Siklus Nitrogen

oleh:
Farah Farida
Arif Fadholi W.A

SIKLUS NITROGEN

I. PENDAHULUAN

Semua makhluk hidup memerlukan atom nitrogen untuk pembentukan protein dan berbagai molekul organic esensial lainnya. Udara, yang berisi 79 % nitrogen, berfungsi sebaagai reservar bahan ini. Walaupun ukuran keberadaan nitrogen di atmosfer itu besar, acapkali merupakan unsure pembatas bagi makhluk hidup. Hal ini dikarenakan kebanyakan organisme tidak dapat menggunakan nitrogen dalam bentuk unsure, yakni sebagai gas N2.
Konsentrasi nitrogen di atmosfir mencapai 780,90 cm3/liter udara sedangkan konsentrasi nitrogen di dalam air laut hanya mencapai 13 cm3/liter air laut. Namun demikian konsentrasi nitrogen masihlebih tinggi dibandingkan dengan gas-gas lainnya seperti oksigen, argon, neon, helium, dan gas xrypton. Tingginya konsentrasi gas nitrogen dibandingkan dengan gas-gas lain hal ini disebabkan selain faktor siklus alamiah yang berlangsung, nitrogen juga memegang peranan kritis dalam daur organik untuk menghasilkan asam-asam amino yang membentuk protein.
Agar tumbuhan dapat membuat protein, tumbuhan harusmemperoleh nitrogen dalam bentuk terfiksasi yaitu tergabung dalam senyawa-senyawa. Bentuk yang paling umum digunakan ialah sebagai ion nitrat, NO3-. Meskin demikian, substansi lain seperti ammonia (NH¬3) dan urea {(NH2)2CO}, juga digunakan baik secara alami maupun pupuk dalm pertanian.
Dalam makalah ini mencoba mendeteksi dan menelusuri, serta ingin mempelajari seberapa jauh peran siklus nitrogen dalam kehidupan. Berikut ini penjelasan selanjutnya.

II. PEMBAHASAN
A. Siklus Nitrogen

Gas nitrogen banyak terdapat di atmosfer, yaitu 80% dari udara. 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.
Unsure hara yang tidak kalah pentingnya dengan karbohidrat ialah protein, yakni suatu senyawa yang mengandung nitrogen disamping C,H, dan O.
Dan kita ketahui, udara mengandung 79 % nitrogen. Nitrogen bebas ini (dalam bentuk N2) dapat ditambat / difiksaasi terutama oleh tumbuhan yang berbintil akar (misalnya jenis polongan) dan beberapa jenis ganggang. Nitrogen bebas ini mempunyai sifat lembam (tidak mudah bereaksi). Sehingga untuk memecahnya diperlukan energi tinggi , seperti contoh bantuan kilat / petir.
Selain itu , nitrogen bebas ini diasimilasi oleh tumbuhan lewat perakaran dalam bentuk nitrat. Protoplasma sel tiap-tiap makhluk hidup mengandung protein. Sekarang timbul pertanyaan, bagaimana nitrogen dikembalikan ke udara untuk dapat dimanfaatkan oleh tumbuhan lagi?
Terlebih dahulu , kita bicarakan bagaimana nitrogen bebas di udara menjadi nitrat yang berguna bagi tumbuhan. Secaara fisik (bunga api listrik, halilintar, dan hujan) menyebabkab nitrogen bereaksi dengan unsure lain, salah satu produknya adalah nitrat yang akhirnya dapat masuk ke tanah dan digunakan oleh tumbuhan. Secara orgaanik, nitrogen di udara dapat diikat oleh beberapa mikroba (Azotobacter, Rhizobium, Anabaena, Chostridium sp, Nostoc dsb) menjadi bentuk nitrat yang dapat dimanfaatkan oleh tumbuhan.
Nitrogen yang diikat biasanya dalam bentuk amonia. Amonia diperoleh dari hasil penguraian jaringan yang mati oleh bakteri. Amonia ini akan dinitrifikasi oleh bakteri nitrit, yaitu Nitrosomonas dan Nitrosococcus sehingga menghasilkan nitrat yang akan diserap oleh akar tumbuhan. Selanjutnya oleh bakteri denitrifikan, nitrat diubah menjadi amonia kembali, dan amonia diubah menjadi nitrogen yang dilepaskan ke udara. Dengan cara ini siklus nitrogen akan berulang dalam ekosistem.
Berikut ini penjelasan lebih lanjut dari proses daur / siklus nitrogen :

