Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Цикл серы является совокупность процессов , посредством которых сера движется между скал, водных путей и живых систем. Такие биогеохимические циклы важны в геологии, потому что они влияют на многие минералы. Биохимические циклы также важны для жизни, потому что сера является важным элементом , входящим в состав многих белков и кофакторов , а соединения серы могут использоваться в качестве окислителей или восстановителей при микробном дыхании. [1] Глобальный цикл серы включает в себя трансформации сернистых веществ в различных степенях окисления, которые играют важную роль как в геологических, так и в биологических процессах.

Серный цикл (в целом)
Серный цикл

Этапы цикла серы :

Структура 3'-фосфоаденозин-5'-фосфосульфата , ключевого промежуточного продукта в серном цикле.

Их часто называют следующим образом:

Ассимиляционное восстановление сульфата (см. Также ассимиляцию серы ), при котором сульфат (SO 4 2- ) восстанавливается растениями , грибами и различными прокариотами . Степень окисления серы +6 в сульфате и –2 в R – SH.
Обессеривание, при котором органические молекулы, содержащие серу, могут быть обессерированы с образованием газообразного сероводорода (H 2 S, степень окисления = –2). Аналогичный процесс для органических соединений азота - дезаминирование.
Окисление сероводорода дает элементарную серу (S 8 ), степень окисления = 0. Эта реакция происходит у фотосинтезирующих зеленых и пурпурных серных бактерий и некоторых хемолитотрофов . Часто элементарная сера хранится в виде полисульфидов .
Окисление элементарной серы окислителями серы дает сульфат.
Диссимиляционное восстановление серы, при котором элементарная сера может быть восстановлена ​​до сероводорода.
Диссимиляционное восстановление сульфата, при котором сульфатредукторы выделяют сероводород из сульфата.

Степень окисления серы [ править ]

Сера имеет четыре основных степени окисления в природе: -2, +2, +4 и +6. Общие разновидности серы в каждой степени окисления перечислены ниже:

S 2- : H 2 S, FeS, FeS 2 , CuS

S 0 : самородная или элементарная сера

S 2+ : ТАК

S 4+ : SO 2 , сульфит (SO 3 2- )

S 6+ : SO 4 2- (H 2 SO 4 , CaSO 4 ), SF 6

Источники и стоки серы [ править ]

Средние подкисляющие выбросы (загрязнение воздуха) различных пищевых продуктов на 100 г белка [2]
Типы едыПодкисляющие выбросы (г экв. SO 2 на 100 г белка)
Говядина
343,6
Сыр
165,5
Свинина
142,7
Баранина и баранина
139,0
Фермерские ракообразные
133,1
Домашняя птица
102,4
Выращенная рыба
65,9
Яйца
53,7
Арахис
22,6
Горох
8,5
Тофу
6,7

Сера находится в степенях окисления от +6 в SO 4 2- до -2 в сульфидах . Таким образом, элементарная сера может отдавать или получать электроны в зависимости от окружающей среды. На бескислородной ранней Земле большая часть серы присутствовала в таких минералах, как пирит (FeS 2 ). На протяжении истории Земли, количество подвижной серы увеличена за счет вулканической активности , а также погодным условиям из коры в обогащенной кислородом атмосфере. [1] Основным стоком серы на Земле является SO 4 2− в океанах , где она является основным окислителем . [3]

Когда SO 4 2– ассимилируется организмами, он восстанавливается и превращается в органическую серу, которая является важным компонентом белков . Однако биосфера не действует как основной поглотитель серы, вместо этого большая часть серы находится в морской воде или осадочных породах, включая: богатые пиритом сланцы , эвапоритовые породы ( ангидрит и барит ) и карбонаты кальция и магния (т. Е. Связанные с карбонатами сульфат ). Количество сульфатов в океанах контролируется тремя основными процессами: [4]

1. ввод из рек
2. сульфатредукция и повторное окисление сульфидов на континентальных шельфах и склонах.
3. захоронение ангидрита и пирита в океанической коре.

Основным естественным источником серы в атмосферу являются морские брызги или уносимая ветром пыль, богатая серой [5], ни один из которых не находится в атмосфере надолго. В последнее время из-за большого годового поступления серы в результате сжигания угля и других ископаемых видов топлива добавилось значительное количество SO 2, который действует как загрязнитель воздуха . В геологическом прошлом проникновение вулканических пород в угольные месторождения вызывало крупномасштабное сжигание этих мер и, как следствие, выброс серы в атмосферу. Это привело к существенному нарушению климатической системы и является одной из предполагаемых причин пермско-триасового вымирания . [цитата необходима ]

Диметилсульфид [(CH 3 ) 2 S или DMS] образуется при разложении диметилсульфониопропионата (DMSP) из умирающих клеток фитопланктона в фотической зоне океана и является основным биогенным газом, выбрасываемым из моря, где он отвечает за характерный « запах моря »вдоль побережья. [1] DMS является крупнейшим природным источником сернистого газа, но все еще имеет время пребывания в атмосфере около одного дня, и большая часть его повторно осаждается в океанах, а не попадает на сушу. Тем не менее, это важный фактор в климатической системе, так как он участвует в формировании облаков.

