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

The siklus oksigen mengacu pada pergerakan sirkulasi oksigen di Bumi. Ini adalah siklus biogeokimia berbentuk gas. Oksigen adalah unsur paling melimpah kedua di atmosfer setelah nitrogen, dan paling melimpah kedua di hidrosfer setelah hidrogen. Dalam pengertian ini, siklus oksigen dihubungkan dengan siklus air.

Pergerakan sirkulasi oksigen meliputi produksi oksigen atau molekul oksigen dari dua atom (O ₂ ). Ini terjadi karena hidrolisis selama fotosintesis dilakukan oleh organisme fotosintetik yang berbeda.

Reservoir oksigen: Hutan awan, Taman Nasional Waraira Repano, Venezuela. Arnaldo Noguera Sifontes, dari Wikimedia Commons

O ₂ digunakan oleh organisme hidup dalam respirasi sel, menghasilkan produksi karbondioksida (CO ₂ ), yang terakhir menjadi salah satu bahan mentah untuk proses fotosintesis.

Di sisi lain, di atmosfer atas, terjadi fotolisis (hidrolisis yang diaktivasi oleh energi matahari) uap air yang disebabkan oleh radiasi ultraviolet dari matahari. Air membusuk dan melepaskan hidrogen yang hilang di stratosfer dan oksigen diintegrasikan ke atmosfer.

Ketika molekul O ₂ berinteraksi dengan atom oksigen, ozon (O ₃ ) diproduksi. Ozon membentuk apa yang disebut lapisan ozon.

karakteristik

Oksigen adalah unsur kimia non-logam. Nomor atomnya adalah 8, yaitu memiliki 8 proton dan 8 elektron dalam keadaan aslinya. Dalam kondisi suhu dan tekanan normal, terdapat dalam bentuk gas dioksigen, tidak berwarna dan tidak berbau. Rumus molekulnya adalah O ₂ .

O ₂ mencakup tiga isotop stabil: ¹⁶ O, ¹⁷ O dan ¹⁸ O. Bentuk dominan di alam semesta adalah ¹⁶ O. Di Bumi ini mewakili 99,76% dari total oksigen. The ¹⁸ O mewakili 0,2%. Bentuk ¹⁷ O sangat jarang (~ 0,04%).

Asal

Oksigen adalah unsur paling melimpah ketiga di alam semesta. Produksi isotop ¹⁶ O dimulai pada generasi pertama pembakaran helium surya yang terjadi setelah Big Bang.

Pembentukan siklus nukleosintesis karbon-nitrogen-oksigen pada generasi bintang selanjutnya telah menyediakan sumber oksigen utama di planet-planet.

Temperatur dan tekanan tinggi menghasilkan air (H ₂ O) di alam semesta dengan menghasilkan reaksi hidrogen dengan oksigen. Air adalah bagian dari susunan inti bumi.

Singkapan magma mengeluarkan air dalam bentuk uap dan ini memasuki siklus air. Air diuraikan oleh fotolisis menjadi oksigen dan hidrogen melalui fotosintesis, dan oleh radiasi ultraviolet di tingkat atas atmosfer.

Suasana primitif

Atmosfer primitif sebelum evolusi fotosintesis oleh cyanobacteria bersifat anaerobik. Untuk organisme hidup yang beradaptasi dengan atmosfer itu, oksigen adalah gas beracun. Bahkan saat ini atmosfer oksigen murni menyebabkan kerusakan sel yang tidak dapat diperbaiki.

Fotosintesis berasal dari garis keturunan evolusi cyanobacteria saat ini. Ini mulai mengubah komposisi atmosfer bumi sekitar 2,3-2,7 miliar tahun yang lalu.

Perkembangbiakan organisme berfotosintesis mengubah komposisi atmosfer. Kehidupan berkembang menuju adaptasi ke atmosfer aerobik.

Energi yang menggerakkan siklus

Gaya dan energi yang berperan untuk mendorong siklus oksigen dapat berupa panas bumi, ketika magma mengeluarkan uap air, atau dapat berasal dari energi matahari.

Yang terakhir menyediakan energi fundamental untuk proses fotosintesis. Energi kimiawi berupa karbohidrat yang dihasilkan dari fotosintesis, selanjutnya menggerakkan semua proses kehidupan melalui rantai makanan. Dengan cara yang sama, Matahari menghasilkan pemanasan planet yang berbeda dan menyebabkan arus atmosfer dan laut.

