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Ciclo del azufre: qué es, ciclo biogeoqúimico, pasos e importancia

Ciclo del azufre

El ciclo del azufre es muy importante para la vida la en la Tierra ya que compone moléculas clave para los organismos. Es un tipo de ciclo biogeoquímico donde intervienen varios factores para que se produzca.

El azufre se encuentra en compuestos muy diferentes en todo el mundo: tanto en la atmósfera como en los océanos y en la tierra. Todas estas manifestaciones están conectadas en un ciclo.

Simplificado, el elemento primero se tritura como un mineral y luego se transfiere a una forma orgánica, luego los organismos lo transfieren hasta que finalmente ingresa a la atmósfera donde se oxida y regresa bajo la lluvia a la tierra y al mar.

El sistema de transformaciones químicas del azufre y los compuestos de azufre en la litosfera, la hidrosfera, la atmósfera terrestre y la biosfera, así como el intercambio de estas sustancias entre estas geoesferas.

Ciclo del azufre
Ciclo del azufre

Ciclo biogeoquímico del azufre

El azufre se encuentra en las capas superiores de la tierra y en los seres vivos. La corteza terrestre (rocas sólidas y sueltas, la llamada litosfera) contiene en promedio aproximadamente 0,5 g por kg, agua (hidrosfera) en promedio aproximadamente 0,93 g por kg, organismos vivos (biosfera) entre 0,5 y 2 g por kg.

El azufre llega a la superficie de la tierra con gases volcánicos desde abajo. El azufre se encuentra en las áreas anteriores (lito, hidro y biosfera) principalmente como sulfato (SO4 ), sulfuro de hidrógeno (H2S) y azufre elemental (S).

En biomasa se produce en compuestos orgánicos (como grupo sulfhidrilo -SH y en compuestos heterocíclicos). Las sustancias inorgánicas sulfato, sulfuro de hidrógeno y azufre elemental son en gran medida estables y experimentan reacciones químicas abióticas solo en un grado muy limitado.

Sin embargo, los organismos vivos metabolizan el azufre y los compuestos de azufre de manera química y enzimática en gran medida como parte de su energía y el cambio del material de construcción. Como resultado, el azufre está sujeto a un cambio biótico constante en un tipo de ciclo, el llamado ciclo del azufre, que es global y geoquímicamente significativo.

Ciclo del azufre
Ciclo biogeoquímico

¿Qué es el ciclo del azufre?

El azufre se pone principalmente en la forma de sulfato en la circulación. Las plantas absorben el azufre en forma de sulfato directamente a través de las raíces y lo metabolizan reduciendo los procesos a aminoácidos que contienen azufre (en este caso, el azufre está unido al sulfuro).

El azufre absorbido por las plantas se transmite al consumidor a través de la cadena alimentaria y se devuelve a través de los detritos. Los detritos son los residuos orgánicos de plantas y animales, que se descomponen en sustancias inorgánicas por destructores, primero por comedores de desechos como gusanos y ácaros, y luego por mineralizadores (bacterias, hongos).

A través de este proceso, el azufre unido al organismo regresa al ciclo del material. La mayor parte del azufre es devuelto a la circulación por esta descomposición.

Pasos del ciclo del azufre

Hay diferentes pasos que forman el ciclo del azufre donde intervienen diferentes elementos y reacciones. A continuación se detalla cada paso.

Ciclo del azufre
Pasos del ciclo del azufre

Asimilación de Sulfato

Algunos constituyentes de los seres vivos contienen azufre, a saber, sustancias orgánicas con grupos sulfhidrilo (-SH), como los aminoácidos L-metionina y L-cisteína, y heterociclos que contienen azufre, como la biotina.

Para su construcción, se asimila el azufre del sulfato. Para esto, el sulfato debe activarse mediante la unión a trifosulfato de adenosina a través de fosfosulfato de adenosina a 3′-fosfoadenosina-5′-fosfosulfato. Algunas bacterias pueden asimilar el azufre elemental de las fuentes de azufre.

Pudrición

Después de la extinción de los organismos vivos, el azufre que contienen en el curso de la degradación de la biomasa por las enzimas del organismo y por los microorganismos (como Escherichia y Proteus) liberados de la materia orgánica como sulfuro de hidrógeno.

En condiciones anóxicas, ya que prevalecen en suelos poco ventilados o en aguas con poco oxígeno, acumulan el sulfuro de hidrógeno así formado. Es venenoso para la mayoría de los seres vivos.

Oxidación del sulfuro

El sulfuro de hidrógeno es oxidado por el oxígeno (O2) al azufre elemental (S) por ciertas bacterias quimioutotróficas, aerobias, oxidantes de sulfuro (bacterias de azufre incoloras de, por ejemplo, el género Beggiatoa). Estas reacciones liberan energía que las bacterias utilizan para asimilar el dióxido de carbono.

