

Ekologia jest nauką , która zajmuje się badaniem zależności między organizmami ,a środowiskiem abiotycznym, które stanowi ich środowisko życia.

Populacja- populacją nazywamy grupę osobników tego samego gatunku, które zamieszkują ten sam obszar, w tym samym czasie.

Biocenoza to naturalne ugrupowanie organizmów, na które składają się populacje wszystkich gatunków zamieszkujących na tym samym terenie połączone wzajemnymi zależnościami.

Gatunkiem nazywamy grupę osobników o tym samym pochodzeniu, wykazujących podobną budowę morfologiczną, które wydają na świat płodne potomstwo mogące się krzyżować między sobą.

Ekosystem jest to biocenoza z elementami środowiska nieożywionego.

Biosfera, na nią składają się wszystkie występujące na kuli ziemskiej biocenozy, których podstawowe jednostki czyli organizmy, uzależnione są od środowiska nieożywionego czyli atmosfery, hydrosfery i litosfery.

Nisza ekologiczna jest specyficznym miejscem w strukturze biocenozy, które zasiedla dany gatunek, nie dzieląc go z osobnikami innych gatunków. Pod tym pojęciem kryje się też szereg interakcji, w które wchodzi dany gatunek zarówno z środowiskiem biotycznym jak i abiotycznym.

Siedlisko to miejsce będące naturalnym środowiskiem życia organizmów.

Biomasa, inaczej określana żywą masą, jest to suma mas wszystkich organizmów zamieszkujących dane siedlisko.

Klasyfikacja organizmów słodkowodnych z punktu widzenia ekologii.

Podstawą podziału jest sposób lub forma życia organizmów i tak wyróżniamy:

• organizmy bentoniczne (bentos) czyli osiadłe na dnie rośliny i zwierzęta lub przytwierdzone do niego. Miejscem zasiedlenia są osady denne.
• Peryfiton, do tej grupy należą organizmy prowadzące osiadły tryb życia. Przyczepiają się do łodyg, liści, przedmiotów, które wyrastają nad dnem.
• Plankton, stanowią organizmy pływające w toni wodnej, do których zaliczamy zooplankton i fitoplankton.
• Nekton, stanowią organizmy aktywnie pływające, posiadające zdolność do przemieszczania jak np. ryby.

Podział ze względu na pełnioną w łańcuch troficznym funkcję:

• producenci to organizmy zdolne do tworzenia materii organicznej w ekosystemach. Posiadają zdolność do wiązania energii słonecznej
• autotrofy są to organizmy, które potrafią syntetyzować własne związki. Wśród autotrofów wyróżniamy rośliny zakorzenione w podłożu nazywane makrofitami. Do autotrofów należą między innymi: grupa ekologiczna glonów: zielenice, okrzemki oraz sinice, które ze względu na budowę zalicza się do bakterii.
• konsumenci są organizmami odżywiającymi się na sposób cudzożywny gotowymi substancjami organicznymi pod postacią martwych szczątków lub żywych organizmów roślinnych i zwierzęcych. Do tej grupy zaliczamy zwierzęta wszystkich typów, od jednokomórkowych pierwotniaków po zwierzęta wyższe.
• destruenci, należą do nich cudzożywne bakterie i grzyby wodne, które żywią się szczątkami roślin i zwierząt tzw. detrytusem.

Czynnikiem umożliwiającym prawidłowe funkcjonowanie zbiornika wodnego jest obecność tlenu. Związki nieorganiczne znajdujące się w zbiorniku pełnią też istotną rolę jako sole pobierane przez rośliny, a następnie wykorzystywane w procesie fotosyntezy. W ekosystemie zbiornika wodnego występują też związki organiczne uwięzione w martwych ciałach roślin i zwierząt oraz w ściekach organicznych. Poza związkami organicznymi w ściekach i wodach spływających często znajdują się pestycydy. Opuszczające oczyszczalnię ścieki powinny zawierać CO₂,azotany i siarczany. Takie wody można wpuścić do zbiornika wodnego wówczas, gdy zawierają związki występujące w stężeniu nie wywołujących zakwitów wodnych.

Zbiorniki wodne są układem zamkniętym krążenie energii i materii. Do wyprodukowania pierwotnych związków niezbędny jest CO_2, dzięki któremu tworzona jest biomasa. Następnie jest ona pożerana przez konsumentów I- go rzędu, przy czym część energii jest oddawana. Po śmierci konsumentów z martwych ich szczątków tworzy się detrytus, który następnie rozkładany jest przez destruentów.

Do prawidłowego obiegu materii i energii w zbiorniku wodnym potrzebny jest tlen, dzięki któremu ekosystem ten staje się otwarty. Warunkiem prawidłowego funkcjonowania ekosystemu jest też utrzymanie równowagi pomiędzy czynnikami biotycznymi a biotycznymi.

Wirusy

Wirusy odróżniają się nieco od pozostałych organizmów. Cząsteczka wirusa zawiera kwasy nukleinowe DNA i RNA, przy czym nigdy oba kwasy nie występują jednocześnie. W przeciwieństwie do innych organizmów wirusy nie posiadają zdolności to tworzenia własnych enzymów, tak, że nawet jeżeli posiadają informacje genetyczną to nie są w stanie samodzielnie ją przekazać. Nie wykazują również żadnych procesów metabolicznych tak oddychanie, rozmnażanie, odżywianie. Prowadzą pasożytniczy tryb życia wewnątrz organizmów bakteryjnych, roślinnych i zwierzęcych. Na bakteriach pasożytują wirusy, które nazywamy bakteriofagami. Wirusy pasożytujące na roślinach są przyczyną chorób np. u liści tytoniu, a w przypadku organizmów zwierzęcych wirusy zachowują się bezwzględnie czynnikami chorobotwórczymi. Wirusy zaopatrzone są w specjalne osłonki ochraniające je przed szkodliwym działaniem środowiska. Ponad to umożliwiają łatwe wnikanie wirusa do komórki gospodarza oraz ułatwiają również wprowadzenie DNA lub RNA wirusowego do komórki żywiciela.

Cechy budowy komórki prokariotycznej.

Komórkę prokariotyczną od środowiska zewnętrznego osłania ściana komórkowa, na której powierzchni występuje dodatkowo otoczka śluzowa. Pod ścianą występuje błona komórkowa. Składnikiem ściany komórkowej są wielocukry, białka i tłuszczowce. Ściana komórkowa charakteryzuje się wielowarstwową budową z licznymi porami, które umożliwiają zachodzenie transportu gazów i związków wielocząsteczkowych. Należy dodać, że ściana nie uczestniczy w fizjologii komórki.

Z kolei otoczkę śluzową budują trudno rozkładalne cukrowce, chroniące komórkę przed nadmierną utratą wody oraz przed działaniem szkodliwych czynników zewnętrznych. Niektóre komórki zaopatrzone są w rzęski o różnorodnych kształtach, które tkwią w błonie cytoplazmatycznej. Ze względu na rozkład urzęsienia wyróżniamy:

-typ monotrychalny, gdy występuje jedna rzęska

-typ biegunowo-lofotrychakny, gdy występują dwie rzęski na przeciwległych biegunach komórki

-typ peritrychalny gdy rzęski występują dookoła komórki

W przypadku bakterii kulistych nigdy nie obserwujemy urzęsienia.

