2.3. Глобальный цикл серы
Глобальными резервуарами серы на нашей планете являются земная кора (18,8·106 Гт) и покрывающие ее осадочные породы (5·106 Гт). Высокая растворимость и, как следствие, большой вклад водной миграции сульфатов в глобальную циркуляцию серы обуславливает ее накопление в океаносфере (1,3·106 Гт). В почвах запас серы оценивается примерно в 260 Гт. В живых организмах аккумулировано около 0,76 Гт серы. В атмосфере содержание этого элемента невелико и составляет около 0,0043 Гт.
В атмосферной части миграционного цикла принимают участие сульфаты морской воды, попадающие в атмосферу при разрушении пузырьков воздуха на гребнях волн, а также газообразные соединения серы. С морскими аэрозолями в атмосферу ежегодно поступает около 0,16 Гт сульфатной серы. Основная масса сульфатов возвращается в моря, и только около 0,024 Гт переносится воздушными течениями на континенты и осаждается на них. На морскую поверхность из атмосферы также осаждается сера, поступившая с выбросами вулканов и выделившаяся из почв. Таким образом, серу можно назвать «циклическим» элементом, поскольку ее миграция происходит в системе «суша – океаносфера – атмосфера – суша». Круговорот серы представлен на рис.9.
Рис.9. Потоки серы в биосфере
Образование газообразных соединений серы связано преимущественно с деятельностью микроорганизмов, обитающих в почве и воде. Биота континентов ежегодно поставляет в атмосферу около 33 Мт серы. Это такие летучие соединения, как карбонилсульфид СОS, сероуглерод СS2, метилмеркаптан СН3SН и диметилсульфид СН3SСН3. Образующийся при микробиологическом расщеплении белков сероводород практически полностью затрачивается на образование сульфидов металлов.
Существуют фототрофные бактерии, окисляющие сероводород и использующие его в качестве доноров атома водорода при фотосинтезе органического вещества:
|
Н2S + СО2 + О2 + Н2О + hν → [СН2О] + SО42- + 2Н+ |
(1.1) |
Сера входит в число элементов, из которых состоит белок. Поэтому биотическая составляющая играет важную роль в миграционном цикле серы.
Большую роль в разрушении сульфидных минералов с образованием растворимых сульфатов и серной кислоты играют микроорганизмы (микробиологическое выщелачивание). Этот процесс осуществляется высокоспециализированными тионовыми бактериями рода Thiobacillus.
Один из представителей этого рода – Thiobacillus ferrooxidans – окисляет железосодержащие сульфидные минералы (пирит FeS2, халькопирит CuFeS2, арсенопирит FeAsS). Бактерии родов Thiobacillus thiooxidans и Thiobacillus thioparus также принимают участие в процессах выщелачивания, используя в качестве источника энергии реакцию окисления серы.
Процесс микробиологического окисления сульфидов можно описать на примере пирита:
FeS2 + 3,5О2 + Н2О → FeSО4 + Н2SО4 (Th. ferrooxidans)
4FeSО4 + О2 + 2Н2SО4 → 2Fe2(SО4)3 + 2Н2О (Th. ferrooxidans)
S + 1,5О2 + Н2О → Н2SО4 (Th. thiooxidans)
Микробиологическое выщелачивание рассеянных элементов происходит не только путем окисления, но и при восстановлении окисленных руд. В нем принимают участие микроорганизмы, относящиеся к различным систематическим группам. В частности, восстановление Fe3+ до Fe2+ и Мn4+ до Мn2+ осуществляется бактериями родов Bacillus и Pseudomonas. Например, Bacillus polymyxa и Bacillus circulans легко восстанавливают марганец в составе пиролюзита МnО2.
С другой стороны, для большой группы анаэробных микроорганизмов сульфат заменяет кислород в качестве акцептора электронов при окислении органических соединений, образуемых микроорганизмами при гнилостном разложении остатков растительных и животных тканей. При этом происходит восстановление серы:
SО42-+ 9Н+ + 8е- → НS- + 4Н2О
Большие количества сероводорода образуются в верхних слоях морских донных отложений и в придонных водах морей, отличающихся высокой биологической продуктивностью и слабой циркуляцией. Однако сероводород не поступает в атмосферу благодаря деятельности «микробиологического фильтра», функции которого выполняют тионовые бактерии (уравнение (1.1)).
Таким образом, в почвах и водных экосистемах происходят многообразные превращения соединений серы, среди которых наиболее важное значение имеет анаэробное разложение органического вещества и сульфатредукция. В океанах происходит не только накопление серы в составе растворенных сульфатов, но и выведение ее из цикла при захоронении в донных осадках. Следовательно, глобальный биогеохимический цикл серы также оказывается не полностью замкнутым.