6 Proses tahapan dalam daur nitrogen

Daur nitrogen merupakan salah satu siklus nutrisi paling penting yang ditemukan di ekosistem darat. Daur nitrogen adalah istilah mengacu pada pergerakan nitrogen melintasi reservoir yang berbeda, termasuk organisme hidup, dalam berbagai bentuk melalui proses kimia.

Nitrogen sebagai unsur penting dari DNA, RNA, dan protein diperlukan untuk semua organisme. Nitrogen atmosfer, meskipun merupakan reservoir terbesar, tidak dapat dengan mudah digunakan oleh sebagian besar organisme. Langkah-langkah berbeda dari siklus nitrogen sebagian besar digerakkan oleh mikroorganisme.

Sebagian besar tanaman mendapatkan nitrogen dari tanah atau air tempat mereka tumbuh. Hewan mendapatkan nitrogen dengan mengonsumsi tanaman ini. Ketika tanaman dan hewan mati, tubuh membusuk membawa nitrogen kembali ke tanah dan air. Manusia mempengaruhi siklus nitrogen global dengan cara utama dan menyumbang lebih dari 75% nitrogen reaktif dengan konsekuensi signifikan terhadap kesehatan manusia dan lingkungan, terutama melalui pertanian dan peningkatan konsumsi bahan bakar fosil untuk memenuhi permintaan makanan dan energi bagi pertumbuhan yang cepat populasi (Galloway et al., 2015).

Di atmosfer ini kandungan nitrogen sangatlah banyak hingga mencapai 78% gas yang ada di atmosfer. Memerlukan berbagai proses jika ingin menggunakannya untuk makhluk hidup seperti fiksasi nitrogen, mineralisasi, nitrifikasi, denitrifikasi dan lain sebagainya. Berikut ini akan dibahas tentang tahapan proses daur nitrogen selamat menyimak.

Daur 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. Daur 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 daur nitrogen global. Pembukaannya sudah cukup, sekarang kita menginjak ke detail proses daur / daur 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 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.

Pengertian daur nitrogen

Nitrogen (N2) adalah komponen terbesar dalam komposisi gas di atmosfer bumi. Baik tumbuhan, hewan, maupun manusia, membutuhkan nitrogen untuk proses pertumbuhan dan perkembangannya. Nitrogen adalah unsur utama dalam pembentuk asam amino, asam yang digunakan sebagai bahan penting dalam molekul pembentuk protein. Adapun di alam ini, nitrogen dapat ditemukan dalam bentuk senyawa N2, NO3, NO2, dan NH4. Ketersediaan nitrogen di alam dapat terpenuhi karena adanya daur nitrogen yang berlangsung secara terus menerus.

Daur nitrogen adalah salah satu daur biogeokimia yang terjadi di bumi karena adanya interaksi yang terjadi antar komponen dalam ekosistem. Nitrogen secara umum terdapat dalam lapisan udara bumi (atmosfer) dan sebagian kecil terdapat dipermukaan litosfer bumi. Nitrogen banyak digunakan oleh tumbuhan sebagai bahan baku pertumbuhan makronya. Adapun beberapa sumber nitrogen di alam dapat tersedia karena terjadinya proses pemecahan nitrogen di udara secara alami melalui kejadian berikut ini.

Tahapan 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 daur 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 daur nitrogen (lihat gambar).

nit

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 :

  1. 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.
  2. 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.
  3. Pembakaran bahan bakar fosil : mesin mobil dan pembangkit listrik termal, yang melepaskan berbagai nitrogen oksida (NOx).
  4. 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. Amonifikasi adalah pengubahan senyawa amonia atau nitrat menjadi ammonium. Dalam daur nitrogen, ammonium dapat dihasilkan dari pengubahan nitrat yang dilakukan oleh bakteri Micrococcus denitrifican. Proses amonifikasi membuat jumlah nitrat di tanah jadi berkurang sehingga bersifat merugikan tanaman.

Amonifikasi juga dapat terjadi pada aktivitas perombakan jasad mati dan metabolisme tubuh. Hasil ekskresi dan jasad mati dapat terdekomposisi oleh detritivor dan menghasilkan amonia (NH3) yang kemudian berubah menjadi amonium (NH4). Amonium memang dapat langsung dimanfaatkan oleh tumbuhan, namun sebagian besar darinya justru digunakan bakteri aerob sebagai sumber energi.

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 daur 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

Sumber Nitrogen

Daur nitrogen adalah salah satu daur biogeokimia yang terjadi di bumi karena adanya interaksi yang terjadi antar komponen dalam ekosistem. Nitrogen secara umum terdapat dalam lapisan udara bumi (atmosfer) dan sebagian kecil terdapat dipermukaan litosfer bumi. Nitrogen banyak digunakan oleh tumbuhan sebagai bahan baku pertumbuhan makronya. Adapun beberapa sumber nitrogen di alam dapat tersedia karena terjadinya proses pemecahan nitrogen di udara secara alami melalui kejadian berikut ini.

1. Petir

Petir mempunyai energi besar yang bisa digunakan untuk memecah N diatmosfer sehingga ia dapat bereaksi dengan oksigen dan membentuk Nitrat (NO3). Nitrat (NO3) jatuh ke tanah bersama air hujan dalam daur air sehingga kemudian menjadi hara penting dalam menunjang kesuburan tanaman.

2. Fiksasi

Ada beberapa bakteri yang memiliki kemampuan untuk mengikat nitrogen di udara (N2) menjadi bentuk terikat di tanah (NO3). Bakteri yang memiliki kemampuan ini misalnya bakteri Rhizobium, Marsiella crenata, Azotobacter, Rhodospirillum, Clostridium, dan bakteri kemoautotrof. Kedua bakteri ini bersimbiosis dengan tanaman Leguminosa (kacang-kacangan) dan membentuk bintil akar.

3. Penambangan

Nitrogen sangat dibutuhkan tanaman untuk memperoleh pertumbuhan yang maksimal. Para petani biasanya memberikan tambahan pupuk ke tanaman. Pupuk nitrogen seperti Urea dan ZA diperoleh melalui proses penambangan nitrogen yang ada di udara. Penambangan semacam ini hanya dapat dilakukan dengan bantuan teknologi tinggi.

Daur nitrogen sebagai salah satu bentuk daur biogeokimia berlangsung karena diawali proses penambatan nitrogen di udara melalui fiksasi yang dilakukan oleh bakteri tanah, karena bantuan petir, serta karena penambangan yang dilakukan oleh manusia. Setelah mengalami fiksasi, nitrogen kemudian melalui beberapa tahapan lanjut yang meliputi amonifikasi, nitrifikasi, dan denitrifikasi.