ĆWICZENIE X

PRZEMIANY ZWIĄZKÓW SIARKI W GLEBIE - OBIEG S W GLEBIE

CZEŚĆ TEORETYCZNA

S dostarczana jest do gleby ze:

skał macierzystych;

z atmosfery;

z nawozów mineralnych i preparatów grzybobójczych;

z wód gruntowych.

Siarka występuje głównie w skałach - wchodzi w skład 2000 minerałów, w których stanowi 7 do 53%.

Zawartość S w większości gleb waha się od 20 do 2000 µg g-1 (mg kg-1).

W glebach wulkanicznych i murszowatych zawartość siarki zwykle przekrocza 3000 mg kg-1.

W glebach pustynnych zawartość siarki może przekraczać 10000 mg kg-1.

Siarka dostaje się do gleby w ilości 1-10 kg ha-1 rok-1.

Do atmosfery wprowadzane jest 65 milionów ton zanieczyszczeń siarki.

Do gleby w

• 75% trafia w postaci organicznej (resztki roślinne i zwierzęce) głównie w postaci białka (0,14% w słomie pszenicy, 0,3% w słomie lucerny);

• w 10% - 10-20 mg S/1kg gleby w związkach mineralnych

głównie w postaci siarczanów.

Średni stosunek C:N:S w glebach wynosi 130:10:1

(90:8:1 dla gleb użytkowych rolniczo, 200:12:1 dla leśnych).

Stosunek C:S w SOM nie jest stały (w przeciwieństwie do stosunku C:N).

Immobilizacja siarki następuje, gdy stosunku C:S rozkładanych resztek roślinnych wynosi 400:1 (0,1% S), gdy stosunek ten wynosi 200:1 (0,2% S) siarka jest uwalniana do środowiska.

Frakcja nieorganiczna siarki jest znacząca jedynie w glebach obszarów suchych (aridisols).

Straty S z gleby związane są z:

-

wynoszeniem S z plonem 10-50 kg/ha

-

wymywaniem

2-60 kg/ha

Obieg S przypomina obieg N.

jest powolniejszy, gdyż rośliny i drobnoustroje wykorzystują mniejsze ilości S

W glebie wyróżnia się 4 grupy fizjologiczne prowadzące procesy:

mineralizacji związków organicznych

asymilacji siarczanów

utleniania S i H2S

redukcji siarczanów

SO 2-

4

Utlenianie

Redukcja asymilacyjna

Tlenowe (bezbarwne bakterie siarkowe, heterotrofy)

Beztlenowe (bakterie fotosyntetyzujące)

So

Redukcja dysymilacyjna

Związki

Organiczne

(aminokwasy,witaminy, koenzym A)

Utlenianie

Desulfurylacja

Tlenowe (bezbarwne bakterie siarkowe, heterotrofy)

(mikroorganizmy)

Beztlenowe (bakterie fotosyntetyzujące)

S2-

Rozkład organicznych związków S

W resztkach roślinnych i zwierzęcych S związana jest z aminokwasami, witaminami, estrami siarkowymi, połączona z mocznikem, glukozydami, niektórymi alkaloidami w kompleksie ze związkami humusowymi.

Średnio ok. 50% (75% -30% zmniejszający się z głębokością) ogólnej ilości organicznej siarki glebowej stanowią estry siarczanowe.

W estrach siarczanowych siarka jest przyłączona do rdzenia organicznego poprzez wiązania z tlenem i azotem.

Estrami siarczanowymi są agar (ester kwasu siarkowego i galaktanu) i sulfolipidy Większy udział estrów siarczanowych w ogólnej ilości organicznej siarki glebowej występuje na mniejszej głębokości – zmniejsza się z głębokością (np. więcej na 0,5 m niż 1,5 m).

Związki C-S i estry siarczanowe są głównymi typami siarki wchodzącymi w skład glebowej substancji organicznej (SOM).

