Seluruh benda – benda yang terdapat di alam semesta diketahui tersusun atas berbagai macam unsur – unsur, seperti air (H2O), karbon dioksida (CO2) dan lain sebagainya. Namun ada juga yang tersusun oleh unsur itu sendiri seperti oksigen (O2). Setiap unsur memiliki peran dan fungsi tersendiri yang tentunya sangat berguna untuk keberlangsungan hidup makhluk hidup di muka bumi. Perlu kita ketahui jika lapisan atmosfer yang melindungi Planet Bumi tersusun atas berbagai macam unsur gas, tidak hanya oksigen dan karbon dioksida saja, tetapi juga nitrogen. Jumlah nitrogen di alam sangatlah banyak jika dibandingkan dengan oksigen, yaitu sekitar 78% dari total keseluruhan gas yang ada di atmosfer. Meskipun begitu tidak semua makhluk hidup memanfaatkan nitrogen ini secara langsung seperti oksigen. Sehingga untuk memanfaatkan nitrogen dibutuhkan tahapan atau proses tertentu atau bisa disebut sebagai siklus.
Proses pertama yakni fiksasi nitrogen yaitu mengubah nitrogen yang terdapat di udara menjadi ammonia (NH3). Mikroorganisme yang melakukan proses fiksasi nitrogen yaitu diazotrof. Biasanya bakteri ini mempunyai enzim nitrogenaze yang dapat menggabungkan nitrogen dengan hidrogen. Bakteri ini bersimbiosis dengang tanaman kacang – kacangan atau hidup bebas sehingga dapat memperbaiki nitrogen menjadi nitrogen organik. Bakteri – bakteri yang dapat melakukan fiksasi nitrogen yaitu Azotobacteraceae, Cyanobacteria, Clostridium, Frankia, dan Rhizonia.
Tahap selanjutnya yaitu nitrifikasi yang merupakan konversi amonium berubah menjadi nitrat. Tahap ini dilakukan oleh bakteri hidup yang berada di dalam tanah serta bakteri nitrifikasi yang lain. Untuk tahap utama dari proses nitrifikasi yakni bakteri nitrifikasi (Nitrosomonas) melakukan oksidasi terhadap amonium (NH4+) serta mengubah amonia menjadi nitrit (NO2–). Sedangkan untuk spesies bakteri lainnya seperti nitrobacter melakukan oksidasi pada nitrit menjadi nitrat (NO3–). Perubahan nitrit menjadi nitrat sangat penting, mengingat nitrit adalah racun bagi tanaman. Untuk proses nitrifikasi dapat sendiri terbagi menjadi 4 macam, yakni:
NH3 + CO2 + 1.5 O2 + Nitrosomonas -> NO2– + H2O + H+
NO2– + CO2 + 0.5 O2 + Nitrobacter -> NO3–
NH3 + O2 -> NO2– + 3H+ + 2e–
NO2– + H2O -> NO3– + 2H+ + 2e
Semua tumbuhan memperoleh nitrogen yang berasal dari tanah melalui proses absorbsi akar dalam bentuk ion amonium atau ion nitrat. Tumbuhan menyerap ion tersebut yang berada di dalam tanah melalui rambut – rambut akar. Untuk menyerap nitrat, pertama harus diubah terlebih dahulu menjadi ion nitrit kemudian menjadi ion amonium untuk selanjutnya dimasukkan pada asam nukleat, asam amino dan klorofil. Untuk beberapa jenis tumbuhan yang bersimbiosis dengan rhizobia, nitrogen tersebut diasimilasi menjadi bentuk ion amonium secara langsung di nodul (bintil akar).
Ketika tumbuhan atau hewan mati, nitrogen organik diubah dalam bentuk amonium (NH4+) oleh jamur dan bakteri yang ada di dalam tanah. Amonifikasi sendiri merupakan suatu proses pembentukan dari amonium oleh bakteri yang tinggal di dalam tanah. Amonium tidak hanya terbentuk dari hasil fiksasi nitrogen saja, namun juga bisa berasal dari dekomposisi atau penguraian organisme yang sudah mati baik itu tumbuhan maupun hewan oleh bakteri pengurai. Tidak hanya dekomposisi sampah organik, amonifikasi bisa saja terjadi sebagai akibat aktivitas bakteri dalam merubah senyawa nitrat menjadi amonium.
