Биогеохимический цикл серы

Сера химически активный элемент, который проявляет валентность: –2, +4 и +6. В земной коре она существует, главным образом, в сульфидной (соли сероводородной кислоты) и сульфатной (соли серной кислоты) формах. Редко встречается самородная сера, которая неустойчива, Глубинными по происхождению являются сульфиды, которые практически нерастворимы, а потому недоступны растениями. В кислородной среде они, как правило, окисляются и образуют растворимые сульфаты, которые активно мигрируют в почвах и усваиваются растениями.

Имеет несколько изотопов. Наиболее распространены ³²S (>95%) и ³⁴S (4,18%). Отношение содержаний S³²/S³⁴ является индикатором происхождения серы. При биогеохимических процессах увеличивается содержание ³²S в гумусовых горизонтах почв.

Геологический круговорот серы. Его отличает многообразие форм перехода сульфидов в сульфаты и обратно в зависимости от окислительно-восстановительных условий. Из глубин Земли поступают газы H₂S и SO₂ , термальные воды, содержащие сульфидные соединения. В современной атмосфере сероводород окисляется, а оксиды, реагируя с Н₂О, образуют серную кислоту H₂SO₄ и вымываются из атмосферы, а в последующем осаждаются в виде гипса. При повышенных температурах сера может восстанавливаться

CaSО₄ + CH₄ → CaS + CO₂ + 2H₂О → CaCO₃+ H₂S + H₂O.

Биогеохимический круговорот. Сера биологически значимый элемент – ее содержание в организмах составляет 0,8–2,4%. Она участвует в строении молекул аминокислот (миотин, цистин) и других соединений. Основным резервуаром серы является литосфера, так как из атмосферы и гидросферы она быстро мигрирует. Круговорот серы включает восстановительные и окислительные звенья, а также превращения без изменения валентности:

· восстановительная фаза (переход от сульфатов к сульфидам) реализуется преимущественно биотой с доминирующей ролью прокариот;

· окислительная фаза (переход от сульфидов к сульфатам) протекает как чисто химически, так и с участием микроорганизмов.

Процессы окисления или восстановления не всегда завершаются до конца. В природе нередки не полностью окисленные продукты: элементная сера, сульфиты и др.

Восстановительные процессы. Эти процессы могут приводить как к ассимиляции серы организмами, так и к ее минерализации.

Ассимиляция. Растениям доступны растворимые сульфаты. При ассимиляции они восстанавливаются, образуя сульфгидрильные (-SH) и дисульфидные (–S–S–) органические соединения.

Минерализация.Серосодержащие белки разлагаются микроорганизмами с образованием двуокиси углерода, мочевины, органических кислот, аминов и, что важно для цикла серы, H₂S. Этот процесс в биосфере связывают с сульфатредуцирующими бактериями, способными к анаэробному дыханию в присутствии сульфатов. Их деятельность заметна в иле на дне прудов и ручьев, в болотах по запаху сероводорода.

Сероводород образуется и при восстановлении элементарной серы. Для обитающих в гидротермах бактерий сера наиболее значимый элемент.

Окислительные процессы являются частью как геологического цикла неорганических соединений серы, так круговорота неорганических и органических формы в биосфере. Под влиянием серобактерий идет окисление сероводорода до свободной серы

2H₂S + О₂ = 2H₂О + 2S.

При избытке кислорода процесс продолжается до образования серной кислоты:

2S+ 3O₂ + 2H₂О = 2H₂SО₄.

Далее возможно вторичное использование серы растениями или ее вынос в осадочные породы

CaCO₃ + H₂SО₄ = CaSО₄ + CO₂ + H₂О.

При низких концентрациях кислорода более эффективны биохимические процессы. Так, анаэробы используют при синтезе сероводород, а гетеротрофы способны окислять неорганические соединения серы.

Биогеохимический цикл (рис. 19) начинается с ассимиляции сульфатов. Важнейшим звеном цикла является биогенное образование сероводорода. Он или усваивается бактериями, или выделяется в атмосферу, там окисляется до сульфатов и возвращается в биосферу. После гибели организма вновь образуются сульфаты, доступные растениями. В естественном круговороте окислительные и восстановительные процессы сбалансированы.

Рис. 18. Биогеохимический цикл серы

В современной биосфере по данным Дж. П. Френд (1976 г.) поступление серы в биосферу определяют:

· дегазация Земли – 12·10¹² г/год;

· выветривание осадочных пород – 42·10¹² г/год;

· выбросы сернистого газа промышленностью – 65·10¹² г/год.

Сток серы из биосферы оценивается в 100·10¹² г/год. Подсчет баланса показывает, что постепенно сера накапливается

12 + 42 + 65 – 100 = 19·[10¹² г/год].

Нарушение баланса является одной из причин такого бедствия как кислотные дожди.