Cykl siarki

Obiegu siarki jest cykl biogeochemiczny różnych form siarki . Siarka jest niezbędnym do życia pierwiastkiem, który podobnie jak węgiel , fosfor , tlen , azot czy nawet woda ma swój własny cykl życiowy. Rzeczywiście siarka jest obecna wszędzie na Ziemi, w atmosferze , oceanach, kontynentach, ale także we wszystkich istotach żywych w postaci cząsteczek organicznych: aminokwasów zawierających siarkę stanowiących białka ( metionina i cysteina ).

W atmosferze siarka występuje w postaci gazu: dwutlenek siarki (SO 2 ), siarkowodór (H 2 S); zredukowanej siarki, jak w siarczku dimetylu (DMS), której wzór jest CH 3 SCH 3 i siarczek karbonylu (COS); jak również w lotnych siarczanach (SO 4 2- ). SO 2 i H 2 S pochodzą z mineralizacji materii organicznej w zależności od pH podłoża lub metabolizmu niektórych bakterii (np. Desulfovibrio spp. ). W wulkany bierze udział w cyklu produkując duże ilości siarczanu (SO 4 ) oprócz siarczanów z komórek COS. Zawartość siarki w atmosferze może wpływać na klimat planety poprzez wulkany, ponieważ pewne związki siarki są podstawą kropli deszczu (tworzenie się chmur) i mogą również odbijać część promieniowania słonecznego. Ponadto, gdy tlenek siarki łączy się z wilgocią w powietrzu, następuje uwolnienie kwasu siarkowego i kwasu azotowego, które następnie opadają podczas opadów: jest to kwaśny deszcz.

W glebie siarka występuje w postaci mineralnej, w dużych ilościach, w łupkach bitumicznych , węglu i węglowodorach, a także w postaci siarczynów i siarczanów, niezbędnych do wzrostu roślin. Minerały, takie jak piryt (FeS 2 ) są również bogate w siarkę; powstały podczas faz sedymentacyjnych i mogły zostać ponownie wprowadzone do cyklu przez erozję i wulkanizm.

W oceanie najwięcej siarki występuje w postaci rozpuszczonych siarczanów SO 4 2- , które będą przyswajane przez organizmy i wejdą w skład molekuł organicznych lub osiądą na dnie morskim. COS powstaje częściowo w wyniku erozji kontynentalnej i przedostaje się do atmosfery przez powierzchnię oceanów.

Jednak XXI th  century, człowieku, o jego działalności, produkowane większość siarki płynie na planecie, w tym w wyniku spalania paliw kopalnych , takich jak olej i węgiel . W krótkim okresie cykl ten nie jest tak naprawdę zamknięty, jeśli weźmiemy pod uwagę zapadanie się skał osadowych zawierających siarkę w płaszczu magmowym podczas subdukcji . Skały te mogą być ponownie wykorzystane przez wulkanizm w dłuższej perspektywie

Główne etapy cyklu siarki to:

Relacje z innymi cyklami

W warstwach lądowych strefa redukcji siarczanów przez mikroorganizmy znajduje się pomiędzy strefą metanogenową a strefą redukcji żelaza, gdy w glebie występuje źródło węgla. Cykl siarki może oddziaływać z tymi dwoma cyklami. Cykl siarki wytwarza H 2 S podczas katabolicznej redukcji siarki w postaci SO 4 2- . H 2 S, wytwarzany na przykład w środowisku słodkowodnym, zatrzymuje żelazo w postaci FeS 2 . W tym typowym środowisku wychwytywanie żelaza zablokuje obieg fosforu , ponieważ żelazo nie będzie już w stanie wychwytywać fosforanów. Nieuwięziony fosforan często powoduje proliferację glonów i jest czynnikiem decydującym o zjawisku eutrofizacji .

Siarka w formie zredukowanej H 2 S jest donorem elektronów wykorzystywanym przez bakterie fototroficzne, które nie wytwarzają tlenu (np. bakterie zielone i bakterie siarkowe fioletowe ).

Bakterie metanogenne konkurują z bakteriami redukującymi siarczany: redukcja SO 4 2- jest energetycznie bardziej korzystna niż redukcja metanu . Zatem w środowisku naturalnym, jeśli jest więcej SO 4 2- niż metanu, będziemy raczej obserwować rozwój bakterii redukujących siarczyny niż metanogenów. Ponadto uwalnianie SO 4 2- w wyniku działalności człowieka ma wpływ na obieg metanu. Rzeczywiście, SO 4 2- zmniejsza produkcję metanu, zmniejszając w ten sposób metan atmosferyczny, który odgrywa ważną rolę w zwiększaniu efektu cieplarnianego. Dlatego SO 4 2- może być stosowany do zmniejszenia efektu cieplarnianego.

