Zwavelkringloop.
De zwavelkringloop is de beweging van het element zwavel tussen gesteenten, oceaan, atmosfeer en organismen. De belangrijkste natuurlijke bronnen zijn vulkanen en het oceaanoppervlak. Bacteriën spelen een centrale rol bij de omzetting tussen verschillende vormen.
- Belangrijke vormen
- Sulfaat (SO42−), waterstofsulfide (H2S), zwaveldioxide (SO2), DMS (dimethylsulfide), elementaire zwavel (S).
- Natuurlijke bronnen
- Vulkanisme, hydrothermale bronnen, DMS uit zeeplankton, verwering van zwavelhoudend gesteente.
- Bacteriën
- Sulfaatreducerende en zwaveloxiderende bacteriën schuiven zwavel tussen oxidatietoestanden.
- Mens
- SO2-uitstoot uit verbranding van fossiele brandstoffen, vooral kolen — bron van zure regen.
Vormen van zwavel
Zwavel komt in verschillende oxidatietoestanden voor. In gesteenten zit het vooral als sulfide (bijvoorbeeld in pyriet, FeS2) of als sulfaat. In de atmosfeer treft men vooral SO2 en sulfaataerosolen aan; in zeewater is sulfaat een belangrijk opgelost ion. Levende organismen bouwen zwavel in als bestanddeel van enkele aminozuren (cysteïne, methionine).
De omzetting tussen vormen verloopt grotendeels door bacteriën. Onder anaerobe omstandigheden — moerassen, waddenslib, oceaansediment — reduceren bacteriën sulfaat tot waterstofsulfide (H2S, het gas dat naar rotte eieren ruikt). In aerobe milieus oxideren andere bacteriën H2S terug tot sulfaat. Deze redoxreacties leveren energie aan de bacteriën en sluiten de kringloop.
Vulkanen, oceaan en atmosfeer
Vulkanen brengen zwavel in de atmosfeer als SO2. Een grote uitbarsting kan voor jaren een meetbare hoeveelheid sulfaataerosolen in de stratosfeer brengen, met een lichte koelende werking op het klimaat. Het oceaanoppervlak levert zwavel via DMS, een gas dat door zeeplankton wordt geproduceerd. DMS oxideert in de lucht tot sulfaatdeeltjes die fungeren als kernen voor wolkdruppels — een feedback tussen oceaankringlopen en bewolking.
Zwaveldeeltjes en zwavelhoudende verbindingen blijven niet lang in de atmosfeer. Ze regenen uit als sulfaat in neerslag, en komen zo terug op het land en in zee.
Verzuring
SO2 reageert in vochtige lucht tot zwavelzuur (H2SO4). Samen met salpeterzuur uit NOx levert dit zure regen op, die in de twintigste eeuw bossen, meren en gebouwen in Europa en Noord-Amerika beschadigde. Vanaf de jaren tachtig is de SO2-uitstoot in Europa fors verminderd door regelgeving op brandstofkwaliteit en rookgasreiniging. De zure regen is daardoor sterk afgenomen — een van de duidelijkste voorbeelden van een effectief milieubeleid.
Zwavel in ecosystemen
Voor planten is zwavel meestal ruim voorbeschikbaar in de bodem als sulfaat. Tekorten komen voor op zwak ontwikkelde of zandige bodems. In paradoxaal verband heeft de afname van zure regen op sommige landbouwgronden tot zwavelgebrek geleid: vroeger werd via depositie genoeg sulfaat aangevoerd, nu moet het soms via bemesting.
In oceaansediment leven sulfaatreducerende bacteriën die uitgebreide systemen vormen onder de zeebodem. Op hydrothermale bronnen op de oceaanbodem leven gemeenschappen die hun energie volledig uit zwavelchemie halen — onafhankelijk van zonlicht. Een van de weinige plekken op aarde waar leven niet steunt op fotosynthese.
Menselijke invloed
De grootste menselijke verstoring betreft SO2-emissies door verbranding van zwavelhoudende fossiele brandstoffen, vooral steenkool. Op wereldschaal is de uitstoot in dezelfde orde gekomen als natuurlijke vulkanische bronnen. In Europa is sterk teruggedrongen via Europese richtlijnen (NEC) en internationale akkoorden. In delen van Azië was de uitstoot lange tijd hoog, met soortgelijke gevolgen voor luchtkwaliteit en regenzuurgraad als die Europa eerder kende.
Tijdschaal
De atmosferische verblijftijd van SO2 is kort — dagen tot weken. Sulfaat in zee blijft tienduizenden jaren in oplossing. Zwavel dat als pyriet in sediment wordt opgeslagen, kan honderden miljoenen jaren in de aardkorst blijven voordat verwering of vulkanisme het terugbrengt in de actieve kringloop. Net als bij koolstof is er dus een snelle (atmosferische, biologische) en een trage (geologische) kringloop.