Proses terakhir pada siklus nitrogen yaitu denitrifikasi. Denitrifikasi merupakan proses mereduksi nitrat untuk diubah kembali dalam bentuk gas nitrogen (N2). Pada proses ini membutuhkan bantuan spesies bakteri seperti Clostridium dan Pseudomonas dalam kondisi anaerob. Nitrat ini digunakan sebagai akseptor elektron di tempat adanya oksigen selama proses respirasi. Fakultatif anaerob bakteri bisa juga terjadi pada kondisi aerobik sekalipun. Secara umum proses denitrifikasi terjadi oleh beberapa kombinasi bentuk peralihan yaitu:
NO3– -> NO2– -> NO +N2O -> N2 (g)
Namun secara lengkap proses denitrifikasi dapat dilihat dari reaksi redoks, sebagai berikut:
2NO3– + 10e– + 12H+ -> N2 + 6H2O
Nitrogren yang tersedia di alam hadir dalam berbagai bentuk nitrogen organik seperti amonium, nitrit, nitrat serta gas nitrogen. Pada siklus nitrogen sendiri yaitu mengubah nitrogen menjadi banyak bentuk kimia. Sehingga ada banyak proses yang dilakukan oleh mikroba baik dalam menghasilkan energi ataupun mengumpulkan nitrogen menjadi bentuk yang dibutuhkan oleh tumbuhan. Berikut ini adalah hasil dari perubahan bentuk nitrogen:
Amonium atau ammonia serta beberapa garam sangat mudah larut dalam air. Sumber dari amonia sendiri berasal dari hasil reduksi gas nitrogen yang telah melalui proses difusi udara atmosfer, limbah industri serta domestik.
Nitrit adalah bentuk peralihan antara amonia menjadi nitrat atau nitrifikasi serta nitrat menjadi gas nitrogen (denitrifikasi) dalam kondisi anaerob. Sumber dari nitrit dapat berasal dari limbah industri serta limbah domestik. Di dalam sebuah perairan alami ada sekitar 0,001 mg/liter atau jumlahnya cukup sedikit dibandingkan dengan nitrat karena sifatnya yang tidak stabil.
Nitrat merupakan sumber utama dari nitrogen yang ada di perairan akan tetapi amonium lebih dipilih oleh tumbuhan. Bisa dikatakan jika nitrat adalah bentuk utama nitrogen sebagai nutrien utama untuk tumbuhan dan juga alga. Nitrat nitrogen bersifat mudah larut di dalam air serta stabil.
Itulah tadi penjelasan mengenai siklus nitrogen yang terjadi pada tanah. Semoga dapat menambah pengetahuan dan wawasan.
Hai Sobat Zenius, kali gue mau ajak elo untuk menelusuri lebih jauh tentang siklus nitrogen. Kita bakal bahas pengertiannya dan juga peranannya untuk kehidupan.
Apa sih siklus Nitrogen itu?
Nitrogen sendiri merupakan unsur terbesar di atmosfer, yaitu sekitar 78%. Bahkan, Oksigen aja kalah guys, di mana O2 menempati urutan kedua gas yang mengisi atmosfer terbanyak setelah N2.
Sebelum membahas tentang siklus Nitrogen, elo harus tau dulu tentang dari mana Nitrogen berasal dan apa saja peranan Nitrogen bagi kehidupan kita. Dengan begitu, jadi lebih mudah membahas tentang siklusnya nanti.
Kira-kira dengan jumlah Nitrogen sebanyak itu, apa aja sih manfaatnya bagi kehidupan? Oke kita uraikan satu per satu ya.
Nitrogen dan Evolusi Kehidupan di Bumi
Siklus nitrogen atau proses daur nitrogen itu perlu lho. Kenapa gitu? Usut punya usut ternyata perannya juga penting dalam evolusi di bumi.