Głównym źródłem związków C-S w glebach są aminokwasy (30% S glebowej): cysteina, cystyna, metionina.

Inne glebowe związki C-S to kofaktory (biotyna, tiamina, koenzym A); białka Fe-S (ferrodoksyny); kwasy limonowe.

Siarka stanowi ok. 40% biomasy grzybowej i 10% biomasy bakterii.

Grzyby magazynują siarkę w postaci siarczanu choliny.

Sulfatazy zlokalizowane są w ścianie komórkowej bakterii G+ i przestrzeniach peryplazmatycznych bakterii G-.

Mineralizacja siarki zawartej w aminokwasach może zachodzić z udziałem desulfhydrazy cysteinowej lub serynowej katalizującej reakcję w dwóch kierunkach.

Metionina może ulegać degradacji do takich lotnych związków jak merkaptan (CH3SH) i NH3.

Korelacja zachodzi pomiędzy ilością siarki pobraną przez rośliny a ilością S ekstrahowalną NaHCO3, którym można wyekstrahować świeżo zimmobilizowaną siarkę.

Rośliny nie reagują na dodatek siarki, gdy zawartość w nich S redukującej się HJ wynosi 10% (27% dla rzepy).

W tkankach roślin siarczany, które nie zostały zainkorporowane w aminokwasy są magazynowane w tkankach w postaci SO 2-4 lub

glukozynolanów ( Brassicaceae).

Aminokwasy rozkładane są przez bakterie, promieniowce i grzyby (głównie rodzaje: Pseudomonas, Serratia, Clostridium), które wytwarzają H

2-

3-

2S, SO3 ,SO4 , a w warunkach beztlenowych merkaptany

desulfurylacja

cysteina

kwas propionowy + H2S + NH3

H2S może powstawać w warunkach beztlenowych i tlenowych.

UTLENIANIE ZWIĄZKÓW S

Może odbywać się na drodze nie biologicznej pod wpływem tlenku Fe

3H2S + Fe2O3

2FeS +3H2O + S, ale przeważa utlenianie biologiczne

Mikroorganizmy utleniające nieorganiczne związki S można ogólnie podzielić na: 1.

Obligatoryjne chemolitotrofy – czerpią energię z utleniania nieorganicznych związków S

a C z CO2

2.

Fakultatywne chemolitotrofy – zdolne do chemolitoautotroficznego heterotroficznego wzrostu oraz jednocześnie wykorzystują nieorganiczne związki S i substraty organiczne dla uzyskiwania energii oraz CO2 i związki organiczne jako źródło C

3.

Fotolitoautotrofy - czerpią energię z promieniowania świetlnego, a C z CO2. Nieorganiczne związki S są donorami elektronów dla tworzenia siły asymilacyjnej (redukcja NAD).

4.

Heterotrofy – u których fizjologiczna rola utleniania nieorganicznych związków S nie jest całkowicie wyjaśniona. Fizjologiczne utlenianie siarczku powoduje redukcję toksycznego H2O2 u nie posiadających katalazy mikroorganizmów ( Pseudomonas, Saccharomyces).

Etapy utleniania

1

2

4

S2-

So(n)

SO 2-

2-

3

SO4

7

3

5

6

8

AMP

ADP

S

2-

2O3

APS

9

S

2-

4O6

1.

reduktaza siarczek:cytochrom C

2.

enzym utleniający S

3.

odwrotna reduktaza siarczynowa

4.

oksydaza siarczynowa

5.

APS reduktaza

6.

ADP sulfurylaza

7.

Reduktaza tiosiarczanowa

8.

Rodanaza

9.

Enzym utleniający tiosiarczan

S2-

So(n) utlenianie zredukowanych związków S przez Thiobacillus i bakterie fotosyntetyzujące, wymaga obecności cytochromów b, c, d ( Thiobacillus concretivorum).