a. Fiksasi

Semua mikroorganisme mampu melakukan fiksasi nitrogen, dan berasosiasi denan N-bebas yang berasal dari tumbuhan. Nitrogen dari proses fiksasi merupakan sesuatu yang penting dan ekonomis yang dilakukan oleh bakteri genus Rhizobiumdengan tumbuhan Leguminosa termasuk Trifollum spp Gylicene max (soybean), Viciafaba (brand bean), Vigna sinensis (cow pea), Piscera sativam (chick-pea), dan Medicago sativa (lucerna).
Dalam memproduksi nutrient bagi organisme laut, maka diperluka fiksasi N dari atmosfir. Penelitian yang dilakukan di Eniwetok Atoll, menemukan ahwa bentuk N sangat bervariasi pada air yang mengalir sesudah terumbukarang karena air tersebut sangat miskin nutrient. Sumber N yang berasal dari fiksasi-N di laut berasal dari alga hijau biru Calothnia crustacea. Fiksasi N juga ditemukan pada bakteri anaerobic Thalassia. Fiksasi N ditemukan pada akar pertumbuhan Thalassia dan makro alga serta coral rubble. Selain itu pentingnya bakteri-bakteri terumbu (reef bacteria) untuk melakukan fiksasi N.
Spesies Oscillatoria (Tridrodesmium) dan Richella spp, merupakan spesies yang penting dalam proses asimilasi molekul N (Mangue, 1977). Tetapi N-fiksasi di laut Pasifik sangat kecil terjadi (Mangue, et al., 1977), demikian pula di laut Sargossa (Carpenter dan McCarthy, 1975), jika dibandingkan dengan NH3. Asimilasi molekul N dapat dihitung melalui kebutuhan N dari Oscillatoria thiebantii. Bagaimanapun alga ini sangat rendah dan dalam dalam proses regenrasi membutuhkan waktu 15 hari atau lebih.
Akhir-akhir ini ditemukan simbiosis asosiasi antara bakteri Azospirillum lipoferum dan akar tumbuhan termasuk rumput tropikal Digitaria decumbens, juga jenis rumput tropikal Paspalum notatum mampu melakukan fiksasi N bersama-sama bakteri Azotobacter paspalli di dalam akar.

b. Nitrifikasi

Nitrifikasi merupakan suatu proses oksidasi ensimatik yang dilakukan oleh sekelompok jasad renik/bakteri dan berlangsung dalam dua tahap yang terkoordinasikan. Masing-masing dilakukan oleh bakteri/jasad renik yang berbeda pada tahap-tahapan proses nitrifikasi (Mas’ud, 1993), sebagai berikut:
Tahap pertama (nitrisasi)
oksidasi
2 NH4 + 3 O2 2HNO2+ 2 H2O + E (79 kalori)
Ensimatik
Tahap kedua (nitrisasi)
oksidasi
2 HNO2+ O2 2 HNO3 + E (43 kalori).
ensimatik
Bakteri autotrofi (bakteri nitrifikasi) dapat menggunakan N-anorganik untuk melakukan nitrifikasi, seperti genera bakteri Nitosomonos, Nitrosococcus Nitrosospira, Nitrosovibrio, dan Nitrosolobus. Pada proses tahap pertama reaksi berlangsung dari ammonium ke nitrit yang melibatkan bakteri Nitrosomonos dan Nitrosococcus dengan persamaan reaksi sebagai berikut:
NH4+ 3/2 O2 NO2 + H2O + 2 H E = - 65 kcal
Sedangkan reaksi kedua diperankan oleh bakteri Nitrobacter dan Nitrococcus spp yang melakukan oksidasi dari nitrat ke nitric dengan persamaan reaksi sebagai berikut :
NO2+ ½ O2 NO3+ E = - 18 kcal.
Reaksi nitrifikasi seperti di atas dapat berlangsung jika adanya oksigen. Proses oksidasi dari NO2ke nitrit umumnya lebih cepat dari pada proses oksidasi dari NH4 ke nitrit, dan nitri ini terakumulasi di lingkungan. Tahapantahapan oksidasi ammonium oleh bakteri Nitrosomonas dan kemungkinan produksi nitrit oleh beberapa bakteri disajikan dalam persamaan sebagai berikut :