Nitrogen di atmosfer yang berbentuk gas N2 memiliki ikatan yang sangat kuat, tapi bersifat non-reaktif. Gimana tuh maksudnya?
Non-reaktif berarti gas ini akan sulit banget ditangkap oleh tumbuhan dan hewan. Terbukti dengan kita nggak bisa hirup gas nitrogen yang ada di udara.
Makanya dalam siklus Nitrogen terdapat fiksasi Nitrogen untuk memutuskan ikatan N2 menjadi bentuk yang bisa digunakan dan bermanfaat bagi kehidupan, seperti protein, DNA, dan RNA.
Gampangnya, fiksasi ini mengubah bentuk N2 agar bisa dimanfaatkan ya.
Lho kalau Nitrogen merupakan salah satu penyusun DNA dan RNA, berarti Nitrogen udah ada dari dulu, bahkan termasuk kunci evolusi kehidupan awal di Bumi ini dong?
Yap, para peneliti mencari tau mengenai asal mula Nitrogen, dari mana sebenarnya Nitrogen berasal, apakah dari udara/atmosfer atau dari dalam lapisan Bumi.
Peneliti dari UCLA yang bekerja sama dengan jurnal Geochemistry International melakukan analisis gas vulkanik dari Islandia dan Taman Nasional Yellowstone menggunakan metode Clump Nitrogen Isotope. Hasil dari penelitian tersebut memungkinkan bahwa campuran antara Nitrogen di lapisan Bumi dan di atmosfer merupakan tanda adanya erupsi gunung berapi.
Selain itu, dilansir dari Astrobiology at NASA, peneliti sudah melakukan penelitian mengenai batuan Isua Supracrustal Belt di Pulau Greenland yang berusia sekitar 3,8 miliar tahun lalu.
Mereka menemukan kalau Nitrogen kemungkinan berasal dari proses abiotik, baik dari aktivitas gunung berapi, petir, dll. Dengan adanya penelitian tersebut, menunjukkan bahwa menganalisis kadar Nitrogen bisa membantu juga dalam mendeteksi tanda-tanda kehidupan di Mars lho.
Peranan Nitrogen Bagi Kehidupan
Sebelum ke pembahasan siklus nitrogen, elo perlu tahu juga manfaat nitrogen di kehidupan.
Lalu, apa aja sih peranan Nitrogen bagi kehidupan kita? Oke, kita mulai dulu dari tanaman, menurut elo tanaman itu butuh Nitrogen gak sih? Butuh dong pasti.
Nitrogen dibutuhkan tanaman untuk pertumbuhan. Buktinya elo sering melihat petani menggunakan pupuk NPK (Nitrogen, Fosfor, dan Kalium) untuk tanamannya kan.
Kalau tanaman kekurangan Nitrogen, maka tanaman tersebut akan menguning, pertumbuhannya terhambat, dan hasilnya (buah dan bunga) akan tumbuh dengan ukuran kecil. Kalau udah gitu kan petani juga pasti rugi dong.
Selain itu, Nitrogen juga dibutuhkan dalam pembentukan DNA dan RNA. Nah, DNA ini merupakan pembawa informasi genetik yang akan menentukan seperti apa tubuh makhluk hidup yang akan dibentuk.
Lalu, hubungannya antara DNA dan Nitrogen itu apa?
Gini, ketika makhluk hidup gak mendapatkan pasokan Nitrogen yang cukup, maka mereka gak bisa menghasilkan asam amino. Padahal, kombinasi dari basa nukleotida yang menyusun DNA akan mengkodekan asam amino.
Nah, asam amino inilah yang nantinya akan membentuk protein, dan protein itulah yang menentukan seperti apa tubuh dari makhluk hidup. Kalau makhluk hidup kekurangan Nitrogen, maka asam amino juga akan berkurang, sehingga bisa mempengaruhi pembuatan protein khusus yang dibutuhkan sel untuk tumbuh.