Do wewnętrznych struktur zaliczamy złożoną z białek i tłuszczowców błonę cytoplazmatyczną, za pomocą której pobierany jest pokarm oraz umożliwiany jest transport substancji odżywczych i gazów. Wyróżniamy bierne pobieranie pokarmu, oparte na różnicy gradientu stężeń transportowanych substancji, wybiórczy gdzie transportowane są tylko substancje dobrze rozpuszczalne w tłuszczach, oraz przez tzw. permeazy będące przenośnikami enzymatycznymi. W błonie komórkowej stwierdzono również obecność enzymów i przenośników wodorowych, które są czynne podczas oddychania i magazynowania energii w ATP. W błonie komórkowej biorą swój początek zawierające barwniki fotostyntetyczne ciałka chromatoforowe występujące w u roślin i w niektórych komórkach bakteryjnych. Wnętrze komórki wypełnia cytoplazma, koloidalna zawiesina zawierająca związki organiczne (białka, tłuszcze, węglowodany), sole (K, Na, Fe, P, Mn) oraz koenzymy i witaminy. Odpowiednikiem jądra komórkowego jest tu występujący w liczbie jednego lub dwóch nukleoid, który budowany jest przez długą , podwójną spiralę DNA, zamkniętą w kolisty twór.

W cytoplazmie zanurzone są organelle komórkowe:

-rybosomy, będące cetrami syntezy białek, zbudowane z protein i RNA

-mezosomy, odpowiedniki mitochondriów są centami energetycznymi komórki

-ciałka chromatoforowe występujące wyłącznie u bakterii przeprowadzających fotosyntezę

Komórki prokariotyczne w okresach niekorzystnych zamieniają się w endospory (przetrwalniki). Ciężkie warunki mogą przetrwać komórki dzięki sporom, które są zagęszczeniami cytoplazmy i jako jedyna cześć komórki przeżywają ciężki okres np. wysokie temperatury sięgające do 100⁰C. W przypadku bakterii chorobotwórczych nie obserwuje się spor.

Cechy komórki eukariotycznej.

Komórkę eukariotyczną oddziela od środowiska zewnętrznego ściana komórkowa, która u roślin zbudowana jest z celulozy. W komórkach grzybów buduje ją chityna. U zwierząt ściana komórkowa nie występuje.

Po wewnętrznej stronie od ściany znajduje się błona komórkowa, którą budują białka i tłuszcze. Jest odpowiedzialna za transportowanie substancji odżywczych do wnętrza, a wydalin za zewnątrz komórki.

Elementem spełniającym nadrzędną funkcję w komórce jest jądro, kulistego lub owalnego kształtu, zawierające informację genetyczną, niezbędną do syntezy protein i kwasów nukleinowych, które niezbędne są do rozmnażania i wzrostu organizmu.

Jądro otacza dwuwarstwowa błona jądrowa z licznymi porami zapewniającymi łączność zawartości jądra z cytoplazmą. W substancji wypełniającej jądro zawieszone są twory taśmowate zwane chromosomami, zbudowane z DNA i protein. Wewnątrz jądra stwierdzono również struktury zwane jąderkami, których liczba jest cechą gatunkową.

Komórkę eukariotyczną wypełnia cytoplazma, będąca substancją koloidalną, w której znajdują się ziarnistości, wakuole i inne struktury.

Charakterystyczne dla komórki eukariotycznej jest występowanie:

• retikulum endoplazmatycznego, które budowane jest przez szereg błon, stanowiących miejsce wielu reakcji metabolicznych. W tzw. szorstkim ER znajdują się rybosomy, miejsce syntezy białek.
• Aparatu Golgiego pełniącego funkcję wydalnicze
• lizosomów, ciałek zawierających enzymy przeprowadzające hydrolizę związków wielkocząsteczkowych, odpowiedzialnych za rozpad komórki
• wakuoli- pęcherzykowatych przestrzeni, magazynujących substancje zapasowe w postaci białek czy kropelek tłuszczów.
• chloroplastów, obecnych wyłącznie w komórkach roślinnych
• mitochondriów, będących centrami energetycznymi w komórce

Cechy	prokariota	eukariota
Aparat jądrowy	brak, odpowiednik nukloid	obecne jądro z jąderkami
Centra energetyczne	mezosomy	mitochondria
Centra syntezy białek	rybosomy 70 Sv	rybosomy 80 Sv
Wakuole	brak	obecne
ER	brak	obecne
Plastydy	ciałka chromatoforowe	Chloroplasty

Tab.1. Różnice i podobieństwa komórek pro- i eukariotycznych.

Skład chemiczny komórki bakteryjnej.

W skład komórki bakteryjnej wchodzi głównie woda stanowiąca 73-85,9 % świeżej masy. Pozostała część to sucha masa, składająca się z węgla (50,5-64,01%), azotu (6,8-12,28%), potasu (1,43- 13, 86%). Z związków wielkocząsteczkowych zbudowanych z powyższych pierwiastków występują głównie białka (42-63%), przy czym białka rybosomalne stanowią 4-9%, kwasy nukleinowe DNA ok.2% i RNA ok.15%,polisacharydy ok. 10%, a lipidy i ciała tłuszczowe stanowią około 10% (3-23% suchej masy).

Głównym składnikiem komórkowym jest woda, będąca środowiskiem dla wielu reakcji chemicznych. Uczestniczy reakcjach takich jak:

-hydroliza, w której cząsteczki duże rozpadają się na mniejsze np. białka do aminokwasów

-uwodorowanie- reakcja utleniania i redukcji

-uwodnienie- reakcja przyłączenia cząsteczki wody

Białka pełnią również różne funkcje, w tym funkcję enzymatyczną, strukturalną oraz lokomotoryczną.

Kwasy nukleinowe budowane przez łańcuchy nukleotydów, a te przez zasadę azotową, pentozę i resztę fosforanową, przy czym dwie pierwsze pełnią funkcję strukturalną.

Wśród kwasów nukleinowych wyróżnia się dwa typy: niosący informację genetyczną kwas dezoksyrybonukleinowy oraz uczestniczący w biosyntezie białek kwas rybonukleinowy.

W budowie spirali DNA stałym elementem jest szkielet tworzony przez cząsteczki pentoz (dezoksyryboz), połączonych mostkami fosforanowymi. Zmienna natomiast jest kolejność zasad azotowych.

Wpływ czynników środowiskowych na życie organizmów bakteryjnych.