NH4+ NH2OH [NOH N2O2H2] NO NO2-

N2O

N2O2H2 N2O

N2O


NH4+ NH2OH [NOH N2O2H2] NO NO2-

c. Denitrifikasi

Denitrifikasi merupakan proses preduksian senyawa N-nitrat menjadi gas nitrogen dan/atau gas nitrogen oksida, dengan nitrogen bertindak sebagai penerima hydrogen. Produksi nitrogen bebas dari senyawa-senyawa organic tidaklah melalui aksi mikroorganisme, namun terbentuk secara tidak langsung oleh saling tindak antara asam nitrat bebas dengan senyawa amino, yang keduanya dihasilkan secara bersama melalui biang bakteri. Dalam keadaan anaerob, bakteri aerob dapat memanfaatkan nitrat untuk menggantikan oksigen sebagai penerima elektron, sehingga mengurangi gas-gas produk akhir seperti NO, N2O atau N2, tahapan dalam nitrifikasi adalah sebagai berikut:
NH4+ + 2O2 NO3- +H2O + 2H
Gas dinitrogen dan nitrogen oksida adalah dua komponen produk akhir yang sangat penting dan N2 biasanya diproduksi dari N2O sedang dari NO dapat terjadi tetapi dalam kondisi tertentu. Terbentuknya N2O dan N2 tidak saja dari nitrat selama respirasi, tetapi dapat juga konversi dengan cara asimilasi ke NH4+ dalam komponen organic biomasa. Tentu pula mikroorganisme dapat merubah NO3- ke NH4+ melalui mekanisme diasimilasi pada kondisi anaerob, mekanisme ini bersama denitrifikasi adalah proses memanfaatkan energi.

d. Pembusukan

Protein yang dibuat oleh tumbuhan masuk dan melalui jarring-jaring makanan seperti pada karbohidrat. Pada tiap tingkatan trofik, terdapat kehilangan yang kembali ke sekitarnya, terutama dalam ekskresi. Yang terakhir mengambil keuntungan dari senyawa nitrogen adalah mikroorganisme pembusuk yang merombak menjadi ammonia.

B. Senyawa dan Kandungan Nitrogen di Laut

Pengetahuan senyawa dan kandungan N di laut sangat penting untuk diketahui, hal ini mempunyai hubungan erat dengan kehidupan biota laut, dan berkaitan dengan nutrient untuk biota laut. Secara alamiah perkembangan konsentrasi dari nutrient sangat tergantungan dari hubungan antara kedalaman laut dan stok fitoplankton beserta aktivitasnya. Studi yang dilakukan di Guinea, Atlantic bagian timur menemukan adanya korelasi antara naiknya turunnya konsentrasi NO3-dengan kedalaman laut dan produksi fitoplankton. Pada laut yang dalam Zn akan menjadi faktor pembuat masalah dalam hubungan antara kandungan oksigen dan klorofil, oleh karena itu sangat menentukan “batas kandungan nitrat” (nitracline) mengingat kandungan N dalam air senentiasaa berbentuk ion nitrat dan ion ammonium.
Dalam hubungan inlah penting untuk menentukan konsentrasi nutrient terutama senyawa N-nitrat dan N-amonium pada permukaan laut di wilayah tropika dan subtropika. Hal ini disebabkan pada kedalaman air 0 – 200 m, sinar matahari masih menembus badan air dan akan terjadi aktivitas biologi yang sangat banyak. Di laut ekuatorial kandungan N03-pada kedalaman 100 m mengandung konsentrasi 10 – 25 μgram atom 1-1 dan pada subtropikal berkisar antara 10 – 25 μgram atom 1-1.Namun dalam keadaan stok klorofil yang tinggi konsentrasi N03-akan menurun. Beberapa fitoplankton akan mengangkut nitrogen secara vertical ke garis batas nutrient. Beberapa daripadanya dapat membentuk nitrat tetap. Hujan mungkin sangat sedikit sebagai sumber N03-dan NH4+.
Dari hasil penelitian dan fenomena alam tersebut di atas, dapat ditarik kesimpulan bahwa jenis-jenis N-anorganik yang utama dalam air adalah ion nitrat (N03-) dan ion amonimum (NH4+). Namun dalam kondisi tertentu masih terdapat ion nitrit dan sebagian besar dari nitrogen terikat dalam nitrogen organic (47,9%), yaitu bahan-bahan yang berprotein, juga terdapat dalam bahan pencemar seperti asam sianida (HCN), asam etilen diamin tetra asetat (EDTA) atau dalam bentuk asam nitrilotriasetat (NTA).
Selanjutnya, melakukan inventarisasi kandungan total nitrogen yang ada di laut. Dengan kesimpulan bahwa siklus nitrogen secara global terlihat pada biomasa di laut sekitar 5,3 x 1012 kg tetapi tidak menguraikan secara kuantum distribusinya di laut.
Kandungan NH4+dapat ditemui di terumbu karang, sebab gas ini merupakan buangan dari organisme akuatik, domestik dan industri. Ion-ion ammonium dan amino-nitrogen (R-NH2dalam bahan yang berprotein) dioksidasi oleh oksigen dengan adanya ketalis biologi yang cocok : Reaksi di atas dapat terjadi jika ada kandungan oksigen yang cukup memadai. Misalnya untuk pengolahan air pembuangan rumah tangga atau industri, bahan organik jika diberi aerasi intensif maka limbah yang mengandung ion ammonium akan terurai menjadi ion nitrat yang dapat diasimilasi. Dalam keadaan tanpa oksigen, NO3- dapat sebagai penerima elektron dalam reaksi-reaksi dengan mikroorganisme sebagai perantara:
NO3- + 6H + 5e- 1/2 N2+ 3H2O
Kemampuan ion nitrat sebagai penerima elektron digunakan dalam proses pengolahan air buangan untuk menghilangkan nitrogen dengan membiarkan ion nitrat mengoksidasi methanol melalui reaksi bakteri dengan kondisi anaerob, sebagai berikut :
5CH3OH + 6 NO3-+ 6 H+ 5 CO2 + 3N2 + 12H2O
Reaksi tersebut di atas disebut denitrifikasi yang dalam beberapa keadaan reduksi ini merubah semua senyawa itu membentuk ion NH4+.

