SIKLUS BIOGEOKIMIA NITROGEN
SIKLUS
BIOGEOKIMIA NITROGEN
A. Pendahuluan
Nitrogen
adalah unsur yang paling berlimpah di atmosfer (78% gas di atmosfer adalah Nitrogen). 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. 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
adalah suatu proses konversi senyawa yang mengandung unsur Nitrogen menjadi berbagai macam bentuk kimiawi yang lain. Yaitu,
proses perubahan nitrogen anorganik menjadi nitrogen organik yaitu amonia (NH3),
NO2, NO3 kemudian menjadi nitrogen anorganik lagi.
Nitrogen merupakan unsur penting dalam pembentukan asam amino, asam nukleat
baik ARN ataupun ADN. Nitrogen adalah komponen gas yang paling banyak
terkandung di atmosfer yaitu kurang lebih 80%. Nitrogen yang ada di atmosfer
ditemukan dalam bentuk N2 (gas Nitrogen) disebut sebagai nitrogen
anorganik. 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.
Untuk dapat dimanfaatkan oleh makhluk hidup,
nitrogen anorganik harus di ubah terlebih dahulu menjadi nitrogen organik.
Tidak semua makhluk hidup dapat merubah nitrogen anorganik menjadi nitrogen
organik. Proses perubahan nitrogen menjadi materi organik hanya bisa dilakukan
oleh mikroorganisme prokariota tertentu yang memiliki kemampuan untuk
menfiksasi nitrogen menjadi amonia. Serta oleh reaksi nitrogen dengan oksigen
atau hidrogen dengan bantuan petir yang menghasilkan senyawa nitrit ataupun
nitrat.
Amonia serta nitrit atau nitrat yang terbentuk
kemudian diserap oleh tumbuhan sebagai bahan pembentuk protein. Ketika hewan
dan manusia memakan tumbuhan tersebut maka nitrogen yang ada dalam tumbuhan
tersebut akan berpindah pada ketubuh hewan dan manusia. Selanjutnya nitrogen
dari hewan dan manusia kembali kealam melalui sisa hasil ekresi dalam bentuk
urine, atau dekomposisi makhluk hidup yang telah mati oleh bakteri pengurai
menjadi garam amonium (NH4) dan gas amoniak (NH3). Kemudian
oleh bakteri Nitrosomonas (bakteri nitrit) amonia diubah menjadi nitrit. Nitrit
oleh bakteri Nitrobacter (bakteri nitrat) kemudian akan di ubah menjadi nitrat.
Proses perubahan amonia menjadi nitrit dan nitrat disebut sebagai proses
Nitrifikasi. Proses terakhir dalam daur nitrogen adalah perubahan nitrit dan
nitrat menjadi gas nitrogen yang hanya bisa dilakukan oleh bakteri
denitrifikasi. Nitrogen yang kembali ke atmosfer akan mengulang siklus dari
awal lagi, begitu seterusnya. Walau sama-sama penting, daur nitrogen lebih
kompleks jika dibandingkan dengan siklus karbon ataupun siklus oksigen.
Adapun fungsi Nitrogen dalam ekologi 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.
B. Proses
Dalam Siklus Nitrogen
Secara
umum daur nitrogen atau siklus nitrogen terdiri dari tiga tahapan proses,
yaitu:
· Tahap
pertama adalah proses perubahan gas nitrogen menjadi amonia oleh bakteri
fiksasi nitrogen. Fiksasi nitrogen secara biologis dapat dilakukan oleh bakteri
Rhizobium yang bersimbiosis dengan tanaman leguminosa. Bakteri yang berperan
dalam fiksasi nitrogen antara lain adalah bakteri Azotobacter dan Clostridium.
Selain itu ganggang hijau biru dalam air juga memiliki kemampuan memfiksasi
nitrogen.
· Tahap
kedua adalah proses perubahan amonia menjadi nitrit dan nitrat melalui proses
nitrifikasi. Amonia diubah menjadi nitrit oleh bakteri nitrit yang disebut
bakteri nitrosomonas. Kemudia nitrit yang terbentuk diubah menjadi nitrat oleh
bakteri nitrat yang disebut bakteri nitrobakter.
· Tahap
ketiga adalah proses perubahan nitrit dan nitrat menjadi nitrogen kembali
melalui proses denitrifikasi.
|
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 di samping).
|
 |
Proses daur Nitrogen yang terjadi di
alam melalui beberapa tahapan proses, di antaranya:
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 0C, 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.
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