El sulfuro de hidrógeno es utilizado por ciertas bacterias fototróficas (anaeróbicas) (por ejemplo, los géneros Chromatium) en condiciones anóxicas en la fotosíntesis anoxigénica como agente reductor para la asimilación del dióxido de carbono (CO2) y, por lo tanto, se oxida a azufre o sulfato elemental (bacterias moradas).

Oxidación del azufre

Las bacterias oxidantes del azufre o los sulfurantes son bacterias autótrofas que oxidan el sulfuro de hidrógeno y otros compuestos de azufre reducido como el tiosulfato para formar sulfato o azufre elemental.

La mayoría también puede oxidar el azufre elemental a sulfato. Las bacterias oxidantes de azufre no fototróficas constituyen un tipo metabólico, no una entidad filogenética. Por lo tanto, muchos grupos no están relacionados y se encuentran en taxones muy diferentes.

Las bacterias oxidantes del azufre a veces se denominan bacterias del azufre, pero este término es ambiguo y se aplica a varios tipos metabólicos de bacterias. Se distinguen dos grupos fisiológicos de bacterias oxidantes de azufre:

  • Bacterias oxidantes del azufre fotoautotróficas: estas bacterias tienen bacterioclorofila y el uso de sulfuro de hidrógeno y otros compuestos de azufre reducido como una fuente de electrones (reductor) para una fotosíntesis anoxigénica.
  • Bacterias oxidantes del azufre no fototróficas: estas bacterias satisfacen sus necesidades energéticas a través de la oxidación excesiva de azufre.
Ciclo del azufre
Reserva de azufre

Oxidación del sulfuro a sulfato

El sulfuro de hidrógeno es oxidado a sulfato por ciertas bacterias aerobias, oxidantes de sulfuro y arqueas con oxígeno. En esta reacción, se libera energía, que es utilizada por los microorganismos.

Desulfuración

Ciertas bacterias anaeróbicas se oxidan en condiciones anóxicas para producir energía molecular o materia orgánica con sulfato, que se reduce a sulfuro de hidrógeno. Para esto, el sulfato debe activarse mediante la unión al monofosfato de adenosina al fosfosulfato de adenosina.

Formación de sulfuros de metales pesados

El sulfuro de hidrógeno forma sulfuros de metales pesados ​​en reacciones abióticas con iones de metales pesados ​, que son prácticamente insolubles en agua. Esta conversión protege a los seres vivos de los efectos tóxicos del sulfuro de hidrógeno.

Disolución de sulfuro de metales pesados

Los sulfuros de metales pesados ​​son atacados oxidativamente por bacterias oxidantes de hierro y sulfuro y arqueas, y se disuelven en sulfato con la oxidación del sulfuro con oxígeno, donde los metales pesados ​​se disuelven como iones. Los microorganismos se benefician de esta energía de reacción.

El vulcanismo

El sulfuro de hidrógeno del interior de la Tierra llega a la superficie con gases volcánicos y, por lo tanto, también al ciclo biótico de azufre a la biosfera. Los sulfuros de metales pesados ​​también pueden alcanzar la superficie de la tierra con soluciones hidrotermales desde el interior de la tierra y, por lo tanto, también en ciclos de material biótico.

Ciclo del azufre
Vulcanismo

El elemento azufre

El azufre elemental se produce en casi todas las regiones volcánicas activas del mundo, especialmente en el Cinturón de Fuego del Pacífico y en miles de volcanes. La minería sustancial de este azufre volcánico se lleva a cabo en Japón, Taiwán, Indonesia, Nueva Zelanda y Chile.

Sin embargo, los depósitos de azufre elemental más grandes del mundo son sedimentarios y existen en domos salinos a lo largo del Golfo de México y en evaporitas en Italia, Europa del Este y Asia Occidental.

El azufre suele ser un componente de las rocas sedimentarias. Ocurre, entre otras cosas, en evaporitas (evaporación o rocas salinas), donde se produce por el envejecimiento metasomático de los sulfatos.

Una suposición alternativa a la metasomatosis es que las grandes apariciones de azufre en Louisana, Texas, y en parte también en la parte adyacente de México en el Golfo de México, donde en lugar de los depósitos extensos de yeso y azufre, aparecen por la bacteria reductora de sulfato . El carbono de la piedra caliza y el azufre atrapado de manera elemental son de origen biogénico.

Grandes cantidades de azufre natural son liberadas por las actividades directas y post volcánicas. Los cráteres volcánicos, los respiraderos, las fumarolas y los solfatares pueden ser tan sulfurosos que, si son técnicamente factibles y económicamente viables, se degradan.

