Materi Tentang Siklus dan Fiksasi Nitrogen

 Nitrogen merupakan unsur senyawa kimia yang paling banyak terdapat di atmosfer. Jumlahnya sekitar 80%. Nitogen bebas di udara dapat bereaksi dengan hirogen atau oksigen dengan bantuan dari petir yang di sebut proses elektrisasi.
 

Senyawa nitrogen memiliki pengaruh yang besar terhadap kualitas air, secara biologi tersedia sebagai nutrient untuk tanaman atau sebagai racun terhadap manusia dan kehidupan air. Nitrogen di atmosfer adalah sumber utama semua jenis nitrogen, tetapi tidak secara langsung tersedia untuk tanaman sebagai nutrient karena ikatan tiga N2 terlalu kuat untuk dipecahkan oleh fotosintesa. Konversi nitrogen di atmosfer menjadi bentuk kimia lain disebut fiksasi dan dibantu oleh bakteri tertentu yang ada di air, tanah dan akar alfalfa, semanggi, kacang polong, buncis, dan kacang lainnya. Petir di atmosfer juga sebagai sumber fiksasi nitogen karena suhu tinggi yang dihasilkan dari sambaran petir cukup untuk memecah ikatan N2 dan O2, sehingga memungkinkan terbentuknya nitrogen oksida. 

 

Nitrogen oksida yang dibuat dalam petir larut dalam air hujan dan diserap oleh akar tanaman, sehingga memasuki subcycles nutrisi nitrogen (lihat Gambar Siklus Nitrogen). Tingkat di mana nitrogen di atmosfer dapat memasuki siklus nitrogen oleh proses alam terlalu sedikit untuk mendukung produksi pertanian yang intensif akhir-akhir ini. Kekurangan nitrogen tetap harus ditambah dengan pupuk yang mengandung nitrogen hasil proses industri, yang berasal dari bahan bakar minyak bumi. Pertanian modern skala besar telah berhasil membuat sebuah metode untuk mengkonversi minyak ke dalam makanan.

 

Gas nitrogen ikatannya stabil dan sulit bereaksi, sehingga tidak bisa dimanfaatkan secara langsung oleh makhluk hidup. Nitrogen dalam tubuh makhluk hidup merupakan komponen penyusun asam amino yang akan membentuk protein. Nitrogen bebas juga dapat bereaksi dengan hidrogen atau oksigen dengan bantuan kilat atau petir membentuk nitrat (NO). Tumbuhan menyerap nitrogen dalam bentuk nitrit ataupun nitrat dari dalam tanah untuk menyusun protein dalam tubuhnya. Ketika tumbuhan dimakan oleh herbivora, nitrogen yang ada akan berpindah ke tubuh hewan tersebut bersama makanan. Ketika tumbuhan dan hewan mati ataupun sisa hasil ekskresi hewan (urine) akan diuraikan oleh dekomposer menjadi amonium dan amonia. Oleh bakteri nitrit (contohnya Nitrosomonas), amonia akan diubah menjadi nitrit, proses ini disebut sebagai nitritasi. Kemudian, nitrit dengan bantuan bakteri nitrat (contohnya Nitrobacter) akan diubah menjadi nitrat, proses ini disebut sebagai proses nitratasi. Peristiwa proses perubahan amonia menjadi nitrit dan nitrat dengan bantuan bakteri disebut sebagai proses nitrifikasi. Adapula bakteri yang mampu mengubah nitrit atau nitrat menjadi nitrogen bebas di udara, proses ini disebut sebagai denitrifikasi. Di negara-negara maju, nitrogen bebas dikumpulkan untuk keperluan industri. Selain karena proses secara alami melalui proses nitrifikasi, penambahan unsur nitrogen di alam dapat juga melalui proses buatan melalui pemupukan. Reaksi kimia pada proses nitrifikasi adalah sebagai berikut. 

Reaksi Kimia Pada Proses Nitrifikasi

Fiksasi Nitrogen

Daur Nitrogen

Di alam, Nitrogen terdapat dalam bentuk senyawa organik seperti urea, protein, dan asam nukleat atau sebagai senyawa anorganik seperti ammonia, nitrit, dan nitrat. 

Tahap  pertama

Daur nitrogen adalah transfer nitrogen dari atmosfir ke dalam tanah. Selain air hujan yang membawa sejumlah nitrogen, penambahan nitrogen ke dalam tanah terjadi melalui proses fiksasi nitrogen. Fiksasi nitrogen secara biologis dapat dilakukan oleh bakteri Rhizobium yang bersimbiosis dengan polong-polongan, bakteri Azotobacter dan Clostridium. Selain itu ganggang hijau biru dalam air juga memiliki kemampuan memfiksasi nitrogen.

