ciclo dello zolfo

CICLO DELLO ZOLFO
Lo zolfo è contenuto in proteine, intermedi metabolici e vitamine.
Nelle proteine gli aminoacidi che contengono atomi di zolfo sono
metionina e cisteina. La disponibilità di zolfo è essenziale per il
mantenimento della vita. Come le piante non possono convertire N2
in composti utili, così non possono utilizzare lo zolfo elementare.
Dunque le piante dipendono dai batteri, in questo caso dai
chemiolitotrofi, che ossidano l’acido solfidrico che si origina dalla
mineralizzazione della s.o., in solfati:
Le piante sono capaci di assorbire i solfati e incorporarli nelle
proteine.
Immobilizazione dello zolfo o Riduzione assimilativa dello zolfo.
Quando è assorbito dalle radici delle piante, il solfato è convertito in
proteine contenenti zolfo. La riduzione assimilativa dei solfati può
avvenire in aerobiosi o in anaerobiosi, e può essere portata avanti da
microrganismi, piante, animali.
La maggior parte dello zolfo della terra è
contenuto nelle rocce o nei sedimenti
oceanici. Entra nell’atmosfera attraverso
fonti naturali (eruzioni vulcaniche,
processi microbiologici, evaporazione
dall’acqua, degradazione della s.o.) ed
umane (processi industriali attraverso cui
sono emessi SO2 e H2S).
Quando SO2 entra nell’atmosfera reagisce
con l’ossigeno producendo SO3, o reagisce
con acqua per produrre H2SO4.
Questi composti ritornano sulla terra
come deposizioni acide.
Forme di zolfo
presenti in natura
SO4 2-
solfato
SO32-
solfito
S2O3 2S
tiosolfato
zolfo elem
H2 S
solfuro
R-SH
S org.
CO2 + 2H2S --> CH2O + 2S + H2O
2CO2 + H2S + 2H2O --> 2(CH2O) + H2SO4
OSSIDAZIONE DELLO ZOLFO
Il solfuro è ossidato a S aerobicamente da specie di Thiothrix e
Beggiatoa e anaerobicamente da batteri rossi sulfurei, che sono
microrganismi acquatici.
Nel suolo, i batteri predominanti nella ossidazione dei solfuri a S
elementare appartengono al genere Thiobacillus. Anche molti tiobacilli
sono acquatici. Le reazioni generiche sono le seguenti.
CO2 + 2H2S -----> CH2O + 2S + H2O
2CO2 + H2S + 2H2O -------> 2(CH2O) + H2SO4
Beggiatoa e Thiothrix: solfobatteri
incolori, non fotosintetici, aerobi,
filamentosi, si muovono per
scivolamento, vivono in ambienti ricchi
di S. E’ difficile isolarli in coltura
pura, poichè ossidano solo H2S, che si
ossida anche all’aria. Filamenti
rifrangenti, ricchi di inclusioni S.
Altri batteri che ossidano lo zolfo appartengono al genere Thiobacillus.
Non accumulano granuli di zolfo entro la cellula. Sono chemiolitotrofi,
acidotolleranti.
2S + 3O2 + 2HOH  2H2SO4 (Thiobacillus thiooxidans)
12FeSO4 + 3O2 + 6HOH  4Fe2(SO4)3 + 4Fe(OH)3 (T.ferroxidans)
Certi thiobacilli (T.denitrificans) possono anche portare avanti una
respirazione anaerobica, usando nitrato come accettore terminale di
elettroni, mentre ossidano lo S elem. a solfato. Però mancano della
capacità di sintetizzare nitrato e nitrito riduttasi assimiliative, per cui
deve essere presente una fonte di ammonio per la sintesi cellulare.
Optimum pH per i Thiobacilli
T.intermedius
T.thiooxidans
T.ferroxidans
T.thioparus and T.denitrificans
pH 1.9 to 7.0
pH 2.0 to 3.5
pH 2.5 to 4.0
pH 7.0 to 8.5
L ossidazione dello
zolfo avviene a pH di
8.5 - 1.9, le specie
coinvolte variano,
ognuna ossidando lo
zolfo a solfato.
Dunque si ha una
"successione" di
specie man mano che
il pH del suolo di
abbassa a causa della
produzione di solfato.
OSSIDAZIONE ANAEROBIA DELLO ZOLFO
I composti ridotti dello S fungono da donatori di elettroni per la
fotosintesi. Non producono O2 perché non utilizzano H2O ma S poichè
utilizzano H2S.
La fotosintesi batterica è un processo anaerobio. I batteri hanno
batterioclorofille che assorbono a lunghezze d onda dell infrarosso:
700-900 nm.