Hubungan dengan siklus biogeokimia lainnya

Karena kelimpahan dan reaktivitasnya yang tinggi, siklus oksigen dihubungkan dengan siklus lain seperti CO ₂ , nitrogen (N ₂ ) dan siklus air (H ₂ O). Ini memberinya karakter multiklik.

Reservoir O ₂ dan CO ₂ dihubungkan oleh proses yang melibatkan penciptaan (fotosintesis) dan penghancuran (respirasi dan pembakaran) bahan organik. Dalam jangka pendek, reaksi oksidasi-reduksi ini adalah sumber utama variabilitas dalam konsentrasi O ₂ di atmosfer.

Bakteri denitrifikasi mendapatkan oksigen untuk respirasi dari nitrat di dalam tanah, melepaskan nitrogen.

Waduk

Geosfer

Oksigen merupakan salah satu komponen utama silikat. Oleh karena itu, ia merupakan bagian penting dari mantel dan kerak bumi.

• Inti bumi : di dalam mantel luar cair inti bumi terdapat, selain besi, unsur-unsur lain, termasuk oksigen.
• Tanah : di ruang-ruang antara partikel atau pori-pori tanah, udara berdifusi. Oksigen ini digunakan oleh mikrobiota tanah.

Suasana

21% atmosfer terdiri dari oksigen dalam bentuk dioksigen (O ₂ ). Bentuk lain dari keberadaan oksigen atmosfer adalah uap air (H ₂ O), karbon dioksida (CO ₂ ) dan ozon (O ₃ ).

• Uap air : konsentrasi uap air bervariasi, tergantung pada suhu, tekanan atmosfer dan arus sirkulasi atmosfer (siklus air).
• Karbon dioksida : CO ₂ mewakili sekitar 0,03% volume udara. Sejak awal Revolusi Industri, konsentrasi CO ₂ di atmosfer telah meningkat 145%.
• Ozon : itu adalah molekul yang ada di stratosfer dalam jumlah rendah (0,03 - 0,02 bagian per juta volume).

Hidrosfer

71% permukaan bumi tertutup air. Lebih dari 96% air yang ada di permukaan bumi terkonsentrasi di lautan. 89% dari massa lautan terdiri dari oksigen. CO ₂ juga larut dalam air dan mengalami proses pertukaran dengan atmosfer.

Cryosphere

Kriosfer mengacu pada massa air beku yang menutupi area tertentu di Bumi. Massa es ini mengandung sekitar 1,74% air di kerak bumi. Di sisi lain, es mengandung berbagai jumlah molekul oksigen yang terperangkap.

ATAU

Sebagian besar molekul penyusun struktur makhluk hidup mengandung oksigen. Di sisi lain, sebagian besar makhluk hidup adalah air. Oleh karena itu, biomassa terestrial juga merupakan cadangan oksigen.

Tahapan

Secara umum, siklus yang diikuti oksigen sebagai agen kimia terdiri dari dua area besar yang membentuk karakternya sebagai siklus biogeokimia. Area ini direpresentasikan dalam empat tahap.

Wilayah geoenvironmental meliputi perpindahan dan penahanan di atmosfer, hidrosfer, kriosfer, dan geosfer oksigen. Ini termasuk tahap lingkungan reservoir dan sumber, dan tahap pengembalian ke lingkungan.

Siklus oksigen. Eme Chicano, dari Wikimedia Commons

Dua tahap juga termasuk dalam bidang biologis. Mereka terkait dengan fotosintesis dan respirasi.

Tahap lingkungan reservoir dan sumber: atmosfer-hidrosfer-kriosfer-geosfer

Suasana

Sumber utama oksigen atmosfer adalah fotosintesis. Tapi ada sumber lain dari mana oksigen bisa masuk ke atmosfer.

Salah satunya adalah mantel luar cair dari inti bumi. Oksigen mencapai atmosfer sebagai uap air melalui letusan gunung berapi. Uap air naik ke stratosfer di mana ia mengalami fotolisis sebagai akibat radiasi energi tinggi dari matahari dan oksigen bebas diproduksi.

Di sisi lain, respirasi mengeluarkan oksigen dalam bentuk CO ₂ . Proses pembakaran, terutama proses industri, juga mengonsumsi oksigen molekuler dan menyumbangkan CO ₂ ke atmosfer.

