Natuurlijke uitstoot zwavelverbindingen

Zwavel (S) is een veelvoorkomend element in de aardkorst en in zeewater. Het komt voor in de vorm van sulfides en sulfaten. Zinksulfide (ZnS) is bijvoorbeeld een belangrijk mineraal dat gewonnen wordt ten behoeve van de productie van zink (Zn). De meest voorkomende sulfaten zijn calciumsulfaat (CaSO₄) en magnesiumsulfaat (MgSO₄). Sulfaten spelen een belangrijke rol in de anaerobe afbraak van organisch materiaal (algemene verhoudingsformule CH₂O) door bacteriën. In situaties waar geen zuurstof beschikbaar is en wel sulfaat, wordt het sulfaat gebruikt als bron voor zuurstof. De volgende anaerobe reactie treedt dan op:

1/2 SO₄^2- + CH₂O + H⁺ -> 1/2 H₂S + H₂O + CO₂

Deze anaerobe afbraak via sulfaatreductie is een veeloptredende, natuurlijke afbraakroute van organisch materiaal op zeebodems doordat op zeebodems vaak (veel) organisch materiaal afzinkt en zeewater sulfaat bevat. In zoet water treedt deze reactie in veel natuurlijke wateren (moerassen) niet op doordat er geen sulfaat aanwezig is. Wereldwijd wordt via deze route ongeveer een kwart van de zwavel van biologische oorsprong naar de atmosfeer geëmitteerd. De andere route van natuurlijke, biologische zwavelemissie naar de atmosfeer is die door plankton in de oceanen. Als onderdeel van de stofwisseling emitteert plankton dimethylsulfide (DMS, H₃C-S-CH₃). In de atmosfeer worden zowel H₂S als DMS geoxideerd tot SO₂.

Zwavelcyclus

In de wereldwijde natuurlijke zwavelcyclus (zie onderstaande figuur) spelen de volgende fysieke processen een rol:
• emissie van sulfaten aanwezig in de aardkorst door stof
• emissie van sulfaten uit zeewater (vorming van microscopisch zeezout)
• natuurlijke verwering en erosie van de aardkorst
• emissie van H₂S en andere zwavelverbindingen uit vulkanen
• depositie van hydrothermische sulfiden (vorming van sulfidische mineralen op de zeebodem uit vulkanen, geisers etc.)
• vorming van pyriet op/in de zeebodem
• depositie van sulfaten in zeezout (hoofdzakelijk in de oceanen)
• netto transport van land naar zee via de lucht


De emissie en depositie van sulfaten (stof, zeezout) is min of meer in balans: de door verwering en erosie ontstane sulfaten worden in de (diepe) oceaan langzaam weer omgezet in sulfides, sediment en uiteindelijk gesteenten. Sulfaten worden in de atmosfeer slechts beperkt omgezet. De natuurlijke emissie van zwavel is gekoppeld aan deze kringloop en in de loop van de tijd heeft zich een evenwicht ingesteld. De jaarlijkse hoeveelheid zwavel in dit gedeelte van de kringloop wordt geschat op 20 Mton.

De grootste invloed van de mens op de wereldwijde zwavelcyclus is de uitstoot van SO₂ door verbranding van zwavelhoudende fossiele brandstoffen. Wereldwijd wordt de industriële uitstoot van zwavel geschat op zo'n 60 Mton, dus drie keer zo veel als de hoeveelheid zwavel in de biologische kringloop! Door de verbranding van fossiele brandstoffen en het winnen en verwerken van sulfidische ertsen wordt een reservoir (voorraad) van zwavel dat zich in miljoenen jaren heeft opgebouwd in korte tijd ontsloten. De zwavel komt in eerste instantie terecht in de atmosfeer en doordat, anders dan voor CO₂, de atmosfeer voortdurend wordt ontdaan van zwavel, komt deze als zure regen in bijna alle watersystemen en bodems op aarde terecht.

De uitstoot van verzurende stoffen kan de biologische zwavelkringloop intensiveren doordat zure regen een bron van sulfaat is. Zure regen bevat immers zwavelzuur, H₂SO₄, waardoor in veel meer (water)bodems anaerobe afbraak van organisch materiaal kan (gaan) plaatsvinden.