Сульфатредукция с биологической и термохимической стороны [ править ]

Диссимиляционный путь восстановления сульфата

Посредством диссимиляционного пути восстановления сульфата сульфат может быть восстановлен либо бактериальным (бактериальное восстановление сульфата), либо неорганическим (термохимическое восстановление сульфата). Этот путь включает восстановление сульфата органическими соединениями с образованием сероводорода, что происходит в обоих процессах.

Основные продукты и реагенты бактериального восстановления сульфата (BSR) и термохимического восстановления сульфата (TSR) очень похожи. В обоих случаях реагентами являются различные органические соединения и растворенный сульфат, а продукты или побочные продукты являются следующими: H 2 S , CO 2 , карбонаты , элементарная сера и сульфиды металлов. [6] Однако химически активные органические соединения для BSR и TSR различаются из-за взаимоисключающих температурных режимов. Органические кислоты являются основными органическими реагентами для BSR, а разветвленные / н- алканы являются основными органическими реагентами для TSR. Неорганическими продуктами реакции в BSR и TSR являются H 2 S (HS -) и HCO 3 - (CO 2 ). [7]

Эти процессы происходят из-за двух очень разных термических режимов, в которых восстанавливается сульфат, особенно в низкотемпературных и высокотемпературных средах. [6] BSR обычно возникает при более низких температурах от 0 до 80 ° C, в то время как TSR происходит при гораздо более высоких температурах около 100–140 ° C. [7] Температуры для TSR не так хорошо определены; самая низкая подтвержденная температура составляет 127 ° C, а самые высокие температуры наблюдаются в пределах 160–180 ° C. [7] Эти два разных режима появляются потому, что при более высоких температурах большинство сульфатредуцирующих микробов больше не могут метаболизироваться из-за денатурации белков или дезактивации ферментов, [8] поэтому TSR берет верх. Однако в горячих отложениях вокруггидротермальные источники BSR могут происходить при температуре до 110 ° C. [9]

BSR и TSR залегают на разной глубине. BSR происходит в низкотемпературных средах, которые являются более мелкими, такими как нефтяные и газовые месторождения. BSR также может иметь место в современной морской осадочной среде, такой как стратифицированные внутренние моря, континентальные шельфы, богатые органическими веществами дельты и гидротермальные отложения, которые имеют интенсивное микробное восстановление сульфатов из-за высокой концентрации растворенного сульфата в морской воде. [10] Кроме того, считается, что большое количество сероводорода в нефти на газовых месторождениях возникает в результате окисления нефтяных углеводородов сульфатом. [11]Известно, что такие реакции происходят в результате микробных процессов, но общепризнано, что TSR ответственен за большую часть этих реакций, особенно в глубоких или горячих резервуарах. [12] Таким образом, TSR возникает в глубоких коллекторах, где температуры намного выше. BSR является геологически мгновенным в большинстве геологических условий, в то время как TSR возникает со скоростью порядка сотен тысяч лет. [13] [6] Хотя TSR намного медленнее, чем BSR, даже TSR кажется геологически довольно быстрым процессом.

BSR на мелководье и TSR в глубоких резервуарах являются ключевыми процессами в круговороте серы в океане. [14] [6]  Приблизительно 10% (от общего количества газа) H 2 S производится в настройках BSR, тогда как 90% H 2 S производится в настройках TSR. [7] Если в каком-либо глубоком коллекторе содержится более нескольких процентов H 2 S, то предполагается, что TSR вступил во владение. Это связано с тем, что термический крекинг углеводородов не дает более пары процентов H 2 S. Количество H 2На S влияет несколько факторов, таких как доступность органических реагентов и сульфатов, а также наличие / доступность основных и переходных металлов. [15]

Сероокисляющие бактерии в гидротермальных источниках [ править ]

Гидротермальные источники выделяют сероводород, который поддерживает фиксацию углерода хемолитотрофными бактериями, которые окисляют сероводород кислородом с образованием элементарной серы или сульфата. [16] Химические реакции следующие:

CO 2 + 4H 2 S + O 2 -> CH 2 O + 4S 0 + 3H 2 O

CO 2 + H 2 S + O 2 + H 2 O -> CH 2 O + SO 4 2- + 2H +

В современных океанах Thiomicrospira , Halothiobacillus и Beggiatoa являются первичными сероокисляющими бактериями [16] и образуют хемосинтетические симбиозы с животными-хозяевами. [17] Хозяин обеспечивает метаболические субстраты (например, CO 2 , O 2 , H 2 O) симбионту, в то время как симбионт генерирует органический углерод для поддержания метаболической активности хозяина. Образовавшийся сульфат обычно соединяется с выщелоченными ионами кальция с образованием гипса , который может образовывать широко распространенные отложения в центрах спрединга, расположенных в центре океана. [18]

δ 34 S [ править ]

Хотя известно 25 изотопов серы , только четыре из них являются стабильными и имеют геохимическое значение. Из этих четырех два ( 32 S, легкие и 34 S, тяжелые) составляют (99,22%) S на Земле. Подавляющее большинство (95,02%) S встречается в виде 32 S и только 4,21% в 34 S. Соотношение этих двух изотопов в нашей Солнечной системе фиксировано с момента ее образования. Изотопное соотношение серы на Земле считается таким же, как отношение 22,22, измеренное для метеорита Canyon Diablo troilite (CDT) . [19] Это соотношение принято в качестве международного стандарта и поэтому установлено на уровне δ0,00. Отклонение от 0,00 выражается как δ 34 S, которое является отношением в промилле (‰) . Положительные значения коррелируют с повышенным уровнем 34 S, тогда как отрицательные значения коррелируют с более высокими 32 S в образце.