Thiobacillus denitryficans używa kompleksu cytochrom cd jako oksydazę terminalną So(n)

SO 2-

3 w obecności dostępnego GSH (glutationu) atomy siarki (spolimeryzowanej w formie n=8) są kolejno utleniane do SO 2-3

SO 2-

2-

3

SO4 działają 2 enzymy:

• niezależna od AMP oksydaza siarczynowa zawierająca Fe niehemowe ( Th. thioparus)

• reduktaza adenozyno 5’fosfosiarczanu

S

2-

2O3

S4O62- rodanaza katalizuje przeniesienie zewnętrznych atomów S tiosiarczanu do akceptorów tj. cyjanek, glutation czy białko w formie grupy nadsiarczkowej.

Rodanaza występuje jako enzymatycznie aktywny polimer, w którym monomery powiązane są mostkami dwusiarczkowymi.

Każdy z dwóch atomów S w cząsteczce tiosiarczanu po rozbiciu wiązania S-S jest dalej utleniany poprzez szlaki enzymatyczne.

Autotrofy utleniające S dzielimy na 2 podstawowe grupy:

Chemosyntetyzujące

Fotosyntetyzujące

Autotrofy chemosyntetyzujące (należą do 2 odrębnych rodzin):

1.

Thiobacteraceae (bezbarwne – nie nitkowe)

2.

Beggiatoaceae (bezbarwne – nitkowe)

Thiobacteraceae reprezentowane są głównie przez rodzaj Thiobacillus oraz Thiobacterium, Thiospira, pałeczki G-, nie przetrwalnikujące, nie magazynują S, a przy błonie cytoplazmatycznej tworzą ziarenka ciał lipidowych W glebach słabo zakwaszonych bytuje Thiobacillus thioparus i Thiobacillus denitryficans.

Thiobacillus thioparus wybitny tlenowiec korzysta z O2 wolnego:

2S +3O2 + 2H2O

2H2SO4 + 283 kcal

Na2S2O3 + O2 + H2O

Na2SO4 + H2SO4 +211 kcal

W glebach silnie zakwaszonych (2-3,5) bytuje Thiobacillus oxidans, Thiobacillus ferrooxidans.

Beggiatoaceae – utleniają H2S, gromadzą S wewnątrz komórek zużywając ją stopniowo.

Reprezentowane przez: Beggiatoa, Thiotrix, Thioploca

2H2S + O2

2S + 2H2O

2S + 3O2 + 2H2O

2H2SO4

wymagają obecności dwuwęglanu wapnia i zasady wapniowej jako źródła CO2, działają głównie w wodach.

Thiobacillus thioparus uzyskuje z utleniania tiocyjanianu 220 kcal energii.

Utlenianie siarki nie ma znaczenia detoksyfikującego H2O2 u Thiobacillus spp.

W glebach obojętnych i alkalicznych za utlenianie siarki odpowiadają głównie Arthrobacter, Pseudomonas, Trichoderma.

Autotrofy fotosyntetyzujące

1.

zielone - Chlorobacteriacea – beztlenowce

2.

purpurowe – Chromatiaceaae – beztlenowce

CO2 + 2H2S

(CH2O) + H2O + 2S

3CO

2-

2 + 2S + 2H2O

3(CH2O) + 4H+ + 2SO4

Mogą też wiązać N2.

Chlorobacteriacea – Chlorobium, Chloropseudomonas, Pelodictyon zawierają barwnik bakteriowirydynę podobną do chlorofilu, nie tworzą kolonii, a S gromadzą w środowisku zewnętrznym;

Chromatiaceaae – reprezentowane przez Chromatium, Thiocystis, Thiodyction, Thiocapsa, zawierają bakteriochlorofil oraz żółte i czerwone karotenoidy i fikobiliny.

REDUKCJA SIARCZANÓW

Odbywa się na drodze anabolicznej (asymilacyjnej) i dysymilacyjnej

Redukcja asymilacyjna

Siarkę większość bakterii czerpie z jonów SO 2-

4 . W biogennych związkach organicznych S występuje w postaci

zredukowanych grup sulfhydrylowych (tiolowych –SH).

