Forvitring av svovel i geologiske strukturer som jernsulfid (FeS), pyritt FeS2 blir oksidert til sulfat som blir tatt opp av planter og bakterier og assimilert inn i organiske forbindelser. Dyr mottar svovel i organisk form via maten de spiser.
I syklus inngår uorganiske svovelforbindelsene hydrogensulfid (H2S), svoveldioksid (SO2), sulfitt (SO32-), sulfat (SO42-), tiosulfat (S2O32-), tatrationat (S4O62-) og elementært svovel (S0). Svovel finnes i organisk bundet redusert form som -SH grupper i svovelaminosyrer (methionin, cystein o.a.), koenzymer, sennepsoljeglykosider, peptider (glutathion), og protein. Svovel finnes i oksidert form som sulfolipider i membraner. Andre organiske svovelforbindelser er dimetylsulfid, metanthiol, karbondisulfid og andre merkaptaner).
Svovel hører med til chalkogener i gruppe 16 i grunnstoffenes periodesystem. Svovelforbindelser deltar i reduksjons- og oksidasjonsprosesse i oksidasjonstrinn -2 til +6. Antropogene tilførsler av svovel skjer via brenning av fossilt brensel som alltid inneholder svovel. SO2 oksideres i atmosfæren til sulfat og gir sur nedbør.
Svovel og redoksreaksjoner
Svovel kan finnes i forskjellige oksidasjonsnivåer:
Hydrogensulfid (H2S): -2
Grunnstoff og elementært svovel (S8): 0
Svovelmonoksid (SO): +2
Svoveldioksid (SO2): +4
Sulfitt (SO32-): +4
Sulfat (SO42-) : +6
Ved laveste oksidasjonstrinn (H2S) kan svovel bare bli oksidert.
SO42- → H2S (dissimilatorisk sulfatreduksjon)
SO42- → organisk-SH (assimilatorisk sulfatreduksjon)
Organisk-SH → H2S (desulfurylering)
Tiosulfat (S2O32-) → H2S + SO42- (disproporsjonering)
I hydrotermiske områder med vulkansk aktivitet på havbunnen der hvor kontinentalplater glir fra hverandre lever kjemoautotrofe bakterier som benytter energi fra hydrogensulfid. Som danner grunnlag for økosystemer i fullstendig mørke , hvor Riftia pachyptila lever sammen med endosymbiotiske bakterier. Hydrogensulfid som omdannes til svovel og sulfat er en eksergonisk reaksjon. Anaerobe sulfatreduserende bakterier bruker sulfat som elektronakseptor og danner hydrogensulfid. Hydrogensulfid kan benyttes av fotosyntetiske bakterier som elektronkilde. Flere proteiner som deltar i elektrontransport inneholder svovel og jern.
Sulfat brukes som svovelkilde i metabolismen og organismene utfører assimilativ sulfatreduksjon. I dissimilatorisk sulfatreduksjon brukes sulfat som elektronakseptor hos anaerobe bakterier med hydrogen (H2) som elektrondonor f.eks. i reaksjoner som:
4H2 + SO42- → H2S + 2H2O + 2OH-
Eller hvis acetat (CH3COO-) er elektrondonor:
CH3COO- + SO42- → HS- + 2HCO3-
Hydrogensulfid er giftig for mange organismer. Bakterier som kan oksidere elementært svovel lager sulfat og H+ og surgjør derved omgivelsene.
Dimetylsulfid (CH3-S-CH3) er en vanlig forekommende organisk svovelforbindelse. I marint miljø kan den lages fra dimetylsulfoniumpropionsyre som virker som en osmoregulator i marine alger og omsettes av bakterier til dimetylsulfid og akrylat. Dimetylsulfid er flyktig og oksideres i atmosfæren til metansulfonsyre (CH3SO3-), SO2 og sulfat (SO42-). Under anaerobe forhold kan dimetylsulfid brukes som substrat for metanogene bakterier og som elektrondonor for fototrofe purpurbakterier hvor produktet blir dimetylsulfoksid.
