Органические соединения серы

Сера в почвах и серосодержащие удобрения

Р. Миккельсен и Р. Нортон

Сера – широко распространенный в природе элемент, который имеет важное значение для функционирования как растительных, так и животных организмов. Она аккумулируется в вулканически активных областях, и в мире имеются крупные месторождения элементарной серы. До сравнительно недавнего времени серным сырьем служили вулканическая сера и пирит (Fe₂S). В 20-м веке­­­­­Г. Фраш разработал способ добычи серы путем плавления ее подземных залежей, что расширило использование серы в сельском хозяйстве и промышленнос­ти.
Углеводородные полезные ископаемые содержат серу, поскольку сера входила в состав органических соединений, из которых сформировались данные ископаемые. Серу извлекают в качестве побочного продукта из таких ископаемых видов топлива, как нефть, газ, битуминозные пески и уголь. Очистка ископаемых видов топлива от серы снижает выбросы серы в атмосферу при их сжигании. В настоящее время элементарная сера получается при переработке и очистке нефти и газа. Сера поставляется на мировой рынок в твердом или расплавленном виде.
Сера – важный продукт для химической промышленности, особенно в форме серной кислоты. Промышленность по производству фосфорных удоб­рений – крупнейший потребитель серы. Мировые поставки и цены на серу тесно связаны с рынком фосфорных удобрений.

Сера в почве

Органические соединения серы

В почве сера в основном находится в составе органических соединений, представленных растительными остатками и гумусом (до 98% от валового содержания серы в почве). Существует целый ряд комплексных органических соединений серы (например, сульфатэфиры и соединения с C-S-связями), однако корни растений не могут поглощать серу в данной форме. Сера становится доступной растениям только в сульфатной форме – в процессе минерализации органических соединений, протекающем с участием микроорганизмов.
В результате деятельнос­ти микроорганизмов в почве постоянно протекают процессы трансформации серы – превращения между органичес­кими и неорганическими соединениями серы. Сульфатная форма серы образуется в качестве побочного продукта в процессе минерализации органического вещест­ва почвы, протекающем с участием мик­роорганизмов. Процесс иммобилизации представляет собой включение сульфатной формы серы в микробную биомассу почвы.
Наиболее простым способом для определения того, протекает ли в почве чистая (нетто) минерализация или чистая иммобилизация серы, служит анализ соотношения углерода к сере. Процесс высвобождения серы – перехода в сульфатную форму в основном протекает при соотношении C:S в органическом веществе менее, чем 200:1; а иммобилизация серы обычно происходит в тех случаях, когда соотношение C:S превышает 400:1. Определить направленность процессов мобилизации-иммобилизации серы в почве гораздо сложнее, если соотношение C:S находится в диапазоне между вышеуказанными значениями.
Процесс минерализации органического вещества почвы и высвобождения серы чаще всего протекает слишком медленно для того, чтобы удовлетворить потребности высокоурожайных сортов сельскохозяйственных культур в сере. Возникающий недостаток серы должен устраняться за счет внесения органических или минеральных удобрений, содержащих серу.
Неорганические соединения серы
Только небольшая часть от валового содержания серы в почве находится в неорганической форме. Сульфатная сера – наиболее распространенная форма среди неорганических соединений серы в поч­ве. Сульфаты входят в состав почвенного раствора, удерживаются поверхностью минеральных частиц почвы, а также находятся в составе таких минералов, как гипс. В затопляемых и слабодренированных поч­вах могут образовываться минералы группы сульфидов (например, пирит).
Большинство сульфатов хорошо растворимо в воде и передвигается с током почвенной влаги. Они слабо удерживаются (адсорбируются) глинистыми и другими почвенными минералами, особенно при низких значениях pH почвенного раствора. Адсорбированные почвой сульфаты представляют собой важный резерв серы для питания растений, особенно в нижних горизонтах почвенного профиля (глубже 30 см), имеющих кислую реакцию среды. Спе­цифическая адсорбция сульфат-ионов характерна для некоторых типов почв, особенно имеющих высокое содержание свободных оксидов и гидроксидов железа и алюминия. Неспецифическая адсорбция сульфат-ионов почвой ослабляется при известковании и внесении фосфорных удобрений.
Вымывание сульфатов из почвы
Потери серы из почвы в основном происходят за счет вымывания сульфат-ионов из корнеобитаемой зоны при выпадении большого количества осадков и при орошении. Размеры потерь серы от вымывания зависят от почвенно-климатических условий – ежегодные потери обычно составляют от 5 до 60 кг S/га(4-54 фунтов/акр). По сравнению с незасеянной поч­вой под хорошо развитыми посевами сельскохозяйственных культур вымывание сульфат-ионов, как правило, идет менее интенсивно. Для снижения потерь азота из почвы, связанных с вымыванием нитратов, обычно выращиваются почвопокровные культуры. Возделывание таких культур также помогает снизить и риск вымывания серы, поскольку она поглощается из почвы растениями и затем возвращается с растительными остатками.
Газообразные потери серы из почвы
В анаэробных условиях сульфаты восстанавливаются почвенными бактериями до целого ряда соединений, которые по большей части не могут поглощаться растениями. Указанные соединения включают сероуглерод, карбонилсульфид, диметилдисульфид, метилмеркаптан и сероводород – летучий газ. Обычно образуются сульфиды двухвалентного железа – минералы группы пирита.
Сера в атмосфере
Диоксид серы (SO₂) входит в группу газов, обладающих высокой химической активностью. Они выделяются в атмосферу при сгорании ископаемых видов топлива. Выбросы SO₂ регулируются правительственными постановлениями, поскольку загрязнение атмосферы диоксидом серы приводит к повреждению органов дыхания и вызывает кислотные осадки. Бóльшая часть серы, содержащейся в ископаемых видах топлива (особенно в форме сероводорода), удаляется до их сжигания. Это основной источник получения элементарной серы.
Экологические аспекты
Содержание сульфат-ионов в питьевой воде не регулируется правительственными постановлениями, однако, согласно рекомендациям Агентства по охране окружающей среды США, данный показатель не должен превышать 250 мг/л из-за ухудшения вкуса и запаха питьевой воды при более высоких концентрациях сульфат-ионов. Содержание сероводорода в воде из артезианских скважин в количестве лишь нескольких мг/л ухудшает вкус и запах воды. Концентрация сульфат-ионов в природных поверхностных водах редко служит лимитирующим фактором, ограничивающим развитие водных организмов. В данном случае возможно косвенное влияние¹.