Siklus nitrogen

Siklus nitrogen 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. Beberapa proses penting pada siklus nitrogen, antara lain fiksasi nitrogen, mineralisasi, nitrifikasi, de-nitrifikasi. Gas nitrogen banyak terdapat di atmosfer, yaitu 80% dari udara. Walaupun terdapat sangat banyak molekul nitrogen di dalam atmosfer, nitrogen dalam bentuk gas tidaklah reaktif. Hanya beberapa organisme yang mampu untuk mengkonversinya menjadi senyawa organik dengan proses yang disebut fiksasi nitrogen.

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. Tumbuhan memperoleh nitrogen dari dalam tanah berupa amonia (NH₃), ion nitrit (N0₂^- ), dan ion nitrat (N0₃^- ).

Fiksasi nitrogen yang lain terjadi karena proses geofisika, seperti terjadinya kilat. Kilat memiliki peran yang sangat penting dalam kehidupan, tanpanya tidak akan ada bentuk kehidupan di bumi. Walaupun demikian, sedikit sekali makhluk hidup yang dapat menyerap senyawa nitrogen yang terbentuk dari alam tersebut. Hampir seluruh makhluk hidup mendapatkan senyawa nitrogen dari makhluk hidup yang lain. Oleh sebab itu, reaksi fiksasi nitrogen sering disebut proses topping-up atau fungsi penambahan pada tersedianya cadangan senyawa nitrogen.

Gas nitrogen tidak dapat digunakan secara langsung oleh sebagian besar organisme sebelum ditransformasi yang melibatkan menjadi senyawa NH₃, NH₄, dan NO₃ sebelum digunakan dalam siklus. Pada tumbuhan dan hewan, senyawa nitrogen ditemukan sebagai penyusun protein dan klorofil. Dalam ekosistem terdapat suatu daur antara organisme dan lingkungan fisiknya.

Beberapa bakteri yang dapat menambat nitrogen terdapat pada akar Legum dan akar tumbuhan lain, misalnya Marsiella crenata. Selain itu, terdapat bakteri dalam tanah yang dapat mengikat nitrogen secara langsung, yakni Azotobacter sp. yang bersifat aerob dan Clostridium sp. yang bersifat anaerob.Nostoc sp. dan Anabaena sp. (ganggang biru) juga mampu menambat nitrogen.

Di dalam setiap daur, terdapat gudang cadangan utama unsur yang secara terus menerus bergerak masuk dan keluar melewati organisme. Selain itu, terdapat pula tempat pembuangan sejumlah unsur kimia tertentu yang tidak dapat didaur ulang melalui proses biasa. Dalam waktu yang lama, kehilangan bahan kimia tersebut menjadi faktor pembatas, kecuali apabila tempat pembuangan itu dimanfaatkan kembali. Pada akhirnya, daur bolak balik ini cenderung mempunyai mekanisme umpan balik yang dapat mengatur dirinya sendiri (self regulating) yang menjaga siklus tersebut agar tetap seimbang.

Diantara beberapa siklus biogeokimia lainnya seperti siklus fosfor dan sulfur, siklus nitrogen adalah siklus biokimia yang sangat kompleks.

Bentuk-bentuk Nitrogen di alam

1. Amonia

Amonia dan garam-garamnya bersifat mudah larut dalam air. Sumber amonia di perairan adalah pemecahan nitrogen organik (protein dan urea) dan nitrogen anorganik yang terdapat di dalam tanah dan air, yang berasal dari dekomposisi bahan organic oleh mikroba dan jamur (amonifikasi). 

Sumber amonia adalah reduksi gas nitrogen yang berasal dari proses difusi udara atmosfer, limbah industri dan domestik. Amonia yang terdapat dalam mineral masuk ke badan air melalui erosi tanah.  Selain terdapat dalam bentuk gas, amonia membentuk senyawa kompleks dengan beberapa ion logam. Amonia juga dapat terserap kedalam bahan-bahan tersuspensi dan koloid sehingga mengendap di dasar perairan. Amonia di perairan dapat menghilang melalui proses volatilisasi karena tekanan parsial amonia dalam larutan meningkat dengan semakin meningkatnya pH.

2. Nitrit

Sumber nitrit dapat berupa limbah industri dan limbah domestik. Kadar nitrit pada perairan relatif karena segera dioksidasi menjadi nitrat. Perairan alami mengandung nitrit sekitar 0,001 mg/liter. Di perairan, nitrit ditemukan dalam jumlah yang sangat sedikit, lebih sedikit daripada nitrat, karena bersifat tidak stabil dengan keberadaan oksigen. Nitrit merupakan bentuk peralihan antara amonia dan nitrat (nitrifikasi) dan antara nitrat dan gas nitrogen (denitrifikasi) yang terbentuk dalam kondisi anaerob.