Образование минералов серы в результате небиогенных процессов существенно не различает легкие и тяжелые изотопы, поэтому соотношение изотопов серы в гипсе или барите должно быть таким же, как общее соотношение изотопов в водной толще во время их выпадения в осадок. Восстановление сульфатов за счет биологической активности сильно различается между двумя изотопами из-за более быстрой ферментативной реакции с 32 S. [19] Метаболизм сульфатов приводит к истощению изотопов -18 ‰, а повторяющиеся циклы окисления и восстановления могут приводить к значениям до -50 ‰. Средние современные значения δ 34 S для морской воды порядка + 21 ‰.

На протяжении всей геологической истории цикл серы и изотопные отношения эволюционировали вместе с биосферой, становясь в целом более отрицательной с увеличением биологически обусловленного восстановления сульфатов, но также демонстрируют существенное положительное отклонение. В целом положительные отклонения изотопов серы означают, что имеется избыток отложения пирита, а не окисление сульфидных минералов, обнаженных на суше. [19]

Морской цикл серы [ править ]

Круговорот серы в морской среде был хорошо изучен с помощью инструмента систематики изотопов серы, выраженного как δ 34 S. Современные мировые океаны имеют запасы серы 1,3 × 10 21 г [20], в основном присутствующие в виде сульфатов с δ 34 S стоимость + 21 ‰. [21] Общий входящий поток составляет 1,0 × 10 14 г / год с изотопным составом серы ~ 3 ‰. [21] Речной сульфат, полученный в результате выветривания сульфидных минералов на суше (δ 34 S = + 6 ‰), является основным источником серы в океанах. Другие источники - метаморфическая и вулканическая дегазация, а также гидротермальная активность (δ 34S = 0 ‰), которые выделяют восстановленные соединения серы (например, H 2 S и S 0 ). Есть два основных выхода серы из океанов. Первый сток - это захоронение сульфата в виде морского эвапорита (например, гипса) или связанного с карбонатом сульфата (CAS), на долю которого приходится 6 × 10 13 г / год (δ 34 S = + 21 ‰). Второй сток серы - погребение пирита в отложениях шельфа или глубоководных отложениях морского дна (4 × 10 13 г / год; δ 34 S = -20 ‰). [22] Общий выходной поток морской серы составляет 1,0 × 10 14 г / год, что соответствует входным потокам, подразумевая, что современный морской запас серы находится в стабильном состоянии. [21] Время пребывания серы в современных мировых океанах составляет 13000000 лет. [23]

Эволюция серного цикла [ править ]

Изотопный состав осадочных сульфидов дает основную информацию об эволюции цикла серы.

Общий запас соединений серы на поверхности Земли (почти 10 22  г S) представляет собой полное выделение серы за геологическое время. [24] [19] Породы, проанализированные на содержание серы, обычно представляют собой богатые органическими веществами сланцы, что означает, что они, вероятно, контролируются биогенным восстановлением серы. Средние кривые морской воды создаются для эвапоритов, отложившихся в течение геологического времени, потому что, опять же, поскольку они не различают тяжелые и легкие изотопы серы, они должны имитировать состав океана во время осаждения.

4,6 миллиарда лет назад (млрд. Лет) Земля сформировалась и имела теоретическое значение δ 34 S, равное 0. Поскольку на ранней Земле не было биологической активности, изотопное фракционирование не должно было произойти . [21] Вся сера в атмосфере будет выделяться во время извержений вулканов. Когда океаны конденсировались на Земле, атмосфера была практически очищена от сернистых газов из-за их высокой растворимости в воде. На протяжении большей части архея (4,6–2,5 млрд лет) большинство систем оказалось сульфатно-ограниченным. Некоторые небольшие архейские месторождения эвапоритов требуют наличия хотя бы локальных повышенных концентраций (возможно, из-за местной вулканической активности) сульфата, чтобы они пересыщались и выпадали из раствора. [25]

3.8–3.6 млрд лет знаменует начало открытой геологической летописи, потому что это возраст самых старых горных пород на Земле. Изотопное значение метаосадочных пород этого времени все еще равно 0, потому что биосфера не была достаточно развита (возможно, вообще) для фракционирования серы. [26]

Установлен аноксиогенный фотосинтез 3,5 млрд лет, который обеспечивает слабый источник сульфатов в глобальном океане с невероятно низкими концентрациями сульфатов, δ 34 S все еще в основном 0. [25] Вскоре после этого, через 3,4 млрд лет, появилось первое свидетельство минимального фракционирования эвапоритового сульфата в ассоциация с сульфидами магматического происхождения прослеживается в летописи горных пород. Это фракционирование показывает возможные доказательства существования аноксигенных фототрофных бактерий.

2,8 млрд лет знаменует собой первое свидетельство производства кислорода посредством фотосинтеза. Это важно, потому что окисление серы невозможно без кислорода в атмосфере. Это является примером совместной эволюции круговоротов кислорода и серы, а также биосферы.