El azufre es muy común como componente de cenizas andesíticas y dacíticas. En depósitos sulfúricos cerca de la superficie, el azufre se produce por la reacción del sulfuro de hidrógeno con oxígeno. Las ocurrencias individuales pueden ser de hasta 50 m de espesor.

Ciclo del azufre
Azufre

Dióxido de azufre y sulfato

El dióxido de azufre es un gas que puede ser tóxico para las plantas en concentraciones mucho más pequeñas que una parte por millón en la atmósfera, y para los animales en concentraciones más grandes.

Existen muchas fuentes naturales de emisión de dióxido de azufre a la atmósfera, tales como erupciones volcánicas e incendios forestales. Las grandes emisiones de este compuesto también están asociadas con actividades humanas, especialmente la quema de carbón y el procesamiento de ciertos minerales metálicos.

En la atmósfera, el dióxido de azufre se oxida a sulfato, un anión que se produce como una pequeña partícula en la cual las cargas negativas se equilibran electroquímicamente por las cargas positivas de los cationes, como el amonio, calcio, o ion de hidrógeno.

Estas partículas finas pueden servir como núcleos de condensación para la formación de cristales de hielo, que pueden asentarse desde la atmósfera en forma de lluvia o nieve, y entregar el sulfato a los ecosistemas terrestres y acuáticos. Si el sulfato se equilibra principalmente con el ión hidrógeno, la precipitación será ácida y puede dañar algunos tipos de ecosistemas de agua dulce.

Ciclo del azufre
Dióxido de azufre

La importancia del azufre

El azufre es uno de los componentes que componen las proteínas y vitaminas. Las proteínas consisten en aminoácidos que contienen átomos de azufre. El azufre es importante para el funcionamiento de las proteínas y las enzimas en las plantas y en los animales que dependen de las plantas para obtener azufre.

Las plantas absorben el azufre cuando se disuelve en agua. Los animales consumen estas plantas, por lo que consumen suficiente azufre para mantener su salud.

La mayor parte del azufre de la tierra está en rocas y sales o se encuentra enterrado en el océano en sedimentos oceánicos. El azufre también se puede encontrar en la atmósfera. Entra en la atmósfera a través de fuentes tanto naturales como humanas.

Los recursos naturales pueden ser, por ejemplo, erupciones volcánicas, procesos bacterianos, evaporación del agua u organismos en descomposición. Cuando el azufre entra a la atmósfera a través de la actividad humana, esto es principalmente una consecuencia de los procesos industriales en los que el dióxido de azufre y sulfuro de hidrógeno.

Ciclo del azufre
Recolección de azufre

Cuando el dióxido de azufre ingrese a la atmósfera, reaccionará con el oxígeno para producir gas trióxido de azufre, o con otros productos químicos en la atmósfera, para producir sales de azufre.

El dióxido de azufre también puede reaccionar con el agua para producir ácido sulfúrico. El ácido sulfúrico también se puede producir a partir de sulfuro de metilo, que es emitido a la atmósfera por especies de plancton.

Todas estas partículas volverán a asentarse en la tierra, o reaccionarán con la lluvia y caerán sobre la tierra como depósito de ácido. Las partículas volverán a ser absorbidas por las plantas y se liberarán de nuevo a la atmósfera, de modo que el ciclo del azufre comenzará de nuevo.

Depósitos de azufre

Los depósitos más importantes formados por la reducción bioquímica de sulfatos están en rocas sedimentarias, en las cuales el azufre se encuentra generalmente en capas de sedimentos anaeróbicos por desulfuración de bacterias.

El azufre producido bioquímicamente se produce en depósitos poderosos, por ejemplo en Sicilia, Polonia, Irak, Irán, Louisiana, Texas y México. El azufre lácteo podría detectarse en todo el mundo en alrededor de 1500 localidades.

Además de los depósitos ya mencionados, también se encontró azufre en varias regiones de Australia, América del Norte y del Sur, Asia y Europa. El azufre se encontró en muestras de minerales del fondo marino del Golfo de México, la cordillera del Atlántico medio y la cordillera del Pacífico oriental.

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Reserva de azufre

El azufre puro es relativamente raro, pero las erupciones volcánicas lo liberan en grandes cantidades. Se puede encontrar en respiraderos volcánicos u otros fenómenos post-volcánicos. El azufre se presenta sin cristales visibles a simple vista, especialmente en sedimentos o rocas sedimentarias.

De gran importancia económica son las llamadas cúpulas de azufre-sal en el Golfo de México, que consisten en anhidrita, que tienen una capa y un techo de piedra caliza y en las cuales el azufre es un mineral secundario en la zona de transición entre.

La piedra caliza y la anhidrita se precipitaron a partir de sulfuro de hidrógeno o sulfuros metálicos en solución. Las cúpulas más grandes están ubicadas en la región costera del Golfo de México en Luisiana y Texas y en el istmo mexicano de Tehuantepec.