Daur Nitrogen

Selain oksigen serta unsur dan daur kimia yang lainnya, nitrogen adalah salah satu unsur kimia yang memiliki peran penting untuk makhluk hidup.

Kandungan yang ada di dalam nitrogen dipastikan juga terdapat di dalam setiap tubuh makhluk hidup, sebagai contoh yang ada pada zat penyusun kehidupan (asam amino) yang juga tersusun dari unsur nitrogen.

Nah, sesuai judulnya, kali ini kita akan membahas secara tuntas terkait daur nitrogen, simak baik – baik ulasan berikut ya!

Pengertian Nitrogen

Nitrogen merupakan suatu unsur yang paling banyak di atmosfer (78% gas yang ada di atmosfer berupa nitrogen).

Walaupun begitu, pemakaian nitrogen di dalam bidang biologis sangatlah terbatas.

Nitrogen ini menjadi unsur yang tak reaktif (sulit bereaksi dengan unsur yang lainnya) sehingga pada pemakaian nitrogen terhadap makhluk hidup dibutuhkan berbagai proses, seperti: Fiksasi nitrogen, nitrifikasi, mineralisasi, denitrifikasi.

Pengertian Daur Nitrogen

Daur nitrogen merupakan sebuah proses konversi senyawa yang mengandung unsur nitrogen serta menjadi beragam bentuk kimiawi yang lain.

Transformasi satu ini bisa berlangsung secara biologis dan juga non-biologis.

Daur nitrogen ini menjadi suatu pergerakan nitrogen dari atmosfer ke bumi serta terjadi secara terus menerus, yang mana kegiatan daur nitrogen satu ini mengubah nitrogen dari satu wujud menuju wujud kimia lainnya.

Nitrogen memiliki peran yang sangat penting untuk kelangsungan makhluk hidup yang ada di bumi.

Jika urutan dari daur nitrogen terhenti, maka semua makhluk hidup yang berada di bumi akan mati sebab tidak memiliki cadangan nitrogen.

Daur nitrogen sebagian besar terjadi di dalam tanah. Karena, nitrogen yang ada di udara ditangkap oleh bakteri Rhizobium.

Bakteri tersebut banyak terdapat di tanaman leguminosa atau kacang – kacangan.

Metabolisme dan Siklus Nitrogen

1. Metabolisme Nitrogen

Nitrogen menjadi suatu komponen penting untuk tumbuhan yang terdapat di dalam banyak senyawa.

Protein serta asam nukledit yang pada umumnya diserap dari tanah di dalam bentuk sangat teroksidasi serta harus direduksi oleh proses yang bergantung kepada energi sebelum bergabung menjadi protein serta senyawa lain yang ada di dalam sel.

Nitrogen yang ada di alam terletak pada beberapa bentuk dan dengan kondisi dinamis mengikuti perubahan fisik serta kimia dalam sebuah daur Nitrogen.

Walaupun nitrogen yang ada di udara mampu masuk keluar tubuh tumbuhan, namun tidak terdapat enzim yang mampu untuk menangkapnya.

Kebanyakan dari nitrogen yang masuk ke dalam tubuh tumbuhan sudah mengalami reduksi oleh mikroba prokaryotic / dalam bentuk NO3- dan NH4+ di dalam air hujan.

Penambatan nitrogen bisa dikerjakan secara simbiotik / non simbiotik antara tumbuhan tingkat tinggi serta mikroba.

Tumbuhan tinggi bisa memakai Nitrogen yang sudah tereduksi tersebut.

Untuk tumbuhan lain yang tak bersimbiosis dengan nitrogen, nitrogen akan diserap pada bentuk NO3- atau NH4+.

Biasanya, pada bentuk NO3- sebab NH4+ akan dioksidasi ke dalam NO3- oleh bakteri nitrifikasi.

Konsep metabolisme ini difokuskan kepada metabolisme nitrogen yang mana Reduksi nitrat menjadi amonium serta perubahan ammonium akan menjadi senyawa organik yang ada pada tumbuhan.

 2. Siklus Nitrogen

Sebagian besar nitrogen yang ada di dalam organisme hidup asalnya dari penambatan (reduksi) oleh mikro organisme prokariot.

Beberapa diantaranya ada pada akar tumbuhan tertentu / dari pupuk hasil penambatan secara industri. Sejumlah kecil nitrogen yang pindah dari atmosfer menuju tanah sebagai berupa NH4+ dan NO3- turun bersama air hujan kemudian diserap oleh akar.