Manusia memang gak bisa memanfaatkan Nitrogen secara langsung dari aktivitas respirasi, melainkan harus menyerapnya dengan cara memakan tanaman atau hewan yang mengandung Nitrogen. Dengan cara itulah manusia memperoleh Nitrogen.
Oh iya, seperti yang tadi di awal gue jelasin, nitrogen bisa terserap oleh tumbuhan setelah melalui proses fiksasi ya. Dalam siklus nitrogen di alam proses fiksasi adalah merubah nitrogen ke bentuk lain agar bisa bermanfaat dan dapat diserap oleh tumbuhan
Yap, sepenting itu siklus Nitrogen bagi kehidupan kita! Seperti yang telah disampaikan di atas, bahwa Nitrogen ini membantu dalam proses sintesis protein, asam amino, yang memiliki peranan vital dalam kehidupan organisme, seperti pertumbuhan, hormon, fungsi otak, dan sistem kekebalan tubuh.
Proses metabolisme dalam tubuh kita tergantung oleh enzim, nah enzim tersebut mengandung berbagai jenis protein. Sekarang balik lagi, protein disintesis oleh siapa? DNA membentuk gen kita dan RNA memiliki peranan dalam sintesis protein. Yap, dari aktivitas tersebut Nitrogen memiliki peranan penting.
Nah, dari sini udah jelas kan gimana kalau gak ada Nitrogen di dalam tubuh kita, kalau gak ada Nitrogen, maka gak ada DNA. Kira-kira gimana kalau gak ada DNA di tubuh manusia? Oke, jawab di kolom komentar ya! Hihihi.
Meskipun Nitrogen memegang peranan vital dalam kehidupan kita, keseimbangan tetap harus diutamakan. Karena kelebihan Nitrogen juga gak baik lho buat kehidupan.
Ketika unsur Nitrogen terlalu berlebihan, maka bisa menjadi racun bagi tanaman dan juga berbahaya bagi lingkungan kita. Tanaman yang mengandung banyak Nitrogen bisa membahayakan hewan dan manusia yang memakannya.
Hal itu juga bisa merusak lingkungan, khususnya lingkungan perairan. Mau bukti? Coba perhatikan gambar di bawah ini!
Gambar di atas merupakan penyebab eutrofikasi, karena kelebihan Nitrogen. Elo bisa lihat uraiannya sebagai berikut:
- Kelebihan nutrisi (termasuk Nitrogen) di tanah dan permukaannya.
- Beberapa nutrisi tersebut akan bercampur dengan air dan merembes ke lapisan tanah yang lebih dalam. Hingga akhirnya, nutrisi tersebut akan mengalir ke badan air, seperti kolam atau danau.
- Tapi, ada juga beberapa yang mengalir dari permukaan langsung ke badan air.
- Nah, nutrisi yang berlebihan tersebut akan merangsang pertumbuhan alga.
- Alga yang terus berkembang di permukaan air akan menutupi sinar matahari masuk ke dalam air.
- Sehingga, proses fotosintesis dan pertumbuhan tanaman di bawah air akan terhambat atau bahkan mati.
- Alga yang mati akan jatuh ke dasar perairan. Kemudian, bakteri akan mendekomposisi atau menguraikan alga-alga tersebut. Nah, proses dekomposisi oleh bakteri akan membutuhkan Oksigen.
- Semakin lama, pasokan Oksigen di dalam air akan semakin berkurang, bahkan bisa menyebabkan “death zone” atau kondisi di mana makhluk hidup di perairan tersebut akan mati, termasuk ikan-ikan dan mikroorganisme aerob lainnya.
Seringkali kita melihat ada danau yang berwarna hijau, kuning, dan merah kan? Nah warna-warna tersebut disebabkan oleh kumpulan alga yang berada di permukaan air.
Kalau alga semakin banyak, maka akan menghalangi sinar matahari masuk ke dalam tanah, sehingga akan membahayakan makhluk hidup di perairan tersebut.