-temperatura

Temperatura jest czynnikiem znacznie wpływającym na życie organizmów, który zależy z jakim gatunkiem mamy do czynienia. Spadek temperatury przeważnie powoduje jedynie zwolnienie aktywność życiowej, a gdy jest bardzo niska, zatrzymuje procesy życiowe w organizmie. Jest to spowodowane krystalizacją wody metabolicznej, co prowadzi do uszkodzenia struktur komórkowych. Ze względu na wymagania temperaturowe dokonano podziału bakterii na:

-b. psychrofilne, preferujące niskie temperatury, z optimum wzrostu przy poniżej 20◦C, a niektóre grupy poniżej 10◦C. Maksymalną temperaturą jest dla nich 25-30◦C.Niektóre wśród psychrofili wzrastają w temperaturze niższej niż 0◦C. Stanowią one ważny wskaźnik zanieczyszczenia wody. Gdy występują w dużych ilościach, wnioskuje się duży stopień zanieczyszczenia np. wody pitnej.

-b. mezofilne, wykazują tolerancję na zmiany temperatur. Ich optimum wzrostu mieści się w zakresie 20-40◦C, a temp. maksymalna to 40-45◦C. Poniżej 10◦C następuje zahamowanie wzrostu. Dużą ilość mezofili obserwujemy w strefie wód przypowierzchniowych, często towarzyszą im bakterie chorobotwórcze, dla których optimum wzrostu wynosi 37◦C. Ten typ pełni ważną rolę przy ocenie jakości środowiska.

-b. termofilne, organizmy posiadające optimum wzrostu przy 45-65◦C. Przeżywają temp. ok. 80◦C, a w niektórych przypadkach nawet 96◦C. Termofile mają duże zastosowanie przy ocenie wpływu temp. Na wody powierzchniowe.

-pH

PH to stężenie kationów wodorowych, znakomita większość gatunków preferuje odczyn obojętny lub słabo zasadowy. Pojedyncze bakterie przeprowadzające fermentację mlekową i bakterie z grupy siarkowych, preferują pH zbliżone do 1.

-potencjał osydo- redukcyjny, jest zdolnością do oddawania elektronów (czyli do utlenienia) i redukcji związku, który oddane elektrony przyjmie. Wartość potencjału jest zmienna i zależy od dostępu O₂ i aktywności biologicznej mikroorganizmów. W środowiskach z dostępem O₂ potencjał Eh jest dodatni, z niedostateczną ilością tlenu Eh jest ujemny. Środowiska anoksyczne mają bardzo niską, ujemną wartość Eh.

Ze względu na zapotrzebowanie organizmów na tlen dzielimy je na :

• tlenowce (aeroby), u których rozwój następuje wyłącznie w obecności O₂ przy Eh +0,2- +0,4V
• względne tlenowce (mikroaerofilne)
• beztlenowce (anaeroby) z Eh - 0,2 V

Pierwsze z nich występują wśród bakterii i pierwotniaków. Do względnych tlenowców należy wiele bakterii chorobotwórczych dla ludzi i zwierząt, grzyby i pierwotniaki.

• światło

Obecne w części niewidzianej widma słonecznego promienie UV są zabójcze dla bakterii, dlatego intensywne światło niszczy je. Widzialna część promieniowania (400- 700nm) nie ma silnego działania na organizmy bakteryjne. Przy silnym promieniowaniu UV o odpowiednim natężeniu i czasie naświetlania dochodzi do całkowitego zniszczenia mikroorganizmów na naświetlanej powierzchni. Najbardziej niszcząco działają fale o długości 2300-2750 Angstremów, gdyż absorbowane są przez białka i kwasy nukleinowe. Poprzez intensywne promieniowanie UV dochodzi do licznych mutacji wskutek uszkodzeń kwasów nukleinowych.

• promieniowanie jonizujące

Promieniowanie jonizujące jest bardzo aktywne biologicznie. Wykazuje działanie mutagenne i bakteriobójcze. Właściwości takie posiadają niektóre promieniowania elektromagnetyczne o małej długości fali np. promieniowanie X, gamma, czy kosmiczne. Promieniowanie jonizujące oddziałuje w sposób bezpośredni na kwasy nukleinowe, dokonując w nich podstawień zasad i wypadnięcia niektórych odcinków łańcucha.

BUDOWA ZWIĄZKÓW ORGANICZNYCH.

Sacharydy.

Monosacharydy są związkami organicznymi powstałymi na drodze fotosyntezy. W ich składzie najdziemy takie pierwiastki jak : C, H ,O. Przykładem cukru złożonego z 3 atomów C jest aldehyd glicerynowy lub dihydroksyaceton. Do pięciowęglowych należą np. ryboza, dezoksyryboza, będące składowymi kwasów nukleinowych. Cukrami sześciowęglowymi są natomiast: glukoza, galaktoza (aldozy) i fruktoza (keton) i charakteryzują się coraz bardziej skomplikowaną strukturą. Do disacharydów należy między innymi maltoza, którą budują dwie cząsteczki glukozy czy sacharoza zbudowana z jednej fruktozy i jednej glukozy. Polisacharydy są cukrami złożonymi z kilku cząsteczek cukrów prostych. Do polisacharydów należy między innymi glikogen, związek zapasowy u zwierząt, skrobia- materiał zapasowy u roślin czy celuloza, z której zbudowane są ściany komórkowe u roślin. Zdecydowanie łatwiej rozkładają się cukry proste, lecz niektóre wielocukry również podlegają bezproblemowo rozpuszczeniu.

Struktura tłuszczów.

W reakcji syntezy tłuszczy aktywnie biorą udział enzymy. Cząsteczka tłuszczu powstaje w wyniku połączenia glicerolu i kwasów tłuszczowych, które w sposób istotny wpływają na strukturę tłuszczu. Glicerol, będący trójwodorotlenowym alkoholem, jest istotnym substratem dla innych reakcji biochemicznych zachodzących w żywym organizmie. Do tłuszczowców zaliczane są między innymi będące tłuszczami komórkowymi lipidy; zawierające fosfor fosfolipidy aktywnie biorące udział w transporcie substancji do komórek; karotenoidy- będące barwnikami roślinnymi; hormony i inne związki tłuszczowe. Tłuszcze dzieli się na nasycone, występujące w postaci stałej i półpłynne 1tłuszcze nienasycone. Związki tłuszczowe są najlepszym źródłem energii, gdyż z jednej cząsteczki 16-sto węglowego kwasu palmitynowego uzyskuje się aż 131 cząsteczek ATP. W pierwszej fazie rozkładu czyli hydrolizie dochodzi rozbicia większych cząstek na mniejsze, czyli cząsteczka tłuszczu ulega rozpadowi na glicerol i kwasy tłuszczowe. Rozpad najczęściej zachodzi na drodze β- oksydacji i opiera się na oddzielaniu kolejnych cząsteczek dwuwęglowych, przez co łańcuch związku tłuszczowego skraca się. Oddzielone cząsteczki acetylo- CoA włączane są następnie do cyklu Krebsa.

Struktura białek.