Siarczany są pobierane czynnie przy udziale swoistej permeazy.

Przed włączeniem do związków organicznych SO 2-

4 musi być zredukowany na S2-.

Do zredukowania 1 cz. SO 2-

4 wymagane są 2 cz. ATP.

ATP PPi

ATP ADP

SO 2-

2-

4

APS

PAPS

SO3

S2-

Cysteina

1

siarczan 2

siarczan 3

4

5

adenilowy

3’-fosfoadenilowy PAP

6

2-

(kwas 3’-fosfoadenilowy) S2O6

1.

transferaza siarcznowo – adenylowa

2.

kinaza APS (transferaza ATP 3’fosfoadenoilosiarczanowa)

3.

reduktaza PAPS

4.

reduktaza siarczynowa

5.

syntetaza cysteinowa lub o-acetyloserynowa

6.

reduktaza tiosiarczanowa

Bakterie mogą też korzystać z bardziej zredukowanych związków np. siarczynów lub gotowych związków organicznych zawierających S.

Cysteina może powstawać w dwóch szlakach: poprzez kompleks tioredosyna-siarczyn (Tr-SO3-), gdzie siarczyn jest redukowany przez NADH do HS-.

Pewne wymagają jako składnika pokarmu S zredukowanej w postaci: SO 2-

3 , tiosiarczanów lub związków organicznych zawierających

S (aminokwasów – cysteiny lub metioniny, witamin, biotyny)

Redukcja dysymilacyjna

Zachodzi w warunkach beztlenowych, w glebach zalewnych w wyniku rozwoju takich bakterii jak: Desulfovibrio desulfuricans.

Są to mezofile redukujące SO 2-

4 do S2- przy pH wyższym niż 5,5 (opt. 30oC).

Akceptorem H dla Desulfovibrio oprócz SO4 2- mogą być tiosiarczany, siarczany i So Źródłem energii – węglowodany, alkohole i kwasy organiczne.

Desulfovibrio, Desulfomonas, Desulfosarcina wykorzystują kwasy organiczne i alkohole jako donory elektronów.

Może utleniać wolny H2 – zdobywając energię, czyli zachowywać się jak litotrof.

W zależności od warunkach może być litotrofem lub organotrofem.

SO4 2- redukowany przez nieliczne drobnoustroje

S

2-

2-

2O3 , SO3 - przez wiele bakterii, promieniowców, grzybów

Oprócz zredukowanych form S powstaje H2O.

W szlaku dysymilacyjnej redukcji siarczanów brak 3’-fosfoadenozyno-5’-fosfosiarczan (PAPS) i tworzone jest adenozyno-5’-

fosfosiarczan (APS).

Bakterie redukujące siarczany w warunkach beztlenowych mogą degradować związki aromatyczne (benzoesan, katechole, indole, chlorofenole).

Obok soli kwasów organicznych i węglowodanów

bakterie te mogą używać, jako donory H: tłuszcze, woski, węglowodory naftowe, związki cykliczne.

Dysymilacyjna redukcję S przeprowadzają bakterie należące do kilku rodzajów:

Rodzaj

Utleniany związek

Desulfovibrio

mleczan, octan, alkohole

Desulfomaculum,

Desulfomonas,

benzoesan, kwasy tłuszczowe

Desulfococcus,

octan

Desulfobacter,

mleczan, propionian

Desulfobulbus,

Desulfosarcina,

kwasy tłuszczowe

Desulfonema,

Desulfuromonas

octan

W wyższych temperaturach (55oC) działają termofile tj.:

Clostridium nigrificans, Desulfomaculum, Bacillus megatherium, Pseudomonas zielinski.

W komorach fermentacyjnych można powstrzymać tworzenie H

2-

2S poprzez dodatek łatwiej wykorzystywanego niż SO4

akceptora

elektronów, jakim jest NO -

3 .Efektem nagromadzenia nadmiaru siarczynów jest choroba akiochi ryżu.