Tahap  kedua

Nitrat yang di hasilkan oleh fiksasi biologis digunakan oleh produsen (tumbuhan) diubah menjadi molekul protein. Selanjutnya jika tumbuhan atau hewan mati, mahluk pengurai merombaknya menjadi gas amoniak (NH3) dan garam ammonium yang larut dalam air (NH4+). Proses ini disebut dengan amonifikasi. Bakteri Nitrosomonas mengubah amoniak dan senyawa ammonium menjadi nitrat oleh Nitrobacter. Apabila oksigen dalam tanah terbatas, nitrat dengan cepat ditransformasikan menjadi gas nitrogen atau oksida nitrogen oleh proses yang disebut denitrifikasi.

Nitrogen yang diperlukan  adalah dalam bentuk senyawa  bukan dalam bentuk unsur. Senyawa nitrogen diperoleh ketika petir keluar dan menyebabkan nitrogen bersenyawa menjadi nitrat. Selain melalui petir juga dapat melalui bakteri Rhizobium yang bersimbiosis pada tumbuhana kacangh-kacangan membentuk bintil akar. Tumbuhan menyerap nitrat dari tanah untuk dijadikan protein lalu tumbuhan dimakan olejh konsumer senyawa nitrogen pindah ke tubuh hewan. Urin, bangkai hewan, dan tumbuhan mati akan diuraikan oeh pengurai jadi amonium dan amonia. Bakteri Nitrosomonas mengubah amonia tersebut menjadi  nitrit, kemudian bakteri Nitrobacter merubahnya menjadi nitrat  (NO3).  Kemudian nitrat ini diserap oleh tumbuhan. (Proses perubahan nitrit menjadi nitrat disebut Nitrifikasi  Perubahan nitrit atau nitrat menjadi nitrogen bebas disebut denitrifikasi

Bakteri pemecah akan memecah protein dalam tubuh organisme mati atau hasil sisa mereka menjadi amonium, kemudian  nitrit atau nitrat dan akhirnya menjadi gas nitrogen yang mana kana dilepaskan ke atmosfer  dari mulai nitrogen diikat dan berputar lagi. Semua hewan hanya memperoleh nitrogen organik dari tumbuhan atau hewan lain yang dimakannya.  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 makhluk hidup eukariotik. 

Berikut adalah beberapa bakteri yang terlibat dalam daur nitrogen:

1. Nitrosomonas mengubah amonium/amonia menjadi nitrit. 
2. Nitrobactar mengubah nitrit menjadi nitrat 
3. Rhizobium menambat nitrogen di udara. 
4. Bakteri hidup bebas pengikat nitrogen seperti Azotobacter (aerobik) dan Clostridium (anaerobi). 
5. Alga biru hijau pengikat nitrogen seperti Anabaena, Nostoc, dan anggota-anggota lain dari ordo Nostocales. 
6. Bakteri ungu pengikat nitrogen seperti Rhodospirillum.

Siklus nitrogen adalah suatu proses konversi senyawa yang mengandung unsure 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, denitrifikasi.

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.

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.

Vertebrata secara tidak langsung telah mengonsumsi nitrogen melalui asupan nutrisi dalam bentuk protein maupun asam nukleat. Di dalam tubuh, makromolekul ini dicerna menjadi bentuk yang lebih kecil yaitu asam amino dan komponen dari nukleotida, dan dipergunakan untuk sintesis protein dan asam nukleat yang baru, atau senyawa lainnya.

Sekitar setengah dari 20 jenis asam amino yang ditemukan pada protein merupakan asam amino esensial bagi vertebrata, artinya asam amino tersebut tidak dapat dihasilkan dari asupan nutrisi senyawa lain, sedang sisanya dapat disintesis dengan menggunakan beberapa bahan dasar nutrisi, termasuk senyawa intermediat dari siklus asam sitrat.

Asam amino esensial disintesis oleh organisme invertebrata, biasanya organisme yang mempunyai lintasan metabolisme yang panjang dan membutuhkan energi aktivasi lebih tinggi, yang telah punah dalam perjalanan evolusi makhluk vertebrata.

Nukleotida yang diperlukan dalam sintesis RNA maupun DNA dapat dihasilkan melalui lintasan metabolisme, sehingga istilah "nukleotida esensial" kurang tepat. Kandungan nitrogen pada purina dan pirimidina yang didapat dari asam amino glutamina, asam aspartat dan glisina, layaknya kandungan karbon dalam ribosa dan deoksiribosa yang didapat dari glukosa.

Kelebihan asam amino yang tidak digunakan dalam proses metabolisme akan dioksidasi guna memperoleh energi. Biasanya kandungan atom karbon dan hidrogen lambat laun akan membentuk CO₂ atau H₂O, dan kandungan atom nitrogen akan mengalami berbagai proses hingga menjadi urea untuk kemudian diekskresi. Setiap asam amino memiliki lintasan metabolismenya masing-masing, lengkap dengan perangkat enzimatiknya