2,7–2,5 млрд лет - это возраст самых старых осадочных пород, имеющих обедненный δ 34 S, что является первым убедительным доказательством сульфатредукции. [25]

2.3 Сульфат Ga увеличивается до более чем 1 мМ; это увеличение содержания сульфатов совпадает с « Великим событием оксигенации », когда большинство рабочих считает, что окислительно-восстановительные условия на поверхности Земли в корне изменились с восстановительных на окислительные. [27] Этот сдвиг привел бы к невероятному увеличению сульфатного выветривания, что привело бы к увеличению содержания сульфатов в океанах. Большие фракции изотопов, которые, вероятно, будут связаны с уменьшением количества бактерий, производятся впервые. Хотя в то время наблюдалось заметное повышение содержания сульфата в морской воде, оно, вероятно, все еще составляло менее 5–15% от современного уровня. [27]

На 1,8 млрд лет пластинчатые железные образования (BIF) являются обычными осадочными породами в архее и палеопротерозое ; их исчезновение знаменует собой отчетливый сдвиг в химии океанской воды. БИФ имеют чередующиеся слои оксидов железа и кремня . BIF образуются только в том случае, если воде позволяют перенасыщаться растворенным железом (Fe 2+ ), что означает, что в водной толще не может быть свободного кислорода или серы, потому что они образуют Fe 3+ (ржавчину) или пирит и выпадают из раствора. После этого перенасыщения вода должна стать кислородсодержащей, чтобы полосы, богатые железом, выпали в осадок, она все еще должна быть бедной серой, иначе вместо Fe 3+ образуется пирит.. Было высказано предположение, что BIF сформировались во время начальной эволюции фотосинтезирующих организмов, у которых были фазы роста популяции, вызывающие избыточное производство кислорода. Из-за этого чрезмерного производства они будут отравлять себя, вызывая массовую гибель, что отключит источник кислорода и произведет большое количество CO 2 в результате разложения их тел, что приведет к новому бактериальному цветению. После 1,8 Ga концентрации сульфата были достаточными для увеличения скорости восстановления сульфата до уровня, превышающего поток доставки железа в океаны. [25]

Наряду с исчезновением BIF конец палеопротерозоя также отмечает появление первых крупномасштабных осадочных эксгаляционных отложений, показывающих связь между минерализацией и вероятным увеличением количества сульфатов в морской воде. В палеопротерозое содержание сульфатов в морской воде увеличилось до большего количества, чем в архее, но все же было ниже современных значений. [27] Уровни сульфатов в протерозое также выступают в качестве заместителей атмосферного кислорода, потому что сульфат образуется в основном в результате выветривания континентов в присутствии кислорода. Низкие уровни в протерозое просто означают, что уровни атмосферного кислорода находились между уровнями фанерозоя и дефицитом архея.

750 миллионов лет назад (млн лет назад) произошло возобновление отложения BIF, которое знаменует собой значительные изменения в химии океана . Вероятно, это произошло из-за снежного кома на Земле, когда весь земной шар, включая океаны, был покрыт слоем льда, перекрывшего кислородное голодание. [28] В конце неопротерозоя высокие скорости захоронения углерода увеличили уровень кислорода в атмосфере до> 10% от его современного значения. В последнем неопротерозое на поверхности Земли произошло еще одно крупное окислительное событие, которое привело к образованию ядовитых глубин океана и, возможно, позволило появиться многоклеточной жизни. [27]

В течение последних 600 миллионов лет SO 4 в морской воде обычно колебался от +10 до + 30 ‰ при δ 34 S, при этом среднее значение близко к сегодняшнему. Заметные изменения в морской воде δ 34 S произошли во время вымирания и климатических явлений в это время. [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35]

В более коротком временном масштабе (десять миллионов лет) изменения в цикле серы легче наблюдать, и их можно даже лучше ограничить с помощью изотопов кислорода. Кислород постоянно включается в цикл серы в результате окисления сульфата, а затем высвобождается, когда сульфат снова восстанавливается. [4] Поскольку разные источники сульфатов в океане имеют разные изотопные значения кислорода, можно использовать кислород для отслеживания цикла серы. При биологическом восстановлении сульфатов предпочтительно отбираются более легкие изотопы кислорода по той же причине, по которой предпочтительны более легкие изотопы серы. Изучая изотопы кислорода в океанических отложениях за последние 10 миллионов лет [36], мы смогли лучше ограничить концентрации серы в морской воде за то же время. Они обнаружили, чтоИзменения уровня моря, вызванные ледниковыми циклами плиоцена и плейстоцена, изменили площадь континентальных шельфов, что затем нарушило переработку серы, снизив концентрацию сульфатов в морской воде. Это было резкое изменение по сравнению с доледниковым периодом до 2 миллионов лет назад.

Великое событие окисления и массово-независимое фракционирование изотопов серы [ править ]

Большой оксигенации Событие (ГЭ) характеризуется исчезновением изотопов серы масс-независимых фракционирования (MIF) в осадочных записей на уровне около 2450 млн лет назад (штат Джорджия). [37] MIF изотопа серы (Δ 33 S) определяется отклонением измеренного значения δ 33 S от значения δ 33 S, полученного из измеренного значения δ 34 S в соответствии с законом массового фракционирования. Великое событие окисления представляло собой массовый переход глобальных циклов серы. Перед Великим окислительным событием цикл серы находился под сильным влиянием ультрафиолетового (УФ) излучения и связанных с ним фотохимических реакций., что вызывало массово-независимое фракционирование изотопа серы (Δ 33 S ≠ 0). Для сохранения сигналов фракционирования, не зависящих от изотопов серы, требуется, чтобы содержание O 2 в атмосфере было ниже 10 -5 от текущего атмосферного уровня (PAL). [24] Исчезновение массово-независимого фракционирования изотопов серы при ~ 2,45 млрд лет назад указывает на то, что атмосферное p O 2 превысило 10 -5 нынешнего атмосферного уровня после Великого события оксигенации. [37] Кислород сыграл важную роль в глобальных циклах серы после Великого события оксигенации, такого как окислительное выветривание сульфидов. [38] Захоронение пирита.в отложениях, в свою очередь, способствует накоплению свободного O 2 в окружающей среде на поверхности Земли. [39]

