วัฏจักรกำมะถัน

วัฏจักรกำมะถัน เป็นการหมุนเวียนของกำมะถันในโลก กำมะถันพบได้ในสภาพแวดล้อมหลายแห่ง พื้นผิวโลกเป็นแหล่งใหญ่ของกำมะถัน คิดเป็น 95% รองลงมาคือ ในแหล่งน้ำมีประมาณ 5%

การหมุนเวียนของกำมะถัน

ภาพแสดงการหมุนเวียนของวัฏจักรกำมะถัน

การหมุนเวียนของกำมะถันในแต่ละส่วนของระบบนิเวศสรุปได้ดังนี้

• ชั้นของหินเปลือกโลกเป็นแหล่งสำคัญของกำมะถัน การออกจากระบบพื้นผิวโลกเกิดจากการระเบิดของภูเขาไฟ การเปลี่ยนแปลงของสภาพอากาศ และการชะลงสู่ชั้นของน้ำใต้ดิน นอกจากนั้น กิจกรรมของมนุษย์ยังมีส่วนต่อการเคลื่อนย้ายของกำมะถัน ทั้งโดยการเผาไหม้เชื้อเพลิง การถลุงแร่และการผลิตปุ๋ย
• ชั้นของดิน ที่มาของกำมะถันในดินมาจากการชะล้าง ผุพัง และจากบรรยากาศ รวมทั้งการใส่ปุ๋ย กำมะถันในดินจะถูกเปลี่ยนรูปไปทั้งโดยปฏิกิริยาเคมีและสิ่งมีชีวิต ในดินชั้นบน กำมะถันจะอยู่ในสารอินทรีย์ ส่วนดินชั้นล่างจะอยู่ในรูปสารอนินทรีย์ ในดินที่มีการระบายอากาศดี กำมะถันจะอยู่ในรูปของซัลเฟต แต่ในดินที่มีการระบายอากาศไม่ดีเช่นมีน้ำท่วมขัง กำมะถันจะอยู่ในรูปซัลไฟด์ แต่เมื่อเติมแก๊สออกซิเจนลงไป ซัลไฟด์จะเปลี่ยนเป็นซัลเฟต ซัลเฟตละลายน้ำได้ดีจึงถูกชะออกจากดินได้ง่าย การย่อยสลายสารอินทรีย์ที่มีกำมะถันเป็นองค์ประกอบ จะได้กำมะถันในรูปของก๊าซ ส่วนหนึ่งจะระเหยไปสู่บรรยากาศ ส่วนหนึ่งจะกลับไปอยู่ในรูปของซัลเฟตอีก ทั้งในปฏิกิริยาเคมีและสิ่งมีชีวิต
• สิ่งมีชีวิต เมื่อกำมะถันเข้าสู่สิ่งมีชีวิตจะถูกนำไปสร้างเป็นโปรตีน วิตามิน หรือสารประกอบอื่นๆ และจะถูกเปลี่ยนกลับเป็นซัลเฟตหรือสารประกอบอื่นๆของกำมะถันได้เมื่อสิ่งมีชีวิตตาย
• บรรยากาศ สารประกอบของกำมะถันในบรรยากาศได้แก่ ก๊าซซัลเฟอร์ไดออกไซด์ (SO₂) ก๊าซไฮโดรเจนซัลไฟด์ (H₂S)สารประกอบอินทรีย์ของกำมะถันที่ระเหยได้ และซัลเฟตในบรรยากาศ แหล่งที่มาได้แก่ ก๊าซจากการระเบิดของภูเขาไฟ ฝุ่นละอองที่มากับลม ก๊าซจากสิ่งมีชีวิต และกิจกรรมของมนุษย์ การคงอยู่ของก๊าซเหล่านี้ในบรรยากาศสั้นมากและขึ้นกับความคงตัวทางโมเลกุลด้วย การออกซิไดส์ของก๊าซเหล่านี้ขึ้นกับอุณหภูมิ ความชื้น และแสงอาทิตย์

ก๊าซซัลเฟอร์ไดออกไซด์ส่วนใหญ่มาจากการกระทำของมนุษย์ ในขณะที่จุลินทรีย์จะผลิต COS, CS₂, และ (CH₃)₂S ผลิตภัณฑ์สุดท้ายจากการออกซิไดส์ก๊าซไฮโดรเจนซัลไฟด์และก๊าซที่มีกำมะถันอื่น ๆ คือ ก๊าซซัลเฟอร์ไดออกไซด์และซัลเฟต แต่โดยทั่วไปซัลเฟตจะเข้าสู่บรรยากาศโดยยละอองน้ำจากทะเลและฝุ่นละอองที่มากับลม การออกจากบรรยากาศเกิดขึ้นโดยการรวมตัวกับน้ำ เกิดเป็นฝนกรดและลงสู่พื้นดิน หรือรวมตัวกับธาตุอื่นๆแล้งตกมายังพื้นโลก

