Dalam mempelajari siklus nitrogen dalam ekosistem, kita harus mengetahui terlebih dahulu apa itu Niturogen. Nitrogen merupakan salah satu unsur pembatas pertumbuhan yang berperan penting dalam mengontrol produktivitas biologi. Gas nitrogen banyak terdapat di atmosfer yaitu 78% dari udara. Nitrogen termasuk unsur yang tidak reaktif (sulit bereaksi dengan unsur lain) sehingga dalam penggunaan nitrogen pada makhluk hidup diperlukan berbagai proses seperti fiksasi nitrogen, mineralisasi, nitrifikasi, denitrifikasi.
Nitrogen sangat penting untuk berbagai proses kehidupan di Bumi. Nitrogen merupakan komponen utama dalam semua asam amino, yang nantinya dimasukkan ke dalam protein, dimana protein merupakan 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. Selain itu nitrogen juga penting untuk pembentukan membran sel, pembentukan enzim, regenerasi sel, antibodi dll.
Siklus nitrogen merupakan 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 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 bawah ini menunjukkan bagaimana siklus nitrogen terbentuk.
Gambar 1 Siklus nitrogen
1. Fiksasi nitrogen
Fiksasi nitrogen adalah proses alam, biologis atau abiotik yang mengubah nitrogen di udara menjadi ammonia (NH3). Mikroorganisme yang memfiksasi 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
Mikroorganisme yang dapat 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 diantaranya sebagai berikut:
- Fiksasi biologis: beberapa bakteri simbiotik (paling sering dikaitkan dengan tanaman polongan) dan beberapa bakteri yang hidup bebas dapat memperbaiki nitrogen sebagai nitrogen organik. Sebagai contoh bakteri Rhizobium mutualistik (bakteri pengikat nitrogen) yang hidup dalam nodul akar kacang-kacangan. Selain itu fiksasi nitrogen dapat dilakukan oleh bakteri Azotobacter dan Clostridium. Spesies ini merupakan diazotrof (Mikroorganisme yang memfiksasi nitrogen).
- Industri fiksasi nitrogen: Di bawah tekanan besar, pada suhu 600 ºC, 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 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: pembentukan NO dari N2 dan O2 karena foton dan terutama petir, dapat memfiksasi nitrogen. Ketika petir terbentuk diatmosfer menyebabkan nitrogen bersenyawa menjadi nitrat. Nitrat itu disentuhkan ke bumi, sehingga semakin daerah itu banyak petir tentu banyak nitrat terbentuk disana. Nitrat yang terbentuk di atmosfer akan terbawa oleh hujan sehingga terjadi perpindahan nitrat dari udara ke daratan yang menjadikan nitrogen dalam bentuk nitrat itu menjadi berguna.
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 menjadi 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
Reduksi dari nitrogen menjadi amoniak disebut amonifikasi. Amonifikasi terjadi jika tumbuhan atau hewan mati. Protein dari tubuh organisme yang mati atau hasil sisa-sisa mereka (nitrogen organik) diubah menjadi amonium (NH4+) oleh bakteri dan jamur. Genus Bacillus yang hidup anaerob dapat melakukan amonifikasi.
Penguraian protein dengan mikroorganisme dimulai dengan hidrolisis protein secara enzimatik menjadi asam amino masing-masing, selanjutnya asam amaino yang dibebaskan dimetabolisme lebih lanjut. Selama jalannya metabolisme ini gugusan amino paling sering dibebaskan sebagai amoniak.
4. Nitrifikasi
Nitrifikasi adalah suatu proses biokimia yang tergolong anabolisme mengubah senyawa sederhana anorganik berupa amoniak NH3 menjadi senyawa organik nitrat HNO3 dengan energi berasal dari energi hasil reaksi kimia / khemosintesis yang dipunyai bakteri. Konversi amonium menjadi nitrat dilakukan terutama oleh bakteri yang hidup di dalam tanah dan bakteri nitrifikasi lainnya. Proses nitrifikasi berjalan dua kali yaitu nitritasi membentuk nitrit dan nitratasi membentuk nitrat. Tahap utama nitrifikasi yaitu 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 nitrat (NO3-). Kemudian nitrat diserap oleh tumbuhan karena nitrogen ditanah hanya bisa diserap dalam bentuk nitrat. 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
Karena kelarutannya yang sangat tinggi, nitrat dapat masuk ke dalam 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 menjadi berkurangnya kandungan oksigen di perairan.
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. Bakteri ini bersifat fakultatif anaerob sehingga dapat hidup dalam kondisi aerobik. Mereka menggunakan nitrat sebagai akseptor elektron di tempat yang mengandung oksigen selama respirasi.
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 dengan reaksinya sebagai berikut:
NH4+ + NO2− → N2 + 2 H2O
Sumber:
Ferdinand F, Ariebowo. 2009. Praktis Belajar Biologi 1. Jakarta: Pusat Perbukuan Departemen Pendidikan Nasional.
Subardi, Nuryani, Pramono S. 2009. Biologi 1. Jakarta: Pusat Perbukuan Departemen Pendidikan Nasional.
Sulistyorini A. 2009. Biologi 1. Jakarta: Pusat Perbukuan Departemen Pendidikan Nasional.
Suwarno. 2002. Panduan Pembelajaran Biologi. Jakarta: Pusat Perbukuan Departemen Pendidikan Nasional.
Comments are closed.