第七章 硫的生物地球化学循环
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
源自文库
硫的生物地球化学循环的主要特征
• 在这些复杂的过程中，硫最重要的生物地球化学作用 是参与活有机体的功能。在生物能的催化作用下，硫从一 种氧化态转化为另一种氧化态（图7．2)。这样，生物圈 中的硫由于形成了各种各样的有机和无机化合物，改变了 硫化物的生物地球化学特性及其在大气分室、土壤分室和 水分室中的分配。元素硫经过硫氧化细菌、化学氧化成入 为合成作用可转化为硫酸盐。活的有机体特别是细菌则起 着改变其地求化学环境(Eh和pH)的作刀，每一微生物执行 着特定的化学氧化或还原作用。
另一个具有全球意义的硫矿物，是石膏(CaSO4·2H2O) 。它 的形成反应如下:
由于该反应需要结晶核的形成，因而是一个相对缓慢 的过程。通常，SO42-，’通过取代方解石中的CO32-， 即通过不均匀成核反应．形成石膏：
有趣的是，这一循环对大气圈中氧气的含量，具有 潜在的影响。因为，它把海洋沉积物(方解石)中固 定的CO32-置换到海水中，可以为光合浮游生物利 用．这等于促进了大气氧气的产生。当这些石膏沉 积物被带到地球表面，并进行风化作用：
在这个过程中，产生则不溶性化合物在海洋沉积 物中逐渐积累，形成具有经济意义的赤铁矿。 当人类活动或者其它过程把赤铁矿提到地表并进 行有关的风化作用，便完成了一个循环。有 关的风化反应如下：
事实上．在海洋沉积分室和土壤分室中，铁硫 化物的种类很多，除了赤铁矿(FeS2)外，还存在 无定形硫化铁(FeS)、马基诺矿(FeS0.9)和硫复铁矿 (Fe3S4)。例如．在土壤或沉积分室中，铁氧化物 如羧氧铁矿可与孔隙水中的H2S发生反应： 和 其结果是形成无定形硫化铁。无定形硫化铁 逐渐结晶，可转化为马基诺矿。
在绿色植物光合作用以及大气圈氧气升高的阶段到 来之前，经反应(7．5)产生的大部分H2S，能够被具 有光合能力的紫色和绿色硫细菌重新转化为硫酸根：
过程(7．9)往往比过程(7．10)要快，致使生物一 非生物复合系统中常常有元素硫的积累。然而， 在当今条件下，由于大气圈和水圈的氧化条件改 善，大部分H2S只是经简单的一系列氧化反 应．就可转化为硫酸根。主要的反应式如下：
基于我们前节的探讨．可以在全球水平上把地球分成 以下5个分室：以石膏[(CaSO4·2H2O)、]沉积为持征的氧 化沉积分室、以赤铁矿[FeS2]等含硫铁矿沉积为特征的 还原沉积分空、大气硫分室、海洋硫分室和土壤硫分 室．并基于稳定状态的硫循环，我们可得图7．4所示 的硫生物地球化学循环的基本模型。
硫的生物地球化学循环是生物圈最复杂的循环 之一，它包括了气体型循环和沉积型循环两个 重要的生物地球化学过程(见图7．1)。这是由 硫的生物地球化学基本特征所决定的、也是其 地球化学与生态化学过程(包括侵蚀、沉积、淋 溶、降水和向上的提升作用等)和生物学过程 (包括合成、降解、吸收、代谢和排泄作用等) 相互作用的结果。
厌氧微生物把硫酸根还原为硫化氢，以及硫化氢 的氧化作用，构成了硫的一个极其封闭式的循环。 它酷似光合作用与呼吸作用构成的循环。正是由 于这个特点，以及在全球尺度上只涉及光合作用 所产生肋一小部分碳，因而它的这一循环在全球 水平上并不特别重要。但是．当含有赤铁矿的海 洋沉积物中出现上述硫酸根的厌氧微生物还原， 则意味着开始了具有全球意义的生物地球化学循 环。在这些沉积物中，所谓的“无色细菌”在对 有机化合物进行氧化的同时，把赤铁矿中的铁(Fe) 以及硫酸根中的硫(s)进行还原：
例如：
• 硫的生物地球化学循环的重要特征，还涉及到一系列由酶 催化的氧化一还原作用，而酶通常含有Fe、Cu或某些其它 属。因此，硫生物地球化学循环的后果之一，是形成两种 重要的矿物：石膏和黄铁矿。在这种意义上，硫的生物地 球化学循环无疑是一类沉积型循环。此外，植物组分可以 改变硫的生物地球化学循环的方向。这主要是指植物吸收 土壤溶液或海水中的硫酸盐，并将其还原为有机硫化物如 半腕氨园、肮氨酸和蛋氨酸，它是许多蛋白质的基本成分 。可见，硫的生物地球化学在很大程度上受植物组分的影 响。因此，人类活动的目的在于如何增大这一支流的通量 。