Reazione generale:
CO2 + 2H2A(luce) (CHOH)+H2O+2A
I batteri fotosintetici
fotoossidano sostanze ridotte
dello S per vivere
autotroficamente riducendo la
CO2.
Batteri verdi: Clorobiaceae
(Chlorobium)
Batteri rossi: Ectothiorodospira
(depositi esterni di S),
Cromatium, Thiospirillum.
Riduzione dei solfati: Assimilativa e Dissimilativa:
• Assimilativa: il solfato è convertito a proteine
contenenti zolfo dopo essere 'attivato inizialmente dal
PAP (fosfoadenosin-5-fosfato).
• Dissimilativa. E una respirazione anaerobia: il solfato è
usato come accettore finale di elettroni e ridotto a
solfuro, mentre è ossidata s.o. che funge da donatore di
elettroni (lattato, etanolo, propionato etc., prodotti finali
della fermentazione di altri batteri anaerobi).
Importante perchè l energia è trasferita dai composti
del C ai solfuri, per essere poi rilasciata, quando
partecipano a reazioni ossidative in altre catene.
I batteri sono: Desulfovibrio, Desulfotomaculum,
Desulfomonas. Ubiquitari, hanno un vasto range di pH e
temperatura.. Sono presenti nel suolo, nei sedimenti
marini e lacustri.
ZOLFO
ORGANICO
mineralizzazione
Desulfovibrio
SO42-
H2 S
Thiobacillus
Thiobacillus
S
Solfobatteri incolori
(Beggiatoa)
e fotosintetici
(Chlorobium, Cromatium)
ATP
SO42-
2Pi
ATP
APS
ATP solforilasi
APS
riduttasi
SO32-
APS chinasi
ADP
PAPS
tioredossina
SO32-
solfito
riduttasi
S2-
escreto
(a)
3 NADPH
S2-
composti organici
solforati
(b)
Riduzione dello zolfo
Anaerobi facoltativi
(Campylobacter, Proteus,
Pseudomonas) riducono il
solfato a zolfo, poi gli
anaerobi (Desulfovibrio,
Desulfomonas, Archaeglobus,
Desulfobacter, Desulfococcus,
Desulfuromonas,
Desulfosarcina) riducono lo
zolfo a solfuro.
Il solfato non può essere
ridotto a meno che sia prima
attivato reagendo con ATP per
formare adenosin fosfosolfato
(APS). Dopo può essere
ridotto sia assimilativamente
che dissimilativamente.
CICLO DEL FOSFORO
Il P proviene dal dilavamento delle rocce. Il fosfato di roccia
commerciale si chiama apatite. Altri depositi sono rappresenati da
ossa fossili o escrementi di uccelli chiamati “guano”. Il dilavamento
e l’erosione delle rocce rilasciano gradualmente P come ioni fosfato
che sono solubili in acqua.
Tutti gli organismi richiedono P per sintetizzare fosfolipidi,
NADPH, ATP, acidi nucleici.
Il ciclo del P non ne altera lo stato di ossidazione. Si hanno solo
trasformazioni di P inorganico a organico o di P da insolubile a
solubile.
Nel suolo, il fosfato è adsorbito sulle particelle d’argilla e di
sostanza organica e viene così immobilizzato.
Le piante assorbono fosfato in forma ionica. Gli erbivori ottengono
P dalle piante e i carnivori dagli erbivori. Gli erbivori e i carnivori
rilasciano P come prodotto di scarto negli escrementi. P è rilasciato
di nuovo al suolo attraverso l’azione batterica di degradazione della
sostanza organica ed il ciclo si ripete.
P rappresenta l’agente limitante della crescita delle piante e delle
alghe.
Le influenze umane nel ciclo del P sono rappresentate principalmente
dalla introduzione e dall’uso di fertilizzanti commerciali di sintesi. Il
fosfato si ottiene dalle miniere dove sono depositi di fosfato di calcio
chiamato apatite. Grandi quantità di acido solforico sono usate nella
conversione del fosfato di roccia a prodotto fertilizzante chiamato
"super fosfato".
Le piante possono non utilizzare tutto il fosfato somministrato come
fertilizzante e molto di questo si perde e dal suolo può finire nei fiumi e
nel mare e precipitare nel fondo come sedimento.
FOSFORO
ORGANICO
Mineralizzazione:
molti
microrganismi
diversi
Assorbimento
dei fosfati
nella biomassa
di piante,
microrganismi
e animali
Fosfato
solubile:
PO43-
Fosfato
fissato nei
costituenti
del suolo