Siklus Nitrogen

Siklus Nitrogen di Alam dan Peranan Organisme Tanah dalam siklus Nitrogen SIKLUS NITROGEN  

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 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 naerob, naerobi (NH4 +), nitrit (NO2-), nitrat (NO3-), dan gas nitrogen (N2). Nitrogen naerob dapat berupa naerobi hidup, atau humus, dan dalam produk antara dekomposisi bahan naerob atau humus dibangun. Proses siklus nitrogen mengubah nitrogen dari satu bentuk kimia lain. Banyak proses yang dilakukan oleh mikroba baik untuk menghasilkan naero 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 naerobi dan nitrogen. Reaksi untuk fiksasi nitrogen biologis ini dapat ditulis sebagai berikut :
N2 + 8 H+ + 8 e− → 2 NH3 + H2Mikro naerobi 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 naero 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 naerob. 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 naerobi (biasanya berasal dari gas alam atau minyak bumi) dapat dikombinasikan untuk membentuk naerob (NH3). Dalam proses Haber-Bosch, N2 adalah diubah bersamaan dengan gas naerobi (H2) menjadi naerob (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 naerob akar baik dalam bentuk ion nitrat atau ion naerobi. Sedangkan hewan memperoleh nitrogen dari tanaman yang mereka makan.Tanaman dapat menyerap ion nitrat atau naerobi dari tanah melalui rambut akarnya. Jika nitrat diserap, pertama-tama direduksi menjadi ion nitrit dan kemudian ion naerobi untuk dimasukkan ke dalam asam amino, asam nukleat, dan klorofil. Pada tanaman yang memiliki hubungan mutualistik dengan rhizobia, nitrogen dapat berasimilasi dalam bentuk ion naerobi langsung dari nodul. Hewan, jamur, dan naerobi heterotrof lain mendapatkan nitrogen sebagai asam amino, nukleotida dan molekul naerob kecil. 3. Amonifikasi Jika tumbuhan atau hewan mati, nitrogen naerob diubah menjadi naerobi (NH4+) oleh bakteri dan jamur. 4. Nitrifikasi Konversi naerobi menjadi nitrat dilakukan terutama oleh bakteri yang hidup di dalam tanah dan bakteri nitrifikasi lainnya. Tahap utama nitrifikasi, bakteri nitrifikasi seperti spesies Nitrosomonas mengoksidasi naerobi (NH4 +) dan mengubah naerob 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 : 

• NH₃ + CO₂ + 1.5 O₂ + Nitrosomonas → NO₂^- + H₂O + H⁺

• NO₂^- + CO₂ + 0.5 O₂ + Nitrobacter → NO₃^-

• NH₃ + O₂ → NO₂⁻ + 3H⁺ + 2e⁻

• 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 H₂O6. 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 anaerobikNH₄⁺ + NO₂⁻ → N₂ + 2 H₂O 
Peranan Organisme Tanah Dalam Daur / Siklus NTumbuhan 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).Nitrogen berfungsi sebagai pembentuk asam amino merupakan persenyawaan pembentuk molekul protein. Selanjutnya protein sebagai pembentuk tubuh. Daur Nitrogen di alam sebagai berikut:Atmosfer mengandung sekitar 70% Nitrogen dalam bentuk unsur, tapi yang diperlukan dalam bentuk senyawa. Yaitu ketika petir keluar menyebabkan nitrogen bersenyawa jadi nitrat. Tumbuhan menyerap nitrat dari tanah utuk dijadikan protein lalu tumbuhan dimakan oleh kosumer senyawa nitrogen pindah ke tubuh hewan. Urin, bangkai hewan, dan tumbuhan mati akan diuraikan oleh pengurai jadi ammonium dan ammonia. Bakteri Nitrosomonas mengubah jadi nitritlalu diubah lagi oleh bakteri Nitrobacter menjadi nitrat. Kemudian nitrat diserap oleh tumbuhan. Selanjutnya sama dan begitu.Selain melalui petir juga melalui bakteri Rizobium yang bersimbiosis pada tumbuhan kacang-kacangan membentuk bintik akar. Sedikit tambahan proses pengubahan nitrit jadi nitrat disebut nitrifikasi. Dan proses pengubahan nitrit atau nitrat jadi nitrogen bebas disebut denitrifikasi.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.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 nitrat3.Rhizobium menambat nitrogen dari udara4.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 Nostocales6.Bakteri ungu pengikat nitrogen seperti RhodospirillumMeskipun 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.