SIKLUS NITROGEN: KARAKTERISTIK, RESERVOIR DAN TAHAPAN - LINGKUNGAN HIDUP - 2025

The Siklus nitrogen adalah proses gerakan nitrogen antara atmosfer dan biosfer. Ini adalah salah satu siklus biogeokimia yang paling relevan. Nitrogen (N) adalah elemen yang sangat penting, karena dibutuhkan oleh semua organisme untuk pertumbuhannya. Ini adalah bagian dari komposisi kimiawi asam nukleat (DNA dan RNA) dan protein.

Jumlah nitrogen terbesar di planet ini ada di atmosfer. Nitrogen atmosfer (N ₂ ) tidak dapat digunakan secara langsung oleh kebanyakan makhluk hidup. Ada bakteri yang mampu memperbaikinya dan memasukkannya ke dalam tanah atau air dengan cara yang dapat digunakan oleh organisme lain.

Badan air eutrofikasi dengan pengayaan nitrogen dan fosfor, di Lille (Prancis Utara). Penulis: F. lamiot (karya sendiri), dari Wikimedia Commons

Selanjutnya, nitrogen diasimilasi oleh organisme autotrofik. Kebanyakan organisme heterotrofik memperolehnya melalui makanan. Kemudian mereka melepaskan kelebihannya dalam bentuk urin (mamalia) atau kotoran (burung).

Pada fase lain dari proses tersebut ada bakteri yang berpartisipasi dalam transformasi amonia menjadi nitrit dan nitrat yang dimasukkan ke dalam tanah. Dan pada akhir siklus, kelompok mikroorganisme lain menggunakan oksigen yang tersedia dalam senyawa nitrogen dalam respirasi. Dalam proses ini mereka melepaskan nitrogen kembali ke atmosfer.

Saat ini, jumlah terbesar nitrogen yang digunakan dalam pertanian diproduksi oleh manusia. Hal ini mengakibatkan kelebihan unsur ini di tanah dan sumber air sehingga menyebabkan ketidakseimbangan dalam siklus biogeokimia ini.

Karakteristik umum

Asal

Nitrogen dianggap berasal dari nukleosintesis (pembentukan inti atom baru). Bintang dengan massa helium yang besar mencapai tekanan dan suhu yang diperlukan nitrogen untuk terbentuk.

Saat Bumi berasal, nitrogen berada dalam keadaan padat. Kemudian, dengan aktivitas vulkanik, elemen ini menjadi gas dan dimasukkan ke dalam atmosfer planet.

Nitrogen berbentuk N ₂ . Kemungkinan bentuk kimiawi yang digunakan oleh makhluk hidup (NH ₃ amonia ) muncul dari siklus nitrogen antara laut dan gunung berapi. Dengan cara ini, NH ₃ akan dimasukkan ke atmosfer dan bersama-sama dengan unsur-unsur lain menghasilkan molekul organik.

Bentuk kimiawi

Nitrogen terjadi dalam berbagai bentuk kimia, mengacu pada bilangan oksidasi yang berbeda (kehilangan elektron) dari unsur ini. Bentuk-bentuk yang berbeda ini bervariasi baik dalam karakteristik maupun perilakunya. Gas nitrogen (N ₂ ) tidak teroksidasi.

Bentuk teroksidasi diklasifikasikan menjadi organik dan anorganik. Bentuk organik terutama terjadi pada asam amino dan protein. Keadaan anorganik adalah amonia (NH ₃ ), ion amonium (NH ₄ ), nitrit (NO ₂ ) dan nitrat (NO ₃ ), dan lain-lain.

Sejarah

Nitrogen ditemukan pada tahun 1770 oleh tiga ilmuwan secara independen (Scheele, Rutherford, dan Lavosier). Pada 1790, French Chaptal menamai gas tersebut sebagai nitrogen.

Pada paruh kedua abad ke-19, ditemukan sebagai komponen penting dari jaringan organisme hidup dan dalam pertumbuhan tumbuhan. Demikian pula, adanya aliran konstan antara bentuk organik dan anorganik dibuktikan.

Sumber nitrogen awalnya dianggap petir dan pengendapan atmosfer. Pada tahun 1838, Boussingault menentukan fiksasi biologis unsur ini pada tumbuhan polong. Kemudian, pada tahun 1888, ditemukan bahwa mikroorganisme yang berhubungan dengan akar legum berperan dalam fiksasi N ₂ .

