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
mengandungunsur 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 pelepasannitrogen dalam air limbah telah secara dramatis
mengubah siklus nitrogen global. Pembukaannya sudah cukup,
sekarang kita menginjak ke detail proses daur / siklus nitrogen.
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
nitrogenmenjadi 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 menjadinitrit (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 nitratsebagai 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
1. Siklus Nitrogen (N2)
Gas nitrogen banyak terdapat di atmosfer, yaitu 80% dari udara. Nitrogen bebas dapat ditambat/difiksasi terutama oleh tumbuhan yang berbintil akar (misalnya jenis polongan) dan beberapa jenis ganggang. Nitrogen bebas juga dapat bereaksi dengan hidrogen atau oksigen dengan bantuan kilat/ petir.
Gas nitrogen banyak terdapat di atmosfer, yaitu 80% dari udara. Nitrogen bebas dapat ditambat/difiksasi terutama oleh tumbuhan yang berbintil akar (misalnya jenis polongan) dan beberapa jenis ganggang. Nitrogen bebas juga dapat bereaksi dengan hidrogen atau oksigen dengan bantuan kilat/ petir.
Tumbuhan memperoleh nitrogen dari dalam
tanah berupa amonia (NH3), ion nitrit (N02- ), dan ion nitrat (N03- ).
Beberapa bakteri yang dapat menambat nitrogen
terdapat pada akar Legum dan akar tumbuhan lain, misalnya Marsiella
crenata. Selain itu, terdapat bakteri dalam tanah yang
dapat mengikat nitrogen secara langsung, yakni Azotobacter sp. yang
bersifat aerob dan Clostridium sp. yang bersifat
anaerob. Nostoc sp. dan Anabaena sp. (ganggang
biru) juga mampu menambat nitrogen.
Nitrogen yang diikat biasanya dalam bentuk amonia. Amonia
diperoleh dari hasil penguraian jaringan yang mati oleh bakteri. Amonia ini
akan dinitrifikasi oleh bakteri nitrit, yaitu Nitrosomonas danNitrosococcus sehingga
menghasilkan nitrat yang akan diserap oleh akar tumbuhan. Selanjutnya oleh
bakteri denitrifikan, nitrat diubah menjadi amonia kembali, dan amonia diubah
menjadi nitrogen yang dilepaskan ke udara. Dengan cara ini siklus nitrogen
akan berulang dalam ekosistem.
|
Di alam,
Nitrogen terdapat dalam bentuk senyawa organik seperti urea, protein, dan asam
nukleat atau sebagai senyawa anorganik seperti ammonia, nitrit, dan
nitrat.dalam siklus nitrogen terjadi dua tahap:
Tahap pertama
Selain air
hujan yang membawa sejumlah nitrogen, penambahan nitrogen ke dalam tanah
terjadi melalui proses fiksasi nitrogen. Fiksasi
nitrogen ini dilakukan oleh bakteri Rhizobium yang bersimbiosis dengan
polong-polongan, bakteri
Azotobacter danClostridium.
Sedangkan di laut ganggang hijau biru memiliki kemampuan memfiksasi nitrogen.
Tahap kedua
Jika
tumbuhan atau hewan mati, maka pengurai akan merombaknya menjadi gas,disebut
proses amonifikasi
|
Nitrat yang
digunakan oleh produsen (tumbuhan) →
molekul protein.
↓
(Jika tumbuhan atau hewan mati, maka pengurai akan merombaknya menjadi
gas,disebut proses amonifikasi)
amoniak (NH3)
dan garam ammonium yang larut dalam air (NH4+)
senyawa
ammonium →
nitrat (oleh Nitrobacter)
Apabila
oksigen dalam tanah terbatas, nitrat dengan cepat ditransformasikan menjadi gas
nitrogen atau oksida nitrogen oleh proses yang disebut denitrifikasi.
Tumbuhan dan hewan membutuhkan nitrogen untuk
membentuk asam amino untuk membentuk protein. Selain itu, nitrogen diperlukan
dalam pembentukan senyawa nitrogen, seperti asam nukleat (ADN dan ARN).
