Schwefelkreislauf

Grundidee und Bedeutung

Der Schwefelkreislauf ist das System der chemischen Umwandlungen von Schwefel und schwefelhaltigen Verbindungen sowie ihr Austausch zwischen Lithosphäre, Hydrosphäre, Atmosphäre und Biosphäre. Damit beschreibt er, wie Schwefel in Gesteinen, Gewässern, der Luft und in Lebewesen vorkommt, verändert und weitergegeben wird.

Wichtig ist der Kreislauf, weil Schwefel Bestandteil von Biomasse ist und von Lebewesen für ihren Baustoffwechsel benötigt wird. Viele Umsetzungen laufen biologisch ab, also durch Enzyme und Mikroorganismen. Dadurch verändert sich Schwefel ständig und der Kreislauf hat globale geochemische Bedeutung.

Vorkommen von Schwefel

Schwefel kommt in den oberen Schichten der Erde und in Lebewesen vor. Die Erdkruste, also die Lithosphäre, enthält im Mittel etwa 0,5 g S pro kg. Gewässer, also die Hydrosphäre, enthalten im Mittel etwa 0,93 g S pro kg. Lebewesen, also die Biosphäre, enthalten etwa 0,5 bis 2 g S pro kg.

In Lithosphäre, Hydrosphäre und Biosphäre liegt Schwefel vor allem als Sulfat (SO₄²⁻), Schwefelwasserstoff (H₂S), Metallsulfide und Metalldisulfide sowie elementarer Schwefel (S₈) vor. Diese anorganischen Stoffe sind weitgehend stabil und werden abiotisch, also ohne Beteiligung von Lebewesen, nur in geringem Maß chemisch umgesetzt. Schwefelverbindungen gelangen außerdem mit vulkanischen Gasen aus der Tiefe in die Atmosphäre.

Schwefel in Lebewesen

In Biomasse kommt Schwefel in organischen Verbindungen vor, besonders als Sulfhydrylgruppe (–SH) und in heterozyklischen Verbindungen. Sulfhydrylgruppen sind schwefelhaltige Gruppen in organischen Molekülen; heterozyklische Verbindungen sind ringförmige organische Verbindungen, in deren Ring nicht nur Kohlenstoffatome vorkommen.

Lebewesen setzen Schwefel und Schwefelverbindungen in ihrem Energie- und Baustoffwechsel in großem Umfang chemisch-enzymatisch um. Das bedeutet: Enzyme steuern Reaktionen, durch die Schwefel eingebaut, freigesetzt, oxidiert oder reduziert wird.

Aufnahme und Freisetzung

Bei der Sulfat-Assimilation wird Schwefel aus Sulfat (SO₄²⁻) in organische Stoffe eingebaut. Solche Stoffe sind zum Beispiel die Aminosäuren L-Methionin und L-Cystein mit Sulfhydryl-Gruppen (–SH) sowie schwefelhaltige Heterocyclen wie Biotin. Damit Sulfat eingebaut werden kann, muss es aktiviert werden: über Adenosinphosphosulfat entsteht 3′-Phosphoadenosin-5′-phosphosulfat (PAPS). Einige wenige Bakterien können elementaren Schwefel aus Schwefelquellen assimilieren.

Nach dem Absterben von Lebewesen wird der enthaltene Schwefel beim Abbau der Biomasse wieder freigesetzt. Dies geschieht durch organismeneigene Enzyme und Mikroorganismen, zum Beispiel Escherichia und Proteus. Dabei entsteht Schwefelwasserstoff (H₂S). Unter anoxischen Bedingungen, also ohne Sauerstoff, wie in schlecht durchlüfteten Böden oder sauerstoffarmen Gewässern, kann sich H₂S anreichern. Für die meisten Lebewesen ist Schwefelwasserstoff giftig.

Oxidation und Reduktion

Bei der Sulfid-Oxidation wird Schwefelwasserstoff durch bestimmte Mikroorganismen oxidiert. Aerobe, also sauerstoffnutzende, Sulfid-oxidierende Bakterien wie Beggiatoa und Thiovulum oxidieren H₂S mit Sauerstoff (O₂) zu elementarem Schwefel (S). Dabei wird Energie frei, die sie zur Assimilation von Kohlenstoffdioxid nutzen. Phototrophe anaerobe Bakterien wie Chromatium und Chlorobium können H₂S unter anoxischen Bedingungen in der anoxygenen Photosynthese als Reduktionsmittel verwenden und zu elementarem Schwefel oder Sulfat oxidieren. Für grüne Schwefelbakterien wird als Beispiel genannt: 6 CO₂ + 12 H₂S → C₆H₁₂O₆ + 1,5 S₈ + 6 H₂O.

Bei der Schwefel-Oxidation, auch Sulfurikation genannt, oxidieren bestimmte aerobe Bakterien wie Thiobacillus und Acidithiobacillus sowie Archaeen wie Acidianus elementaren Schwefel mit Sauerstoff zu Sulfat. Auch Schwefelwasserstoff kann direkt durch aerobe Sulfid-oxidierende Bakterien und Archaeen wie Sulfolobus mit Sauerstoff zu Sulfat oxidiert werden. Die Mikroorganismen gewinnen dabei Energie; diese Form der Energiegewinnung heißt Chemotrophie.

Bei der Desulfurikation, also Sulfatreduktion, reduzieren obligat anaerobe Bakterien, sogenannte Desulfurikanten wie Desulfovibrio und Desulfobacter, Sulfat zu Schwefelwasserstoff. Sie oxidieren dabei molekularen Wasserstoff (H₂) oder organische Stoffe zur Energiegewinnung. Das Sulfat muss dafür durch Bindung an Adenosinmonophosphat zu Adenosinphosphosulfat (APS) aktiviert werden. Bei der Schwefel-Reduktion nutzen bestimmte anaerobe Bakterien wie Desulfuromonas und Archaeen wie Pyrococcus elementaren Schwefel, der zu Schwefelwasserstoff reduziert wird.

Metalle und Vulkanismus

Schwefelwasserstoff kann in abiotischen Reaktionen mit Schwermetallionen, besonders Eisen(II)-ionen, Schwermetallsulfide bilden. Diese sind praktisch wasserunlöslich. Dadurch wird die Giftwirkung von Schwefelwasserstoff für Lebewesen vermindert.

Schwermetallsulfide können aber auch wieder aufgelöst werden. Eisen- und Sulfid-oxidierende Bakterien wie Acidithiobacillus ferrooxidans und Archaeen wie Acidianus greifen sie oxidativ an. Dabei wird das Sulfid mit Sauerstoff zu Sulfat oxidiert, und die Schwermetalle gehen als Ionen in Lösung. Auch hierbei gewinnen die Mikroorganismen Energie durch Chemotrophie.

Vulkanismus verbindet geologische Vorgänge mit dem biotischen Schwefelkreislauf: Schwefelwasserstoff gelangt mit vulkanischen Gasen aus dem Erdinneren an die Erdoberfläche und damit in die Biosphäre. Auch Schwermetallsulfide können mit hydrothermalen Lösungen aus dem Erdinneren an die Erdoberfläche gelangen und in biotische Stoffkreisläufe einbezogen werden.