Die Biogeochemie des Schwefels - eee201-handout7+(Pernthaler) PDF
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UZH
Jakob Pernthaler
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This document provides an overview of the biogeochemistry of sulfur, including various sulfur cycles and their biological significance. It offers details on different aspects of the topic, involving diagrams, tables, and other visual aids.
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Die Biogeochemie des Schwefels Jakob Pernthaler, Limnologische Station Kilchberg, IPBM [email protected] Danakil Depression, Äthiopien Überblick Was ist Schwefel? Biologische Bedeutung von Schwefel...
Die Biogeochemie des Schwefels Jakob Pernthaler, Limnologische Station Kilchberg, IPBM [email protected] Danakil Depression, Äthiopien Überblick Was ist Schwefel? Biologische Bedeutung von Schwefel Der globale Schwefelkreislauf: Überblick Schwefelbakterien Schwefelkreislauf in Tiefsee-Ökosystemen Schwefelkreislauf in marinen Sedimenten Terrestrischer Schwefelkreislauf Atmosphärischer Schwefelkreislauf Was ist Schwefel? Nichtmetallisch, gelb in reiner Form Vorkommen in der Natur als Element und in Verbindungen Schwefelanteil der Erde: etwa 0.03 %* (C :0.02%, N:0.03%, Fe 31%, O: 30%) Vorkommen in reiner Form in Vulkanen, heissen Quellen, Erzen Angereichert in fossilen Brennstoffen Unlöslich in Wasser, aber löslich in organischen Lösungsmitteln Verschiedene Oxidationsstufen: -2, +4, +6 Bildet Verbindungen mit Metallen und Nichtmetallen Reagiert leicht mit Sauerstoff * Jupitermond Io: 45% Oxidierte Schwefelverbindungen Schwefeldioxid (SO₂): Aus Vulkanen und Verbrennung fossiler Brennstoffe Schwefeltrioxid (SO₃): Oxidationsprodukt von SO₂ in der Atmosphäre Sulfat-Ionen (SO₄²⁻): Wichtige Form in Meerwasser und Mineralien Schwefelsäure (H₂SO₄): Starke Säure, bedeutend in Industrie und Umwelt (Sulfat-Aerosolteilchen) [Thiosulfate (S₂O₃²⁻): Entstehen durch Oxidation von Sulfidverbindungen] enthalten Schwefel in zwei unterschiedlichen Oxidationszuständen: Ein Schwefelatom mit Oxidationszahl von +5, das andere von -1 Reduzierte Schwefelverbindungen Schwefelwasserstoff (Sulfid, H₂S): anaerober Abbau S-haltiger organischer Stoffe, mikrobielle Respiration von Sulfat Metallsulfide (z.B. Pyrit, FeS2) Polysulfide (Sₙ²⁻): Bilden sich in reduzierenden Bedingungen in Sedimenten Schwefel (S₈): Elementarer Schwefel in vulkanischen und hydrothermalen Ablagerungen Dimethylsulfid (DMS, (CH3)2S): Entsteht in Meeren, beeinflusst das Klima Biologische Bedeutung von Schwefel Essentiell für das Wachstum und die Entwicklung von Organismen Element-Anteil an Biomasse (Stöchiometrie): Pflanzen: 0.1–1 %; Tiere: 0.15–0.25 % der Trockensubstanz Bestandteil von Aminosäuren Cystein Methionin Wichtig für die räumliche Struktur von Proteinen: Disulfidbrücken Bestandteil von (Co)Enzymen, Vitaminen (z.B. Biotin, Thiamin), Zellmembranen Biologische Bedeutung von Schwefel Essentiell für das Wachstum und die Entwicklung von Organismen Entgiftungsmechanismen, Abbau toxischer Substanzen (Glutathion) Bedeutung im Immunsystem: Schwefelhaltige Aminosäuren wirken antioxidativ In Pflanzen: schwefelhaltige Abwehrstoffe (Kohl) und Pigmente (Raps) Bedeutung im mikrobiellen Energiestoffwechsel: Redoxreaktionen (Übertragung von Elektronen: Oxidation, Reduktion) Schwefel ist nötig für die Bildung der Blütenfarbe beim Raps Der globale Schwefelkreislauf: Überblick Kreislauf verbindet marine, terrestrische und atmosphärische Pools und Flüsse Globaler Schwefelkreislauf – Pools und Flüsse Komponente Poolgrösse (Tg S) Fluss (Tg S/Jahr) Marine Sedimente 1,000,000 5 Terrestrische Böden 200,000 10 Atmosphäre 1 100 Ozean 1,300,000 70 Biota (Meere und Land) 2,000 variable Tg: Teragramm (106 Tonnen) Der globale Schwefelkreislauf: Überblick Vergleich Schwefel- und Kohlenstoffkreislauf Kohlenstoffkreislauf: Kleines Pool, grosse Flüsse Schwefelkreislauf: umgekehrt M: Pool (Masse) F: Fluss (Veränderung) Der globale Schwefelkreislauf: Überblick Komplex aufgrund der verschiedenen Oxidationsstufen der Schwefelverbindungen Der globale Schwefelkreislauf: Überblick Oxische und anoxische Prozesse Der globale Schwefelkreislauf: Überblick Oxische und anoxische biotische Prozesse Schwefelkreislauf: Anthropogene Aspekte Mensch nutzt vor allem Sulfide (Erze) und Sulfate (Gips, Anhydrid), es entsteht SO2, welches als saurer Regen auf die Erde zurückkehrt Reduktion von Schwefelemissionen: Entschwefelungsanlagen entfernen das bei der Verbrennung schwefelhaltiger Materialien (Kohle, Erdöl, Erdgas) entstehende SO2 direkt aus dem Rauchgas der Verbrennungsanlage. Der Grossteil des industriell produzierten Schwefels (z.B für Dünger) stammt aus diesen Entschwefelungsanlagen sowie aus der Entschwefelung von Erdgas (Methangewinnung) Schwefelbakterien: Die Winogradsky-Säule Experiment zur Untersuchung mikrobieller Stoffkreisläufe im Süsswasser Simulation natürlicher Bedingungen zur Sergei Winogradsky aerob (1856-1953) Kultivierung von Bakterien anaerob Entdecker der Schichten von Mikroorganismen bilden sich Chemoautotrophie in Reaktion auf Licht und Chemikalien Zeigt das Zusammenspiel zwischen Schwefelbakterien, Cyanobakterien und anderen Bakterien Grundlage für das Verständnis der Schwefelbakterien mikrobiellen Diversität und Biogeochemie Schwefelbakterien: Photoautotrophe Photoautotrophe Grüne und Schwefelpurpurbakterien: Nutzen Schwefelwasserstoff (H₂S) als Elektronendonor für die Photosynthese Lebensräume: Meist in anaeroben, lichtdurchlässigen Zonen von Gewässern Schwefelpurpurbakterium Chromatium Grünes Schwefelbakterium Chlorobium Schwefelbakterien: Photoautotrophe Chromatium Tiefenverteilung von Chromatium im Lago di Cadagno (Ticino) Schwefelbakterien: Chemolithoautotrophe Chemolithoautotrophe Bakterien oxidieren Schwefel und Thiosulfate als Energiequelle, sie “ernähren” sich also von inorganischen Verbindungen Riesenbakterien: im Süsswasser und marin Das Schwefelbakterium Thiomargerita magnifica ist das grösste Bakterium der Welt Schwefelbakterien: Chemolithoautotrophe Chemolithoautotrophe Bakterien oxidieren Schwefel und Thiosulfate als Energiequelle, sie “ernähren” sich also von inorganischen Verbindungen in sauren Böden, Sümpfen und Industrieabwässern (Thiobacillus) Erzlaugung: Thiobacillus kann den Schwefel in Erzen oxidieren und so reine Metalle (z.B. Kupfer) freisetzen Schwefelbakterien: Chemolithoautotrophe Chemolithoautotrophe Bakterien oxidieren Schwefel und Thiosulfate als Energiequelle, sie “ernähren” sich also von inorganischen Verbindungen “Kabelbakterien” in marinen Sedimenten und im Boden Bilden zentimeterlange Ketten durch die oxisch-anoxische Grenzschicht und leiten Strom über diese Distanzen Schwefelbakterien: Chemolithoautotrophe Chemolithoautotrophe Bakterien oxidieren Schwefel und Thiosulfate als Energiequelle, sie “ernähren” sich also von inorganischen Verbindungen “Kabelbakterien” in marinen Sedimenten Schwefelbakterien: Chemolithoautotrophe Chemolithoautotrophe Bakterien oxidieren Schwefel und Thiosulfate als Energiequelle, sie “ernähren” sich also von inorganischen Verbindungen “Kabelbakterien” im Boden Schwefelbakterien: Chemolithoautotrophe Chemolithoautotrophe Bakterien oxidieren Schwefel und Thiosulfate als Energiequelle, sie “ernähren” sich also von inorganischen Verbindungen Symbionten vieler mariner Evertebraten Der marine Oligochaet Olavius algarvensis lebt im grobkörnigen Sand in der Mittelmeerküste (“Meiofauna”). Er hat wie viele andere auch keinen Verdauungtrakt, sondern bezieht reduzierten Kohlenstoff von symbiontische Sulfid-oxidierer, die in einem “Trophosom” wachsen. Schwefelkreislauf in Tiefsee-Ökosystemen Hydrothermale Schlote (Black smokers): Wasser dringt in das Erdinnere ein und wird erhitzt, löst Mineralien auf Freisetzung von Schwefelwasserstoff (H₂S), Methan (CH₄) und Metallen ins Wasser “Rauch”:Metallsulfide Schwefelkreislauf in Tiefsee-Ökosystemen Einziges Ökosystem der Welt, das unabhängig von Sonnenenergie ist Energiequellen Schwefelwasserstoff (autotroph), Methan (heterotroph) Gesamte Evertebraten-Fauna mit symbiontische Schwefelbakterien Calyptogena Riftia Schwefelkreislauf in marinen Sedimenten Hochkomplexe Interaktionen zwischen Schwefelverbindungen, Oxidationsmittel (nicht nur O2!), und organischem Kohlenstoff Schwefelkreislauf in marinen Sedimenten Sulfatreduzierende Bakterien: Reduktion von Sulfat (SO₄²⁻) zu Schwefelwasserstoff (H₂S) zur Nutzung organischer Substanz („Sulfatatmung“) Schwefelkreislauf in marinen Sedimenten Biogeochemische Auswirkungen der Sulfatreduktion Sulfatreduktion verbindet marinen Schwefel- und Kohlenstoffkreislauf Reduzierte Schwefelverbindungen interagieren mit anderen Elementen wie Eisen und Mangan H₂S-Produktion trägt zur Bildung von Schwarzschichten in Sedimenten bei (Metallsulfide) Cyanobakterien Sulfatreduzierer (aerob) (anaerob) Schwefelpurpurbakterien Norddeutsches Wattenmeer (anaerob) Schwefelkreislauf in der marinen Wassersäule Zunehmend wachsende sauerstoffreie Zonen im Ozean (Düngung aus Flüssen) In Küstennähe teilweise bis knapp unter die Oberfläche (