Tout comme l’azote et le phosphore, le soufre est un élément essentiel à la Vie. À l’origine de la Terre, le soufre était contenu dans les roches ignées, principalement dans la pyrite (FeS2). Le dégazage de la croûte terrestre et subséquement l’altération sous des conditions aérobies ont transféré à l’océan une grande quantité de soufre sous la forme de SO42-. Quand SO4 est assimilé par les organismes, il est réduit et converti en soufre organique qui est un élément essentiel des protéines. Comme dans le cas de l’azote, les réactions microbiennes sont déterminantes dans le cycle du soufre.
La compréhension du cycle global du soufre acquiert une grande importance pour l’économie minérale et dans le débat sur les changements climatiques et la pollution atmosphérique. Plusieurs métaux, dont le cuivre, le zinc, le plomb, sont extraits des sulfures des dépôts hydrothermaux. Dans certains cas, des réactions microbiennes sont utilisées pour concentrer des sulfures métalliques à partir de solutions diluées. Le soufre est un constituant important des pétroles et des charbons et leur combustion libère du dioxyde de soufre SO2 dans l’atmosphère. Pouvoir départager les sources naturelles des sources anthropiques des composés du soufre dans l’atmosphère est fondamental pour cerner les causes des pluies acides et leur impact sur les écosystèmes.
Les composés du souffre sont multiples. Les principaux sont les suivants:
a) dans l’atmosphère, à l’état gazeux:
- le soufre réduit comme dans le diméthylsulfure (acronyme: DMS) dont la formule chimique est CH3SCH3 et le carbonyl de sulfure COS,
- le dioxyde de soufre SO2,
- les sulfates en aérosols SO4.
b) dans les systèmes aquatiques: les composés majeurs sont les sulfates dissouts SO4-
c) dans les sédiments et les roches sédimentaires:
- les sulfures métalliques, surtout la pyrite FeS2,
- les évaporites: gypse CaSO4. nH2O et anhydrite CaSO4,
- les matières organiques.
Le schéma qui suit résume à grands traits le cycle global du soufre.
Au niveau du cycle océanique, le DMS est un produit naturel issu de la décomposition des cellules du phytoplancton dans la couche supérieure de l’océan. Il s’échappe dans l’atmosphère pour former moins de 1% de la totalité des gaz atmosphériques. Néanmoins, il a une influence sur les climats. En quelques jours, il est oxydé en dioxyde (SO2), puis en sulfate (SO4) qui condense en minuscules particules aérosols. Celles-ci agissent comme noyaux pour la formation de gouttes de pluie et de nuages. Ces nuages vont réfléchir une partie du rayonnement solaire et ainsi tempérer le réchauffement de la Planète. Mais ils vont aussi éventuellement contribuer à des précipitations acides à cause de la réaction des aérosols avec la vapeur d’eau et les radiations solaires.
Le carbonyl de sulfure COS est produit à partir des sulfures organiques dissouts dans l’eau de mer et acquis en partie de l’érosion continentale. Il s’échappe par la surface des océans vers l’atmosphère. Il est inerte dans la troposphère, mais s’oxyde en sulfates dans la stratosphère pour former une couche tout autour de la Planète. Tout comme les nuages de la troposphère, cette couche de sulfates en aérosols va réfléchir une partie du rayonnement solaire, avec le même effet de modération sur la chauffe de la Planète.
Une autre influence naturelle importante sur le cycle du soufre est celle des volcans. Parmi les gaz qu’ils émettent jusque dans la stratosphère, il y a les sulfates SO4 en aérosols qui viennent s’ajouter à ceux qui sont issus du COS. Couplées aux émissions de cendres créant un effet de voile, ces émissions de sulfates peuvent résulter en des refroidissements à très court terme. Ainsi, on évalue que le Pinatubo aux Philippines qui a fait éruption en 1991 a abaissé la température planétaire moyenne de 1 °C pendant une année dû à l’effet combiné des émissions de cendres et de SO4.
Au niveau des continents, l’altération et l’érosion des sulfures métalliques, ainsi que le transport de poussières de sulfates (gypse et anhydrite) dans les déserts transfèrent du soufre aux océans. Les gaz biogéniques des sols anaérobies et des marécages contiennent aussi du H2S, ainsi que du DMS et COS en moindre quantité, lesquels sont libérés dans l’atmosphère. Mais la plus grande contribution en composés sulfurés vient de la combustion des pétroles et des charbons qui contiennent pratiquement toujours du soufre. Ce sont des émissions de sulfates SO4, mais surtout de dioxyde de soufre SO2. Ce dioxyde sous l’effet des radiations solaires se combine avec la vapeur d’eau et les radicaux OH pour former de minuscules gouttes de H2SO4 (acide sulfurique), un processus en partie responsable des pluies acides. Le flux anthropique de ces gaz excède par endroits de beaucoup le flux naturel. On peut dire que globalement le flux principal dans l’échange de soufre entre la surface de la Planète et l’atmosphère est celui d’origine anthropique relié à la combustion des hydrocarbures et des charbons.