Najprostsze białka charakteryzują się strukturą włókienkową, równie prostą budowę mają białka globularne. Do najbardziej złożonych należą za to polipeptydy. W skład białek wchodzą takie pierwiastki jak: C,H,O,N,P,S ,a w przypadku białek złożonych także będące barwnikami chromoproteidy. Białka zbudowane są z podstawowych jednostek- aminokwasów zawierających grupy funkcyjne: aminowa -NH₂ i karboksylową -COOH. Wśród aminokwasów występują elektrycznie obojętne czyli niepolarne, mogą również posiadać zróżnicowane potencjały elektryczne i wtedy nazywamy je polarnymi. Można również podzielić aminokwasy na zasadowe i kwaśne. Najprostszą budowę wykazuje aminokwas- glicyna. Inne aminokwasy mają rozbudowany łańcuch, przez co ich budowa staje się bardziej skomplikowana. Z ważniejszych aminokwasów należy wymienić uczestniczący w procesach gnicia tryptofan czy zawierające siarkę cysteinę i metioninę. Do białek należą również enzymy powszechnie uczestniczące w przemianach biochemicznych. Pod wpływem szkodliwych czynników środowiska wrażliwe na nie cząsteczki białek ulegają denaturacji. W pierwszym etapie rozkładu białek dochodzi do hydrolizy, gdzie cząstki większe rozpadają się na mniejsze. Z polipeptydu wskutek hydrolizy otrzymujemy peptydy, a przy dalszym rozkładzie aminokwasy. Następnie dochodzi do katalizowanej przez dehydrogenezę glutaminianową dezaminacji aminokwasów, która to związana jest z odłączeniem grupy aminowej, wskutek czego powstaje amoniak i ketokwas. W kolejnym etapie dochodzi do przeniesienia grupy aminowej z jednego związku na drugi w reakcji transaminacji. W ten sposób dochodzi do syntezy nowych aminokwasów np. przez przyłączenie grupy -NH₂ do ketokwasu powstaje kwas asparaginowy. W następnym procesie ma miejsce odłączenie CO₂ od cząsteczki aminokwasu w reakcji dekarboksylacji, w wyniku czego powstają obojętne dla środowiska aminy.

Przemiany kataboliczne.

Do przemian katabolicznych zaliczamy proces oddychania. Podczas tych przemian dochodzi do rozkładu tłuszczów, cukrów i białek do prostych związków nieorganicznych. Procesy samooczyszczania się wód i gleb właśnie opierają się o wyżej opisane procesy rozkładu. W nich to ze złożonych cząsteczek polipeptydów, cukrów i tłuszczy uwalniane są kolejno aminokwasy, monosacharydy , glicerol i kwasy tłuszczowe. W przypadku wszystkich substancji pierwszym procesem rozkładu jest hydroliza. W cząsteczkach cukrów dochodzi po hydrolizie do monosacharydów ma miejsce glikoliza gdzie z 6-scio węglowego monosacharydu trójwęglowy cukier- pirogronian. Wskutek odłączenia cząsteczki CO₂ z pirogronianu powstaje dwuwęglowy acetylo- CoA, który następnie wiąże się z czterowęglowym szczawiooctanem, w wyniku czego powstaje sześciowęglowy cytrynian, który jest początkowym związkiem w cyklu Krebsa. Z kolejnego związku jakim jest szczawiobursztynian przez wydzielenie jednego węgla powstaje bursztynian o pięciu atomach węgla ulegający dalej dekarboksylacji do fumaranu, który składa się już z czterech atomów węgla. Przez czterowęglowy jabłaczan przechodzący w szczawiooctan cykl Krebsa się zamyka. Każdy z opisanych etapów cyklu wymaga obecności specyficznego enzymu, którego brak spowoduje, iż produkty pośrednie zaczną się gromadzić. Niekiedy specjalnie przerywa się cykl Krebsa na pewnym etapie w celu pozyskania pewnych związków pośrednich mających zastosowanie np. w przemyśle. Poddaje się je utlenianiu, co w biologii nazywamy procesem oddychania. Oderwane protony wodorów po wychwyceniu przez atom tlenu utworzą cząsteczkę wody.

Glikoliza.

W procesie tym dochodzi to rozpadu sześciowęglowych monosacharydów: glukozy i fruktozy na biorący udział w syntezie tłuszczowców dihydroksyaceton oraz aldehyd glicerynowy, który w wyniku licznych przemian ostatecznie przekształca się w kwas pirogronowy. Ten poprzez acetylo-CoA włączany jest do cyklu Krebsa. Na tym etapie los pirogronianu zależy od tego czy stanie się substratem w procesie oddychania tlenowego czy fermentacji.

Reakcje zachodzące w cyklu Krebsa:

1.Dekarboksylacja pirogronianu do dwuwęglowego acetylo- CoA

2.Acetylo-CoA w wyniku połączenia się z kwasem szczawiooctowym powstaje sześciowęglowy kwas

cytrynowy

3.Na drodze dekarboksylacji kwas szczawiobursztynowy oddając CO₂ powstaje pięciowęglowy kwas ketoglutarowy.

4. Dekarboksylacja kwasu ketoglutarowego do czterowęglowego kwasu bursztynowego.

5.Szerego przemian kwasu bursztynowego przez fumarowy i jabłkowy do szczawiooctowego- cykl zamyka się

Podczas jednego cyklu tworzy się 15 cząsteczek ATP. Razem z glikolizą zysk energetyczny obu procesów wynosi 34 cząsteczki ATP. Cykl Krebsa zachodzi w centrach energetycznych komórki- mitochondriach.

Dzięki cyklowi tworzy się niezbędna do podtrzymania życia energia metaboliczna oraz związki pośrednie, które są jednocześnie wyjściowymi do syntezy aminokwasów, sacharydów i tłuszczy.

Na drodze reakcji biosyntezy powstaje wiele prostych związków takich jak: aminokwasy, proste cukry, kwasy tłuszczowe, zasady pirymidynowe i purynowe oraz polimery z nich zbudowane jak: polisacharydy, białka, lipidy i kwasy nukleinowe.

Funkcje fizjologiczne organizmów bakteryjnych.

Do najważniejszych należy proces wzrostu ich komórek, wskutek czego dochodzi do powiększenia masy i rozmiarów komórek, czego efektem jest powiększenie populacji. Osiągnięcie krytycznego rozmiaru komórek jest sygnałem do przeprowadzanego następnie podziału komórki na dwie identyczne części. W procesie tym kluczowa jest powstanie prostych związków, które przekształcane są następnie do bardziej złożonych. Powstają na drodze syntezy związki drobnocząsteczkowe takie jak aminokwasy, kwasy tłuszczowe, cukry oraz nukleotydy, a z nich następnie białka, polisacharydy i lipidy. Wszystkie te procesy składają się na ogół reakcji zwanych anabolizmem. Do syntezy wyżej wymienionych związków niezbędne są substraty w postaci prostych związków mineralnych : CO2 ,-NO3 ,NH4+, SO42-, P3O43- ,które pobierane są przez organizmy samożywne takie jak rośliny zielone, sinice i inne bakterie. Organizmy cudzożywne potrzebują natomiast gotowych związków organicznych, których same nie są w stanie zsyntetyzować. Pobrane związki organiczne ulegają następnie mineralizacji w procesach katabolicznych, dzięki czemu wracają do środowiska i mogą być znów pobierane przez autotrofy.