NH4+ tersebut berasal dari pembakaran industri, kegiatan gunung berapi serta kebakaran hutan. Sementara untuk NO3- asalnya dari oksidasi N2 oleh O2 / ozon dengan menggunakan bantuan kilat / radiasi ultraviolet, sumber lain NO3- ialah samudera.

Penyerapan NO3- serta NH4+ oleh tumbuhan dapat membuat tumbuhan membentuk beragam senyawa nitrogen khususnya protein.

Tumbuhan mati, pupuk, mikroorganisme, dan hewan menjadi sumber penting nitrogen yang dikembalikan ke tanah.

Pengubahan nitrogen organik menjadi NH4+ oleh bakteri serta fungi tanah disebut sebagai Amonifikasi yang bisa terjadi pada beberapa macam mikroorganisme di suhu dingin serta di berbagai nilai ph.

Kemudian di dalam tanah yang hangat serta lembab dan ph sekitar netral NH4+ akan dioksidasi menjadi nitrit (NO2) serta NO3- dalam beberapa hari selepas pembentukkannya / penambahannya sebagai pupuk disebut sebagai Nitrifikasi yang fungsinya untuk menyediakan energi bagi kelangsungan hidup serta perkembangan mikroba tersebut.

Tak hanya itu saja, ada juga denitrifikasi yang menjadi proses pembentukan N2, NO, N2O serta NO2 dari NO3- oleh bakteri anaerobik yang terjadi di dalam tanah yang penetrasi O2- nya terbatas, tergenang, padat serta daerah dekat pemukiman tanah yang konsentrasi O2 nya rendah sebab pemakaiannya yang cepat di dalam oksidasi bahan organik.

Tumbuhan akan kehilangan sejumlah nitrogen menuju atmosfer dalam bentuk NH3, N2O, NO2, serta NO khususnya apabila diberi pupuk nitrogen dengan baik.

Nitrat ini sangat mudah larut di dalam tanah sehingga akan cepat hilang sebab adanya proses pembusukan.

Taraf dari ketersediaan nitrogen di dalam tanah tergantung dengan banyaknya populasi jasad renik, bahan organik serta tingkat pembasuhan.

Di dalam kondisi yang alami, terjadi keseimbangan antara laju pertumbuhan dengan beberapa gaya yang menentukan penyediaan nitrogen di dalam tanah.

Pemanenan menimbulkan terkurasnya nitrogen sebab pengambilan bahan organik serta erosi.

Hal tersebut yang menyebabkan pertanian intensif sangat tergantung dengan tambahan pupuk nitrogen.

Pada mulanya, nitrogen ini asalnya dari dari sumber organik, khususnya guano (kotoran burung). Namuns ekarang ini nitrogen dibuat menurut proses Haber- Bosch: Nitrogen + hidrogen amonia.

Proses Daur Nitrogen

Nitrogen yang ada di lingkungan sekitar memiliki beragam bentuk, contohnya nitrogen organik dan amonium, oksida nitrat dan nitrit, nitrogen oksida dan nitrat, dan gas nitrogen anorganik.

Untuk nitrogen yang terdapat dalam bentuk organik ada pada sel hidup ataupun organisme hidup / humus / bentuk produk di dalam proses dekomposisi bahan organik.

Siklus nitrogen tersebut nantinya akan mengubah nitrogen dari satu wujud menjadi wujud yang lain.

Sebagian besar dari proses perubahan ini dikerjakan oleh mikroorganisme untuk menghasilkan energi maupun menumpuk nitrogen ke dalam suatu bentuk yang diperlukan untuk pertumbuhan..

Nah, berikut ini proses perubahaan atau daur nitrogen yang perlu kalian ketahui, antara lain:

1. Fiksasi Nitrogen

Fiksasi nitrogen merupakan suatu proses alam, biologis ataupun abiotik yang mengubah nitrogen di udara ke dalam bentuk ammonia (NH3).

Mikroorganisme yang memfiksasi nitrogen disebut sebagai diazotrof. Mikroorganisme tersebut mempunyai suatu enzim nitrogenaze yang bisa menggabungkan hidrogen dengan nitrogen.

