DAUR/SIKLUS NITROGEN
Nitrogen adalah unsur yang paling berlimpah di
atmosfer (78% gas di atmosfer adalah nitrogen).
Meskipun demikian, penggunaan nitrogen pada
bidang biologis sangatlah terbatas. Nitrogen merupakan unsur yang tidak reaktif (sulit bereaksi
dengan unsur lain) sehingga dalam penggunaan nitrogen pada makhluk hidup diperlukan berbagai proses, yaitu
: fiksasi nitrogen, asimilasi, amonifikasi, nitrifikasi,
denitrifikasi, oksidasi amonia anaerobik.
Siklus nitrogen sendiri adalah suatu proses konversi
senyawa yang mengandung unsur nitrogen menjadi
berbagai macam bentuk kimiawi yang lain. Transformasi ini dapat terjadi secara
biologis maupun non-biologis. Siklus
nitrogen secara khusus sangat dibutuhkan dalam ekologi karena
ketersediaan nitrogen dapat
mempengaruhi tingkat proses ekosistem kunci, termasuk produksi primer dan
dekomposisi. Aktivitas manusia seperti pembakaran bahan bakar fosil,
penggunaan pupuk nitrogen buatan,
dan pelepasan nitrogen dalam
air limbah telah secara dramatis mengubah siklus nitrogen global.
Nitrogen sangatlah penting untuk berbagai proses
kehidupan di Bumi. Nitrogen adalah
komponen utama dalam semua asam
amino, yang nantinya dimasukkan ke dalam protein. Protein adalah
zat yang sangat kita butuhkan dalam pertumbuhan. Nitrogen juga hadir dibasis pembentuk asam nukleat, seperti DNA dan RNA yang nantinya membawa hereditas. Pada tumbuhan,
banyak darinitrogen digunakan
dalam molekul klorofil, yang penting untuk fotosintesis dan pertumbuhan lebih lanjut. Meskipun
atmosfer bumi merupakan sumber berlimpah nitrogen, sebagian besar relatif tidak dapat digunakan oleh
tanaman. Pengolahan kimia atau fiksasi
alami (melalui proses konversi seperti yang dilakukan bakteri rhizobium),
diperlukan untuk mengkonversi gas
nitrogen menjadi bentuk yang dapat digunakan oleh organisme hidup,
oleh karena itu nitrogen menjadi
komponen penting dari produksi pangan. Kelimpahan atau kelangkaan dari bentuk
"tetap" nitrogen,
(juga dikenal sebagai nitrogen
reaktif), menentukan berapa banyak makanan yang dapat tumbuh pada
sebidang tanah.
PROSES-PROSES DALAM DAUR
NITROGEN
Nitrogen hadir di lingkungan dalam berbagai bentuk kimia
termasuk nitrogen organik, amonium (NH4 +), nitrit (NO2-), nitrat (NO3-), dan gas nitrogen (N2). Nitrogen organik dapat berupa organisme hidup, atau
humus, dan dalam produk antara dekomposisi bahan organik atau humus dibangun.
Proses siklus nitrogen mengubah nitrogen dari satu
bentuk kimia lain. Banyak proses yang dilakukan oleh mikroba baik untuk menghasilkan
energi atau menumpuk nitrogen dalam bentuk yang dibutuhkan untuk
pertumbuhan. Diagram di atas menunjukkan bagaimana proses-proses cocok bersama
untuk membentuk siklus nitrogen.
1.
Fiksasi
Nitrogen
Fiksasi nitrogen adalah proses
alam, biologis atau abiotik yang mengubah nitrogen di udara menjadi ammonia (NH3). Mikroorganisme yang mem-fiksasi nitrogen disebut diazotrof.
Mikroorganisme ini memiliki enzim nitrogenaze yang dapat
menggabungkan hidrogen dan
nitrogen. Reaksi untuk fiksasi nitrogen biologis ini
dapat ditulis sebagai berikut :
N2 + 8 H+ + 8 e− → 2
NH3 + H2
Mikro organisme yang
melakukan fiksasi nitrogen antara
lain : Cyanobacteria, Azotobacteraceae, Rhizobia, Clostridium,
dan Frankia. Selain itu ganggang hijau dan biru juga dapat memfiksasi nitrogen. Beberapa tanaman yang lebih tinggi, dan beberapa
hewan (rayap), telah membentuk asosiasi (simbiosis) dengan diazotrof.
Selain dilakukan oleh mikroorganisme, fiksasi nitrogen juga terjadi pada proses non-biologis,
contohnya sambaran petir. Lebih jauh, ada empat cara yang dapat mengkonversi
unsur nitrogen di
atmosfer menjadi bentuk yang lebih reaktif :
·
Fiksasi biologis
Beberapa
bakteri simbiotik (paling sering dikaitkan dengan tanaman polongan) dan
beberapa bakteri yang hidup bebas dapat memperbaiki nitrogen sebagai nitrogen
organik. Sebuah contoh dari bakteri pengikat nitrogen adalah bakteri Rhizobium
mutualistik, yang hidup dalam nodul akar kacang-kacangan. Spesies ini
diazotrophs. Sebuah contoh dari hidup bebas bakteri Azotobacter.