Dalam pertukaran antara atmosfer dan hidrosfer, oksigen terlarut dalam massa air masuk ke atmosfer. Pada bagiannya, CO ₂ atmosfer dilarutkan dalam air sebagai asam karbonat. Oksigen terlarut dalam air terutama berasal dari fotosintesis alga dan cyanobacteria.

Stratosfir

Di tingkat atas atmosfer, radiasi berenergi tinggi menghidrolisis uap air. Radiasi gelombang pendek mengaktifkan O ₂ molekul . Ini dipecah menjadi atom oksigen bebas (O).

Atom O bebas ini bereaksi dengan molekul O ₂ dan menghasilkan ozon (O ₃ ). Reaksi ini dapat dibalik. Karena pengaruh radiasi ultraviolet, O ₃ terurai lagi menjadi atom oksigen bebas.

Oksigen sebagai salah satu komponen udara atmosfer merupakan bagian dari berbagai reaksi oksidasi, yang mengintegrasikan berbagai senyawa terestrial. Penyerap utama oksigen adalah oksidasi gas dari letusan gunung berapi.

Hidrosfer

Konsentrasi air terbesar di bumi adalah lautan, dimana terdapat konsentrasi isotop oksigen yang seragam. Hal ini disebabkan pertukaran unsur ini secara konstan dengan kerak bumi melalui proses sirkulasi hidrotermal.

Pada batas lempeng tektonik dan pegunungan samudra, proses pertukaran gas yang konstan dihasilkan.

Cryosphere

Massa es daratan, termasuk massa es kutub, gletser, dan permafrost, merupakan penyerap utama oksigen dalam bentuk air padat.

Geosfer

Demikian juga, oksigen berpartisipasi dalam pertukaran gas dengan tanah. Di sana ia merupakan elemen penting untuk proses pernapasan mikroorganisme tanah.

Penyerap penting dalam tanah adalah proses oksidasi mineral dan pembakaran bahan bakar fosil.

Oksigen yang merupakan bagian dari molekul air (H ₂ O) mengikuti siklus air dalam proses penguapan-transpirasi dan kondensasi-pengendapan.

- Tahap fotosintesis

Fotosintesis terjadi di kloroplas. Selama fase cahaya fotosintesis, diperlukan zat pereduksi, yaitu sumber elektron. Agen tersebut dalam hal ini adalah air (H ₂ O).

Dengan mengambil hidrogen (H) dari air, oksigen (O ₂ ) dilepaskan sebagai produk limbah. Air masuk ke dalam tanaman dari tanah melalui akarnya. Dalam kasus alga dan cyanobacteria, itu berasal dari lingkungan akuatik.

Semua molekul oksigen (O ₂ ) yang dihasilkan selama fotosintesis berasal dari air yang digunakan dalam proses tersebut. Dalam fotosintesis, CO ₂ , energi matahari dan air (H ₂ O) dikonsumsi , dan oksigen (O ₂ ) dilepaskan.

Tahap kembali atmosfer

O _{2 yang} dihasilkan dalam fotosintesis dikeluarkan ke atmosfer melalui stomata pada tumbuhan. Alga dan cyanobacteria mengembalikannya ke lingkungan melalui difusi membran. Demikian pula, proses pernapasan mengembalikan oksigen ke lingkungan dalam bentuk karbon dioksida (CO ₂ ).

Tahap -Respirasi

Untuk menjalankan fungsi vitalnya, organisme hidup perlu mengefektifkan energi kimia yang dihasilkan oleh fotosintesis. Energi ini disimpan dalam bentuk molekul kompleks karbohidrat (gula) pada tumbuhan. Organisme lainnya memperolehnya dari makanan

Proses makhluk hidup membuka senyawa kimia untuk melepaskan energi yang dibutuhkan disebut respirasi. Proses ini berlangsung di dalam sel dan memiliki dua fase; satu aerobik dan satu anaerobik.

Respirasi aerobik terjadi di mitokondria pada tumbuhan dan hewan. Pada bakteri itu dilakukan di sitoplasma, karena mereka kekurangan mitokondria.

Unsur dasar respirasi adalah oksigen sebagai oksidator. Dalam respirasi, oksigen (O ₂ ) dikonsumsi dan CO ₂ dan air (H ₂ O) dilepaskan, menghasilkan energi yang berguna.

CO ₂ dan air (uap air) dilepaskan melalui stomata pada tumbuhan. Pada hewan, CO ₂ dilepaskan melalui lubang hidung dan / atau mulut, dan air melalui keringat. Pada alga dan bakteri, CO ₂ dilepaskan melalui difusi membran.