Na intensywność procesów zachodzących w środowisku decydująco wpływa ilość organizmów. W celu usunięcia np. szkodliwych węglowodorów ze środowiska , musi zajść ich ostateczna mineralizacja, gdyż w wyniku żadnego procesu mechanicznego czy fizykochemicznego nie uda się ich efektywnie wyeliminować. Tego typu problemy stara się rozwiązać biotechnologia.

Związki potrzebne do budowy komórki.

Źródłem węgla dla organizmów samożywnych jest CO_2, który redukowany jest u fotoautotrofów przy pomocy energii słonecznej ,a u chemoautotrofów dzięki energii pochodzącej z utlenienia związków nieorganicznych: H2S, NH4+,Fe2+, H2. Organizmy heterotroficzne korzystają z energii pochodzącej z gotowych związków organicznych, którymi się żywią. Organizmy prototroficzne wymagają jednego prostego związku np. glukozy, podczas gdy auksotrofy oprócz jednego prostego potrzebują związku złożonego jak witamin, czy zasad purynowych. Organizmy cudzożywne potrzebują pierwiastków wchodzących w aminokwasów głównie: azotu, którego źródłem jest NH3, NO3, NO2, N2 i związki organiczne zawierające grupę aminową; siarki, wchodzącej w skład aminokwasów: metioniny i cysteiny, źródłem siarki są SO4 i związki organiczne zawierające grupę tiolową; fosforu z głównym źródłem -PO4; wreszcie wodoru i tlenu pobieranych z wody i z powietrza.

Źródła energii i jej zużycie przez komórkę.

Energia czerpana jest przez komórkę wraz z związkami organicznymi i nieorganicznymi (energia chemiczna), oraz przez absorpcję światła (energia fizyczna).

Energia zużywana jest przez komórkę na procesy biosyntezy, w czasie pracy osmotycznej, transportu przez błony, przy pracy mechanicznej jaką jest ruch, a także fizycznej podczas świecenia niektórych organizmów.

Energia akumulowana jest w wysokoenergetycznych cząsteczkach związków ATP,ADP i AMP. W czasie procesów wymagających nakładów energii takich jak synteza elementów komórkowych czy pobieranie pokarmu, ATP przekształca się w ADP, a ten w AMP.

Organizmy samożywne zamieniają energię słoneczną w chemiczną zakumulowaną w związkach organicznych między innymi w wyżej wymienionych fosforanach. Podczas hydrolizy dwóch ostatnich reszta fosforanowych jednej cząsteczki ATP otrzymuje się12000 cal, a wskutek hydrolizy 1 cząsteczki AMP uzyskuje się tylko 1500 cal. Jest to zbyt mała ilość energii to prawidłowego funkcjonowania, która na wskutek energetycznego deficytu umiera.

Pobieranie pokarmu jest procesem możliwym jedynie wtedy gdy istnieje możliwość przeniknięcia substratu do komórki. Wskutek reakcji anabolicznych dzięki dostarczonym substratom możliwa jest synteza składników komórki, których efektem jest zwiększenie się biomasy. Do reakcji anabolicznych niezbędna jest energia dostarczana z procesów oddychania. Reasumując pobierany pokarm stanowi źródło substratów używanych w kolejnych procesach anabolicznych, warunkujących wzrost i rozmnażanie się organizmu. Ponadto to właśnie z pokarmu organizm czerpie energię niezbędną do życia. Sama zdolność do pobierania pokarmu jest zależna od predyspozycji organizmów bakteryjnych do przeprowadzania syntezy, od umiejętności wchłaniania i wprowadzania do komórki substancji, która dalej będzie podlegać reakcjom katabolicznym i anabolicznym łącznie składających się na metabolizm.

Odżywianie u mikroorganizmów może odbywać się na drodze dyfuzji przez błonę, wnikania i rozpuszczania się w błonie substancji z powinowactwem do tłuszczów, do których należą między innymi barwniki i węglowodory. Węglowodory to substancje raczej niepożądane, dopiero po rozpuszczeniu w tłuszczu podlegają unieszkodliwieniu. Jest to kluczowy etap biodegradacji, która wymaga występowania odpowiednich przenośników białkowych tzw. permeazów. Dzięki tym przenośnikom komórka może pobierać jony metali.

Podział pobierania pokarmu może być dokonany na podstawie źródeł energii, źródeł węgla, źródeł elektronów.

Z pośród bakterii jedynie zawierające barwniki sinice są zdolne do fotosyntezy. Przykładem organizmów przeprowadzających chemosyntezę wśród grupy bakterii są bakterie siarkowe, dla których toksyczny dla innych organizmów H2S stanowi źródło elektronów. Optymalnym miejscem do rozmnażania dla bakterii siarkowych są płytkie stawy, gdzie też możemy je spotkać w dużej ilości. Tam też eliminują powstały na drodze procesów gnilnych H2S.

Przyczyną sporej liczby zanieczyszczeń w środowiskach beztlenowych jest wysokie stężenie amoniaku.

Niekorzystnie na stan instalacji wodnych wpływa obecność w wodach bakterii utleniających żelazo, które przyczyniają się do ich korozji.

Enzymy.

Enzymy są to białka pełniące rolę biokatalizatorów niemal wszystkich reakcji biochemicznych zachodzących w organizmie żywym. Powodują przyspieszenie tempa tylko reakcji egzoergicznych, w których produkty reakcji stają się uboższe w energię w porównaniu z substratami. Funkcją enzymów jest zmniejszenie energii aktywacji cząstek wchodzących w reakcję. Energia aktywacji jest to minimalna porcja energii, jaką należy dostarczyć aby cząstki substratów stały się reaktywne. Wyróżnia się dwa progi energetyczne. Pierwszy wyższy dla reakcji, którym nie towarzyszą katalizatory, oraz drugi niższy w przypadku reakcji enzymatycznych. Próg pośredni charakterystyczny jest dla reakcji, w których katalizatorem jest związek inny niż enzym.

Schemat reakcji enzymatycznej:

V₁ V₂ V ₃

E + S → ES → E + P

V_1,V_2,V ₃ - prędkości poszczególnych etapów reakcji

E- enzym

S- substrat

P- produkt

Reakcje enzymatyczne mogą przebiegać w sposób łańcuchowy (najprostszy) lub cykliczny. W przypadku tego pierwszego na wskutek zahamowanie łańcucha, zahamowany zostanie cały proces. Wtedy pierwotne substancje biorące udział w reakcji są zamieniane w produkty pośrednie (metabolity), które mogą być szkodliwe bądź neutralne dla środowiska. W przypadku zatrzymania łańcucha reakcji, dla których końcowym produktem jest CO₂, dochodzi do gromadzenia się produktów pośrednich (często zawartych w wodzie pitnej), które co prawda nie mają działania toksycznego, ale wpływają niekorzystnie na organizm ludzki.