Beztlenowy: utlenianie fotolitotroficzne

Utleniania photolitotrophe jest średniej beztlenowych przez fototropowy ( purpurowe bakterie siarkowe oraz bakterii zielony siarki ). Wykorzystują CO 2 jako źródło węgla i H 2 S jako źródło wodoru do fotosyntezy.Bakterie te przeprowadzają tak zwaną fotosyntezę anoksygeniczną redukującą CO 2 przez H 2 S. W warunkach beztlenowych H 2 S oddaje elektrony do CO 2 , produkt będący siarką elementarną: 2H 2 S + CO 2 → CH 2 O + H 2 O + 2S.

Ta reakcja jest endergoniczna  : wykorzystuje światło jako źródło energii.

Aerobik: Anaboliczna redukcja siarczanów

Anaboliczny zmniejszenie o SO 4 siarczanów 2 stosuje się w biosyntezie z aminokwasami i białkami . Odbywa się w środowisku tlenowym , w osadach lub glebach wilgotnych i natlenionych. Nazywa się to redukcją asymilacyjną (lub asymilacyjną ) w przeciwieństwie do redukcji katabolicznej siarczanów, zwanej redukcją dysymilacyjną , zachodzącej w środowisku beztlenowym .

O tlenowej redukcji siarczanów mówi się, że jest anaboliczna, ponieważ zużywa energię (w postaci ATP lub NADPH+H + ) w celu umożliwienia wbudowywania się przez redukcję cząsteczki nieorganicznej (tu siarczan) do materii organicznej.

Siarczany są redukowane do siarczków, aby umożliwić syntezę aminokwasów siarkowych ( cysteiny i metioniny ), a nawet koenzymów . Rośliny, ale także tlenowe bakterie redukujące siarczany pozwalają na tę anaboliczną redukcję.

Redukcja tlenowa siarczanów jest bardzo złożona. Wymaga jego aktywacji poprzez wytworzenie 3'-fosfoadenozyno 5'-fosfosiarczanu, a następnie jego redukcji do siarczynu SO 32- . Następnie jest bezpośrednio redukowany do siarkowodoru H 2 S przez asymilacyjną reduktazę siarczynową.

Cysteinę można następnie zsyntetyzować z H 2 S(w roślinach i bakteriach) w dwóch etapach, przy czym seryna jest prekursorem cysteiny:

  1. Najpierw acetyloseryna powstaje z acetylo-CoA , którego grupa acetylowa jest przenoszona na serynę.
  2. Po drugie, H 2 S wypiera grupę acetylową z wytworzeniem cysteiny.

Po jej syntezie cysteina uczestniczy w rozwoju innych cząsteczek organicznych zawierających siarkę. W ten sposób siarka jest ponownie wprowadzana do materii organicznej.

Aerobik: utlenianie chemilitotroficzne

Siarka organiczna w glebie jest szybciej lub wolniej mineralizowana w postaci siarkowodoru (H 2 S) przez wiele mikroorganizmów w środowisku beztlenowym. Siarkowodór (H 2 S) pochodząca z tej reakcji utlenia się w środowisku tlenowym, otrzymując siarczany pod działaniem chemilithotrophic bakterii. Sulfooxidizing chemilithotrophic bakterie są wysoce wyspecjalizowane organizmów, które nie konkurują z heterotroficznych bakterii ponieważ nie zależą od źródła węgla organicznego. W grupie b proteobakterii znajduje się wiele bakterii utleniających siarkę , w tym jeden główny rodzaj: Thiobacillus . Thiobacillus to mała bakteria Gram-ujemna , która może wytrzymać ekstremalnie kwaśne pH. Szczególnie pamiętamy Thiobacillus denitrificans , który jest fakultatywną bakterią beztlenową, która może żyć w obecności lub nieobecności O 2 .

Anaerobowe: kataboliczna redukcja SO 4 2-

Dlatego bez tlenu Thiobacillus denitrificans utlenia związki siarki za pomocą azotanów (NO 3 2- ) i uwalnia azot w stanie gazowym (N 2 ). Oddychanie beztlenowe charakteryzuje się końcowym akceptorem w postaci związku mineralnego innego niż tlen (azotan, siarczan, żelazo, CO 2 , siarka). Utlenianie siarki umożliwia wytwarzanie energii do syntezy i utrzymania komórek.
Identyfikujemy dwa rodzaje reakcji:

5 S2O32− + 8 NO32− + H2O → 10 SO42− + 2 H+ + 4 N2 5 S4O62− + 14 NO32− + 8 H2O → 20 SO42− + 16 H+ + 7 N2

Reagentami utleniania są: H 2 S ( siarkowodór ), S ( siarka ), S 2 O 3 2- ( tiosiarczan ), S 4 O 6 2- ( tetrationian ). Produktami utleniania są: SO 4 2- ( siarczan ) i N 2 ( dwuazot ).