Kita bisa kok mencegah eutrofikasi, dengan cara menjaga keseimbangan alam. Jangan berlebihan dalam menggunakan pupuk atau zat lainnya yang bisa merangsang pertumbuhan alga.
Oke, udah paham ya peranan nitrogen. Sekarang lanjut ke siklus nitrogen di bawah ini, perhatiin baik-baik ya!
Apa Itu Siklus Nitrogen?
Sejatinya, makhluk hidup sangat membutuhkan Nitrogen. Elo juga udah lihat apa saja peranan dari Nitrogen di poin sebelumnya. Tapi, kalau kebutuhan akan Nitrogen cukup banyak, mungkinkan di atmosfer akan habis atau tetap jumlahnya sekitar 78%? Untuk menjawabnya, langsung aja kita bahas tentang siklus Nitrogen yuk!
Siklus Nitrogen adalah proses berulang atau konversi unsur Nitrogen menjadi berbagai macam bentuk kimiawi yang akan bergerak melalui komponen biologis maupun non-biologis.
Walaupun ada banyak banget Nitrogen di atmosfer, tapi ia memiliki ikatan yang sangat kuat dan masih berupa gas N2. Gas N2 ini bersifat non-reaktif dengan kata lain susah banget buat bereaksi, sehingga gak bisa digunakan secara langsung oleh tanaman dan hewan.
Gas N2 harus melalui proses yang cukup panjang untuk dikonversi menjadi senyawa organik yang bisa bermanfaat bagi kehidupan. Nah, proses konversi tersebut bernama fiksasi nitrogen.
Gambar di atas adalah gambaran proses siklus nitrogen atau proses daur nitrogen ya. Tapi gue pingin elo fokus di gambar kanan bawah dulu ya. Oh iya, penjelasan videonya bisa elo akses melalui aplikasi Zenius atau melalui website Zenius ya.
Fiksasi Nitrogen
Siklus Nitrogen yang pertama yaitu proses perpindahan Nitrogen dari atmosfer ke dalam tanah melalui akar tanaman. Tapi, sebelum itu harus melalui fiksasi Nitrogen terlebih dahulu.
Proses fiksasi bertujuan untuk mengonversi unsur menjadi bentuk atau unsur yang bisa digunakan atau bermanfaat.
Ada dua cara dalam melakukan fiksasi Nitrogen, yaitu melalui bakteri pada akar tanaman legum (Rhizobium), bakteri dan mikroorganisme di dalam tanah, dan proses geofisika dengan panas dan tekanan yang tinggi seperti sambaran kilat.
Namun, mayoritas proses fiksasi ini dilakukan oleh bakteri. Sedangkan, untuk fiksasi nitrogen melalui sambaran petir terjadi ketika Nitrogen di atmosfer yang terkena sambaran petir akan pecah menjadi senyawa lain seperti Nitrat (NO3-).
Fiksasi n2 ditunjukkan pada proses daur nitrogen kemudian diolah menjadi berbagai senyawa yang dapat diserap oleh tumbuhan.
Amonifikasi
Coba sekarang kita bahas fiksasi Nitrogen oleh bakteri pada akar tanaman legum dulu ya, guys.
Pertama, Nitrogen akan diserap oleh tanah dan akan diolah oleh nodul pada akar tanaman legum yang terkandung bakteri Rhizobium atau Azotobacter. Peranan bakteri rhizobium dalam siklus nitrogen adalah mengikat N2 yang akan digunakan dalam proses metabolisme tubuh tanaman. Di dalam akar inilah nitrogen akan dikonversi menjadi ammonia (NH3).
Gas Nitrogen di atmosfer (N2) → (dibantu oleh bakteri Rhizobium) → ammonia (NH3)
Nitrifikasi
Selanjutnya, ammonia akan dikonversi menjadi ammonium (NH4+) yang kemudian menjadi nitrat atas bantuan bakteri Nitrifying pada akar.
Ammonia (NH3) → Ammonium (NH4+)
Lalu, NH4+ ini kadang diubah lagi oleh bakteri Nitrifying atau Nitrobacter menjadi Nitrat (NO3-).
