Ciclo dello Zolfo

Il ciclo dello zolfo

Lo zolfo è un elemento essenziale per la vita, proprio come il carbonio, l’azoto e il fosforo. Fa parte di molte molecole importanti negli esseri viventi, come le proteine. Il suo percorso sulla Terra è un ciclo continuo attraverso l’aria, la terra, l’acqua e gli organismi viventi.

Immaginiamo il viaggio dello zolfo attraverso i seguenti passaggi.

Da Rocce e Aria

Una parte dello zolfo si trova naturalmente nelle rocce e nei minerali della crosta terrestre. Lo zolfo può anche entrare nell’atmosfera da fonti naturali come i vulcani o da gas rilasciati dalla decomposizione di materia organica in ambienti con poco ossigeno.

Viaggio nell’Atmosfera e Ritorno
Nell’aria, lo zolfo può trasformarsi e contribuire alla formazione di piccole particelle. Attraverso la pioggia o la neve, queste particelle di zolfo tornano sulla superficie terrestre, depositandosi nel suolo e negli oceani. Le attività umane, come bruciare combustibili, possono aumentare la quantità di zolfo nell’aria, contribuendo a fenomeni come le piogge acide.

Vita nel Suolo e Assorbimento
Una volta nel suolo, lo zolfo può essere assorbito dalle piante attraverso le loro radici. Le piante lo usano per costruire le loro strutture e svolgere le loro funzioni vitali.

Attraverso gli Esseri Viventi:
Gli animali ottengono lo zolfo mangiando le piante o altri animali, e così lo zolfo si muove lungo la catena alimentare.

Il Ruolo dei Piccoli Organismi:
Una parte fondamentale del ciclo dello zolfo è svolta da piccolissimi organismi, come batteri e altri microbi, che vivono nel suolo e nell’acqua. Questi organismi sono capaci di trasformare lo zolfo da una forma all’altra, spesso usando queste trasformazioni per ottenere energia. Possono prendere lo zolfo in una forma e rilasciarlo in un’altra, rendendolo disponibile per altri esseri viventi o per essere immagazzinato.

Ritorno ai Depositi
Quando piante e animali muoiono, attraverso i loro scarti, lo zolfo ritorna al suolo o all’acqua. Qui, i microrganismi continuano il loro lavoro, rilasciando lo zolfo nuovamente nell’ambiente. 
Lo zolfo può anche depositarsi nei sedimenti sui fondali marini, dove può rimanere per molto tempo, formando rocce che lo contengono.

In sintesi, lo zolfo: inizia il suo viaggio nelle rocce della terra o viene rilasciato nell’aria da eventi naturali come le eruzioni vulcaniche. Si sposta attraverso l’atmosfera e ritorna a terra e negli oceani con pioggia e neve. È assorbito dalle piante e si muove attraverso la catena alimentare. Viene trasformato da piccoli organismi nel suolo e nell’acqua. Infine, ritorna ai depositi di rocce e sedimenti, completando il suo ciclo.

Questo ciclo è vitale perché assicura che lo zolfo, un nutriente fondamentale, sia sempre disponibile per sostenere la vita sul nostro pianeta.

Il ciclo dello zolfo - Approfondimento

Lo zolfo (S) è un elemento essenziale per la vita ed entra nella composizione di molecole chiave come:

  • amminoacidi solforati (cisteina, metionina)
  • cofattori (coenzima A, tiamine, biotina, ferredossina)
  • gruppi sulfidrilici (-SH) responsabili della struttura terziaria delle proteine

Il ciclo dello zolfo è un ciclo sedimentario–gassoso, intermedio tra il ciclo del fosforo (prevalentemente sedimentario) e quello dell’azoto (spiccatamente gassoso).
A differenza del carbonio e dell’azoto, buona parte dello zolfo si trova nei sedimenti marini e nelle rocce, mentre la porzione atmosferica è limitata ma ecologicamente molto attiva.

 

Serbatoi principali dello zolfo

Serbatoi geologici

  • rocce sedimentarie marine
  • solfati (SO₄²⁻) intrappolati in minerali come gesso (CaSO₄·2H₂O)
  • solfuri (FeS₂, pirite)

Serbatoio oceanico

È il serbatoio biogeochimicamente più reattivo: lo zolfo è presente principalmente come solfato disciolto (SO₄²⁻) ad alta concentrazione.

Atmosfera

Contiene forme gassose, ossidate e ridotte:

  • SO₂, SO₃, aerosol solfato
  • H₂S, COS, CS₂
    Questa componente è piccola in termini quantitativi ma funziona come un vettore molto efficiente nei trasferimenti globali.

