Diagrama del ciclo del azufre
La reducción microbiana disimilatoria del sulfato a sulfuro es una vía terminal predominante de mineralización de la materia orgánica en los fondos marinos anóxicos. La oxidación química o microbiana del sulfuro producido establece una compleja red de vías en el ciclo del azufre, que conduce a especies intermedias de azufre y, en parte, de vuelta al sulfato. Las especies intermedias incluyen el azufre elemental, los polisulfuros, el tiosulfato y el sulfito, todos los cuales son sustratos para una posterior oxidación, reducción o desproporción microbiana. Los nuevos descubrimientos microbiológicos, como la transferencia de electrones a larga distancia a través de las bacterias cable oxidantes del sulfuro, añaden complejidad. Las reacciones de intercambio de isótopos desempeñan un papel importante para la geoquímica de isótopos estables y para el estudio experimental de las transformaciones del azufre mediante radiotrazadores. Los procesos catalizados por los microbios son parcialmente reversibles, por lo que la reacción de retorno afecta a nuestra interpretación de los experimentos con radiotrazadores y proporciona un mecanismo para el fraccionamiento isotópico. Aquí revisamos el progreso y el estado actual de nuestra comprensión del ciclo del azufre en el fondo marino con respecto a su ecología microbiana, biogeoquímica y geoquímica isotópica.
¿Por qué es importante el ciclo del azufre?
El drenaje ácido de las minas es otro grave problema medioambiental que suele estar asociado a la minería del carbón y de los metales, y a veces a actividades de construcción como la construcción de carreteras. En todos estos casos, la alteración física provoca la exposición de grandes cantidades de sulfuros minerales al oxígeno atmosférico. Esto hace que los sulfuros se oxiden a sulfato, proceso que va acompañado de la generación de grandes cantidades de acidez. Las aguas superficiales expuestas al drenaje ácido de las minas pueden acidificarse gravemente, hasta alcanzar un pH inferior a 3, lo que provoca graves daños biológicos y la degradación del medio ambiente.
El azufre es también un importante producto mineral, con muchos usos industriales en la fabricación. El azufre para estos fines se obtiene en gran medida limpiando el gas natural ácido de su contenido de H2S, y del control de la contaminación en algunas fundiciones de metales.
En algunos tipos de agricultura intensiva, los cultivos pueden estar bien fertilizados con nitrógeno, fósforo y otros nutrientes, y en tales casos puede haber una deficiencia de disponibilidad de sulfato. Dado que el sulfato es un nutriente importante para las plantas, puede ser necesario aplicarlo en forma de fertilizante que contenga sulfato. En Norteamérica, la fertilización con sulfato es más común en la agricultura de pradera.
Reservas de azufre en la biosfera
El azufre, un elemento esencial para las macromoléculas de los seres vivos, es liberado a la atmósfera por la quema de combustibles fósiles, como el carbón. Como parte del aminoácido cisteína, interviene en la formación de enlaces disulfuro dentro de las proteínas, que ayudan a determinar sus patrones de plegado tridimensional y, por tanto, sus funciones. Como se muestra en la Figura 1, el azufre circula entre los océanos, la tierra y la atmósfera. El azufre atmosférico se encuentra en forma de dióxido de azufre (SO2) y entra en la atmósfera de tres maneras: por la descomposición de moléculas orgánicas, por la actividad volcánica y los respiraderos geotérmicos, y por la quema de combustibles fósiles por parte de los seres humanos.
Figura 1. El dióxido de azufre de la atmósfera se pone a disposición de los ecosistemas terrestres y marinos cuando se disuelve en las precipitaciones en forma de ácido sulfúrico débil o cuando cae directamente a la Tierra en forma de lluvia. La meteorización de las rocas también pone los sulfatos a disposición de los ecosistemas terrestres. La descomposición de los organismos vivos devuelve los sulfatos al océano, al suelo y a la atmósfera. (crédito: modificación del trabajo de John M. Evans y Howard Perlman, USGS)
Ciclo del azufre en el suelo
El agua, que contiene hidrógeno y oxígeno, es esencial para todos los procesos vivos. La hidrosfera es la zona de la Tierra donde se produce el movimiento y el almacenamiento del agua: como agua líquida en la superficie (ríos, lagos, océanos) y bajo la superficie (aguas subterráneas) o hielo, (casquetes polares y glaciares), y como vapor de agua en la atmósfera. El carbono se encuentra en todas las macromoléculas orgánicas y es un componente importante de los combustibles fósiles. El nitrógeno es un componente principal de nuestros ácidos nucleicos y proteínas y es fundamental para la agricultura humana. El fósforo, componente principal de los ácidos nucleicos, es uno de los principales ingredientes (junto con el nitrógeno) de los fertilizantes artificiales utilizados en la agricultura, lo que tiene repercusiones medioambientales en nuestras aguas superficiales. El azufre, fundamental para el plegado tridimensional de las proteínas (como en la unión del disulfuro), se libera a la atmósfera por la quema de combustibles fósiles.
El ciclo de estos elementos está interconectado. Por ejemplo, el movimiento del agua es fundamental para la lixiviación del nitrógeno y el fosfato en ríos, lagos y océanos. El océano es también un importante depósito de carbono. Así pues, los nutrientes minerales circulan, rápida o lentamente, por toda la biosfera entre el mundo biótico y el abiótico y de un organismo vivo a otro.