·
Industri fiksasi nitrogen
Di
bawah tekanan besar, pada suhu 600o C, dan dengan penggunaan katalis
besi, nitrogen atmosfer dan hidrogen (biasanya berasal dari gas alam atau
minyak bumi) dapat dikombinasikan untuk membentuk amonia (NH3).
Dalam proses Haber-Bosch, N2 adalah diubah bersamaan dengan gas
hidrogen (H2) menjadi amonia (NH3), yang digunakan untuk
membuat pupuk dan bahan peledak.
·
Pembakaran bahan bakar fosil :
mesin mobil dan pembangkit listrik termal, yang melepaskan berbagai nitrogen
oksida (NOx).
·
Proses lain: Selain itu,
pembentukan NO dari N2 dan O2 karena foton dan terutama
petir, dapat memfiksasi nitrogen.
2. Asimilasi
Tanaman
mendapatkan nitrogen dari
tanah melalui absorbsi akar baik dalam bentuk ion nitrat atau ion
amonium. Sedangkan hewan memperoleh nitrogen dari tanaman yang mereka makan.
Tanaman dapat
menyerap ion nitrat atau amonium dari tanah melalui rambut
akarnya. Jika nitrat diserap,
pertama-tama direduksi menjadi ion
nitrit dan kemudian ion
amonium untuk dimasukkan ke dalam asam amino, asam nukleat, dan
klorofil. Pada tanaman yang memiliki hubungan mutualistik dengan rhizobia, nitrogen dapat berasimilasi dalam
bentuk ion amonium langsung
dari nodul. Hewan, jamur, dan organisme heterotrof lain mendapatkan nitrogen sebagai asam amino,
nukleotida dan molekul organik kecil.
3.
Amonifikasi
Jika tumbuhan atau
hewan mati, nitrogen organik diubah
menjadi amonium (NH4+) oleh
bakteri dan jamur.
4.
Nitrifikasi
Konversi amonium menjadi nitrat dilakukan terutama oleh
bakteri yang hidup di dalam tanah dan bakteri nitrifikasi lainnya. Tahap utama nitrifikasi, bakteri nitrifikasi seperti spesies Nitrosomonas mengoksidasi amonium (NH4+) dan
mengubah amonia menjadi nitrit (NO2-). Spesies
bakteri lain, seperti Nitrobacter,
bertanggung jawab untuk oksidasi
nitrit menjadi dari nitrat
(NO3-). Proses konversi nitrit menjadi nitrat sangat
penting karena nitrit merupakan
racun bagi kehidupan tanaman.
Proses nitrifikasi dapat ditulis dengan reaksi berikut ini :
a. NH3 + CO2 + 1.5
O2 + Nitrosomonas → NO2- + H2O + H+
b. NO2- + CO2 + 0.5
O2 + Nitrobacter → NO3-
c. NH3 + O2 → NO2− +
3H+ + 2e−
d. NO2− + H2O → NO3− +
2H+ + 2e
"Karena
kelarutannya yang sangat tinggi, nitrat dapat memasukkan air tanah. Peningkatan
nitrat dalam air tanah merupakan masalah bagi air minum, karena nitrat dapat
mengganggu tingkat oksigen darah pada bayi dan menyebabkan sindrom
methemoglobinemia atau bayi biru. Ketika air tanah mengisi aliran sungai,
nitrat yang memperkaya air tanah dapat berkontribusi untuk eutrofikasi, sebuah
proses dimana populasi alga meledak, terutama populasi alga biru-hijau. Hal ini
juga dapat menyebabkan kematian kehidupan akuatik karena permintaan yang
berlebihan untuk oksigen. Meskipun tidak secara langsung beracun untuk ikan
hidup (seperti amonia), nitrat dapat memiliki efek tidak langsung pada ikan
jika berkontribusi untuk eutrofikasi ini."
5.
Denitrifikasi
Denitrifikasi adalah proses
reduksi nitrat untuk
kembali menjadi gas nitrogen (N2),
untuk menyelesaikan siklus
nitrogen. Proses ini dilakukan oleh spesies bakteri seperti Pseudomonas dan Clostridium dalam
kondisi anaerobik. Mereka menggunakan nitrat sebagai akseptor elektron di tempat oksigen selama
respirasi. Fakultatif anaerob bakteri ini juga dapat hidup dalam kondisi
aerobik.
Denitrifikasi umumnya
berlangsung melalui beberapa kombinasi dari bentuk peralihan sebagai berikut:
NO3− → NO2− →
NO + N2O → N2 (g)
Proses denitrifikasi lengkap dapat dinyatakan sebagai reaksi
redoks:
2 NO3− + 10 e− +
12 H+ → N2 + 6 H2O
6.
Oksidasi
Amonia Anaerobik
Dalam proses
biologis, nitrit dan amonium dikonversi langsung ke
elemen (N2) gas
nitrogen. Proses ini membentuk sebagian besar dari konversi nitrogen unsur di larutan. Reduksi
dalam kondisi anoxic juga dapat terjadi melalui proses yang disebut oksidasi amonia anaerobik.
NH4+ + NO2− → N2 +
2 H2O
Tidak ada komentar:
Posting Komentar