Metabolik faaliyetler

Metabolizma faaliyetlerini anabolizma ve katabolizma diye ikiye ayırmak mümkündür. Katabolizma; besin maddeleri gibi büyük kompleks moleküllerin, enzimler yardımıyla parçalanarak, hücre zarından geçebilecek kadar küçük moleküllere dönüştürülüp sitoplazmaya alınması ve sitoplazmada yapıtaşlarına ayrıştırılması olaylarının tümüdür. Anabolizma ise; yapıtaşlarından, canlı hücrelerdeki kompleks molekül ve yapıların biyo-sentezidir.

Sentezlenmeleri, protein sentezi kurallarına uygun olarak gerçekleşen enzimlerin bir kısmı, metabolizma için daima gerekli olan, bu nedenle hücrede sürekli olarak bulunan enzimlerdir. Bunlara yapısal enzimler adı verilir. Diğer bir kısım enzimler ise hücrede sürekli olarak bulunmayıp, gerektiğinde sentezlenirler. Bunlara da indüklenebilen enzimler adı verilir. Bu tip enzimlerin oluşmasını indükleyen maddeler, çoğunlukla kendi sübstratlarıdır.

Örneğin; glikozlu bir ortamda bulunan E.coli, glikozu kısa zamanda fermente eder. Çünkü, glikozu parçalayan enzimler, E.coli `nin yapısal enzimleridir. Ancak, laktoz için durum farklı olup; laktozlu bir ortamda bulunan E.coli için laktoz önce indükleyici bir rol oynayarak gerekli enzimlerin (β-galaktosidaz ve galaktosid permeaz) sentezlenmesini sağlar, daha sonra laktoz fermentasyonu gerçekleşir. Bunun için de belirli bir sürenin geçmesi gereklidir.

Bakterilerin çoğu, enerjilerini, serbest enerji sağlayan kimyasal reaksiyonlardan elde ederler. Kimyasal reaksiyon sonucu, enerji açığa çıkar veya absorbe olur. Reaksiyon sırasında serbest kalan veya absorbe olan enerji miktarına, reaksiyonun serbest enerji değişimi adı verilir ve “kalori” ile ifade edilir. Buradaki “kalori”, ısı enerjisinin değil, kimyasal enerjinin birimidir.

Enerji açığa çıkaran reaksiyonlara ekzergonik reaksiyonlar adı verilir. Böyle reaksiyonlarda serbest enerji değişimi, negatif değerdedir. Enerji alan reaksiyonlara ise endergonik reaksiyonlar adı verilir. Böyle reaksiyonlarda serbest enerji değişimi, pozitif değerdedir.

Bakterilerin yaşamında; ekzergonik reaksiyonlar sonucu açığa çıkan enerji, endergonik reaksiyonlarda kullanılır. Bu iki tip reaksiyon birlikte gerçekleştiğinden, burada bazı ortak reaktanlar iş görmektedir. Hücrede çok fazla kullanılan bu ortak reaktanların, oldukça fazla miktarda serbest enerji nakletme yetenekleri bulunmakta ve bu nedenle bunlara yüksek enerji transfer bileşikleri adı verilmektedir. Başta ATP olmak üzere, tüm yüksek enerji transfer bileşikleri, kimyasal reaksiyonlar sonucu meydana gelen enerjiyi özel kimyasal bağlar (örneğin; yüksek enerjili fosfat bağları) halinde depo ederler. Böylece oluşan enerji, hem ısı halinde açığa çıkmamış olur, hem de gerektiğinde diğer metabolik reaksiyonlarda kullanılabilir.

Mikroorganizmalarda temel yapısal işlevler için çalışan iki türlü enzim vardır: bunlar, ekzoenzimler ve endoenzimlerdir.

Ekzoenzimler; üreme ortamında bulunan kompleks bileşikleri hidrolize ederek, daha basit ve çözünebilen maddelere dönüştürürler.

Endoenzimlerde ise durum farklıdır. Hücre içine giren moleküller, bazı durumlarda, oksidasyona elverişli olmamaktadır. Bunların; hazırlayıcı tipte bazı farklı reaksiyon basamaklarından geçmeleri, böylece oksidasyona uygun ürünler haline getirilmeleri gerekir. Endoenzimler; bu tip hücre içi metabolik olayları yürüten ve çoğunlukla sitoplazma zarı civarında veya sitoplazma içinde etkinlik gösteren yapılardır.