Fotorespirasi

Pada tumbuhan, dengan adanya cahaya, proses yang memakan oksigen dan energi yang disebut fotorespirasi berkembang. Fotorespirasi meningkat dengan meningkatnya suhu, karena peningkatan konsentrasi CO ₂ terhadap konsentrasi O ₂ .

Fotorespirasi membentuk keseimbangan energi negatif untuk tumbuhan. Ia mengkonsumsi O ₂ dan energi kimia (dihasilkan oleh fotosintesis) dan melepaskan CO ₂ . Untuk alasan ini, mereka telah mengembangkan mekanisme evolusioner untuk melawannya (metabolisme C4 dan CAN).

Pentingnya

Saat ini, sebagian besar kehidupan adalah aerobik. Tanpa sirkulasi O ₂ dalam sistem planet, kehidupan seperti yang kita kenal sekarang tidak mungkin.

Selain itu, oksigen merupakan proporsi yang signifikan dari massa udara bumi. Oleh karena itu, ia berkontribusi pada fenomena atmosfer yang terkait dengannya dan konsekuensinya: efek erosif, regulasi iklim, dan lain-lain.

Secara langsung, ia menghasilkan proses oksidasi di dalam tanah, gas vulkanik, dan struktur logam buatan.

Oksigen adalah unsur dengan kapasitas oksidatif yang tinggi. Meskipun molekul oksigen sangat stabil karena membentuk ikatan rangkap, karena oksigen memiliki elektronegativitas yang tinggi (kemampuan menarik elektron), oksigen memiliki kapasitas reaktif yang tinggi. Karena elektronegativitas yang tinggi ini, oksigen berperan dalam banyak reaksi oksidasi.

Perubahan

Sebagian besar proses pembakaran yang terjadi di alam membutuhkan partisipasi oksigen. Begitu juga yang dihasilkan oleh manusia. Proses ini memenuhi fungsi positif dan negatif dalam istilah antropik.

Pembakaran bahan bakar fosil (batu bara, minyak, gas) berkontribusi pada pembangunan ekonomi, tetapi pada saat yang sama merupakan masalah yang serius karena kontribusinya terhadap pemanasan global.

Kebakaran hutan besar mempengaruhi keanekaragaman hayati, meskipun dalam beberapa kasus merupakan bagian dari proses alami di ekosistem tertentu.

Efek rumah kaca

Lapisan ozon (O ₃ ) di stratosfer merupakan perisai pelindung atmosfer terhadap masuknya radiasi ultraviolet berlebih. Radiasi yang sangat energik ini meningkatkan pemanasan bumi.

Di sisi lain, ini sangat mutagenik dan berbahaya bagi jaringan hidup. Pada manusia dan hewan lain itu bersifat karsinogenik.

Emisi berbagai gas menyebabkan rusaknya lapisan ozon dan karenanya memudahkan masuknya radiasi ultraviolet. Beberapa gas tersebut adalah klorofluorokarbon, hidroklorofluorokarbon, etil bromida, nitrogen oksida dari pupuk, dan halon.

Referensi

1. Anbar AD, Y Duan, TW Lyons, GL Arnold, B Kendall, RA Creaser, AJ Kaufman, WG Gordon, S Clinton, J Garvin dan R Buick (2007) Bau Oksigen Sebelum Peristiwa Oksidasi Besar? Sains 317: 1903-1906.
2. Bekker A, HD Holland, PL Wang, D Rumble, HJ Stein, JL Hannah, LL Coetzee, dan NJ Beukes. (2004) Penanggalan kenaikan oksigen atmosfer. Alam 427: 117-120.
3. Farquhar J dan DT Johnston. (2008) Siklus Oksigen dari Planet-planet Terestrial: Wawasan tentang Pemrosesan dan Sejarah Oksigen di Lingkungan Permukaan. Review dalam Mineralogi dan Geokimia 68: 463–492.
4. Keeling RF (1995) Siklus oksigen atmosfer: Isotop oksigen dari CO ₂ dan O ₂ atmosfer dan Kebangkitan Geofisika O ₂ / N ₂ , suplemen. AS: Laporan Nasional ke International Union of Geodesy and Geophysics 1991-1994. hal. 1253-1262.
5. Purves WK, D Sadava, GH Orians dan HC Heller (2003) Life. Ilmu Biologi. Edisi ke-6. Sinauer Associates, Inc. dan WH Freeman and Company. 1044 hal.