Chemie der Schwefelverbindungen und Bakterien

Biogeochemie des Schwefels

• Schwefel ist ein nicht-metallisches Element, das in reiner Form gelb ist. Es kommt in der Natur sowohl als Element als auch in Verbindungen vor.
• Der Schwefelanteil in der Erde beträgt ca. 0,03 % (im Vergleich zu C: 0,02%, N: 0,03%, Fe: 31%, O: 30%).
• Schwefel ist in Wasser unlöslich, jedoch in organischen Lösungsmitteln löslich.
• Schwefel zeigt verschiedene Oxidationsstufen, wie z.B. -2, +4 und +6.
• Er bildet Verbindungen mit Metallen und Nichtmetallen.
• Schwefel reagiert leicht mit Sauerstoff und anderen Nichtmetallen.
• Schwefel ist in fossilen Brennstoffen, Vulkanen, heißen Quellen und Erzen angereichert.

Oxidierte Schwefelverbindungen

• Schwefeldioxid (SO2) entsteht durch Vulkanaktivitäten und Verbrennung fossiler Brennstoffe.
• Schwefeltrioxid (SO3) ist ein Oxidationsprodukt von SO2 in der Atmosphäre.
• Sulfat-Ionen (SO4²⁻) sind eine wichtige Form in Meerwasser und Mineralien.
• Schwefelsäure (H2SO4) ist eine starke Säure, die in Industrie und Umwelt eine Rolle spielt (z.B. Sulfat-Aerosolteilchen).
• Thiosulfate (S₂O₃²⁻) entstehen durch die Oxidation von Sulfidverbindungen und weisen Schwefel in unterschiedlichen Oxidationszuständen auf.

Reduzierte Schwefelverbindungen

• Schwefelwasserstoff (H₂S, Sulfid): entsteht durch anaeroben Abbau S-haltiger organischer Stoffe und mikrobielle Respiration von Sulfat.
• Metallsulfide (z.B. Pyrit, FeS₂): kommen in Sedimenten vor.
• Polysulfide (S₂²⁻): bilden sich in reduzierenden Bedingungen in Sedimenten.
• Schwefel (S): befindet sich in vulkanischen und hydrothermalen Ablagerungen.
• Dimethylsulfid ((CH₃)₂S): entsteht in Meeren und beeinflusst das Klima.

Biologische Bedeutung von Schwefel

• Schwefel ist essentiell für das Wachstum und die Entwicklung von Organismen.
• Er ist Bestandteil von Aminosäuren wie Cystein und Methionin.
• Er ist wichtig für die räumliche Struktur von Proteinen durch Disulfidbrücken.
• Er ist Bestandteil von (Co)Enzymen, Vitaminen (z.B. Biotin, Thiamin) und Zellmembranen.
• Schwefel spielt eine Rolle bei Entgiftungsmechanismen, dem Abbau toxischer Substanzen (Glutathion).
• Schwefelhaltige Aminosäuren wirken antioxidativ, und sind bedeutsam im Immunsystem.
• In Pflanzen sind schwefelhaltige Abwehrstoffe und Pigmente (z.B. Raps) wichtig.
• Schwefel ist im mikrobiellen Energiestoffwechsel elementarer Bestandteil von Redoxreaktionen (Elektronenübertragung).

Der globale Schwefelkreislauf: Überblick

• Der Kreislauf verbindet marine, terrestrische und atmosphärische Pools und Flüsse.
• Der Schwefelkreislauf ist im Gegensatz zum Kohlenstoffkreislauf "umgekehrt".
• Der Pool und Fluss von Schwefel in verschiedenen Komponenten (Marine Sedimente, Terrestrische Böden, Atmosphäre, Ozean, Biota) sind unterschiedlich. Die Poolgröße und Austauschraten sind in der Grafik angegeben.