Экономическое значение [ править ]

Сера непосредственно участвует в производстве ископаемого топлива и большинства металлических отложений из-за своей способности действовать как окислитель или восстановитель. Подавляющее большинство основных месторождений полезных ископаемых на Земле содержат значительное количество серы, включая, помимо прочего, осадочные отложения (SEDEX), залежи свинцово-цинковых руд в карбонатах (MVT типа долины Миссисипи) и медно-порфировые месторождения. Сульфиды железа, галенит и сфалерит будут образовываться как побочные продукты образования сероводорода , пока соответствующие переходные или неблагородные металлы присутствуют или транспортируются на место восстановления сульфата. [7] Если в системе заканчиваются химически активные углеводороды, могут образоваться рентабельные отложения элементарной серы. Сера также действует как восстановитель во многих коллекторах природного газа, и, как правило, рудообразующие флюиды имеют тесную связь с древними выходами или выходами углеводородов. [27]

Важные источники серы в рудных месторождениях, как правило, глубоко залегают, но они также могут поступать из местных вмещающих пород, морской воды или морских эвапоритов . Присутствие или отсутствие серы является одним из факторов, ограничивающих как концентрацию драгоценных металлов, так и ее осаждение из раствора. Уровень pH , температура и особенно окислительно-восстановительный потенциал определяют, будут ли осаждаться сульфиды. Большинство сульфидных рассолов сохраняют концентрацию, пока не достигнут восстановительных условий, более высокого pH или более низких температур.

Рудные флюиды обычно связаны с водами, богатыми металлами, которые были нагреты в осадочном бассейне при повышенных термических условиях, обычно в тектонических условиях растяжения. Окислительно-восстановительные условия литологии бассейна оказывают важное влияние на окислительно-восстановительное состояние переносящих металл флюидов, и отложения могут образовываться как из окисляющих, так и восстанавливающих флюидов. [27] Рудные флюиды, богатые металлами, по необходимости имеют сравнительно недостаток сульфидов, поэтому значительная часть сульфидов должна поступать из другого источника в месте минерализации. Бактериальное восстановление сульфата морской воды или эуксиновой (бескислородной и содержащей H 2 S) воды является необходимым источником этого сульфида. Когда присутствует, δ 34Значения S барита обычно согласуются с источником сульфата в морской воде, что предполагает образование барита в результате реакции между гидротермальным барием и сульфатом в окружающей морской воде. [27]

После того, как ископаемое топливо или драгоценные металлы обнаружены и либо сожжены, либо измельчены, сера превращается в отходы, с которыми необходимо обращаться должным образом, иначе она может стать загрязнителем. Количество серы в нашей сегодняшней атмосфере резко увеличилось из-за сжигания ископаемого топлива. Сера действует как загрязнитель и одновременно экономический ресурс.

Воздействие человека [ править ]

Деятельность человека оказывает большое влияние на глобальный цикл серы. Сжигание угля , природного газа и других ископаемых видов топлива значительно увеличило количество серы в атмосфере и океане и истощило сток осадочных пород. Без воздействия человека сера будет оставаться связанной в породах в течение миллионов лет, пока не будет поднята в результате тектонических событий, а затем высвободится в результате процессов эрозии и выветривания . Вместо этого его бурят, закачивают и сжигают с постоянно увеличивающейся скоростью. На наиболее загрязненных территориях выпадение сульфатов увеличилось в 30 раз. [40]

Хотя кривая серы показывает сдвиги между чистым окислением серы и чистым сокращением серы в геологическом прошлом, масштабы нынешнего антропогенного воздействия, вероятно, беспрецедентны в геологической летописи. Деятельность человека значительно увеличивает приток серы в атмосферу , часть которой переносится по всему миру. Люди добывают уголь и добывают нефть из земной коры со скоростью 150 x 10 12 гS / год, что более чем вдвое превышает скорость 100 лет назад. [41] Результатом антропогенного воздействия на эти процессы является увеличение пула окисленной серы (SO 4) в глобальном круговороте за счет накопления восстановленной серы в земной коре. Следовательно, деятельность человека не вызывает серьезных изменений в глобальных резервуарах серы, но она действительно вызывает серьезные изменения в годовом потоке серы через атмосферу. [19]

Когда SO 2 выбрасывается в качестве загрязнителя воздуха, он образует серную кислоту в результате реакции с водой в атмосфере. Как только кислота полностью диссоциирует в воде, pH может упасть до 4,3 или ниже, что приведет к повреждению как искусственных, так и природных систем. Согласно EPA, кислотный дождь - это широкий термин, относящийся к смеси влажного и сухого осаждения (осажденный материал) из атмосферы, содержащей большее, чем обычно, количество азотной и серной кислот. Дистиллированная вода (вода без растворенных компонентов), не содержащая диоксида углерода, имеет нейтральный pH 7. Естественно, дождь имеет слегка кислый pH 5,6, потому что углекислый газ и вода в воздухе взаимодействуют вместе с образованием угольной кислоты, очень слабой кислоты. Однако в районе Вашингтона, округ Колумбия, средний pH дождя составляет от 4,2 до 4,4. Поскольку pH измеряется в логарифмической шкале, снижение на 1 (разница между обычной дождевой водой и кислотным дождем) оказывает сильное влияние на силу кислоты. В Соединенных Штатах примерно 2/3 всего SO 2 и 1/4 всего NO 3 приходится на выработку электроэнергии, основанную на сжигании ископаемого топлива, такого как уголь.