Reaksi fiksasi nitrogen biologis satu ini bisa ditulis menjadi:

N2 + 8 H+ + 8 e− → 2 NH3 + H2

Mikroorganisme yang mengerjakan fiksasi nitrogen diantaranya yaitu:

• Cyanobacteria
• Azotobacteraceae
• Rhizobia
• Clostridium
• dan Frankia.

Tak hanya itu saja, ganggang hijau biru juga bisa memfiksasi nitrogen.

Berbagai tanaman yang tingkatnya lebih tinggi serta beberapa hewan (rayap) sudah membentuk asosiasi (simbiosis) dengan diazotrof.

Tak hanya dikerjakan oleh mikroorganisme, fiksasi nitrogen ini juga bisa berlangsung dengan proses non-biologis, contohnya lewat sambaran petir.

Petir memiliki energi besar yang dapat digunakan untuk memecah di atmosfer sehingga ia bisa bereaksi dengan oksigen serta membentuk nitrat (no3), nitrat (no3) yang jatuh ke tanah bersama dengan air hujan dalam daur air dan kemudian membuat hara penting untuk menunjang kesuburan tanaman.

Secara lebih detail, terdapat 4 cara yang bisa mengkonversi unsur nitrogen di atmosfer ke dalam bentuk yang lebih reaktif, antara lain:

a. Fiksasi Biologis

Ada beberapa bakteri simbiotik (paling kerap dihubungkan dengan tanaman polongan) serta beberapa bakteri yang hidup bebas bisa memperbaiki nitrogen sebagai nitrogen organik.

Contoh dari bakteri pengikat nitrogen: Bakteri Rhizobium mutualistik, ia hidup pada nodul akar kacang – kacangan. Spesies tersebut adalah diazotrophs.

Untuk contoh dari hidup bebas adalah bakteri Azotobacter.

b. Industri Fiksasi Nitrogen

Di bawah tekanan yang besar (600 C) serta dengan pemakaian katalis besi, nitrogen atmosfer serta hidrogen (biasanya berasal dari gas alam / minyak bumi) bisa dikombinasikan untuk membentuk amonia (NH3).

Pada proses Haber-Bosch, N2 nantinya akan diubah bersamaan dengan gas hidrogen (H2) ke dalam bentuk amonia (NH3) yang dipakai untuk membuat pupuk serta bahan peledak.

c. Pembakaran Bahan Bakar Fosil

Mesin mobil serta pembangkit listrik termal, yang melepaskan beragam nitrogen oksida (NOx).

d. Proses Lain

Tak hanya itu saja, pembentukan NO dari N2 serta O2 sebab foton (khususnya petir) juga bisa memfiksasi nitrogen.

2. Asimilasi

Tanaman memperoleh nitrogen dari dalam tanah lewat absorbsi akar, baik itu dalam wujud ion nitrat maupun ion amonium.

Sementara pada hewan mendapatkan nitrogen dari tanaman yang dimakan.

Tanaman bisa menyerap ion nitrat / amonium dari dalam tanah lewat rambut akarnya. Apabila nitrat itu diserap, pertama – tama direduksi menjadi ion nitrit lalu ion amonium untuk dimasukkan menuju asam nukleat, asam amino, serta klorofil.

Di dalam tanaman yang mempunyai hubungan mutualistik dengan rhizobia, nitrogen bisa berasimilasi ke dalam wujud ion amonium langsung dari nodul.

Hewan, jamur, serta organisme heterotrof lainnya memperoleh nitrogen sebagai nukleotida, asam amino, serta molekul organik kecil.

3. Amonifikasi

Apabila hewan atau tumbuhan mati, nitrogen organik akan diubah menjadi amonium (NH4+) oleh bakteri dan juga jamur.

Menurut Darjamuni, 2003, amonifikasi merupakan suatu proses pembentukan amonium yang dilakukan oleh bakteri yang hidup dalam tanah. Tak hanya berasal dari hasil fiksasi nitrogen, amonium juga bisa terbentuk dari hasil dekomposisi (penguraian) organisme yang telah mati baik itu hewan atau tumbuhan oleh bakteri. Serta amonifikasi juga bisa terjadi karena adanya kegiatan bakteri yang merubah senyawa nitrat menjadi amonium.

4. Nitrifikasi

Konversi amonium ke dalam nitrat terutama dilakukan oleh bakteri yang hidup dalam tanah serta bakteri nitrifikasi lainnya.