W przypadku reakcji cyklicznych , w razie uszkodzenia enzymu, zaczną gromadzić się metabolity, którymi są kwasy (z cyklu Krebsa).

Cząsteczka enzymu zbudowana jest z części białkowej- apoenzymu oraz z części niebiałkowej koenzymu. Łącznie tworzą strukturę zwaną holoenzymem. Po spełnieniu swoich funkcji bywa, że enzymy są reaktywowane do dalszych reakcji wymagających ich obecności.

Kompleks zbudowany z substratu i enzymu może podlegać rozpadowi na substrat i enzym, a gdy reakcja przebiega dalej do powstania produktu, wówczas enzym ulega reaktywacji.

Do wysycenia enzymu dochodzi tylko w specyficznych miejscach. Cząsteczka enzymu jest w stanie przyjąć tyle substratów ile liczy ogniw w centrum aktywnym. Reszta zanieczyszczeń, która nie wejdzie w reakcję pozostanie w dalszym ciągu w wodzie i nie będzie dalej przekształcana.

Ze względu na miejsce powstawania enzymów dzielimy je na endoenzymy, tworzące się podczas rozkładu wewnętrznego; egzoenzymy powstałe w trakcie rozkładu zewnętrznego oraz enzymy konstytutywne, których powstaniu towarzyszy obecność nowego na początku nieosiągalnego substratu. Substratem może być związek o skomplikowanej budowie, która uniemożliwia mu wniknięcie do komórki, Wówczas enzymy wydzielane są na zewnątrz i prowadzą do rozkładu substratów, to związków na tyle prostych, że możliwe będzie ich wchłonięcie. Cechą charakterystyczną enzymów konstytutywnych jest posiadanie pewnych stałych, dziedzicznych cech. Środowisko jest czynnikiem nadającym im innych cech i wtedy mamy do czynienia z enzymami adaptacyjnymi. Pewne cechy enzymu są dziedziczone, inne zaś zostają nabyte.

Klasyfikacja enzymów.

Wśród enzymów wyróżniamy :

-hydrolazy- dokonują hydrolitycznego rozkładu wiązań z przyłączeniem cząsteczki wody. Enzymy te produkowane są na zewnątrz komórki, gdyż na zewnątrz też dochodzi do rozkładu wiązań

-oksydoreduktazy, są enzymami warunkującymi oddychanie. Ich zadaniem jest odłączenie H₂ i przeniesienie na inne związki. Wśród nich wyróżnia się:

▪ dehydrogenazy odłączające atomy wodoru.

▪ oksydazy, katalizujące połączenie O₂ i H₂ czemu towarzyszy powstanie cząsteczki wody

-transferazy to enzymy przenoszące grupy funkcyjne z jednego związku na drugi, a wśród nich:

▪ transaminazy odłączające grupę aminową w wyniku czego powstają kwasy

▪ transmetylazy odłączające grupę metylową charakterystyczną dla detergentów ( stąd ich tak ważna funkcja)

▪ transketolazy odłączające grupę ketonową (-CO)

-liazy, są enzymami działającymi rozszczepiająco na wiązania: C-C, C-O, C-N, C-S (również w węglowodorach)

-izomerazy, ich zadaniem jest przekształcanie przestrzennych struktur związków

-ligazy są katalizatorami reakcji z powstaniem nowych wiązań w związku

Własności enzymów.

Enzymy wykazują :

-specyficzność substratową polegającą na tym, że dany enzym może wejść w kompleks tylko ze specyficznym dla siebie substratem

-oligodynamiczność cecha enzymów pozwalająca katalizować im tylko jedną reakcję , umożliwia też aktywność enzymatyczna już przy niskich stężeniach

Enzymy spełniają swą katalityczną funkcję przy bardzo małych stężeniach. Ilość enzymu wystarczająca do przekształcenia 1 mikromola substratu w czasie jednej minuty wyznacza jednostkę enzymu. W ten sam sposób można oszacować ilość powstałego produktu.

Działanie koenzymów.

koenzym + apoenzym = holoenzym

Enzymy działają na zasadzie połączenia substratu z białkiem enzymu za pomocą grupy funkcyjnej substratu.

Podział koenzymów.

-koenzymy , które przenoszą H lub elektrony (współpracują z oksydoreduktazami)

-koenzymy , które przenoszą grupy (współpracują z transferazami)

-koenzymy liaz, ligaz, izomeraz

-koenzymy oksydoreduktaz, należą do nich NAD (nukleotyd nikotynamidoadeninowy), FAD (nukleotyd flawinowy). Dehydrogenazy współdziałają z NAD, uczestnicząc w odrywaniu atomów wodoru i elektronów od substratu według reakcji:

1.CH3-CH2-OH + NAD → CH3-COH + NADH + H+

W tej reakcji doszło do oderwania dwóch protonów wodoru i dwóch elektronów. NAD jest akceptorem jednego protonu i 2 elektronów. Pozostały proton zostaje w roztworze. Do ponownego utlenienia NADH dochodzi w momencie przejścia atomu wodoru na FAD zgodnie z reakcją:

2.NADH + H+ +FAD → NAD+ + FADH2

Obydwa koenzymy są przenośnikami wodoru i elektronów w łańcuchu oddechowym, jeden z etapów oddychania.

Wstrzymywanie reakcji enzymatycznych.

Schemat reakcji enzymatycznej:

V₁ V₂ V ₃

E + S → ES → E + P

V_1,V_2,V ₃ - prędkości poszczególnych etapów reakcji

E- enzym

S- substrat

P- produkt

Układy biologiczne są kontrolowane między innymi przez użycie specyficznych związków prowadzących do inhibicji aktywności enzymów. Do inhibitorów należeć mogą czynniki toksyczne i wtedy mogą zatrzymać aktywność enzymatyczną w sposób odwracalny lub nieodwracalny. W przypadku inhibicji nieodwracalnej dochodzi to tal silnego połączenia inhibitora z enzymem, iż niemożliwe jest ich rozłączenie lub zachodzi bardzo powoli, dzieje się tak w przypadku gazów paraliżujących układ nerwowy, gdzie dochodzi do zatrucia enzymu odpowiedzialnego za przekazywanie impulsów nerwowych. W przypadku inhibicji odwracalnej mamy do czynienia z bardzo szybko przebiegającym opóźnieniem równowagi przez kompleks enzym+ inhibitor. Wyróżniamy dwa typy inhibicji:

-kompetycyjną w której inhibitor kompetycyjny upodabnia się do substratu na tyle, że zajmuje jego miejsce w centrum aktywnym enzymu, co zapobiega wiązaniu się w tym miejscu z substratem. W tym przypadku nie dochodzi do rozpadu do enzymu i produktu, co za tym idzie produkt nie powstaje.