 

Forme chimiche dello zolfo nel ciclo

Lo zolfo attraversa diversi stati di ossidazione:

  • +6 → Solfato (SO₄²⁻)
  • +4 → Solfito (SO₃²⁻), SO₂
  • 0 → Zolfo elementare (S⁰)
  • –2 → Solfuri (H₂S, FeS₂, gruppi tiolici delle biomolecole)

Il passaggio tra queste forme costituisce un insieme di reazioni redox, molte delle quali sono condotte da microrganismi specializzati, soprattutto batteri e archei.

Le fasi del ciclo dello zolfo

Mineralizzazione e putrefazione dello zolfo organico – La materia organica contenente zolfo (amminoacidi, cofattori) viene decomposta da batteri eterotrofi e funghi saprotrofi.

La degradazione rilascia solfuro di idrogeno (H₂S; stato di ossidazione –2) oppure solfato (SO₄²⁻) attraverso ulteriori processi di ossidazione microbica.

Ossidazione dello zolfo ridotto – L’H₂S è un composto tossico e molto reattivo. In presenza di ossigeno, può ossidarsi tramite Ossidazione abiotica H₂S → zolfo elementare → solfato e tramite Ossidazione biotica condotta da Thiobacillus, Acidithiobacillus, Beggiatoa, batteri zolfo-ossidanti chemioautotrofi e fotoautotrofi

I Prodotti dell’ossidazione possono essere S⁰ (zolfo elementare) e SO₄²⁻ (solfato) → la forma più ossidata. Questa fase è fondamentale nelle zone di confine ossigenate–anossiche (sedimenti, interfaccia acqua-sedimento, suoli idrici).

Riduzione assimilatoria del solfato (ASSR) – Il solfato è la forma di zolfo biodisponibile per le piante, i funghi, i batteri, le alghe. Viene ridotto a solfuro solo all’interno della cellula, per essere incorporato in cisteina, metionina, glutatione e altri composti solforati.

La riduzione assimilatoria è non respiratoria e avviene per sintetizzare biomassa.

Riduzione dissimilatoria del solfato (DSR) – In condizioni anaerobiche, alcuni batteri usano il solfato come accettore finale di elettroni nella respirazione SO₄²⁻ → H₂S

Microrganismi: batteri solfato-riduttori (genere Desulfovibrio, Desulfotomaculum)

Questa via produce grandi quantità di H₂S, ed è fondamentale nei sedimenti anossici marini e lacustri, nelle risaie, nelle acque stagnanti e nei digestori anaerobici.

Ciclo sedimentario

L’H₂S prodotto può reagire con ioni metallici, soprattutto Fe²⁺, formando FeS o FeS₂ (pirite).

Questi minerali possono rimanere nei sedimenti per milioni di anni, essere sollevati attraverso processi tettonici ed esumazione, essere ossidati in seguito all’erosione, reimmettendo solfato nei sistemi idrici.

Scambi atmosferici

Il ciclo dello zolfo comprende un’importante componente atmosferica.

Emissioni naturali:

  • vulcani (SO₂)
  • paludi e sedimenti anossici (H₂S)
  • oceani (dimetilsolfuro, DMS)

Processi – In atmosfera si verificano:

  • ossidazione del DMS → SO₂ e solfati
  • formazione di aerosol solfato (importanti per la condensazione delle nuvole)
  • deposizione umida e secca → ritorno al suolo come solfato

Ruolo ecologico dello zolfo

Suolo – Lo zolfo è essenziale per:

  • sintesi di amminoacidi
  • enzimi chiave della fotosintesi
  • formazione della clorofilla (indirettamente)
  • metabolismo di noduli nelle Fabaceae (riduzione N₂ richiede gruppi Fe-S)

Ambienti marini – Attraverso il DMS, il ciclo dello zolfo influenza:

  • nucleazione delle nubi
  • temperatura globale (effetto climatico)

Ambienti estremi – Molti chemioautotrofi solfuro-ossidanti sostengono interi ecosistemi come: black smokers, hot springs, zone ipossiche e anossiche.

Impatti antropici

Le attività umane modificano il ciclo dello zolfo.

Fonti antropiche – Combustione di carbone e petrolio → SO₂, fusione dei minerali metallici, agricoltura intensiva e fertilizzanti solfatici.

Queste fonti possono provocare i seguenti effetti: piogge acide, acidificazione di laghi e suoli, maggiore disponibilità di solfato nei terreni coltivati, inquinamento atmosferico.

Sintesi – Il ciclo dello zolfo è caratterizzato da:

  • ampia varietà di stati di ossidazione (da –2 a +6)
  • forte ruolo dei microrganismi, sia in ambienti ossigenati che anossici
  • importante comparto marino e atmosferico
  • connessione stretta con cicli del carbonio, ferro e ossigeno

È uno dei cicli biogeochimici più complessi perché integra processi geologici lenti, reazioni microbiche rapidissime, trasformazioni atmosferiche.