Ugrás a tartalomhoz

Agro-ökológia

Dr. Godó Zoltán (2011)

10.5 A kén körforgalma

10.5 A kén körforgalma

A kén a földkéreg 14. az élovilágban a 6. leggyakoribb eleme. Vitaminok fehérjék komponense, különbözo mikroorganizmusok energiaszerzo folyamataiban elengedhetetlen szerepet játszik. A kén csak kis mennyiségben található meg az atmoszférában, tartalékok az üledékes kén tartalmú kozetekben vannak. A baktériumok több formában is képesek felvenni a ként. A növények csak szulfátok formájában, a növények és az állatok csak szerves kén tartalmú tápanyagban tudják hasznosítani. A talajban megtalálható kén legnagyobb mennyiségben szervesen kötött állapotban van. A talajtípustól függoen lehet 0,8-100% is. Szervetlen formában más elemekkel alkotott oldható (Na,Mg,K) vagy oldhatatlan (Ba,Fe,Al) szulfátok, szulfitok formájában, vagy az agyagásványok felületén megkötötten fordulhatnak elo. Elemi állapotban megfeleloen szellozött talajban gyakorlatilag nincsen. A talajban eloforduló legnagyobb jelentoséggel rendelkezo szulfidja a gipsz, szulfátja a vas-3-szulfát.

Az atmoszférába vulkánkitörések illetve fosszilis energiahordozók elégetésével kerülhetnek SO2 és SO3 formában amelyek a vízzel reakcióba lépve savas esoként visszakerülnek a lito- és hidroszférába. A bomlási folyamatok következtében H2S szabadul fel, ami szintén a levegobe kerül és ott oxidálódik. Az óceánokban élo fitoplanktonok pusztulásakor keletkezo dimetil-szulfid gáz kerül a legnagyobb mennyiségben a légkörbe, becslések szerint évi 20-50 millió tonna. A kozetek mállásakor keletkezo szulfátot a növények felveszik és beépítik a sejtjeikbe, a táplálékláncon keresztül bejut az állatok és az emberek szervezetébe. Az elpusztult élolényekbol a szulfátredukáló baktériumok alakítják át a ként H2S formába ami a légkörbe jut. A különbözo baktériumok elemi kénné alakítják tovább és beépítik a kozetekbe vagy a szulfidoxidáló baktériumok szulfáttá alakítják és a ciklus kezdodik eloröl.

Az emberi tevékenység legjelentosebben a fosszilis energiahordozók elégetésével valamint a kén tartalmú ásványok feldolgozásával befolyásolja. A barnakoszén átlagosan 0,7% a feketekoszén 1% körüli értéku teljes ként tartalmaz. A Föld mai napig ismert szénkészletét körülbelül 7,5 billió tonnára becsülik ami ha az energiafogyasztás és a népesség ugyan ebben az ütemben növekszik nagyjából ezer évig elegendo. Ez azt jelenti hogy egy év alatt az emberi tevékenység hatására 67.5 millió tonna kén kerül a levegobe (csak a szén feldolgozásával) ami körülbelül megegyezik a természetes folyamatok által a levegobe jutó összes kén mennyiségével.

10.5.1 Asszimilációs szulfátredukció

Asszimilációs-szulfártedukció a kén körforgalom elso lépése. Ebben a folyamatban a növények és egyes baktérium fajok a szervetlen szulfátokat a talajból felveszik és szulfhidril (-SH) csoporttá redukálva beépítik az aminosavaikba. A mikroorganizmusok a redukcióhoz szükséges energiát szénhidrátok lebontásával szerzik.

SO42- + H+ + 2CH2O ? HS- + 2H2O +2CO2

Kisebb mértékben, nagyobb fokú légszennyezés esetén a kén SO2 és H2S formájában is bejuthat a növényekbe. A kén ciklus ezen része hasonló a nirtogén körforgalom asszimilációs nitrátredukciós szakaszával. A talajban a kén hiánya a növények károsodásához vezet növekedés és anyagcserezavart okoz.

10.5.2 Deszulfurizáció

A kén ciklus következo szakasza a deszulfurizáció mely során az elhalt szervezetekben lévo ként a baktériumok mineralizálják H2S formában. A baktériumok a folyamat során energiát nyernek. Ilyen mikroorganizmusok például az Escherichia, Proteus és a Clostridium nemzettségébe tartozók. Szigorúan anaerob baktériumok, általában csak a talajban találhatóak meg, élo szervezetekben kis mennyiségben a bélrendszerben. Nagyobb elszaporodásuk betegségeket okoz, pl.: hugyuti fertozések. A deszulfurizáció az ammonifikáció folyamatával analóg.