CZEŚĆ PRAKTYCZNA

UTLENIANIE SIARKI ELEMENTARNEJ

Pożywkę Jakobsona zawierającą siarkę elementarną (źródło energii)

i CaCO3 (źródło węgla) należy zaszczepić 5,0 ml rozcieńczenia gleby 10-1.

Jedną z prób należy uzupełnić roztworem glukozy tak, by uzyskać stężenie 1% w/v.

Po okresie inkubacji w płynie po hodowli (po odwirowaniu osadu) oznaczyć zawartość siarczanów.

Oznaczanie stężenia siarczanów:

Pobrać 5 ml płynu po hodowli (po odwirowaniu osadu) do kolby miarowej na 25 ml.

Dodać:

2,5 ml 25 % kwasu azotowego,

2,0 ml kwasu octowo- fosforowego

12,5 ml H2O (dopełnić do 22,0 ml)

Zakorkować i wstrząsnąć:

Następnie dodać kolejno:

0,5 ml zawiesiny siarczanu baru

1,0 g krystalicznego chlorku baru

Zakorkować i wstrząsnąć 3 razy. Powtórzyć wytrząsanie po 10 min. (ok.10 razy) i po 5 min. (ok. 5 razy) Dodać: 1,0 ml zawiesiny gumy arabskiej, 1,5 ml H2O (dopełnić do 25,0 ml) i dopełnić do kreski i wymieszać 3-krotnie.

Pozostawić w spokoju przez 1,0 godz. Po tym czasie wstrząsnąć kolbę 10 razy i wlać płyn do kuwety. Zmierzyć zmętnienie przy 440 nm.

Odczytać ilość powstałego siarczanu z krzywej wzorcowej, którą należy sporządzić w ten sam sposób, dodając zamiast płynu po hodowli odpowiednią ilość (0, 1, 3, 5, 7, 9, 11 ml) wypracowanego standardu; po dodaniu 2,5 ml 25 % kwasu azotowego i 2,0 ml kwasu octowo- fosforowego poszczególne wzorce do sporządzenia krzywej dopełnić H2O do 22,0 ml dodając odpowiednio: (0,

16,5; 14,5; 12,5; 10,5; 8,5;

6,5 ml),

dalej postępować identycznie jak przy oznaczaniu prób właściwych.

So tworzy kilka odmian alotropowych: 2 podstawowych: ortorombowa S-α, jednoskośna S-β oraz kilku nietrwałych

S-α zbudowana z pierścieni ośmioczłonowych o kształcie korony: pionowo S-S-2,04Ao, poziomo S-S-S-S -107,5 Ao,

S koloidalna powstaje po szybkim ochłodzeniu par S-następuje kondensacja do postaci drobnego, żółtego proszku-kwiatu siarczanego złożonego z bezpostaciowej S, która w podwyższonej temperaturze przechodzi w S krystaliczną.

Siarczan barowy BaSO4 (szpat) ciężki baryt – jest bardzo trudno rozpuszczalny w wodzie – 0,2 mg/100g H2O w temperaturze 20oC, natomiast rozpuszcza się w stężonym kwasie siarkowym. Na tworzeniu tego związku opiera się m.in. rozpoznawanie jonów siarczanowych jak i barowych. W temperaturze topnienia -1350oC odznacza się dobrą trwałością białej barwy na powietrzu i jest chemicznie bierny. Z uwagi na wysoki ciężar atomowy baru i związaną z tym silną absorpcją promieni rentgenowskich stosowany jest jako środek kontrastowy przy prześwietlaniu przewodu pokarmowego. Stosowany też, jako biała farba mineralna i jako środek obciążający przy produkcji papieru.

Siarczan barowy K2SO4 – sól bezwodna o rozpuszczalności 12,0 g /100g H2O w temperaturze 20oC i 24,1 g /100g H2O w temperaturze 100oC.