Kataboliczna redukcja siarki

Siarki jest niezbędne do życia . W początkach Ziemi siarka była zawarta w skałach magmowych , głównie w pirycie (FeS 2). Odgazowanie z w skorupie ziemskiej przenosi dużą ilość siarki, w morzu , w postaci jonów siarczanowych (SO 42- ) oraz do atmosfery w postaci dwutlenku siarki (SO 2), tetratlenek siarki (SO 4), siarczek dimetylu (CH 3 SCH 3) i COS . Działalność człowieka przyczynia się do wzrostu zawartości siarki w zbiornikach. Zobacz artykuł Odwadnianie kopalni kwasu .
Cykl siarkowy ma 2 fazy, jedną tlenową, a drugą beztlenową. W fazie beztlenowej zachodzi redukcja kataboliczna, w wyniku której z siarczanów powstaje siarczek.
Wejście siarki do syntez biologicznych odbywa się tylko w najbardziej zredukowanym stanie; w zależności od tego ograniczenia organizmy mogą używać siarczanu tylko po redukcji z szybkością 8 elektronów na mol. Te redukcje są praktykowane w dwóch celach:

Podczas redukcji katabolicznej, która odpowiada dysymilacji, akceptorem elektronów jest siarczan SO 4 2- a donorem elektronów jest diwodór H 2 . Otrzymane produkty zredukowane to siarczek H 2 S i woda H 2 O. Wynik:

SO42− + 4 H2 + 2 H+ → H2S + 4 H2O

Organizmami odpowiedzialnymi za redukcję kataboliczną są bakterie zwane czynnikami redukującymi siarczany. Szacuje się, że zjawisko to datuje się na 3,47 mld lat temu ze względu na obecność śladów organicznego siarczku i węgla w żyłach barytu (pierwotnie powstałego z gipsu ). Bakterie redukujące siarczany są w większości hipertermofilne i żyją powyżej 80  ° C  ; te, które nie należą do archaeobacteria nazywane są thermosulfobacterium. Tłumaczy to ich obecność w środowiskach o wysokiej temperaturze (źródła gorącej wody w przepaściach, rejony wulkaniczne). Pozostali żyją reduktorami siarczanu powyżej 70  ° C . Są to głównie gram-ujemne eubakterie, wiciowce lub nie (przykład: Desulfovibrio spp., Desulfobacter spp., Desulfococcus spp. ). Środki redukujące siarczany czerpią energię z utleniania różnych substratów przez siarczany i siarczyny. Jednym z najczęstszych substratów jest wodór, którego zastosowanie jako donora elektronów obejmuje hydrogenazę sprzężoną z układem akceptorowym przez wstawiony cytochrom. Wodór ten mogą być dostarczane przez octany , mleczany , kwasy tłuszczowe i związki aromatyczne.
Bakterie, które wykorzystują wodór jako donor elektronów, można podzielić na dwie grupy w zależności od tego, czy przyswajają CO 2, czy nie. Rozróżnia się wówczas chemoautotrofy (przyswajanie CO 2 ) i chemoheterotrofy (przyswajanie źródeł węgla). Redukcja siarczanów ze środowisk morskich lub przybrzeżnych ma ogromne znaczenie w naturalnym cyklu siarkowym i aktywuje znaczny recykling materii organicznej. W środowiskach kontynentalnych i słodkowodnych, gdzie siarczany są rzadsze, organizmy redukujące siarczany konkurują z innymi gatunkami beztlenowymi, w szczególności z acetogenami i metanogenami .

Nomenklatura

H 2 SO 4  : kwas siarkowy; H 2 SO 3  : kwasu siarkowego; HSO 4 -  : jon wodorosiarczanowy; HSO 3 -  : wodór jonów siarczynowych; SO 4 2-  : jon siarczanowy; H 2 S: siarkowodór; HS -  : siarkowodór jonowa; S 2-  : jon siarczkowy.

Uwagi i referencje

  1. (fr) http://crdp.ac-amiens.fr/edd/air/air_maj_detail_p1_4.htm
  2. (fr) http://www.unifa.fr
  3. (i) ekosystemu , 3 th  Edition Dunod
  4. (i) ekologii Dokładna , 8 th  Edition Dunod
  5. Artykuł Joshua Schimela , Uniwersytet Kalifornijski.
  6. Życie mikrobiologiczne gleby i produkcji roślinnej, Pierre DAVET, 1996, wyd. QUAE.
  7. Źródła: http://www.ifremer.fr/envlit/glossaire/index.php?p=definition&num=1225  ; Microbiology, Lansing M. Prescott, John P. Harley, Donald A. Klein, 2003, red. De Boeck University; Ekologia, De Robert E. Ricklefs, Gary L. Miller, 2005, wyd. Uniwersytet De Boeck
  8. Kurs Metabolizm cyklu azotowego aminokwasy mocznik mocznik Nauczanie i badania Biochemia Emmanuel Jaspard University of Angers
  9. Wszystkie chemiczne 2 ND  okres (2004) Balou D. E. FABRITIUS Gilles A., elipsy, Paryż

Zobacz również