Karakteristik siklus nitrogen, reservoir, tahapan, kepentingan

itu siklus nitrogen itu adalah proses perpindahan nitrogen antara atmosfer dan biosfer. Ini adalah salah satu siklus biogeokimia yang paling relevan. Nitrogen (N) adalah unsur yang sangat penting, karena diperlukan oleh semua organisme untuk pertumbuhannya. Ini adalah bagian dari komposisi kimia asam nukleat (DNA dan RNA) dan protein.

Jumlah nitrogen terbesar di planet ini ada di atmosfer. Nitrogen atmosfer (N₂) tidak dapat digunakan secara langsung oleh sebagian besar makhluk hidup. Ada bakteri yang bisa memperbaikinya dan memasukkannya ke dalam tanah atau air dengan cara yang dapat digunakan oleh organisme lain.

Selanjutnya, nitrogen diasimilasi oleh organisme autotrofik. Sebagian besar organisme heterotrofik mendapatkannya dengan memberi makan. Kemudian mereka melepaskan ekses dalam bentuk air seni (mamalia) atau kotoran (burung).

Pada fase lain dari proses 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, menyebabkan ketidakseimbangan dalam siklus biogeokimia ini.

Indeks

• 1 Karakteristik umum
  • 1.1 Asal
  • 1.2 Bentuk kimia 
  • 1.3 Sejarah
  • 1.4 Persyaratan untuk organisme
• 2 Komponen
  • 2.1-Reservoir
  • 2.2-Mikroorganisme berpartisipasi
• 3 Tahapan
  • 3.1 Fiksasi
  • 3.2 Asimilasi
  • 3.3 Amonifikasi
  • 3.4 Nitrifikasi
  • 3.5 Denitrifikasi
• 4 Pentingnya
• 5 Perubahan siklus nitrogen
• 6 Referensi

Karakteristik umum

Asal

Diperkirakan bahwa nitrogen berasal dari nukleosintesis (penciptaan inti atom baru). Bintang-bintang dengan massa helium besar mencapai tekanan dan suhu yang diperlukan nitrogen untuk terbentuk.

Ketika Bumi berasal, nitrogen berada dalam kondisi padat. Kemudian, dengan aktivitas vulkanik, unsur ini masuk ke dalam bentuk gas dan dimasukkan ke atmosfer planet.

Nitrogen itu dalam bentuk N₂. Mungkin bentuk kimia yang digunakan oleh makhluk hidup (amonia NH₃) muncul oleh siklus nitrogen antara laut dan gunung berapi. Dengan cara ini, NH₃ akan dimasukkan ke atmosfer dan bersama dengan unsur-unsur lain memunculkan molekul organik.

Bentuk kimia

Nitrogen terjadi dalam berbagai bentuk kimia, mengacu pada berbagai tingkat oksidasi (kehilangan elektron) dari elemen ini. Bentuk-bentuk yang berbeda ini bervariasi dalam karakteristik dan perilaku mereka. Gas nitrogen (N₂) tidak berkarat.

Bentuk teroksidasi diklasifikasikan sebagai organik dan anorganik. Bentuk organik hadir terutama dalam asam amino dan protein. Keadaan anorganik adalah amonia (NH₃), ion amonium (NH₄), nitrit (NO₂) dan nitrat (NO₃), antara lain.

Sejarah

Nitrogen ditemukan pada 1770 oleh tiga ilmuwan secara independen (Scheele, Rutherford dan Lavosier). Pada 1790 Chaptal orang Prancis menamakan gas sebagai nitrogen.

Pada paruh kedua abad ke-19, ia ditemukan sebagai komponen penting dari jaringan organisme hidup dan pertumbuhan tanaman. Demikian juga, keberadaan aliran konstan antara bentuk organik dan anorganik dibuktikan.

Pada awalnya dianggap bahwa sumber nitrogen adalah petir dan pengendapan atmosfer. Pada tahun 1838, Boussingault menentukan fiksasi biologis dari unsur ini dalam kacang-kacangan. Kemudian, pada tahun 1888, ditemukan bahwa mikroorganisme yang terkait dengan akar kacang-kacangan bertanggung jawab untuk memperbaiki N.₂.

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

Pada awal 1885, Gayon menentukan bahwa kelompok mikroorganisme lain memiliki kemampuan untuk mengubah nitrat menjadi N₂. Sedemikian rupa, sehingga siklus nitrogen di planet ini dapat dipahami.

Kebutuhan organisme

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

Organisme autotrofik membutuhkan pasokan dalam bentuk nitrat. Untuk bagian mereka, banyak heterotrof hanya dapat menggunakannya dalam bentuk kelompok amino yang mereka peroleh dari makanan mereka.