Поскольку сера является важным питательным веществом для растений, сера все чаще используется в качестве компонента удобрений. В последнее время дефицит серы стал широко распространенным явлением во многих странах Европы. [42] [43] [44] Из-за действий, предпринятых для ограничения кислотных дождей, поступление серы в атмосферу продолжает снижаться. В результате дефицит поступающей серы, вероятно, увеличится, если не будут использоваться серные удобрения. [45] [46]

См. Также [ править ]

  • Обмен серы
  • Микробный метаболизм
  • Сульфидное вторжение
  • Сульфатредуцирующие микроорганизмы
  • Редокс
  • Сера

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c Мэдиган MT, Мартино JM (2006). Брок Биология микроорганизмов (11-е изд.). Пирсон. п. 136. ISBN. 978-0-13-196893-6.
  2. ^ Пур Дж, Немечки Т (июнь 2018). «Снижение воздействия продуктов питания на окружающую среду за счет производителей и потребителей» . Наука . 360 (6392): 987–992. Bibcode : 2018Sci ... 360..987P . DOI : 10.1126 / science.aaq0216 . PMID 29853680 . 
  3. ^ Bickle MJ, Alt JC, Teagle DA (1994). «Перенос серы и фракционирование изотопов серы в гидротермальных системах морского дна». Минералогический журнал . 58А (1): 88–89. Bibcode : 1994MinM ... 58 ... 88B . DOI : 10.1180 / minmag.1994.58A.1.49 .
  4. ^ a b Александра В. Турчин "Изотопы кислорода в морском сульфате и цикл серы за последние 140 миллионов лет" Гарвардский университет, 2005.
  5. ^ Reheis MC, Kihl R (май 1995). «Отложение пыли в южной Неваде и Калифорнии, 1984–1989: Связь с климатом, территорией источника и литологией источника». Журнал геофизических исследований: атмосферы . 100 (D5): 8893–918. Bibcode : 1995JGR ... 100.8893R . DOI : 10.1029 / 94JD03245 .
  6. ^ a b c d Machel HG, Krouse HR, Sassen R (1995). «Продукты и отличительные критерии бактериальной и термохимической сульфатредукции». Прикладная геохимия . 10 (4): 373–389. Bibcode : 1995ApGC ... 10..373M . DOI : 10.1016 / 0883-2927 (95) 00008-8 .
  7. ^ а б в г д Machel HG (2001). «Бактериальное и термохимическое восстановление сульфата в диагенетических условиях - старые и новые идеи». Осадочная геология . 140 (1–2): 143–175. Bibcode : 2001SedG..140..143M . DOI : 10.1016 / S0037-0738 (00) 00176-7 .
  8. Перейти ↑ Barton L (1995). Сульфатредуцирующие бактерии . Нью-Йорк: Пленум Пресс. ISBN 0-306-44857-2. OCLC  32311676 .
  9. ^ Йоргенсен BB, Isaksen MF, Jannasch HW (декабрь 1992). «Снижение уровня бактериального сульфата выше 100 ° C в глубоководных гидротермальных отложениях». Наука . 258 (5089): 1756–7. DOI : 10.1126 / science.258.5089.1756 . PMID 17831655 . S2CID 129371120 .  
  10. ^ Арон P, Fu B (2000). «Скорость восстановления микробного сульфата и фракционирование изотопов серы и кислорода на выходах нефти и газа в глубоководном Мексиканском заливе». Geochimica et Cosmochimica Acta . 64 (2): 233–246. Bibcode : 2000GeCoA..64..233A . DOI : 10.1016 / S0016-7037 (99) 00292-6 .
  11. Перейти ↑ Goldstein TP, Aizenshtat Z (1994). «Обзор термохимического сульфатредукции». Журнал термического анализа . 42 (1): 241–290. DOI : 10.1007 / BF02547004 . ISSN 0368-4466 . S2CID 95526523 .  
  12. ^ Krouse HR, Вио CA, Eliuk LS, Ueda A, Halas S (1988). «Химические и изотопные свидетельства термохимического восстановления сульфатов легкими углеводородными газами в глубоких карбонатных коллекторах». Природа . 333 (6172): 415–419. Bibcode : 1988Natur.333..415K . DOI : 10.1038 / 333415a0 . ISSN 0028-0836 . S2CID 4354648 .  
  13. ^ Muyzer G, Stams AJ (июнь 2008). «Экология и биотехнология сульфатредуцирующих бактерий». Обзоры природы. Микробиология . 6 (6): 441–54. DOI : 10.1038 / nrmicro1892 . PMID 18461075 . S2CID 22775967 .  
  14. Перейти ↑ Jørgensen BB (1982). «Минерализация органических веществ на морском дне - роль восстановления сульфата». Природа . 296 (5858): 643–645. Bibcode : 1982Natur.296..643J . DOI : 10.1038 / 296643a0 . ISSN 0028-0836 . S2CID 4308770 .  