3. Nitrat

Nitrat adalah sumber utama nitrogen di perairan, namun amonium lebih disukai oleh tumbuhan. Kadar nitrat di perairan yang tidak tercemar biasanya lebih tinggi daripada kadar amonium. Kadar nitrat lebih dari 5 mg/liter menggambarkan terjadinya pencemaran antropogenik yang berasal dari aktivitas manusia dan tinja hewan. Kadar nitrogen yang lebih dari 0,2 mg/liter menggambarkan terjadinya eutrofikasi perairan.

Nitrat adalah bentuk nitrogen sebagai nutrien utama bagi pertumbuhan tanaman dan alga. Nitrat nitrogen sangat mudah larut dalam air dan bersifat stabil. Senyawa ini dihasilkan dari proses oksidasi sempurna di perairan. Secara umum siklus nitrogen dilaut dapat dilihat pada Gambar 1.

Proses dalam Siklus Nitrogen

Gambar berikut memperlihatkan tiga diagram siklus nitrogen yang sangat kompleks tersebut.  Nitrogen di perairan sebagai molekul N₂ terlarut, amonium ( ), Nitrit ( ), Nitrat ( ) dan sebagai bentuk organik seperti urea, asam amino, serta range berbeda.

                                                                              Gambar  1.  Siklus Nitrogen di Alam

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).

Kadang-kadang tanaman ini digunakan untuk mengisi lahan yang miskin nitrogen selama masa perputaran setelah panen padi.. 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.

                                                                          Gambar 2 Akar kacang-kacangan

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.

                                                                                       Gambar 3 Akar kacang-kacangan

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 nitrat

3.      Rhizobium menambat nitrogen dari udara

4.      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 Nostocales

6.      Bakteri ungu pengikat nitrogen seperti Rhodospirillum

Tahap-tahap dalam siklus nitrogen

Secara Umum Proses Daur Nitrogen di alam adalah sebagai berikut:

Nitrogen bebas merupakan 79% dari udara. Unsur nitrogen hanya dapat dimanfaatkan oleh tumbuhan, umumnya dalam bentuk nitrat, dan pengambilannya khususnya lewat akar. Terbentuknya nitrat karena bantuan mkroorganisme. Penyusunan nitrat dilakukan secara bertahap oleh beberapa genus bakteri secara sinergetik.

Beberapa genera bakteri yang hidup bebas di dalam tanah  mampu mengikat molekul-molekul nitrogen untuk dijadikan senyawa-senyawa pembentuk  tubuh tanaman, misalnya protein. Jika sel-sel tanaman mati, timbullah zat hasil urai seperti karbondiosida dan gas amoniak. Sebagian besar dari amoniak terlepas di udara, dan sebagian lain dapat dipergunakan oleh genus bakteri untuk membentuk nitrit. Nitrit dapat dipergunakan oleh genus bakteri  yang lain untuk memperoleh energi. Oksidasi amoniak menjadi nitrit dan oksidasi nitrit berlangsung di dalam lingkungan yang aerob. Peristiwa seluruhnya disebut nitrifikasi. Tahap pertama yaitu pengoksidasian amoniak menjadi nitrit dilakukan oleh Nitrosomona, Nitrosococcus dan beberapa spesies lainya, sedang pengoksidasian nitrit menjadi nitrat dilakukan oleh Nitrobacter.

Belum diketahui pasti adanya penyusunan amoniak langsung dari nitrogen di udara. Reduksi dari nitrogen menjadi amoniak disebut Amonifikasi. Genus Bacillus yang hidup anaerob dapat melakukan amonifikasi ini.

Penguraian protein dengan mikroorganisme dimulai dengan hidrolisis protein secara enzimatik menjadi asam amino masing-masing, selanjutnya asam amaino yang dibebaskan dimetabolisme lebih lanjut. Selama jalannya metabolisme ini gugusan amino paling sering dibebaskan sebagai amoniak

Karena tumbuhan dapat memanfaatkan amoniak yang dibebaskan ini sebagai sumber nitrogen, siklus ini dapat terhenti karena menyangkut keseimbangan alam. Akan tetapi terdapat sejumlah besar bakteri autotrof yang memperoleh satu-satunya sumber energinya dari oksidasi amoniak menjadi nitrit. Oksidasi ini diselenggarakan oleh sekelompok mikroorganisme aerob gram negatif yang sangat erat hubungannya. Pada tingkat ini kelompok  bakteri autotrof mengambil alih, bakteri ini memperoleh energinya dengan oksidasi nitrit menjadi nitrat. Akibatnya bentuk nitrogen utama dalam tanah ialah nitrat, yang juga dapat diguakan oleh tanaman sebagai sumber nitrogen.