Meskipun 78% di udara terdapat nitrogen bebas, namun tumbuhan dan hewan pada
umumnya tidak mampu menggunakannya dalam bentuk bebas. Nitrogen harus diubah
menjadi bahan nitrogen lain sehingga dapat digunakan. Nitrogen diikat oleh
bakteri yang ada di dalam tanah (biasanya dalam bentuk amonia). Selanjutnya
oleh bakteri nitrifikasi diubah menjadi nitrit (NO2-), kemudian menjadi
nitrat (NO3-),
yang mana dapat diserap dari tanah oleh tumbuhan (disebut proses nitrifikasi). Beberapa tanaman
mempunyai nodul pada akarnya yang di dalamnya terdapat bakteri pengikat
nitrogen. Bakteri mengubah banyak nitrogen menjadi asam amino yang dilepaskan
ke jaringan tumbuhan. Tanaman dengan nodul ini mampu hidup dalam kondisi tanah
yang miskin nitrogen, misalnya ercis, tanaman dengan daun menjari dan tanaman
lain yang termasuk dalam keluarga kacang-kacangan (legume).
Gambar Daur Nitrogen
Gambar Daur Nitrogen
Kadang-kadang tanaman ini digunakan untuk mengisi lahan yang miskin nitrogen selama masa perputaran setelah panen padi. Beberapa hasil penelitian genetik yang diorientasikan terhadap pemberian tanaman panen yang lain (jagung, gandum) yang mempunyai kemampuan untuk mengikat nirogen. Kemampuan yang secara besar dapat mengurangi kebutuhan pemupukan pertanian. Dalam ekosistem air, alga hijau-biru juga mampu menyerap nitrogen. Nitrogen juga dapat terikat di atmosfer melalui masuknya energi elektrik misalnya melalui penyinaran.
Bakteri pemecah memecah protein dalam tubuh organisme mati atau hasil sisa mereka menjadi amonium, kemudian nitrit atau nitrat dan akhirnya menjadi gas nitrogen yang mana akan dilepaskan ke atmosfer dari mulai nitrogen diikat dan berputar lagi.
Gambar Daur Nitrogen
Semua hewan hanya memperoleh nitrogen organik dari tumbuhan atau hewan lain yang dimakannya. Protein yang dicerna akan menjadi asam amino yang selanjutnya dapat disusun menjadi protein-protein baru pada tingkat trofik berikutnya. Ketika makhluk hidup mati, materi organik yang dikandungnya akan diuraikan kembali oleh dekomposer sehingga nitrogen dapat dilepaskan sebagai amonia. Dekomposisi nitrogen organik menjadi amonia lagi disebut amonifikasi. Proses tersebut dapat dilakukan oleh beberapa bakteri dan mahkluk hidup eukariotik.
Contoh beberapa
mikroorganisme yang terlibat dalam daur nitrogen ialah :
1.Nitrosomanas mengubah
amonium menjadi nitrit.
2.Nitrobacter mengubah nitrit menjadi nitrat
3.Rhizobium menambat nitrogen dari udara
4.Bakteri hidup bebas pengikat nitrogen seperti Azotobakter (aerobik) dan Clostridium (anaerobik)
5.Alga biru hijau pengikat nitrogen seperti Anabaena, Nostoc dan anggota-anggota lain dari ordo Nostocales
6.Bakteri ungu pengikat nitrogen seperti Rhodospirillum
2.Nitrobacter mengubah nitrit menjadi nitrat
3.Rhizobium menambat nitrogen dari udara
4.Bakteri hidup bebas pengikat nitrogen seperti Azotobakter (aerobik) dan Clostridium (anaerobik)
5.Alga biru hijau pengikat nitrogen seperti Anabaena, Nostoc dan anggota-anggota lain dari ordo Nostocales
6.Bakteri ungu pengikat nitrogen seperti Rhodospirillum
Meskipun pengikatan
secara alami menghasilkan cukup nitrogen untuk proses yang berlangsung secara
alami, namun pembentukan nitrogen oleh industri yang digunakan untuk pemupukan
dan produk lain melampui kebutuhan ekosistem darat.
Tidak ada komentar:
Posting Komentar