  15. ^ Holmer М, Р Storkholm (2001). «Сульфатредукция и круговорот серы в озерных отложениях: обзор». Пресноводная биология . 46 (4): 431–451. DOI : 10.1046 / j.1365-2427.2001.00687.x . ISSN 0046-5070 . 
  16. ^ a b Sievert SM, Hügler M, Taylor CD, Wirsen CO (2008). Даль C, Фридрих CG (ред.). «Окисление серы в глубоководных гидротермальных источниках». Микробный метаболизм серы . Springer Berlin Heidelberg: 238–258. DOI : 10.1007 / 978-3-540-72682-1_19 . ISBN 978-3-540-72679-1.
  17. Перейти ↑ Klotz MG, Bryant DA, Hanson TE (2011). «Микробный цикл серы» . Границы микробиологии . 2 : 241. DOI : 10,3389 / fmicb.2011.00241 . PMC 3228992 . PMID 22144979 .  
  18. ^ Pedersen RB, Rapp HT, Thorseth IH, Lilley MD, Barriga FJ, Baumberger T и др. (Ноябрь 2010 г.). «Открытие жерлового поля черного курильщика и жерловой фауны на Срединно-Ледовитом хребте» . Nature Communications . 1 (8): 126. Bibcode : 2010NatCo ... 1..126P . DOI : 10.1038 / ncomms1124 . PMC 3060606 . PMID 21119639 .  
  19. ^ а б в г д Шлезингер WH (1997). Биогеохимия анализ глобальных изменений (2-е изд.). Сан-Диего, Калифорния: Academic Press.
  20. ^ Brimblecombe Р (2014). «Глобальный цикл серы». Трактат по геохимии . 10 . Амстердам: Эльзевир. С. 559–591. DOI : 10.1016 / B978-0-08-095975-7.00814-7 . ISBN 9780080983004.
  21. ^ а б в г Фике Д.А., Брэдли А.С., Роуз CV (2015). «Переосмысление древнего серного цикла» . Ежегодный обзор наук о Земле и планетах . 43 (1): 593–622. Bibcode : 2015AREPS..43..593F . DOI : 10.1146 / annurev-earth-060313-054802 . S2CID 140644882 . 
  22. Перейти ↑ Canfield DE (2004). «Эволюция резервуара серы на поверхности Земли». Американский журнал науки . 304 (10): 839–861. Bibcode : 2004AmJS..304..839C . DOI : 10,2475 / ajs.304.10.839 .
  23. ^ Ках LC, Lyons TW, Frank TD (октябрь 2004). «Низкая морская сульфатность и длительное насыщение кислородом протерозойской биосферы» . Природа . 431 (7010): 834–8. Bibcode : 2004Natur.431..834K . DOI : 10,1038 / природа02974 . PMID 15483609 . S2CID 4404486 .  
  24. ^ a b Johnston DT (2011). «Множественные изотопы серы и эволюция цикла серы на поверхности Земли». Обзоры наук о Земле . 106 (1–2): 161–183. Bibcode : 2011ESRv..106..161J . DOI : 10.1016 / j.earscirev.2011.02.003 .
  25. ^ a b c d Canfield DE, Raiswell R (1999). «Эволюция круговорота серы». Американский журнал науки . 299 (7–9): 697–723. Bibcode : 1999AmJS..299..697C . DOI : 10.2475 / ajs.299.7-9.697 .
  26. ^ Schidlowski МЫ, Hayes Ю.М., Каплан ИК (1983). «Изотопные выводы древней биохимии - углерод, сера, водород и азот». . В Schopf JW (ред.). Древнейшая биосфера Земли . Принстон, Нью-Джерси: Издательство Принстонского университета.
  27. ^ a b c d e f g Lyons TW, Gellatly AM, McGoldrick PJ, Kah LC (2006). «Протерозойские осадочные эксгаляционные отложения (SEDEX) и связи с эволюцией глобальной химии океана». В Kesler SE, Ohmoto H (ред.). Эволюция атмосферы, гидросферы и биосферы ранней Земли - ограничения от рудных месторождений . Мемуары Геологического общества Америки. 198 . С. 169–184. ISBN 978-0-8137-1198-0.
  28. ^ Хоффман PF, Кауфман AJ, Халверсон GP, Schrag DP (август 1998). «Неопротерозойская земля-снежок» . Наука . 281 (5381): 1342–6. Bibcode : 1998Sci ... 281.1342H . DOI : 10.1126 / science.281.5381.1342 . PMID 9721097 . S2CID 13046760 .  
  29. ↑ Gill BC, Lyons TW, Young SA, Kump LR, Knoll AH, Saltzman MR (январь 2011 г.). «Геохимические свидетельства широкого распространения эвксинии в более позднем кембрийском океане» . Природа . 469 (7328): 80–3. Bibcode : 2011Natur.469 ... 80G . DOI : 10,1038 / природа09700 . PMID 21209662 . S2CID 4319979 .  
  30. ^ Джон EH, Wignall PB, Newton RJ, Боттрелл SH (август 2010). «Записи δ34SCAS и δ18OCAS во время перехода франа к фамену (поздний девон) и их влияние на модели массового вымирания». Химическая геология . 275 (3–4): 221–234. Bibcode : 2010ChGeo.275..221J . DOI : 10.1016 / j.chemgeo.2010.05.012 .
