Сера, подобно азоту, — элемент с переменной валентностью. В биосфере распространены многообразные соединения серы с валентностью: (—2), (0), (+4), (+6).
В геохимии серы главные процессы — окислительно-восстановительные микробиологические. Высокая геохимическая активность серы, резкое изменение подвижности с переменой валентности, многократные переходы из твердой фазы в раствор, в газовое состояние, высокая биофильность элемента, равная 1 (напомним, что биофильность кислорода — 1,5; фосфора — 0,83), определили неодинаковое содержание серы в геохимических системах земной коры. Кларк серы в литосфере довольно высок — 5-10-2.
В бескислородную стадию развития Земли в раннем архее преобладали, по-видимому, соединения двухвалентной серы: сероводород, сульфиды различных металлов, о чем свидетельствует отсутствие в породах этого возраста сульфатов. Однако уже в верхнем архее и нижнем протерозое по мере развития жизни и фотосинтетической деятельности растений содержание кислорода в атмосфере стало достаточным, а специализация населявших Землю микроорганизмов довольно разнообразной для окислительных процессов; это отмечается появлением в отложениях этого возраста сульфатов — продуктов окисления эндогенных сульфидов; сульфаты присутствуют и во всех более поздних геологических напластованиях. В фанерозое и кайнозое в биосфере существовали локальные условия с недостатком кислорода. Возникновению восстановительной обстановки способствовало накопление остатков растений и животных в болотах, в замкнутых пресноводных и соленоводных водоемах с затрудненным водообменом, формирование и захоронение обогащенных органическим веществом толщ осадочных пород, накопление жидких и газообразных углеводородов — нефтегазоносных залежей.
Во всех этих обстановках поверхности Земли и в толщах пород, где циркулировали воды, населенные микроорганизмами, шли процессы восстановления серы, возникала сероводородная среда, образовывались сульфиды. На протяжении длительной геологической истории развития биосферы процессы окисления — восстановления, повторяющиеся многократно, фиксировались в вещественном составе осадочных пород, древних кор выветривания, зон окисления первичных (эндогенных) и вторичных (гипергенных) сульфидных и серных месторождений. Процессы окисления — восстановления серы, протекающие с участием различных групп микроорганизмов, определяют и формы соединений и миграционную способность самой серы и связанных с нею элементов в почвах, водоемах, водоносных горизонтах и в атмосфере.
В почвах сера находится в виде неорганических соединений, окисленная в виде сульфатов (CaSO4, Na2SO4, MgSO4 и проч.), а восстановленная — в форме сульфидов (FeS, Na2S и др.), и органических (сульфгидридных и дисульфидных S—S групп), входит в состав некоторых аминокислот (цистеина, метионина, цистина) и соответственно белковых веществ высших и низших растений и животных. Сера содержится в ряде витаминов группы В (тиамин, биотин). Подсчитано, что 50—70% почвенной серы находится ъ органической фракции почвы. В районах с влажным климатом в поверхностных горизонтах почвы содержится от 200 до 1000 кг серы на 1 га.
Растения усваивают почвенную серу главным образом в форме сульфатов и лишь небольшое количество — путем ассимиляции двуокиси серы из воздуха и поглощения свободных серусодержащих аминокислот, находящихся в почве.
Животные используют серу, входящую в состав органических соединений растений. Органические остатки животных и растений минерализуются, входящая в их состав восстановленная сера при аэробном разложении окисляется ферментативным путем различными группами микроорганизмов. Подобные же процессы осуществляются в водоемах.