E + I → EI , gdzie inhibitor jest analogiem substratu

Inhibitor wpływa spowalniająco na katalizę przez zmniejszenie ilości cząsteczek enzymu wiążących się z substratem. W inhibicji kompetycyjnej zachodzi możliwość cofnięcia w momencie gdy znacznie zwiększy się stężenie substratu, gdyż jest go na tyle W tym typie inhibicji dochodzi do współzawodnictwa substratu i inhibitora o to samo miejsce aktywne w enzymie.

-niekompetycyjne zwane też niewspółzawodniczącymi, w odróżnieniu od poprzedniej jest nieodwracalna nawet przy bardzo wysokim stężeniu substratu. Miejsce aktywne enzymu blokowane jest przez związki nie wykazujące podobieństwa z substratem.

E + I → EI

Połączenie inhibitor-substrat jest na tyle silne, że jedynie może je zerwać substancja, która zwiąże chemicznie inhibitor. Stopień inhibicji jest zmienny i zależy od stężenia inhibitora, a także od powinowactwa enzymu do inhibitora.

Okresowa hodowla bakterii.

W hodowli okresowej bakterii wyróżniamy kilka faz:

Fazę przygotowawczą (tzw. lag-faza) zwana też przystosowawczą lub adaptacyjną. W fazie tej nie obserwujemy wzrostu liczby komórek, w których zachodzą intensywne procesy metaboliczne. Zawartość RNA zwiększa się wtedy nawet 12-krotnie, czego efektem jest zwiększenie ilości białka komórkowego, powiększenie rozmiarów komórki oraz modyfikacja aparatu enzymatycznego. Długość trwania tej fazy jest zależna od składników znajdujących się w podłożu, wieku hodowli, cech zaszczepionych gatunków oraz temperatury inkubacji.

Kolejny etap to faza logarytmiczna, w której obserwujemy największy przyrost biomasy. Dochodzi w niej do bardzo intensywnych podziałów komórkowych, przez co liczba komórek rośnie w tempie geometrycznym, gdzie logarytm ilości bakterii jest wprost proporcjonalny do czasu. W fazie tej synteza elementów budujących komórkę odbywa się na stałym poziomie, aż do wyczerpania zapasów.

Gdy warunki są optymalne tempo podziałów pałeczek może wynosić co 15-30 min. W przypadku prątków gruźlicy podziały mogą zachodzić co 2-3 godziny, a u bakterii nitryfikacyjnych co 5-10 godzin.

Koniec fazy logarytmicznej jest spowodowany albo wyczerpaniem substratów do syntezy bądź nagromadzeniem się związków toksycznych.

Wzrost w fazie logarytmicznej opisuje się wzorem:

N= N₀ * 2ⁿ , N₀ to jest wyjściową liczbą komórek

Do podstawowych parametrów należą:

-stała liczba podziałów n podawana w liczbie podziałów/ godzinę

-czas generacji czyli okres czasu między dwoma podziałami, przy czym stała liczba podziałów jest wielkością odwrotnie proporcjonalną do czasu generacji.

Poniższy wzór określa swoistą szybkość przyrostu masy organizmów bakteryjnych w jednostce czasu i jednostkę masy już istniejącej.

M.= (ln _x 2-ln _x 1) / (t ₂-t ₁) , x-masa bakterii w czasie t _2, t ₁

Po fazie logarytmicznej następuje faza zwolnionego wzrostu, gdzie obserwujemy wyraźny spadek tempa syntezy białek i RNA, czego efektem są mniejsze rozmiary komórek.

Następnie ma miejsce faza równowagi, jak sama nazwa wskazuje jest to faza ze stałą liczbą komórek , w niej właśnie mamy do czynienia z największą biomasą.

Ostatnią fazą jest zamieranie, w której obserwuje się wzrost liczby martwych komórek, a tym samym spadek biomasy. Proces umierania komórek niekiedy przyjmuje gwałtowny przebieg i nazywany jest wtedy zamieraniem logarytmicznym. Czynnikami ograniczającymi wzrost mogą być wyczerpujące się źródło C,N i P. Źródło pierwiastków powinno charakteryzować się takim stężeniem, że po wyczerpaniu zasobów nastąpi zahamowanie wzrostu komórek jeszcze przed pojawieniem się substancji hamujących.

Praktykuje się też zakładanie hodowli ciągłej, w której zależy zadbać o stały dopływ substratów i również stały odpływ namnożonych bakterii oraz stały dopływ tlenu. Funkcja zależności ilości bakterii od czasu stanowi przedłużoną fazę logarytmiczną ( w czasie nieograniczonym).

Oddychanie jako przykład procesu katabolicznego.

Oddychanie opiera się na utlenieniu związków chemicznych, któremu towarzyszy wydzielenie porcji energii. Jest to główny sposób na pozyskanie energii niezbędnej do reakcji endoergicznych, głównie syntezy , ciągle zachodzących w żywym organizmie. Egzoergiczne reakcje rozkładu polegają na oderwaniu elektronów z atomu powodując jej utlenienie. Procesy odwrotne nazywane są redukcją.

Procesy oddychania możemy podzielić na tlenowe i beztlenowe.

Podczas biologicznego utleniania dochodzi do oderwania dwóch elektronów od substratu, czemu najczęściej towarzyszy oderwanie dwóch protonów, którymi najczęściej są protony wodoru stąd nazwa procesu -odwodorowanie. Poszczególne reakcje utlenienia biologicznego są częścią ogółu reakcji oksydo -redukcyjnych zachodzących w każdym organizmie. Utlenienie jednego związku wiąże się ściśle z utlenieniem kolejnego, gdyż oderwane od substratu elektrony i protony są przyłączane do innego związku, który wówczas ulega redukcji.

_enzym

AH2 + B → A + BH2 , AH2- dawca elektronów i protonów, B- biorca

Predyspozycja do oddawania i pobierania elektronów określana jest za pomocą potencjału oksydo- redukcyjnego Eh. Szereguje się związki według ich potencjału oksydo- redukcyjnego. Związek, który wykazuje preferencje do utleniania się, jest dawcą elektronów i reduktorem zarazem, a związek podlegający redukcji jest biorcą elektronów i nazywa się go utleniaczem.