Enzimatik etkinliğe bağlı olan bakteri metabolizması, aşağıdaki temellere dayanmaktadır;

• Hücrede enerji depolanması ve aktarımı • Asimilasyon

Aerobik solunum: Aerobik koşullarda oluşan ve moleküler oksijenin alınmasını gerektiren bu solunum, aerobik bakterilerin enerji oluşturma işlemidir. Burada son elektron alıcısı, doğrudan doğruya atmosferdeki serbest oksijendir. Bazı mikroorganizmalar gelişebilmek için mutlaka serbest oksijene ihtiyaç duyarlar ve yokluğunda üreyemezler ya da çok az üreme gerçekleştirebilirler. Bunlarda anaerobik solunum için gerekli enzimler bulunmaz veya dehidrogenasyon sırasında ortaya çıkan yan ürünler, kendileri için toksik etki gösterirler. Bu tip mikroorganizmalara aerobik mikroorganizmalar adı verilir. Bunlarda aktif çamur sisteminde bulanan mikroorganizmaları temsil ederler. Aerobik bakterilere örnek olarak; Bacillus subtilis, Vibrio cholerae, Corynebacterium diphtheriae verilebilir. Anaerobik solunum ise anaerobik bakteriler tarafından gerçekleştirilir ve bu reaksiyonda son elektron alıcısı olarak oksijen dışındaki azot, kükürt, karbon gibi maddeler görev alırlar. Böylece son ürün olarak; NH3 (Amonyak), H2S (Hidrojen

sülfür), CH4 (Metan) gibi bileşikler meydana gelir.

Aktif çamur sistemini de bulunan aerobik solunum yapan bakteriler sistemde başlıca iki reaksiyonu gerçekleştirirler; oksidasyon ve sentez ile içsel solunum. Oksidasyon ve sentez reaksiyonu Şekil 3.4’de, içsel solunum reaksiyonu, Şekil 3.5’de verilmektedir.

Şekil 3.5: İçsel Solunum

Bu reaksiyonlarda, COHNS atıksudaki organik maddeyi temsil etmektedir. İçsel solunum tepkimesi basit son ürünler ve enerji oluşumuna neden olmakta, aynı zamanda kararlı organik son ürünler de oluşmaktadır.

Reaktörde havalı ortam difüzörlerle veya mekanik havalandırıcılarla oluşturulmakta, aynı zamanda tam karışım sağlanmaktadır. Arıtma tesislerinde, çöktürme tankında çöktürülerek arıtılmış sudan ayrılan aktif çamur kültürünün bir kısmı istenilen organizma derişiminin sağlanması için reaktöre geri devrettirilir, fazla aktif çamur ise sistemden uzaklaştırılır. Laboratuar ortamında gerçekleştirilen çalışmalarda ise önce reaktör tam karışım halinde iken istenilen organizma derişimini sağlayacak kadar mikroorganizma reaktörde tutulup gerisi atılır, sonrasında havalandırma ve karıştırma kesilerek aynı reaktörde çökmeye bırakılan hücre karışımının (çamur) sudan ayrılması beklenir.

Aktif çamur sisteminin içerisinde mikroorganizmaların yaşamını sürdürmesi ve üremesi için; enerji kaynağına, yeni hücresel maddenin sentezi için karbona ve azot, fosfor, kükürt, potasyum, kalsiyum ve magnezyum gibi inorganik besi maddelerine gereksinimi bulunmaktadır.

Hücre sentezi için ayrıca organik besi maddelerine de ihtiyaç duyulabilir. Mikroorganizmaların en yaygın karbon kaynakları organik karbon ve karbon dioksittir. Hücre dokusunun oluşumunda organik karbon kullanan organizmalar heterotrof, karbon dioksit kullananlar ototrof olarak adlandırılmaktadır. Hücre sentezi için gerekli enerji, ışık veya kimyasal oksidasyon tepkimelerinden karşılanmaktadır.