Penemuan penting lainnya adalah keberadaan bakteri yang mampu mengoksidasi amonia menjadi nitrit. Serta kelompok lain yang mengubah nitrit menjadi nitrat.

Sejak tahun 1885, Gayon menetapkan bahwa kelompok mikroorganisme lain memiliki kemampuan untuk mengubah nitrat menjadi N ₂ . Sedemikian rupa, sehingga siklus nitrogen di planet ini dapat dipahami.

Persyaratan agensi

Semua makhluk hidup membutuhkan nitrogen untuk proses vitalnya, tetapi tidak semua menggunakannya dengan cara yang sama. Beberapa bakteri mampu menggunakan nitrogen atmosfer secara langsung. Yang lain menggunakan senyawa nitrogen sebagai sumber oksigen.

Organisme autotrofik membutuhkan suplai dalam bentuk nitrat. Sementara itu, banyak heterotrof hanya dapat menggunakannya dalam bentuk gugus amino yang mereka peroleh dari makanan mereka.

Komponen

-Catatan

Sumber nitrogen alami terbesar adalah atmosfer, di mana 78% unsur ini ditemukan dalam bentuk gas (N ₂ ), dengan sedikit jejak nitrous oxide dan nitrogen monoxide.

Batuan sedimen mengandung sekitar 21% yang dilepaskan dengan sangat lambat. Sisanya 1% terkandung dalam bahan organik dan lautan berupa nitrogen organik, nitrat, dan amonia.

-Mikroorganisme yang berpartisipasi

Ada tiga jenis mikroorganisme yang berpartisipasi dalam siklus nitrogen. Ini adalah fiksatif, nitrifier, dan denitrifier.

Bakteri pengikat N.

Mereka mengkode kompleks enzim nitrogenase yang terlibat dalam proses fiksasi. Sebagian besar mikroorganisme ini menjajah rizosfer tumbuhan dan berkembang di dalam jaringannya.

Genus bakteri pengikat yang paling umum adalah Rhizobium, yang berasosiasi dengan akar legum. Ada genera lain seperti Frankia, Nostoc dan Pasasponia yang bersimbiosis dengan akar kelompok tumbuhan lain.

Cyanobacteria dalam bentuk bebas dapat memperbaiki nitrogen atmosfer di lingkungan perairan

Bakteri nitrifikasi

Ada tiga jenis mikroorganisme yang terlibat dalam proses nitrifikasi. Bakteri ini mampu mengoksidasi amonia atau ion amonium yang ada di dalam tanah. Mereka adalah organisme chemolyttrophic (mampu mengoksidasi bahan anorganik sebagai sumber energi).

Bakteri dari berbagai genera ikut campur dalam proses ini secara berurutan. Nitrosoma dan Nitrocystis mengoksidasi NH3 dan NH4 menjadi nitrit. Nitrobacter dan Nitrosococcus kemudian mengoksidasi senyawa ini menjadi nitrat.

Pada 2015, kelompok bakteri lain ditemukan yang ikut campur dalam proses ini. Mereka mampu secara langsung mengoksidasi amonia menjadi nitrat dan berada di genus Nitrospira. Beberapa jamur juga mampu membuat nitrifikasi amonia.

Bakteri denitrifikasi

Telah disarankan bahwa lebih dari 50 genera bakteri yang berbeda dapat mereduksi nitrat menjadi N ₂ . Ini terjadi dalam kondisi anaerobik (tidak adanya oksigen).

Genera denitrifikasi yang paling umum adalah Alcaligenes, Paracoccus, Pseudomonas, Rhizobium, Thiobacillus, dan Thiosphaera. Sebagian besar dari kelompok ini adalah heterotrof.

Pada tahun 2006 ditemukan bakteri (Methylomirabilis oxyfera) yang bersifat aerobik. Ini adalah metanotrofik (memperoleh karbon dan energi dari metana) dan mampu memperoleh oksigen dari proses denitrifikasi.

Tahapan

Siklus nitrogen melewati berbagai tahap dalam mobilisasinya di seluruh planet. Tahapan tersebut adalah:

Fiksasi

Ini adalah konversi nitrogen atmosfer menjadi bentuk yang dianggap reaktif (yang dapat digunakan oleh makhluk hidup). Putusnya tiga ikatan yang terdapat pada molekul N ₂ membutuhkan energi yang besar dan dapat terjadi dengan dua cara: abiotik atau biotik.

