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, mineralisasi, nitrifikasi, denitrifikasi.
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. Pembukaannya
sudah cukup, sekarang kita menginjak ke detail proses daur / siklus nitrogen.
FUNGSI DALAM EKOLOGI
Nitrogen sangatlah penting untuk berbagai
proses kehidupan di Bumi. Nitrogen adalah komponen utama dalam semua asam
amino, yang nantinya dimasukkan ke dalam protein, tahu kan kalau
protein adalah zat yang sangat kita butuhkan dalam pertumbuhan. Nitrogen
juga hadir di basis pembentuk asam nukleat, seperti DNA dan
RNA yang nantinya membawa hereditas. Pada tumbuhan, banyak dari nitrogen
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
(lihat gambar).
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 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 :
a. 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.
b. Industri
fiksasi nitrogen : Di bawah
tekanan besar, pada suhu 600 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.
c.
Pembakaran bahan bakar fosil : mesin mobil dan pembangkit listrik termal, yang
melepaskan berbagai nitrogen oksida (NOx).
d. 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 :
1. NH3 + CO2 +
1.5 O2 + Nitrosomonas → NO2- + H2O
+ H+
2. NO2- + CO2 +
0.5 O2 + Nitrobacter → NO3-
3. NH3 + O2 →
NO2− + 3H+ + 2e−
4. NO2− + H2O
→ NO3− + 2H+ + 2e
note :
"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 lautan. Reduksi dalam kondisi anoxic juga dapat terjadi melalui
proses yang disebut oksidasi amonia anaerobik
NH4+ + NO2− →
N2 + 2 H2O
Tidak ada komentar:
Posting Komentar