Komponen

-Reservoir

Sumber nitrogen alami terbesar adalah atmosfer, di mana 78% unsur ini ditemukan dalam bentuk gas (N₂), dengan beberapa jejak nitro oksida dan nitrogen monoksida.

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

-Mikroorganisme yang berpartisipasi

Ada tiga jenis mikroorganisme yang berpartisipasi dalam siklus nitrogen. Ini adalah fixer, nitrifier, dan denitrifiers.

Bakteri pengikat N₂

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

Jenis bakteri pengikat yang paling umum adalah Rhizobium, yang dikaitkan dengan akar polong-polongan. Ada genre lain seperti Frankia, Nostoc dan Pasasponia yang melakukan simbiosis dengan akar kelompok tanaman lain.

Cyanobacteria dalam bentuk bebas, dapat memperbaiki nitrogen atmosfer di lingkungan air

Bakteri nitrifikasi

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

Bakteri dari genera yang berbeda ikut campur secara berurutan dalam proses tersebut. Nitrosoma dan Nitrocystis mengoksidasi NH3 dan NH4 menjadi nitrit. Lalu Nitrobacter dan Nitrosococcus mengoksidasi senyawa ini menjadi nitrat.

Pada 2015 kelompok bakteri lain yang terlibat dalam proses ini ditemukan. Mereka mampu secara langsung mengoksidasi amonia menjadi nitrat dan terletak di dalam genus Nitrospira. Beberapa jamur juga mampu nitrifikasi amonia.

Bakteri denitrifikasi

Telah ditunjukkan bahwa lebih dari 50 genera bakteri yang berbeda dapat mengurangi nitrat menjadi N₂. Ini terjadi dalam kondisi anaerob (tidak adanya oksigen).

Genera denitrifikasi yang paling umum adalah Alcaligenes, Paracoccus, Pseudomonas, Rhizobium, Thiobacillus dan Thiosphaera. Mayoritas kelompok ini heterotrofik.

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

Tahapan

Siklus nitrogen melewati beberapa tahap dalam mobilisasi di seluruh planet ini. Fase-fase ini adalah:

Fiksasi

Ini adalah konversi nitrogen atmosfer ke bentuk yang dianggap reaktif (yang dapat digunakan oleh makhluk hidup). Pemutusan tiga ikatan yang mengandung molekul N₂ Ini membutuhkan sejumlah besar energi dan dapat terjadi dalam dua cara: abiotik atau biotik.

Fiksasi abiotik

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

N₂ itu dikombinasikan dengan oksigen untuk menghasilkan bentuk nitrogen teroksidasi seperti NO (nitrogen dioksida) dan NO₂ (nitro oksida). Selanjutnya, senyawa ini dibawa ke permukaan bumi oleh hujan sebagai asam nitrat (HNO₃).

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

Fiksasi biotik

Ini dilakukan oleh mikroorganisme tanah. Bakteri ini umumnya dikaitkan dengan akar tanaman. Diperkirakan bahwa fiksasi biotik tahunan nitrogen adalah sekitar 200 juta ton per tahun.

Nitrogen atmosfer diubah menjadi amonium. Pada fase pertama reaksi, N₂ dikurangi menjadi NH₃ (Amonia). Dengan cara ini dimasukkan ke dalam asam amino.

Dalam proses ini, sebuah kompleks enzimatik dengan berbagai pusat reduksi oksida terlibat. Kompleks nitrogenase ini terdiri dari reduktase (menyediakan elektron) dan nitrogenase. Yang terakhir menggunakan elektron untuk mengurangi N₂ ke NH₃. Dalam prosesnya sejumlah besar ATP dikonsumsi.

Kompleks nitrogenase secara ireversibel dihambat dengan adanya konsentrasi O yang tinggi₂. Dalam nodul radikal, terdapat protein (leghemoglobin) yang menjaga kandungan O sangat rendah₂. Protein ini dihasilkan oleh interaksi antara akar dan bakteri.

Asimilasi

Tumbuhan yang tidak memiliki hubungan simbiosis dengan bakteri pengikat N₂, mereka mengambil nitrogen dari tanah. Penyerapan unsur ini dilakukan dalam bentuk nitrat melalui akar.

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

Ketika akan digunakan, nitrat direduksi menjadi nitrit dalam sitoplasma. Proses ini dikatalisis oleh enzim nitrat reduktase. Nitrit diangkut ke kloroplas dan plastida lain, di mana mereka direduksi menjadi ion amonium (NH₄).