Siklus nitrogen. Dibuat ulang oleh YanLebrel dari gambar dari Badan Perlindungan Lingkungan: http://www.epa.gov/maia/html/nitrogen.html, melalui Wikimedia Commons

Fiksasi abiotik

Nitrat diperoleh dengan fiksasi energi tinggi di atmosfer. Itu berasal dari energi listrik petir dan radiasi kosmik.

N ₂ bergabung dengan oksigen untuk membentuk bentuk nitrogen yang teroksidasi seperti NO (nitrogen dioksida) dan NO ₂ (nitrous oxide). Nantinya, senyawa tersebut terbawa ke permukaan bumi oleh hujan sebagai asam nitrat (HNO ₃ ).

Fiksasi energi tinggi menggabungkan sekitar 10% nitrat yang ada dalam siklus nitrogen.

Fiksasi biotik

Itu dilakukan oleh mikroorganisme di dalam tanah. Bakteri ini umumnya berasosiasi dengan akar tanaman. Fiksasi nitrogen biotik tahunan diperkirakan sekitar 200 juta ton per tahun.

Nitrogen atmosfer diubah menjadi amonia. Dalam reaksi fase pertama, N ₂ direduksi menjadi NH ₃ (amonia). Dalam bentuk ini ia dimasukkan ke dalam asam amino.

Dalam proses ini, kompleks enzimatik dengan berbagai pusat reduksi oksidasi dilibatkan. Kompleks nitrogenase ini terdiri dari reduktase (menyediakan elektron) dan nitrogenase. Yang terakhir menggunakan elektron untuk mereduksi N ₂ menjadi NH ₃ . Sejumlah besar ATP dikonsumsi dalam proses tersebut.

Kompleks nitrogenase yang ireversibel terhambat dengan adanya konsentrasi tinggi O ₂ . Dalam nodul radikal, protein (leghemoglobin) hadir yang membuat O ₂ konten yang sangat rendah . Protein ini dihasilkan dari interaksi antara akar dan bakteri.

Asimilasi

Tanaman yang tidak bersimbiosis dengan bakteri pengikat N _2- mengambil nitrogen dari tanah. Penyerapan unsur ini dilakukan dalam bentuk nitrat melalui akar.

Begitu nitrat memasuki tanaman, sebagian digunakan oleh sel akar. Bagian lain didistribusikan oleh xilem ke seluruh tanaman.

Ketika akan digunakan, nitrat direduksi menjadi nitrit di dalam sitoplasma. Proses ini dikatalisis oleh enzim nitrat reduktase. Nitrit diangkut ke kloroplas dan plastida lainnya, di mana mereka direduksi menjadi ion amonium (NH ₄ ).

Ion amonium dalam jumlah besar bersifat racun bagi tanaman. Jadi ia dengan cepat dimasukkan ke dalam kerangka karbonat untuk membentuk asam amino dan molekul lain.

Dalam kasus konsumen, nitrogen diperoleh dengan memberi makan langsung dari tumbuhan atau hewan lain.

Amonifikasi

Dalam proses ini, senyawa nitrogen yang ada di tanah dipecah menjadi bentuk kimia yang lebih sederhana. Nitrogen terkandung dalam bahan organik mati dan limbah seperti urea (urin mamalia) atau asam urat (kotoran burung).

Nitrogen yang terkandung dalam zat tersebut berupa senyawa organik kompleks. Mikroorganisme menggunakan asam amino yang terkandung dalam zat ini untuk menghasilkan proteinnya. Dalam proses ini, mereka melepaskan nitrogen berlebih dalam bentuk amonia atau ion amonium.

Senyawa ini tersedia di tanah untuk mikroorganisme lain untuk bertindak pada fase siklus berikut.

Nitrifikasi

Selama fase ini, bakteri tanah mengoksidasi amonia dan ion amonium. Dalam prosesnya energi dilepaskan yang digunakan oleh bakteri dalam metabolisme mereka.

Pada bagian pertama, bakteri nitrosifikasi dari genus Nitrosomas mengoksidasi amonia dan ion amonium menjadi nitrit. Enzim amonia mooksigenase ditemukan di membran mikroorganisme ini. Ini mengoksidasi NH ₃ menjadi hidroksilamina, yang kemudian dioksidasi menjadi nitrit di periplasma bakteri.

Selanjutnya, bakteri nitrat mengoksidasi nitrit menjadi nitrat menggunakan enzim nitrit oksidoreduktase. Nitrat tetap tersedia di dalam tanah, yang dapat diserap oleh tanaman.