例如，乳酸盐的呼吸代谢就是这样一个实例:
还有一些微生物，例如脱硫木醋杆菌(Desulfuromonas acetoxidans)，具有把元素硫氧化为H2S的功能： 在较浅的水体中，上述反应产生的H2S气体，常常 从水分室中逸出而输人大气分室，并导致类似“鸡 蛋腐败”的奥味。这是盐沼和湿地生态系统的特征。
第七章 硫的生物地球化学循环
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 循环的基本过程 循环的关键反应 工业革命前硫的循环 循环的现代库存和通量 硫的甲基化机制 不同生态系统中硫的循环
第一节 循环的基本过程 • 硫的生物地球化学循环的过程 • 硫的生物地球化学循环的主要特征
硫的生物地球化学循环的过程
从而完成了一个完整的循环。
第三节 工业革命前硫的循环
工业革命以前，硫的循环基本上是一自然生物地球化 学过程，它相对不受人为的干扰。因而，所涉及的化 合物基本上那是自然产生的。表7．1概述了自然界存 在的各种含硫化合物。不同的分室，由于生态环境条 件不同．硫的存在形态也不一样。在大气分空中，气 态的硫与颗粒态的硫，其形态也存在差异。
第二节 循环的关键反应
• 循环过程中的主要反应 • 主要含硫矿物的形成过程
循环过程中的主要反应
尽管硫是生物圈重要成分，但它最重要的生物地球化 学反应，却发生在硫的无机形态通过一2和十6氧化态 之间的相互转化，并在各种关键的氧化一还原反应中 起着电子受体或电子供体的作用。 例如，在富含有机质的缺氧水体中，硫酸还原细菌能 够利用硫酸根(SO42-)作为氧化剂，在把有机质氧化降解 为CO2的同时获得化学能。有关的反应如下：
2(H2S)g+O2→2S0+2H2O 2S0+2H2O+3O2→2SO42-+4H+
(7.11) (7.12)
固7．3表明，水一沉积物系统中H2S的氧化至少 存在三条路径。不过．光合自养细茵只局限于在 水深小于10一20m的地方生长，因而有关这一支 路的氧化只在局部范围内是重要的。
主要含硫矿物的形成过程
硫的生物地球化学循环的主要特征
• 在这些复杂的过程中，硫最重要的生物地球化学作用 是参与活有机体的功能。在生物能的催化作用下，硫从一 种氧化态转化为另一种氧化态（图7．2)。这样，生物圈 中的硫由于形成了各种各样的有机和无机化合物，改变了 硫化物的生物地球化学特性及其在大气分室、土壤分室和 水分室中的分配。元素硫经过硫氧化细菌、化学氧化成入 为合成作用可转化为硫酸盐。活的有机体特别是细菌则起 着改变其地求化学环境(Eh和pH)的作刀，每一微生物执行 着特定的化学氧化或还原作用。
另一个具有全球意义的硫矿物，是石膏(CaSO4·2H2O) 。它 的形成反应如下:
由于该反应需要结晶核的形成，因而是一个相对缓慢 的过程。通常，SO42-，’通过取代方解石中的CO32-， 即通过不均匀成核反应．形成石膏：
有趣的是，这一循环对大气圈中氧气的含量，具有 潜在的影响。因为，它把海洋沉积物(方解石)中固 定的CO32-置换到海水中，可以为光合浮游生物利 用．这等于促进了大气氧气的产生。当这些石膏沉 积物被带到地球表面，并进行风化作用：
在这个过程中，产生则不溶性化合物在海洋沉积 物中逐渐积累，形成具有经济意义的赤铁矿。 当人类活动或者其它过程把赤铁矿提到地表并进 行有关的风化作用，便完成了一个循环。有 关的风化反应如下：
事实上．在海洋沉积分室和土壤分室中，铁硫 化物的种类很多，除了赤铁矿(FeS2)外，还存在 无定形硫化铁(FeS)、马基诺矿(FeS0.9)和硫复铁矿 (Fe3S4)。例如．在土壤或沉积分室中，铁氧化物 如羧氧铁矿可与孔隙水中的H2S发生反应： 和 其结果是形成无定形硫化铁。无定形硫化铁 逐渐结晶，可转化为马基诺矿。
在绿色植物光合作用以及大气圈氧气升高的阶段到 来之前，经反应(7．5)产生的大部分H2S，能够被具 有光合能力的紫色和绿色硫细菌重新转化为硫酸根：