Ammonium (NH4+) → Nitrat (NO3-)
Nah, tumbuhan hanya bisa menyerap Nitrogen dalam bentuk NH4+ dan NO3-. Kenapa sih kok gitu? Karena, kedua bentuk tersebut adalah ion (kamu bisa lihat ada + dan – di sana ya). Ion bersifat polar, artinya akan lebih mudah larut dalam air. Jadi, akan memudahkan Nitrogen tersebut diserap oleh tumbuhan.
Asimilasi
Proses penyerapan nutrisi oleh tanaman disebut dengan asimilasi. Yap, yang diserap oleh tanaman adalah senyawa Nitrogen dalam bentuk ion NH4+ dan NO3- yang telah bercampur dengan air.
Dekomposisi
Tanaman yang mengandung Nitrogen kemudian akan dimakan oleh hewan dan manusia. Otomatis nutrisi (termasuk Nitrogen) juga akan berpindah dari tanaman ke organisme yang memakannya.
Ketika organisme seperti tanaman, hewan, dan manusia mati atau kotoran/feses mereka dikeluarkan dari tubuh, maka akan mengalami proses dekomposisi atau penguraian di dalam tanah. Proses tersebut dilakukan oleh dekomposer (bakteri Denitrifying dan fungi) dan akan melepaskan ammonia (NH4+) di dalam tanah.
Denitrifikasi
Ammonia tersebut akan dikonversi lagi oleh bakteri Nitrifying menjadi NO3-. Sebagian dari NO3- tersebut akan digunakan lagi oleh tanaman.
Sedangkan yang lainnya akan diubah oleh bakteri Denitrifying menjadi nitrogen di atmosfer kembali. Sehingga gas nitrogen akan kembali ke atmosfer atau udara lagi. Oleh karena itu, kandungan Nitrogen di udara cenderung konstan.
Siklus Nitrogen di Air
Lalu, bagaimana dengan siklus Nitrogen yang terjadi di perairan?
Singkatnya gini, gas N2 di atmosfer melalui proses fiksasi oleh sambaran petir. Fiksasi tersebut akan menyebabkan N2 pecah menjadi bentuk lain, seperti Nitrat (NO3-).
Nah, senyawa tersebut turun atau jatuh ke dalam perairan, kemudian akan dimanfaatkan oleh organisme air, seperti plankton, algae, dan ikan untuk beraktivitas.
Ketika organisme tersebut mati, selanjutnya akan melalui proses dekomposisi atau penguraian. Dengan begitu, Nitrogen yang ada di tubuh ikan akan dilepas ke dalam perairan lagi.
Selanjutnya, air yang mengandung Nitrogen tersebut akan diserap oleh tanaman melalui proses asimilasi, dst. Kurang lebih gak beda jauh kok dengan proses-proses yang udah diuraikan sebelumnya, hingga akhirnya sampai pada proses denitrifikasi.
Jadi, sekarang elo udah tau kan siklus Nitrogen itu seperti apa, dan ternyata kandungan Nitrogen di atmosfer itu gak berkurang alias konstan karena adanya siklus ini.
Dari uraian di atas, kita jadi tau kalau Nitrogen memegang peranan yang sangat penting bagi kehidupan. Tapi, gas Nitrogen di atmosfer harus dikonversi dulu menjadi senyawa yang bisa diserap oleh tanaman, melalui proses fiksasi nitrogen, amonifikasi, nitrifikasi, asimilasi, dekomposisi, hingga akhirnya kembali lagi ke atmosfer melalui denitrifikasi.
Biar lebih ngerti step-by step proses siklus nitrogen ini, elo bisa klik banner di bawah ini dan tonton video pembelajarannya ya.
Semangat belajarnya, Sobat Zenius!
Originally published June 23, 2021
Updated by Silvia Dwi
Baca Juga Artikel Fisika Lainnya
Dari Mana Asalnya Air Terjun?
Benarkah Bahan Bakar Fosil Mengancam Peradaban Manusia?
Siklus Sel, Siklus yang Menemani Kita Tumbuh Besar