• แหล่งน้ำ ในมหาสมุทร กำมะถันจะอยู่ในรูปซัลเฟตที่ละลายน้ำ ซึ่งมาจากแม่น้ำและฝน ในดินตะกอนจะมีสารประกอบกำมะถันในสภาพรีดิวซ์ปะปนอยู่ กำมะถันจะออกจากแหล่งน้ำโดยถูกซัดปนไปกับละอองน้ำ หรือโดยการระเหยในรูปก๊าซที่เกิดจากการกระทำของจุลินทรีย์

การเปลี่ยนรูปของกำมะถัน

• sulfur oxidation เกิดขึ้นโดยกิจกรรมของแบคทีเรียกลุ่มที่ออกซิไดส์กำมะถัน เช่น Thiobacillus, Metallogenium
  • Thiobacillus เป็นแบคทีเรียแกรมลบ ไม่สร้างสปอร์ รูปร่างเป็นแท่ง ส่วนใหญ่เคลื่อนที่ได้ด้วยแฟลกเจลลา จะออกซิไดส์กำมะถันจาก SH^- จนเป็นซัลเฟต
  • Sulfolobus acidocaldarious เป็นแบบคทีเรียทนอุณหภูมิสูงและทนกรด สามารถออกซิไดส์ กำมะถัน ก๊าซไฮโดรเจนซัลไฟด์ และ Fe²⁺ได้ พบในน้ำพุร้อนที่เป็นกรดทั่วโลก
  • Beggiatoa เป็นแบคทีเรียที่มีฟิลาเมนต์และมีก้อนกำมะถันภายในเซลล์ พบในบริเวณรากพืชที่เจิญในน้ำท่วมขัง เช่นนาข้าว แบคที่เรียกลุ่มนี้จะเปลี่ยนก๊าซไฮโดรเจนซัลไฟด์ ที่เป็นพิษต่อพืชไปเป็นธาตุกำมะถัน
  • แบคทีเรียที่สังเคราะห์ด้วยแสงโดยใช้ก๊าซไฮโดรเจนซัลไฟด์ มี 2 กลุ่มคือแบคทีเรียสีม่วงและแบคทีเรียสีเขียว แบคทีเรียสีเขียวพบในบริเวณที่มีความเข้มข้นของก๊าซไฮโดรเจนซัลไฟด์ สูง (4-8 mM) ในขณะที่แบคทีเรียสีม่วงพบในบริเวณที่มีก๊าซไฮโดรเจนซัลไฟด์ ปานกลาง ส่วนแบคทีเรียที่ไม่มีสีม่วงพบในบริเวณที่มีความเข้มข้นของก๊าซไฮโดรเจนซัลไฟด์ ต่ำ แบคทีเรียเหล่านี้จะทำงานร่วมกับแบคทีเรียที่รีดิวซ์กำมะถันในธรรมชาติ เจริญในสภาวะไร้ออกซิเจนเท่านั้น
• sulfur reduction จุลินทรีย์ส่วนใหญ่ใช้ซัลเฟตเป็นแหล่งของกำมะถันสำหรับการเติบโต การรีดิวซ์กำมะถันแบ่งได้เป็น 2 แบบ คือการนำกำมะถันไปเป็นองค์ประกอบของสิ่งมีชีวิต เช่น -SH ในโปรตีน และการเปลี่ยนซัลเฟตไปอยู่ในรูปก๊าซไฮโดรเจนซัลไฟด์ ตัวอย่างเช่นแบคทีเรีย Desulfovibrio และ Desulfotomaculum
• Mineralization เป็นการเปลี่ยนรูปกำมะถันในสารประกอบอินทรีย์ให้อยู่ในรูปอนินทรีย์ ปริมาณการเกิด Mineralization ของกำมะถันขึ้นกับอัตราส่วนระหว่างคาร์บอนกับกำมะถัน เมื่ออัตราส่วนนี้น้อยกว่า 200 จะปล่อยกำมะถันเข้าสู่ดินในรูปซัลเฟต แต่ถ้ามากกว่า 400 จะมีการนำซัลเฟตออกจากดินด้วยกระบวนการตรึง
• Volatilization คือการระเหยของกำมะถัน สารประกอบอินทรีย์ของกำมะถันที่ระเหยได้รวมทั้งก๊าซที่มีกำมะถันเป็นองค์ประกอบ เกิดจากกิจกรรมของจุลินทรีย์ที่เติบโตในสภาวะไร้ออกซิเจน