Banyak bakteri mampu menggunakan nitrat sebagai penerima elektron terakhir mengantikan oksigen (“pernapasan anaerob”) dan bakteri ini mereduksi nitrat kembali menjadi nitrit. Jauh lebih kritis terhadap ekologi adalah organisme yang mampu mereduksi nitrit menjadi gas nitrogen, yang kemudian lepas ke udara. Gas nitrogen bebas tidak dapat  diasimilasi oleh tanaman jadi produksi  gas nitrogen dari sumber nitrogen anorganik merupakan kerugian langsung dalam kesuburan. Proses ini yang disebut denitrifikasi, dilakukan oleh banyak bakteri.

Daur nitrogen yang telah dibahas menggambarkan banyak bakteri yang mengubah senyawa-senyawa nitrogen menjadi gas nitrogen, suatu unsur yang tidak dapat dimanfaatkan oleh tanaman hijau. Jadi apabila tidak ada mekanisme mikroorganisme untuk mengubah gas nitrogen kembali menjadi senyawa nitrogen yang dapat dimanfaatkan keseimbangan alam akan terganggu. Untungnya banyak bakteri mempunyai kemampuan menambat nitrogen atmosfer dan membuatnya tersedia kembali bagi tanaman hijau sebagai amoniak atau nitrat. Bakteri yang menambat nitrogen atmosfer dapat dikategorikan sebagai penambat ntrogen hidup bebas atau sebagai penambat nitrogen simbiotik. Penambat nitrogen hidup yang bebas yang paling penting terdapat diantara sianobakteri dan dalam bakteri Azetobacter. Banyak bakteri lain seperti Clostridium dan bakteri fotosintesis juga mampu menambat nitrogen atmosfer.

Penambat nitrogen simbiotik adalah bakteri gram negatif yang kecil yang diklasifikasikan dalam marga rhizobium. Rhizobium mampu menginfeksi akar kelas tanaman leguminosa (kacang-kacangan, kedelai, dan sebagainya). Setelah menginfeksi akar, bakteri menjadi sel yang berbentuk tidak teratur (bakteroid) dan membentuk  bintil akar pada tempat infeksi. Di dalam  bintil ini bakteroid menambat nitrogen atmosfer (membantu tanaman) dan sebagai gantinya menerima hara dari tanaman yang dapat digunakan dalam metabolismenya sendiri (muncullah istilah simbiotik). Istilah simbosis umunya diartikan sebagai adanya kemitraan yang saling menguntungkan antara dua organisme. Penambat nitrogen simbiotik agaknya jauh lebih penting daripada penambat nitrogen yang hidup bebas dalam keseluruha penambatan nitrogen diseluruh dunia

Proses penambatan utama terdiri atas dua reaksi yang terpisah: (1) pembentukan reduksi  (2) pengikatan gas nitrogen. ATP diperlukan untuk reaksi yang pertama, yang elektronnya diteruskan dari feredoksin tereduksi ke reduktan yang hingga kini belum diketahui. Pada reaksi kedua gas nitrogen ditambatkan pada protein (nitrogase) yang mengandung molibdenum dan besi. Molibdenum penting dalam metabolsme nitrogen dan mikrorganisme. Penyediaan molibdenum yang cukup sangat penting untuk mempercepat fiksasi nitrogen oleh legum yang membentuk bintil.

 Gambar 4 Daur Nitrogen

Protein dan sampah hasil metabolisme hewan dan tanaman  didekompoisisi oleh bakteri menjadi amonia. Amonia  diubah menjadi nitrat oleh Nitrosomonas dan Nitrobacter, yang akan digunakan oleh tanaman. Beberapa nitrat terakumulasi pada nitrogen atmosfer yang akan kembali pada tanman legum melalui fiksasi nitrogen oleh mikroorganisme (umumnya rhozobium) menjadi nitrat, melalui konversi amonia. Hewan (termasuk juga manusia) memakan tanaman meliputi protein yang mengadung nitrogen. (sumber: Wesley, 1983:778)

                                                                       Gambar 5 Peran Hewan dalam Daur Nitrogen

Meskipun 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.