Schwefelbakterien

• Schwefelbakterien sind Mikroorganismen, die bei der Oxidation von Schwefel und Schwefelverbindungen eine Rolle spielen.
• Man unterscheidet verschiedene Gruppen z.B. Photoautotrophe, Chemolithoautotrophe.
• Photoautotrophe Schwefelbakterien nutzen Schwefelwasserstoff (H₂S) als Elektronendonor während der Photosynthese.
• Chemolithoautotrophe Schwefelbakterien oxidieren Schwefel und Thiosulfate als Energiequelle. Sie ernähren sich von inorganischen Verbindungen
• Riesenbakterien sind eine wichtige Gruppe mariner Schwefelbakterien.
• Schwefelbakterien spielen eine wichtige Rolle in hydrothermalen Schloten (Schwarze Raucher). Hier bilden sich Ökosysteme, die unabhängig von Sonnenlicht sind.

Schwefelkreislauf in Tiefsee-Ökosystemen

• Hydrothermale Schlote (Black Smoker) sind hydrothermal aktive Stellen, die Mineralien auflösen, und Schwefelwasserstoff (H₂S), Methan (CH₄) und Metalle ins Wasser freisetzen.
• Tiefseeökosysteme sind einzigartig, da sie unabhängig von Sonnenlicht sind.
• Die Energiequellen dieser Ökosysteme sind Schwefelwasserstoff (autotroph) und Methan (heterotroph).
• Die Gesamte Evertebratenfauna dieser Ökosysteme haben symbiotische Beziehungen mit Bakterien, die Schwefel oxidieren.

Schwefelkreislauf in marinen Sedimenten

• In marinen Sedimenten interagieren Schwefelverbindungen mit Oxidationsmitteln (z.B. nicht nur Sauerstoff) und organischem Kohlenstoff hochkomplex.
• Sulfatreduzierende Bakterien reduzieren Sulfat zu Schwefelwasserstoff (H₂S), um organische Substanz zu nutzen ("Sulfatatmung").

Terrestrischer Schwefelkreislauf

• Schwefel kommt in organischen und anorganischen Formen im Boden vor.
• Eintrag von Schwefel findet durch atmosphärische Deposition (Sauer Regen) statt.
• Sulfat (SO₄²⁻) ist die wichtigste Form, die von Pflanzen aufgenommen wird.
• Die Verfügbarkeit von Schwefel im Boden hängt vom pH-Wert und der Feuchtigkeit ab.
• Organischer Abbau setzt Schwefelwasserstoff (H₂S) frei, der in die Atmosphäre gelangt.
• Der terrestrische Schwefelkreislauf beeinflusst die Kreisläufe von Phosphor, Stickstoff und Kohlenstoff.

Atmosphärischer Schwefelkreislauf

• Emissionen von Schwefelwasserstoff (H₂S) entstehen durch biologische Prozesse, Vulkanismus und Industrieabfälle.
• DMS ist ein flüchtiges mikrobielles Abbauprodukt, welches durch Algen und Pflanzen entsteht.
• DMS wird in der Atmosphäre zu SO2 oxidiert und bildet Aerosole, welche die Wolkenentwicklung beeinflussen.
• Verbrennung fossiler Brennstoffe, Industrie- und Biomasseverbrennung sind die Hauptquellen für Schwefeldioxid (SO₂).
• SO₂ reagiert mit Sauerstoff und bildet Schwefelsäure (H₂SO₄), die in der Atmosphäre zu saurem Regen führt, der für Umwelt und Lebewesen schädlich ist.
• Der schwefelhaltige Eintrag durch Vulkanismus erhöht im Vergleich zur menschlichen Aktivität das Naturpotential.

Sulfat-Aerosolteilchen

• Gasförmige Schwefelsäure (H₂SO₄) ist hygroskopisch und bildet Aerosolteilchen sowie Kondensationskeime.
• Die stratosphärischen Aerosole streuen das Sonnenlicht.
• Sat bilden sich durch atmosphärische Reaktionen von Schwefelverbindungen wie Verbrennungsvorgänge (zB. Industrie, Verkehr) oder natürlich (zB. Vulkane).
• Schwefelsäure ist hochreaktiv und beeinflusst über die Bildung von Aerosolen die Wolkenbildung und das Klima.