  31. ^ Newton RJ, Pevitt EL, Wignall PB, Боттрелл SH (февраль 2004). «Значительные сдвиги в изотопном составе сульфата морской воды через пермо-триасовую границу на севере Италии». Письма о Земле и планетологии . 218 (3–4): 331–345. Bibcode : 2004E & PSL.218..331N . DOI : 10.1016 / S0012-821X (03) 00676-9 .
  32. ^ Гилл BC, Lyons TW, Jenkyns HC (декабрь 2011). «Глобальное нарушение цикла серы во время аноксического явления в Тоарском океане». Письма о Земле и планетологии . 312 (3–4): 484–496. Bibcode : 2011E и PSL.312..484G . DOI : 10.1016 / j.epsl.2011.10.030 .
  33. ^ Paytan, А. (1998-11-20). «Изотопный состав серы кайнозойского сульфата морской воды». Наука . 282 (5393): 1459–1462. DOI : 10.1126 / science.282.5393.1459 . PMID 9822370 . 
  34. ^ Paytan, А. (2004-06-11). «Колебания изотопов серы в морской воде в меловом периоде». Наука . 304 (5677): 1663–1665. DOI : 10.1126 / science.1095258 . ISSN 0036-8075 . PMID 15192227 . S2CID 10539452 .   
  35. ^ Owens JD, Gill BC, Jenkyns HC, Bates SM, Severmann S, Kuypers MM, et al. (Ноябрь 2013). «Изотопы серы отслеживают глобальные масштабы и динамику эуксинии во время аноксии 2 в океаническом меловом периоде» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 110 (46): 18407–12. Bibcode : 2013PNAS..11018407O . DOI : 10.1073 / pnas.1305304110 . PMC 3831968 . PMID 24170863 .  
  36. ^ Tychyn et al. (2004) неполная ссылка
  37. ^ a b Фаркуар Дж, Бао Х, Тименс М (август 2000 г.). «Атмосферное влияние самого раннего цикла серы Земли» . Наука . 289 (5480): 756–9. Bibcode : 2000Sci ... 289..756F . DOI : 10.1126 / science.289.5480.756 . PMID 10926533 . S2CID 12287304 .  
  38. ^ Konhauser KO, Лалонда С.В., Planavsky NJ, Pecoits E, Lyons TW, Mojzsis SJ, и др. (Октябрь 2011 г.). «Аэробное бактериальное окисление пирита и дренаж кислых пород во время Великого окислительного события». Природа . 478 (7369): 369–73. Bibcode : 2011Natur.478..369K . DOI : 10,1038 / природа10511 . PMID 22012395 . S2CID 205226545 .  
  39. ^ Berner RA, Raiswell R (1983). «Захоронение органического углерода и пиритовой серы в отложениях за фанерозойское время: новая теория». Geochimica et Cosmochimica Acta . 47 (5): 855–862. Bibcode : 1983GeCoA..47..855B . DOI : 10.1016 / 0016-7037 (83) 90151-5 .
  40. ↑ Pham M, Müller JF, Brasseur GP, Granier C, Mégie G (май 1996). «Исследование глобального цикла серы с помощью 3D-модели: вклад антропогенных и биогенных источников». Атмосферная среда . 30 (10–11): 1815–22. Bibcode : 1996AtmEn..30.1815P . DOI : 10.1016 / 1352-2310 (95) 00390-8 .
  41. ^ Brimblecombe Р, Молоток С, Родхе Н, Рябошапко А, Boutron CF (1989). «Влияние человека на цикл серы». В Brimblecombe P, Lein AY (ред.). Эволюция глобального биогеохимического цикла серы . Нью-Йорк: Вили. С. 77–121. ISBN 978-0-471-92251-3.
  42. ^ Чжао F, Hawkesford M, McGrath SP (1999). «Ассимиляция серы и влияние на урожайность и качество пшеницы». Журнал зерновых наук . 30 (1): 1–17. DOI : 10,1006 / jcrs.1998.0241 .
  43. ^ Blake-Калфф MM (2000). «Диагностика дефицита серы в выращиваемом в полевых условиях масличном рапсе (Brassica napus L.) и пшенице (Triticum aestivum L.)». Растение и почва . 225 (1/2): 95–107. DOI : 10,1023 / A: 1026503812267 . S2CID 44208638 . 
  44. ^ Ceccotti SP (1996). «Питательная сера для растений - обзор баланса питательных веществ, воздействия на окружающую среду и удобрений». Исследование удобрений . 43 (1–3): 117–125. DOI : 10.1007 / BF00747690 . S2CID 42207099 . 
  45. ↑ Глоссарий , США: обсерватория Земли НАСА , кислотный дождь, заархивировано из оригинала 13 декабря 2011 г. , получено 15 февраля 2013 г.
  46. ^ Сера как удобрение . Sulphurinstitute.org. Проверено 16 августа 2012 года.

Внешние ссылки [ править ]

  • EPA
  • Окисление серы из курса почвенной микробиологии в Технологическом университете Вирджинии
  • Серный цикл в Университете Карнеги-Меллона
  • Lenntech