Tahap utama nitrifikasi yaitu:

• Bakteri nitrifikasi (spesies Nitrosomonas) mengoksidasi amonium (NH4 +) lalu mengubah amonia menjadi nitrit (NO2-).
• Spesies bakteri lainnya seperti Nitrobacter, bertanggung jawab untuk oksidasi nitrit ke dalam dari nitrat (NO3-).
• Proses konversi nitrit ke dalam nitrat sangat penting sebab nitrit adalah racun untuk kehidupan tanaman.

Sehingga dapat disimpulkan, proses nitrifikasi bisa ditulis dengan reaksi seperti:

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

Keterangan:

Sebab kelarutannya yang amat tinggi, nitrat bisa memasukkan air tanah. Peningkatan nitrat yang ada di dalam air tanah menjadi masalah bagi air minum, sebab nitrat bisa mengganggu tingkat oksigen darah untuk bayi serta dapat menimbulkan sindrom methemoglobinemia / bayi biru.

Pada saat air tanah ini mengisi aliran sungai, nitrat yang tugasnya memperkaya air tanah bisa berkontribusi untuk eutrofikasi.

Eutrofikasi tersebut berupa suatu proses yang mana populasi alga meledak, khususnya populasi alga biru hijau.

Hal tersebut juga bisa menimbulkan kematian kehidupan akuatik sebab permintaan yang berlebihan terhadap oksigen.

Walaupun tidak secara langsung beracun bagi ikan hidup (seperti amonia), nitrat bisa mempunyai efek tidak langsung terhadap ikan apabila berkontribusi pada proses eutrofikasi.

5. Denitrifikasi

Denitrifikasi merupakan suatu proses reduksi nitrat untuk kembali ke dalam bentuk gas nitrogen (N2) untuk menyelesaikan siklus nitrogen.

Proses satu ini dikerjakan oleh spesies bakteri seperti Pseudomonas & Clostridium dalam keadaan anaerobik.

Mereka akan memakai nitrat sebagai akseptor elektron pada tempat yang memiliki oksigen selama respirasi.

Fakultatif anaerob bakteri tersebut juga bisa hidup pada keadaan aerobik.

• Biasanya denitrifikasi melalui beberapa kombinasi dari bentuk peralihan seperti berikut ini:
  NO3− → NO2− → NO + N2O → N2 (g)
• Proses denitrifikasi lengkap bisa dinyatakan sebagai reaksi redoks seperti berikut:
  2 NO3− + 10 e− + 12 H+ → N2 + 6 H2O

6. Oksidasi Amonia Anaerobik

Di dalam proses biologis, nitrit serta amonium dikonversi langsung ke dalam bentuk elemen (N2) gas nitrogen.

Proses satu ini akan membentuk sebagian besar dari konversi nitrogen unsur yang ada di lautan.

Di dalam keadaan anoxic, reduksi juga dapat terjadi lewat sebuah proses yang disebut sebagai oksidasi amonia anaerobik.

NH₄⁺ + NO₂⁻ → N₂ + 2 H₂O

Bentuk Siklus Nitrogen di Alam

Proses siklus nitrogen ini akan mengubah nitrogen dari satu bentuk ke dalam bentuk kimia yang lain.

Banyak proses yang dikerjakan oleh mikroba, baik itu untuk menghasilkan energi maupun menumpuk nitrogen dalam bentuk yang diperlukan untuk proses pertumbuhan.

Berikut penjelasannya selengkapnya:

1. Amonia

Amonia serta garam – garamnya memiliki sifat yang mudah larut di dalam air.

Sumber amonia di perairan berperan sebagai pemecahan nitrogen organik (protein dan urea) serta nitrogen anorganik yang ada di dalam tanah serta air yang asalnya dari dekomposisi bahan organik oleh mikroba serta jamur (amonifikasi).

Selain itu, sumber amonia juga sebagai reduksi gas nitrogen yang asalnya dari proses difusi udara atmosfer, limbah industri serta domestik.

Amonia yang ada di dalam mineral masuk ke badan air lewat erosi tanah.

Tak hanya ada di dalam bentuk gas, amonia juga membentuk senyawa kompleks dengan berbagai ion logam.

Amonia juga bisa terserap kedalam bahan – bahan tersuspensi serta koloid sehingga mengendap di dasar perairan.

Di perairan, amonia bisa menghilang lewat proses volatilisasi sebab adanya tekanan parsial amonia pada larutan yang meningkat seiring dengan meningkatnya pH.

2. Nitrit

Sumber nitrit bisa berwujud limbah industri serta limbah domestik.