Denitrifikasi

Dalam tahap ini, bentuk nitrogen yang teroksidasi (nitrit dan nitrat) diubah kembali menjadi N ₂ dan pada tingkat yang lebih rendah menjadi nitrous oksida.

Proses tersebut dilakukan oleh bakteri anaerob, yang menggunakan senyawa nitrogen sebagai akseptor elektron selama respirasi. Laju denitrifikasi bergantung pada beberapa faktor, seperti nitrat yang tersedia serta saturasi dan suhu tanah.

Ketika tanah sudah jenuh dengan air, O _{2 tidak} lagi tersedia dan bakteri menggunakan NO ₃ sebagai akseptor elektron. Ketika suhu sangat rendah, mikroorganisme tidak dapat menjalankan proses tersebut.

Fase ini adalah satu-satunya cara pembuangan nitrogen dari ekosistem. Dengan cara ini, N ₂ yang ditetapkan kembali ke atmosfer dan keseimbangan elemen ini dipertahankan.

Pentingnya

Siklus ini memiliki relevansi biologis yang besar. Seperti yang telah kami jelaskan sebelumnya, nitrogen merupakan bagian penting dari organisme hidup. Melalui proses ini, ia menjadi dapat digunakan secara biologis.

Dalam perkembangan tanaman, ketersediaan nitrogen merupakan salah satu pembatas utama produktivitas. Sejak awal bertani, tanah telah diperkaya dengan unsur ini.

Budidaya legum untuk meningkatkan kualitas tanah merupakan praktik yang umum dilakukan. Demikian pula, penanaman padi di tanah yang tergenang meningkatkan kondisi lingkungan yang diperlukan untuk penggunaan nitrogen.

Selama abad ke-19, guano (kotoran burung) digunakan secara luas sebagai sumber nitrogen eksternal pada tanaman. Namun, pada akhir abad ini jumlah tersebut tidak cukup untuk meningkatkan produksi pangan.

Ahli kimia Jerman Fritz Haber, pada akhir abad ke-19, mengembangkan proses yang kemudian dikomersialkan oleh Carlo Bosch. Ini terdiri dari mereaksikan N ₂ dan gas hidrogen untuk membentuk amonia. Ini dikenal sebagai proses Haber-Bosch.

Bentuk produksi amonia buatan ini merupakan salah satu sumber utama nitrogen yang dapat digunakan oleh makhluk hidup. Diperkirakan 40% populasi dunia bergantung pada pupuk ini untuk makanan mereka.

Gangguan siklus nitrogen

Produksi antropik amonia saat ini sekitar 85 ton per tahun. Ini memiliki konsekuensi negatif pada siklus nitrogen.

Akibat penggunaan pupuk kimia yang tinggi, terjadi pencemaran pada tanah dan akuifer. Diperkirakan lebih dari 50% kontaminasi ini adalah konsekuensi dari sintesis Haber-Bosch.

Kelebihan nitrogen menyebabkan eutrifikasi (pengayaan nutrisi) badan air. Euutrifikasi antropik sangat cepat dan menyebabkan percepatan pertumbuhan terutama alga.

Mereka mengonsumsi banyak oksigen dan dapat menumpuk racun. Karena kekurangan oksigen, organisme lain yang ada di ekosistem akhirnya mati.

Selain itu, penggunaan bahan bakar fosil melepaskan sejumlah besar nitrous oxide ke atmosfer. Ini bereaksi dengan ozon dan membentuk asam nitrat, yang merupakan salah satu komponen hujan asam.

Referensi

1. Cerón L dan A Aristizábal (2012) Dinamika siklus nitrogen dan fosfor di tanah. Pendeta Colomb. Biotechnol. 14: 285-295.
2. Estupiñan R dan B Quesada (2010) proses Haber-Bosch dalam masyarakat agro-industri: bahaya dan alternatif. Sistem Agrifood: komodifikasi, perjuangan dan perlawanan. Editorial ILSA. Bogota Kolombia. 75-95
3. Galloway JN (2003) Siklus nitrogen global. Dalam: Schelesinger W (ed.) Treatise on Geochemistry. Elsevier, AS. hal 557-583.
4. Galloway JN (2005) Siklus nitrogen global: masa lalu, sekarang dan masa depan. Sains di China Ser C Life Sciences 48: 669-677.
5. Pajares S (2016) Kaskade nitrogen yang disebabkan oleh aktivitas manusia. Oikos 16: 14-17.
6. Stein L dan M Klotz (2016) Siklus nitrogen. Biologi Saat Ini 26: 83-101.