Ion amonium dalam jumlah besar beracun bagi tanaman. Jadi dengan cepat dimasukkan ke dalam kerangka karbonat untuk membentuk asam amino dan molekul lainnya.

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

Amonifikasi

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

Nitrogen yang terkandung dalam zat ini adalah dalam bentuk senyawa organik kompleks. Mikroorganisme menggunakan asam amino yang terkandung dalam zat ini untuk menghasilkan protein mereka. Dalam proses ini mereka melepaskan kelebihan nitrogen dalam bentuk amonia atau ion amonium.

Senyawa-senyawa ini tersedia di tanah untuk mikroorganisme lain untuk bertindak dalam fase siklus berikut.

Nitrifikasi

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

Pada bagian pertama, bakteri nitrosifying dari genus Nitrosom mengoksidasi amonia dan ion amonium menjadi nitrit. Di dalam membran mikroorganisme ini terdapat enzim amonia mooxigenasa. Ini mengoksidasi NH₃ menjadi hidroksilamin, yang kemudian dioksidasi menjadi nitrit dalam periplasma bakteri.

Selanjutnya, bakteri nitrat mengoksidasi nitrit menjadi nitrat menggunakan enzim nitrit oksidoreduktase. Nitrat tersedia di tanah, di mana mereka dapat diserap oleh tanaman.

Denitrifikasi

Pada tahap ini, bentuk nitrogen teroksidasi (nitrit dan nitrat) diubah kembali menjadi N₂ dan pada tingkat yang lebih rendah dinitrogen oksida.

Proses ini dilakukan oleh bakteri anaerob, yang menggunakan senyawa nitrogen sebagai akseptor elektron selama respirasi. Tingkat denitrifikasi tergantung pada beberapa faktor, seperti nitrat yang tersedia dan saturasi dan suhu tanah.

Ketika tanah jenuh dengan air, O₂ itu tidak tersedia dan bakteri menggunakan NO₃ sebagai akseptor elektron. Ketika suhu sangat rendah, mikroorganisme tidak dapat melakukan prosesnya.

Fase ini adalah satu-satunya cara nitrogen dikeluarkan dari suatu ekosistem. Dengan cara ini, N₂ yang diperbaiki kembali ke atmosfer dan keseimbangan elemen ini dipertahankan.

Signifikansi

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

Dalam pengembangan tanaman, ketersediaan nitrogen merupakan salah satu kendala utama pada produktivitas. Sejak awal pertanian, tanah telah diperkaya dengan unsur ini.

Budidaya legum untuk meningkatkan kualitas tanah adalah praktik umum. Demikian juga, penanaman padi di tanah yang banjir mendorong kondisi lingkungan yang diperlukan untuk penggunaan nitrogen.

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

Ahli kimia Jerman Fritz Haber, pada akhir abad ke-19, mengembangkan proses yang kemudian dipasarkan oleh Carlo Bosch. Ini melibatkan membuat reaksi N₂ dan gas hidrogen untuk membentuk amonia. Ini dikenal sebagai proses Haber-Bosch.

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

Perubahan siklus nitrogen

Produksi amonia antropogenik saat ini adalah sekitar 85 ton per tahun. Ini membawa konsekuensi negatif dalam siklus nitrogen.

Karena tingginya penggunaan pupuk kimia, ada kontaminasi tanah dan akuifer. Diperkirakan bahwa lebih dari 50% kontaminasi ini merupakan konsekuensi dari sintesis Haber-Bosch.

Kelebihan nitrogen menyebabkan eutrofikasi (pengayaan nutrisi) dari badan air. Eutrifikasi antropogenik sangat cepat dan menyebabkan percepatan pertumbuhan terutama alga.

Ini mengkonsumsi sejumlah besar 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 nitro oksida 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 dalam tanah. Pdt. Colomb. Bioteknol 14: 285-295.
2. Estupiñan R dan B Quesada (2010) proses Haber-Bosch dalam masyarakat agroindustri: bahaya dan alternatif. Sistem Agroalimentary: komodifikasi, perjuangan dan perlawanan. Editorial ILSA. Bogotá, Kolombia 75-95
3. Galloway JN (2003) Siklus nitrogen global. Dalam: Risalah Schelesinger W (ed.) Tentang Geokimia. Elsevier, AS. p 557-583.
4. Galloway JN (2005) Siklus nitrogen global: masa lalu, sekarang dan masa depan. Ilmu Pengetahuan di China Ser C Ilmu Kehidupan 48: 669-677.
5. Pajares S (2016) Kaskade nitrogen disebabkan oleh aktivitas manusia. Oikos 16: 14-17.
6. Stein L dan M Klotz (2016) Siklus nitrogen. Biologi Saat Ini 26: 83-101.