Enzymami katalizującymi utlenianie substratu w oddychaniu są dehydrogenazy, które odłączają po 2 elektrony i 2 protony z cząsteczki substratu. Enzymy te wykazują się wysoką specyficznością. Oderwane elektrony za pomocą specjalnych przenośników elektronowych przenoszone są na tlen, a tym samym aktywując go. Pierwotnie odłączone od substratu protony po przejściu przez szereg procesów są uwalniane, a następnie wychwycone przez tlen , w wyniku czego powstaje cząsteczka wody. Transportowi elektronów i protonów w łańcuchu oddechowym za pośrednictwem NAD, FAD i cytochromów na tlen towarzyszy wydzielenie się sporej ilości użytecznej metabolicznie energii. Niewielka tylko część energii wyzwala się w postaci ciepła. Większa część energii akumulowana jest w postaci wysokoenergetycznego ATP. Jak wcześniej wspomniano w łańcuchu oddechowym uczestniczą takie enzymy jak: dehydrogenazy, koenzymy i układ cytochromów, białek zawierających zdolne do przyjęcia elektronów atomy żelaza. Ponadto układ cytochromów uporządkowany jest według wzrastających potencjałów oksydo- redukcyjnych. Koenzymy stanowią końcowy etap łańcucha, a są katalizatorami wspólnego przeniesienia protonów i elektronów. W tym momencie protony wodorowe wydzielane są do cytoplazmy, a elektrony przyłączane są do układu cytochromowego. Enzym zwany oksydazą cytochromową dokonuje aktywacji cząsteczki tlenu, który przyłączając elektrony i atomy wodoru tworzy wodę. Drugim rodzajem oddychania jest oddychania beztlenowe przeprowadzane przez różne organizmy, których środowiskiem życia są miejsca pozbawione tlenu. I w tym przypadku organizmy te, głównie bakterie, czerpią energie z oddychania, przy czym akceptorem elektronów i protonów wodorowych jest inny związek. U niektórych organizmów jak u drożdży rolę akceptora elektronów pełni związek organiczny, a cały proces oddechowy nazywany jest fermentacją, w którym nie ma szeregu reakcji pośrednich podczas przenoszenia elektronów akceptor, czego efektem jest też o wiele niższa wydajność energetyczna w porównaniu z oddychaniem tlenowym. Widać to w ilości otrzymanych ATP w oddychaniu tlenowym i beztlenowym i tak: z jednej cząsteczki glukozy w procesie oddychania tlenowego uzyskuje się 38 cząsteczek APT, podczas gdy w przypadku oddychania beztlenowego jedynie 2. Jak widać fermentacja jest siedemnaście razy mniej wydajna niż oddychanie tlenowe. W kolejnym rodzaju oddychania tlenowego akceptorem elektronów i atomów H są proste związki nieorganiczne np.: azotany, azotyny, siarczany, tiosiarczany, siarczyny czy węglany. W procesie oddychania beztlenowego powyżej wymienione związki ulegają redukcji. Niektóre bakterie za akceptor elektronów wykorzystują SO₄, który poprzez redukcję zamieniany jest w H₂S. W przypadku bakterii metanowych akceptorem jest CO₂ redukowany do metanu. Bakterie denitryfikacyjne uzyskują energię na drodze redukcji NO₃. Ich substratem oddechowym jest związek organiczny, który ulega utlenieniu przy udziale reduktazy azotanowej, która katalizuje oderwanie elektronu z substratu i przekazanie ich na azotany, które w ten sposób ulegają redukcji do azotynów -NO₂. Produktami końcowymi jest amoniak i cząsteczkowy azot.

Uczestnictwo mikroorganizmów w przemianach materii w zbiornikach wodnych.

• organizmy autotroficzne odpowiedzialne są produkcję pierwotną. Należą tu takie organizmy jak rośliny naczyniowe, glony
• za produkcję wtórną odpowiedzialne są pierwotniaki
• organizmy saprofityczne taki jak bakterie i grzyby poprzez rozkład obumarłych organizmów umożliwiają dalszy obieg pierwiastków uwięzionych w martwych ciałach roślin i zwierząt
• mikroorganizmy odpowiedzialne są także za zachodzące w zbiornikach wodnych procesy redukcji i utlenienia związków azotu, siarki, manganu i żelaza. Procesów tych dokonują autotrofy chemosyntetyzujące
• mają również wpływ na bilans tlenu

Obieg materii w wodnych ekosystemach zachodzi zgodnie z obiegiem poszczególnych pierwiastków. Przemiany zachodzą w kierunku degradacji łatwych do rozłożenia związków organicznych takich jak cukry, tłuszcze i białka do prostszych związków nieorganicznych, które następnie posłużą producentom do syntezy związków organicznych i ich wbudowanie w biomasę.

Biochemiczny rozkład substancji w warunkach tlenowych i beztlenowych.

Wielocukry:

Do rozkładu wielocukrów dochodzi zarówno w warunkach tlenowych jak i beztlenowych. Jednymi z najważniejszych polisacharydów jest celuloza i skrobia. Ta ostatnia występuje we wszystkich rodzajach wód śródlądowych. Jej rozkładu dokonują grzyby i bakterie na drodze hydrolizy.

_{amylaza maltaza}

Skrobia → Maltoza → Glukoza

W przypadku celulozy czyli błonnika, rozkładu dokonują przeważnie grzyby i bakterie śluzowe.

_{celulaza celobiaza}

Celuloza → Celobioza → Glukoza

Oba wielocukry mogą się przedostawać do wody razem ze ściekami, wtedy też rośnie w wodzie ilość organizmów zajmujących się rozkładem tych polisacharydów.

Wielocukry takie jak: pektyny, hemicelulozy i ligniny rozkładane są bardzo powoli przez zamieszkujące osady denne szczepy bakteryjne.

Tłuszcze:

Związki tłuszczowe znajdują się w zbiornikach wodnych zarówno w toni wodnej jak i w osadach dennych. Znacząca liczba bakterii (bakterie lipolityczne) zdolna jest do syntetyzowania enzymu- lipazy, która dokonuje rozkładu olejów i tłuszczowców. Do tej grupy bakterii zalicza się Pseudomonas, Bacillus, Sarcina.

Gromadzące się na powierzchni wody tłuszcze prowadzą do powstania błonki, w której dochodzi to namnażania się bakterii, które rozkładają tłuszcze. W osadach dennych gromadzi się coraz to więcej kwasów tłuszczowych, z których na drodze fermentacji metanowej powstaje metan i CO₂.

Obieg węgla.

Pierwiastek ten jest podstawowym elementem materii organicznej. Bardzo istotne znaczenie ma jego nieorganiczny związek CO_2., stanowiący 0,032% objętościowych wszystkich gazów atmosferycznych, co w przybliżeniu waży 1012 ton. Około 50-siąt razy więcej CO₂ jest rozpuszczona w morzach. Szacuje się, że na milion cząsteczek powietrza pozbawionego pary wodnej przypada 460 cząsteczek wagowych CO₂. Krążenie węgla w przyrodzie umożliwione jest przez działalność mikroorganizmów fotosyntetycznych ( rośliny, sinice), które na drodze redukcji CO₂ prowadzą do powstania związków organicznych. CO₂ jest jedynym pierwotnym substratem uczestniczącym w tworzeniu materii organicznej. Dzięki organizmom autotroficznym możliwa jest produkcja związków organicznych z CO₂, które to podlegają rozkładowi do związków mineralnych na drodze oddychania przeprowadzanego przez organizmy heterotroficzne. W przeciwieństwie do asymilacji prowadzonej przez rośliny i sinice, organizmy cudzożywne rozkładając wyprodukowane przez te wcześniejsze związki organiczne dokonują procesu dysymilacji.

We wszystkich zachodzących przemianach istotna jest rola tlenu i jego obecność. Przy braku tlenu, organizmy za źródło wykorzystują NO₂,NO₃,SO₄.