Assimilativ sulfatreduksjon
Assimilativ sulfatreduksjon hos planter og bakterierier er de enzymkatalyserte trinnene fra sulfat (SO42-) til redusert svovel (-SH) i organiske forbindelser, fra oksidasjonstrinn + 6 til -2.
SO42- → organisk-SH
Redusert ferredoksin, redusert gluktation, nikotinamiddinukleotid(fosfat) i redusert form kan være elektrondononerer i assimilativ sulfateduksjon. Etter at svovel er inkorporert i svovelaminosyrene cystein og metionin kan svovel inngå i proteiner, peptider, metyldonoeren S-adenosylmetionin som overfører metylgrupper . Ii planter deltar S-adenosylmetionin i biosyntesen av plantehormonet etylen.
Planter og bakterier tar opp svovel fra omgivelsene i form av sulfat (SO42-) i symprt med 2H+ og redusert til hydrogensulfid som deretter blir assimilert inn i svovelaminosyren cystein. Hos planter er svovel i sulfat er makronæringsstoff som tas opp av planterøttene. På samme måte som makronæringsstoffet nitrogen i nitrat (NO3-), karbon i karbondioksid (CO2) og svovel i sulfat så må både nitrogen, karbon og svovel bli redusert, det vil si motta elektroner (e-) før N, C og S kan bli assimilert inn i organiske forbindelser.
Totalreaksjon:
SO42- + ATP + 8e- + 8H+ →S2- + AMP + PPi (pyrofosfat) + 4H2O
Først blir sulfat aktivert til til adenosin-5’-fosfosulfat (APS) katalysert av enzymet ATP sulfurylase i plastider og cytosol:
SO42- + ATP → adenosine-5’fosfosulfat (APS) + PPi
Pyrofosfat (PPi) blir spaltet til uroganisk fosfat (PPi, i – inorganic) katalysert av uorganisk pyrofosfatase som bidrar til å forsykve rekasjonen mot høyre:
PPi + H2O → 2 Pi (H2PO4-)
APS blir enten fosforylert til PAPS eller redusert med glutation.
Reduksjonen av APS skjer I flere trinn lokalisert til plastider. Først blir to elektroner fra det reduserte tripeptidet glutation (GSH) overført til APS katalysert av APS reduktase som gir sulfitt (SO32-), oksidert glutation (GSSG) og adenosinmonofosfat (AMP)
APS + 2GSH → SO32- + GSSG + AMP + 2H+
I neste trinn blir seks elektroner overført fra redusert ferredoksin til sulfitt katalysert av sulfitt reduktase og produktet blir svovelionet S2- og oksidert ferredoksin:
SO32- + 6 ferredoksinredusert → S2- + 6 ferredoksinoksidert
I neste trinn blir sulfid i reaksjon med O-acetl-serin omdannet til aminosyren cystein og acetat katalysert av
Serin acetyltransferase katalyserer reaksjonen
Serin + acetyl-CoA → O-acetyl-serin + CoA
O-acetyl-serin + S2- → cystein + acetat
Alternativ assimilasjon
En ny fosforylering katalysert av APS kinase:
adenosine-5’fosfosulfat + ATP → 3’-fosfoadenosin-5’-fosfosulfat (PAPS) + ADP
I neste trinn katalysert av sulfotransferase blir sulfatgruppen overført til en hydroksylggruppe R-OH
PAPS + R-OH → fosfoadenylat + O-sulfaterte stoff
R-OH kan være kolin, flavonoler, glukosinolater, peptider, polysakkarider, gallesyreglykodier og brassinosteroider.
Dissimilativ sulfatreduksjon
Ikke-protein svovelaminosyrer
sulfolipider
Glukosinolater
Svovelvitamin
Svoveldioksid I luft
Svoveldioksid (SO2) reagerer med hydroksylradikaler (OH∙) og oksygen i luft og blir oksidert til svoveltrioksid (SO3). Svoveltrioksid løser seg i vanndamp i lufta og blir omdannet til svovelsyre (H2SO4) og gir sur nedbør.