Kadar nitrit yang ada dalam perairan relatif sebab segera dioksidasi menjadi nitrat.

Perairan alami biasanya mengandung nitrit sebesar sekitar 0,001 mg/liter. Pada perairan, nitrit dijumpai ada pada jumlah yang amat sedikit, lebih sedikit dibandingkan nitrat, sebab sifatnya tidak stabil dengan keberadaan oksigen.

Nitrit adalah bentuk peralihan antara amonia serta nitrat (nitrifikasi) dan antara nitrat dengan gas nitrogen (denitrifikasi) yang terbentuk ke dalam keadaan anaerob.

3. Nitrat

Nitrat merupakan sumber utama nitrogen dalam perairan, tetapi amonium lebih disukai oleh tumbuhan.

Kadar nitrat yang ada di dalam perairan yang tak tercemar pada umumnya lebih tinggi dibandingkan dengan kadar amonium.

Kadar nitrat yang lebih dari 5 mg/liter menggambarkan bahwa terdapat pencemaran antropogenik yang asalnya dari kegiatan manusia serta tinja hewan.

Kadar nitrogen yang lebih dari 0,2 mg/liter menggambarkan jika terjadi eutrofikasi perairan.

Nitrat merupakan suatu bentuk nitrogen sebagai nutrien utama untuk pertumbuhan tanaman dan juga alga.

Nitrat nitrogen sangat mudah larut di dalam air serta sifatnya stabil. Senyawa satu ini dihasilkan melalui proses oksidasi sempurna yang terjadi di perairan.

Fakta Tentang Nitrogen

Setelah mengetahui mempelajari uraian di atas, maka dapat kita ketahui bahwa terdapat beberapa fakta terkait nitrogen, diantaranya:

• Sekitar 78% dari atmosfer adalah nitrogen. Tetapi sebagian besar makhluk hidup yang berada di bumi tidak bisa memanfaatkannya secara langsung.
• Nitrous oxide merupakan gas rumah kaca. Apabila terlalu banyak berada di atmosfer, maka bisa menyebabkan hujan asam.
• Nitrogen yang dipakai untuk pembuatan pupuk memiliki tujuan untuk membuat tanaman lebih cepat tumbuh.
• Nitrogen bisa dipakai sebagai bahan peledak.
• Nitrogen tidak memiliki warna, bau, serta rasa.
• Sekitar 3% dari berat badan manusia merupakan nitrogen.

Contoh Siklus Nitrogen

Tanpa kalian sadari, daur nitrogen terjadi di sekitar kita, berikut ini beberapa contohnya:

• Ketika makhluk hidup mati (tumbuhan, hewan / manusia) dan termasuk kotoran makhluk hidup nantinya akan melepaskan nitrogen organik. Nitrogen tersebut akan dikonversi oleh bakteri menjadi amonium. Proses tersebut disebut sebagai mineralisasi.
• Pertumbuhan tanaman membutuhkan nitrogen dari dalam tanah yang diserap lewat akar. Nitrogen satu ini tersedia di dalam bentuk ion nitrogen. Kemudian akan direduksi oleh tanaman menjadi bentuk ion nitrit. Lalu ion nitrit diolah menjadi suatu amonium ion yang masuk ke dalam asam amino / nuklea ke klorofil.
• Nitrogen juga bisa ada di lautan karena adanya limpasan air tanah serta air hujan. Nitrogen sampai menuju lautan lewat adanya proses presipitasi, lalu mengalami fiksasi yang dikerjakan oleh bakteri cyanobacteria. Selepas tahap fiksasi, nitrogen yang berbentuk biologis bermanfaat untuk fitoplankton.
• Plankton merupakan suatu mikroorganisme yang dapat menghasilkan urea serta amonia di dalam air. Zat itu akan dikeluarkan di kedalaman zona euphotic lalu dikonervis oleh bakteri menjadi nitrat. Konversi satu ini hanya berlangsung di zona eufotik, yang mana tidak terdapat cahaya yang bisa menghambat proses konversi. Proses konversi satu ini disebut sebagai ammonification / mineralisasi.
• Selepas amonia berubah, lalu dilanjutkan dengan proses nitrifikasi serta menjadi nitrit serta nitrat, maka akan terjadi percampuran partikel serta upwelling yang membawa nitrat ke atas untuk dipakai oleh photoplankton untuk melanjutkan siklus nitrogen.