10.5.3 Disszimilációs szulfátredukció

A disszimilációs szulfátredukcióban a baktériumok a szulfátok oxigéntartalmát arra használják hogy más szerves vegyületeket oxidáljanak, a kénbol pedig kénhidrogént állítanak elo. Ez a folyamat a denitrifikációs folyamatra hasonlít, a különbség hogy a szulfátredukció kizárólag anaerob körülmények között játszódik le foként mocsaras talajokban. A folyamatban résztvevo baktériumok többsége kemoorganotróf (szerves vegyületeket használnak fel), vannak viszont kemoautotrófok is amik széndioxid redukciójában is részt vesznek. Számos csoportosításukat alkalmazzák: halofilek és termofilek (só turo és ho turok) vagy spóraképzo és spórát nem képzok A spórát nem képzo fajok a Desulfovibrio nemzettségbe tartozó baktériumok. A szulfát oxidációjához egyszeru szerves anyagokra (tejsavra vagy piroszolosavra) van szüksége amit más baktériumok állítanak elo. A tejsav felhasználásakor ecetsav keletkezik, amit a szén körforgásban résztvevo metánképzo baktériumok hasznosítanak, tavi üledékekben élo Gram-negatív baktériumok. A spóra képzo fajok a Desulfotomaculum nemzetségébe tartoznak. Ezek a mikroorganizmusok a szulfátredukcó mellet, acetátot is oxidálnak. A szulfátredukáló baktériumok foként iszapokban, talajokban élnek. A vízpartok azon részeit ahol a körülmények megfeleloek a szulfátredukáló baktériumok számára „szulfuretum”-nak nevezik. Nagy szerepet játszottak a kéntelepek kialakulásában, a keletkezo fém-szulfidok sötét színe okozhatja az iszapok hasonló színét. Ha kénhidrogén lebontása nem megfelelo vagy túl sok keletkezik belole akkor a vizekben felhalmozódva az ottani élovilág pusztulásához vezethet. A szulfátredukálók csökkenthetik a vizek szulfáttartalmát ezáltal a savanyúbb vizek javulását segítik elo. Káros hatása hogy a fémekkel oldhatatlan vegyületeket képez, ezáltal elkorrodálja oket. Vannak olyan mikroorganizmusok melyek a tioszulfát vagy az elemi kén redukálására is képesek. Ilyen baktérium a Desulfuromonas acetoxidans, ami kén felhasználásával oxidálja az acetátot:

CH3- COOH + 2 H2O + 4S; 2 CO2 + 4 H2S + 5,7 Kcal

A kén körforgalom következo szakasz a kén mikrobiológiai oxidációja melyet a kénoxidáló baktériumok végeznek. Energia igényük kielégítésére kénhidrogént, ként vagy tioszulfátot oxidálnak szulfátokká. Két fo csoportja van, a fotoszintetizáló vagy színes baktériumok és a színtelen vagy nem fotoszintetizáló baktériumok. A színtelen kénbaktériumok által végzett folyamatok aerob körülmények között zajlanak le. A kénvegyületeket szulfátig oxidáló fajok közé tartoznak a Beggiatoa, Thiotrix és Thiobacillus nemzetség tagjai. A talajban a legnagyobb jelentosége a Thiobacillus genus tagjainak van. Gram-negatív szervezetek melyek egyedül párban vagy láncban fordulnak elo. Környezetüket elsavanyítják, mivel a kénvegyületeket kénsavvá oxidálják. A sejtjeiken belül általában kéncseppeket halmoznak fel. Az egyik leginkább savturo mikroorganizmus a Thiobacillus thiooxidans, ami általában elsavanyodott bányavizekben található. A számára kedvezo pH 2 és 3,5 között van, de 0 pH-t megközelítve sem pusztul el! Energiaszerzés céljából az ércek kéntartalmát oxidálja. A színtelen kénbaktériumok oxidálása végbemehet anaerob körülmények között is, nitrát jelenétében a Thiobacillus denitrificans baktérium képes a folyamat végrehajtására. A színes fotoszintetizáló baktériumok anaerob körülmények között oxidálnak. A folyamathoz csak a kénhidrogént használják fel. Két fo csoportjuk van a bíbor baktériumok és a zöld kénbatériumok. Az elso csoport tovább osztva két csoportra, a bíbor kénbaktériumokra és a nem bíbor kénbaktériumokra. A bennük lejátszódó bakteriális fotoszintézis fényreakció során megy végbe és nincs jelen két fotorendszer mint a növények fotoszintetizációja esetén. Ebben a folyamatban nem víz tölti be a hidrogéndonor szerepét, hanem kénhidrogén. Így a reakció végeredménye nem oxigén, hanem kén lesz:

CO2 + H2S ? (CH2 O) + S

A tengeri üledékekben megtalált Thiobacillus denitrificans képes a tioszulfát oxidációjára is nitrát redukció mellett. A zöld kénbaktériumok képesek az óceánok és a tengerek olyan mély rétegeiben is megélni ahol más hasonló szervezetek már képtelenek a fotoszintetizációra. Ezért ezek a mikroorganizmusok a legalsóbb vízrétegekben élnek, felettük helyezkednek el a többi fotoszintetizáló szervezetek.

A biológiai úton az atmoszférába kerülo kénvegyületek kéndioxiddá oxidálódnak hidroxil gyökök segítségével. A kéndioxid közvetlenül levegobe kerülésére nagyrészt az ember a felelos. A kéndioxid és a kéntrioxid nagyon jól elegyednek vízzel így az atmoszférában lévo vízpárával keveredve savas esot okoz. A normál eso pH-ja 5 körüli érték, csak az ennél alacsonyabb pH-jú esot nevezzük savas esonek (savas ülepedés). A savas esok rengeteg kárt okoznak a természetben és az emberi környezettben egyaránt. A fekete erdo körülbelül egyharmada, Magyarország tölgyerdoinek az 50%-a pusztult el ennek következtében. Hazánkban volt az egyik legnagyobb lombos fa pusztulás az 1980-as évek végén mintegy 1,5 millió m3 fa száradt ki. A sav a növények leveleivel érintkezve károsítják a klorofilt és emiatt elhullatják leveleiket. Erre a legérzékenyebb fafajta a lucfenyo, ezen már pár hónap után megjelennek az elszáradás nyomai. Savas esok következménye képpen a bolygónk erdoségeinek és termoterületeinek csaknem 10% a vált sivatagossá. A savas esok következménye a felszíni vizeink elsavanyosodása és ez által egyes fajok számának csökkenése, esetleges kipusztulása. A talaj savanyodásának következményeként a fémvegyületek könnyebben oldódnak amely bekerülve a növények szervezetébe mérgezo hatású. Az oldott nehézfém-ionok bekerülhetnek az ivóvízbe is. Nem csak a természetben okoznak problémát a savas esok, hanem a városokban is. Ugyanis a sav ilyen kis koncentrációban is oldja a mészkövet és a márványt, ezáltal károsítja az épületeket, szobrokat, utakat.

CaCO3 + H2SO4 = CaSO4 + CO2 + H2O ,

Figure 10.2. A kén körforgása a környezet biotikus és abiotikus összetevoi között (Graczka Sylvia, 2009 alapján)

10-2. ábra. A kén körforgása a környezet biotikus és abiotikus összetevoi között (Graczka Sylvia, 2009 alapján)


  1. A szulfátot (SO42-)amelyek a kozetek mállásából származik, felveszik a növények a talajból. Foleg gipsz (CaSO4) és keserusó (MgSO4) valamint fém-szulfidok oxidációjából származó szulfát (SO42-) található a talajban.

  2. A növények a szulfátot redukálják, majd szulfidkötések segítségével kéntartalmú aminosavakba építik be (L-cisztein, L-metionin) szulfhidril-csoportként (-SH). A kénhidrogén eros sejtméreg, ezért ebben a formában nem tolerálják a növények.

  3. A táplálékláncon keresztül jut az állatok szervezetébe.

  4. Az elhalt szerves anyagokból és az ürülékbol a kén a szulfátredukáló Escherichia és Proteus nemzetségbe tartozó baktériumok tevékenysége révén H2S formájában jut vissza az élettelen környezetbe. Anaerob körülmények között redukálják szulfidokká vagy kénhidrogénné.

  5. Egyes fotoszintetizáló baktériumok a H2S-t elemi kénné redukálják.

  6. A kozetekbe épül az elemi kén.

  7. A kénoxidáló baktériumok visszajuttatják a ként a körforgásba.

  8. A szulfidoxidáló baktériumok a H2S-t szulfáttá alakítják át.