过程(7．9)往往比过程(7．10)要快，致使生物一 非生物复合系统中常常有元素硫的积累。然而， 在当今条件下，由于大气圈和水圈的氧化条件改 善，大部分H2S只是经简单的一系列氧化反 应．就可转化为硫酸根。主要的反应式如下：
基于我们前节的探讨．可以在全球水平上把地球分成 以下5个分室：以石膏[(CaSO4·2H2O)、]沉积为持征的氧 化沉积分室、以赤铁矿[FeS2]等含硫铁矿沉积为特征的 还原沉积分空、大气硫分室、海洋硫分室和土壤硫分 室．并基于稳定状态的硫循环，我们可得图7．4所示 的硫生物地球化学循环的基本模型。
硫的生物地球化学循环是生物圈最复杂的循环 之一，它包括了气体型循环和沉积型循环两个 重要的生物地球化学过程(见图7．1)。这是由 硫的生物地球化学基本特征所决定的、也是其 地球化学与生态化学过程(包括侵蚀、沉积、淋 溶、降水和向上的提升作用等)和生物学过程 (包括合成、降解、吸收、代谢和排泄作用等) 相互作用的结果。
厌氧微生物把硫酸根还原为硫化氢，以及硫化氢 的氧化作用，构成了硫的一个极其封闭式的循环。 它酷似光合作用与呼吸作用构成的循环。正是由 于这个特点，以及在全球尺度上只涉及光合作用 所产生肋一小部分碳，因而它的这一循环在全球 水平上并不特别重要。但是．当含有赤铁矿的海 洋沉积物中出现上述硫酸根的厌氧微生物还原， 则意味着开始了具有全球意义的生物地球化学循 环。在这些沉积物中，所谓的“无色细菌”在对 有机化合物进行氧化的同时，把赤铁矿中的铁(Fe) 以及硫酸根中的硫(s)进行还原：
例如：
• 硫的生物地球化学循环的重要特征，还涉及到一系列由酶 催化的氧化一还原作用，而酶通常含有Fe、Cu或某些其它 属。因此，硫生物地球化学循环的后果之一，是形成两种 重要的矿物：石膏和黄铁矿。在这种意义上，硫的生物地 球化学循环无疑是一类沉积型循环。此外，植物组分可以 改变硫的生物地球化学循环的方向。这主要是指植物吸收 土壤溶液或海水中的硫酸盐，并将其还原为有机硫化物如 半腕氨园、肮氨酸和蛋氨酸，它是许多蛋白质的基本成分 。可见，硫的生物地球化学在很大程度上受植物组分的影 响。因此，人类活动的目的在于如何增大这一支流的通量 。
例如，乳酸盐的呼吸代谢就是这样一个实例:
还有一些微生物，例如脱硫木醋杆菌(Desulfuromonas acetoxidans)，具有把元素硫氧化为H2S的功能： 在较浅的水体中，上述反应产生的H2S气体，常常 从水分室中逸出而输人大气分室，并导致类似“鸡 蛋腐败”的奥味。这是盐沼和湿地生态系统的特征。
第七章 硫的生物地球化学循环
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 循环的基本过程 循环的关键反应 工业革命前硫的循环 循环的现代库存和通量 硫的甲基化机制 不同生态系统中硫的循环
第一节 循环的基本过程 • 硫的生物地球化学循环的过程 • 硫的生物地球化学循环的主要特征
硫的生物地球化学循环的过程
从而完成了一个完整的循环。
第三节 工业革命前硫的循环
工业革命以前，硫的循环基本上是一自然生物地球化 学过程，它相对不受人为的干扰。因而，所涉及的化 合物基本上那是自然产生的。表7．1概述了自然界存 在的各种含硫化合物。不同的分室，由于生态环境条 件不同．硫的存在形态也不一样。在大气分空中，气 态的硫与颗粒态的硫，其形态也存在差异。
第二节 循环的关键反应
• 循环过程中的主要反应 • 主要含硫矿物的形成过程
循环过程中的主要反应
尽管硫是生物圈重要成分，但它最重要的生物地球化 学反应，却发生在硫的无机形态通过一2和十6氧化态 之间的相互转化，并在各种关键的氧化一还原反应中 起着电子受体或电子供体的作用。 例如，在富含有机质的缺氧水体中，硫酸还原细菌能 够利用硫酸根(SO42-)作为氧化剂，在把有机质氧化降解 为CO2的同时获得化学能。有关的反应如下：
2(H2S)g+O2→2S0+2H2O 2S0+2H2O+3O2→2SO42-+4H+
(7.11) (7.12)
固7．3表明，水一沉积物系统中H2S的氧化至少 存在三条路径。不过．光合自养细茵只局限于在 水深小于10一20m的地方生长，因而有关这一支 路的氧化只在局部范围内是重要的。
主要含硫矿物的形成过程