8. Биохимический цикл серы

Сера является одним из элементов [1, с. 221], играющих важную роль в круговороте веществ биосферы. Она определяет важные биохимические процессы живой клетки, являясь компонентом питания растений и микрофлоры.

Сера является компонентом белков и входит в состав ряда аминокислот: цистина, цистеина, метонина. Образование гомоцепей из атомов серы характерно и для ее соединений, выполняющих существенную биологическую роль в процессах жизнедеятельности. Так, в молекулах аминокислоты – цистина - имеется дисульфидный мостик – S – S - :

COOH COOH

 

H₂N – C - Н H₂N – C - H

 

CH₂ - S – S – CH₂

Эта аминокислота играет важную роль в формировании белков и пептидов.

Благодаря дисульфидной связи полипептидные цепи оказываются скрепленными между собой. Характерно для серы и образование водородосульфидной (сульфидгидрильной) тиоловой группы – SH, которая присутствует в аминокислоте цистеине, белках, ферментах. Аминокислоты синтезируются растениями, использующими минеральную серу. В организм животных сера попадает с пищей. При окислении тиоловых групп образуются дисульфидные связи и, наоборот, при восстановлении связей (S – S –) образуются SH-группы, т. е. эти переходы обратимы:

Н

R₁ – S – S – R₂  R₁SH + R₂SH

О

В некоторой степени этот обратимый переход защищает организм от радиационных поражений.

Под влиянием ионизирующего облучения в результате радиолиза воды в организме образуются свободные радикалы, в том числе весьма активные Н^● и ОН^●, инициирующие процессы окисления. Водородосульфидные группы вступают в реакцию со свободными радикалами:

RSH + OH^●  RS^● + H₂O.

Радикалы RS^● малоактивны. Тем самым предотвращается воздействие активных радикалов на нуклеиновые кислоты и другие биомолекулы.

Соединения серы участвуют в формировании химического состава почв, в значительных количествах находятся в подземных водах, а это, в свою очередь, играет решающую роль в процессах засоления почв. Основную роль в обменном фонде серы играют специализированные микроорганизмы. Каждый вид микроорганизмов выполняет определенную реакцию окисления или восстановления этого элемента.

Так, фототрофные серные бактерии окисляют сероводород с образованием в качестве метаболита сульфата: Н₂S + CO₂  CH₂O +SO₄^2- .

Сульфатредуцирующие микроорганизмы, разрушающие органические соединения в почве, восстанавливают серу в Н₂S или в минеральную серу. Сульфат- окисляющие микроорганизмы окисляют серу, превращая ее в сульфаты. Последние поглощаются растениями и вновь попадают в круговорот.

Сера, находящаяся в глубоководных отложениях в составе различных химических соединений, подвергается воздействию микроорганизмов (сульфатредуцирующих бактерий), в результате чего происходит ее регенерация. При этом создается вертикальный поток серы в виде Н₂S.

Одно из наиболее интересных открытий – установление фракционирования изотопов живыми организмами. В природе известны четыре стабильных изотопа серы. Самый легкий из них S имеет распространенность 95,1 %. Распространенность других следующая: S – 0,74 %; S – 4,2 %; S – 0,016 %. Практический интерес представляет соотношение двух изотопов S и S. Установлено, что биогенные соединения серы – твердые и газообразные - обогащены легким изотопом. Наибольший эффект характерен для реакции биохимического восстановления сульфата до сероводорода, производимого бактериями. При этом в Н₂S увеличивается содержание легкого изотопа S, а не охваченные биохимическими процессами ионы SO₄^- остаточно обогащаются изотопами S.

В результате биогеохимических и биологических процессов происходит изменение в соотношении изотопов в сторону увеличения легкого изотопа в верхних гумусовых горизонтах почв. Это свидетельствует в пользу того, что интенсивный биологический круговорот серы в почвах охватывает только ее верхние слои. Однако почвенно-грунтовые и подземные воды также принимают участие в биохимическом цикле серы. На это указывает сходство изотопного состава серы подземных, почвенно-грунтовых вод и воднорастворимых сульфатов из горизонта С сульфатно-содовых солончаков и свидетельствует об участии серы подземных вод в формировании сульфатно-содового засоления. Таким образом, в засоленных почвах биогеохимический круговорот серы не ограничивается верхними гумусовыми горизонтами, а охватывает значительную толщу: 5-10 м и более.

Рис. 34. Биохимический цикл серы (по Ф.Я. Шипунову, 1980): I - минерализация органической серы живыми организмами до H₂S; II - дисульфофикация

Биохимический цикл серы состоит из четырех стадий (рис 34).

I. Усвоение минеральных соединений серы живыми организмами (растениями и бактериями) и включение серы в состав белков и аминокислот.

II. Превращение серы живыми организмами (животными и бактериями) в конечный продукт – H₂S.

III. Окисление минеральной серы живыми организмами (серобактериями, тионовыми бактериями) в процессе сульфатредукции. На этой стадии происходит окисление сероводорода, элементарной серы, ее тио- и тетрасоединений.

IV. Восстановление минеральной серы живыми организмами (бактериями) в процессе дисульфофикации до H₂S. Таким образом, важнейшим звеном всего биохимического цикла серы в биосфере является биогенное образование сероводорода.

Приходные статьи баланса серы в общем круговороте следующие(Шипунов, 1980), т/год:

- дегазация зеленой коры - 1210⁶

- выветривание осадочных пород (пирит, гипс и другие.) - 4210⁶

- антропогенное поступление серы в виде SO₂ - 65∙10⁶

Итого: 119∙10⁶

Уход серы за пределы биосферы в остаточные отложения в виде сульфидов и сульфатов – 100∙10⁶ т/год. Видно, что антропогенное поступление серы в биосферу существенно изменяет круговорот этого элемента, в биосфере в целом наблюдается приход нециклической серы.

Укажите пути поступления нециклической серы…

[1] способность серы под влиянием микробиологических процессов образовывать газообразные соединения (SO₂, H₂S) и благодаря этому активно участвовать в массообмене между сушей и океаном, с одной стороны, и атмосферой - с другой;

[2] образующийся при разрушении сульфатов Н₂S переводит растворимые в воде железо и другие металлы в форму труднорастворимых сульфидов, которые уходят в осадки морей и надолго связывают массы серы;

[3] трансформацией сернистых газов в хорошо растворимые сульфаты и заменой газовой миграции серы на водную;

[4] одним из наиболее крупных и трудноподдающихся очистке загрязнителей атмосферного воздуха, выбрасываемых главным образом энергетическими установками, является SO₂ и в меньших количествах SO₃. Техногенные выбросы серы в год достигают (75-100)∙10⁶ т (снижение прозрачности атмосферы, гибель хвойных лесов и плодовых растений, нарушение процессов фотосинтеза и дыхания).