C. Siklus Nitrogen di Laut

Dari kajian-kajian tersebut di atas dapat dikaji bahwa nitrogen dalam air terjadi dalam berbagai bentuk senyawa. Nitrogen yang terbanyak dalam bentuk N-molekuler (N2) yang berlipat ganda jumlahnya daripada nitrit (NO2) atau nitrat (NO3), tetapi tidak dalam bentuk yang berguna bagi jasad hidup.
Nitrogen memegang peranan kritis dalam siklus organic dalam menghasilkan asam-asam amino yang membuat protein. Dalam siklus nitrogen, tumbuh-tumbuhan menyerap N-anorganik dalam salah satu gabungan atau sebagai nitrogen molekuler. Tumbuh-tumbuhan ini membuat protein yang kemudian dimakan hewan dan diubah menjadi protein hewan. Jaringan organic yang mati diurai oleh berbagai jenis bakteri, termasuk didalamnya bakteri pengikat nitrogen yang mengikat nitrogen molekuler menjadi bentuk-bentuk gabungan (NO2, NO3, NH4) dan bakteri denitrifikasi yang melakukan hal sebaliknya. Nitrogen lepas ke udara dan diserap dari udara selama siklus berlangsung.
Jumlah nitrogen yang tergabung dalam mineral dan mengendap di dasar laut tidak seberapa besar. Pola sebaran nitrogen di Samudera Atlantik, Pasifik dan Samudera India tidak menunjukkan perbedaan yang signifikan. Sebaran menegak dari bentuk-bentuk gabungan nitrogen berbeda di laut. Nitrat terbanyak terdapat di lapisan permukaan, ammonium tersebar secara seragam, dan nitrit terpusat dekat termoklin. Interaksi-interkasi antara berbagai tingkat nitrogen organic dan bakteri sedemikian rupa sehingga pada saat nitrogen diubah menjadi berbagai senyawa anorganik, zat-zat ini sudah tenggelam di bawah termoklin. Hal ini menimbulkan masalah bagi penyediaan nitrogen karena termoklin merupakan penghalang bagi migrasi menegak unsur-unsur ini dan kenyataannya persediaan nitrogen akan menjadi faktor pembatas bagi produktivitas di laut.

III. KESIMPULAN
1. Nitrogen dalam siklusnya, dalam bentuk bebas diikat dalam bentuk amoniak dan juga dalam bentuk nitrat.
2. Siklus nitrogen dapat terjadi melalui rangkaian proses yang saling berhubungan, yakni nitrifikasi, fiksasi, denitrifikasi dan juga pembusukan.
3. Nitrogen memegang peranan kritis dalam siklus organic dalam menghasilkan asam-asam amino yang membuat protein.
4. Nitrogen di laut dapat berbentuk N-molekuler (N2) yang berlipat ganda jumlahnya daripada nitrit (NO2) atau nitrat (NO3), tetapi tidak dalam bentuk yang berguna bagi jasad hidup, sebelum terjadinya proses pengikatan dalam bentuk senyawa-senyawa.

IV. DAFTAR PUSTAKA

Dwidjoseputro, Ekologi Manusia dan Lingkunghannya, (1987 : Erlangga)
http://free.vlsm.org/v12/sponsor/Sponsor-Pendamping/Praweda/Biologi/0032%20Bio%201-7c.htm
http://tumoutou.net/6_sem2_023/darjamuni.pdf
John W. Kimball, Biologi, (1983 : Erlangga)
Rukaesih Ahmad, Kimia Lingkungan, (2004 : Andi)