Penjelasan proses Siklus Nitrogen dalam Ekosistem

Nitrogen merupakan komponen penting dari banyak molekul organik. Nitrogen adalah tetap pada saat itu berubah menjadi bentuk yang dapat digunakan oleh organisme.
Advertisement

Bakteri dan beberapa jamur memperbaiki nitrogen organik menjadi amonia dan bakteri nitrifikasi mengoksidasi ke nitrat. Kacang lentil, apa ada yang tahu? Mengapa kacang-kacangan penting untuk siklus biologis? Gas Nitrogen, seperti yang ditemukan di atmosfer, tidak berguna bagi organisme.

Kacang-kacangan memiliki bakteri pada akar nodul mereka yang memperbaiki nitrogen. Menempatkan kacang-kacangan ke dalam rotasi penanaman tumbuhan akan mengurangi biaya pupuk dan membuat tanah dan tumbuhan sehat.

Nitrogen sebagai nutrisi penting

Nitrogen (N2) sangat penting bagi kehidupan di Bumi sebagai komponen penting dari bahan organik, seperti asam amino, klorofil, dan asam nukleat seperti DNA dan RNA (Gambar di bawah). Molekul klorofil, yang penting untuk fotosintesis, mengandung nitrogen.

Advertisement

Proses-Proses Dalam Daur Nitrogen

Nitrogen hadir di lingkungan dalam berbagai bentuk kimia termasuk nitrogen organik, amonium (NH4+), nitrit (NO2), nitrat (NO3), dan gas nitrogen (N2). Nitrogen organik dapat berupa organisme hidup, atau humus, dan dalam produk antara dekomposisi bahan organik atau humus dibangun. Proses siklus nitrogen mengubah nitrogen dari satu bentuk kimia ke bentuk kimiawi yang lain. Banyak proses yang dilakukan oleh mikroba baik untuk menghasilkan energi atau menumpuk nitrogen dalam bentuk yang dibutuhkan untuk pertumbuhan.

Fiksasi nitrogen

Meskipun nitrogen adalah gas di atmosfer dengan kelimpahan yang tinggi, tetapi tumbuhan tidak bisa menggunakannya secara langsung. Untuk menjadi berguna, nitrogen harus “menetap,” atau diubah menjadi bentuk yang lebih berguna. Meskipun beberapa nitrogen dirubah oleh petir atau ganggang biru-hijau, banyak yang diubah oleh bakteri di dalam tanah. Bakteri ini akan menyatukan nitrogen dengan oksigen atau hidrogen untuk sehingga terbentuk nitrat atau amonia (Gambar di bawah).

Kacang lentil

 asam nukleat dan klorofil
(a) asam nukleat mengandung nitrogen (b) molekul Klorofil mengandung nitrogen

Bakteri pengikat nitrogen baik hidup bebas atau dalam hubungan simbiosis dengan tumbuhan polongan (kacang polong, kacang-kacangan, kacang tanah). Bakteri simbiotik menggunakan karbohidrat dari tumbuhan untuk menghasilkan amonia yang berguna untuk tumbuhan. Tumbuhan menggunakan nitrogen tetap ini untuk membangun asam amino, asam nukleat (DNA, RNA), dan klorofil. Ketika kacang-kacangan ini mati, nitrogen tetap mengandung menyuburkan tanah.

siklus nitrogen
siklus nitrogen

Fiksasi nitrogen adalah proses alam, biologis atau abiotik yang mengubah nitrogen di udara menjadi amonia (NH3). Mikroorganisme yang memfiksasi nitrogen disebut diazotrof. Milroorganisme ini memiliki enzim nitrogenaze yang dapat menggabungkan hidrogen dan nitrogen. Reaksi untuk fiksasi Nitrnitrogen biologis ini dapat ditulis sebagai berikut :

N2 + 8 H+ + 8 e− → 2 NH3 + H2

Mikroorganisme yang melakukan fiksasi nitrogen antara lain: Cyanobacteria, Azotobacteraceae, Rhizobia, Clostridium, dan Frankia. Selain itu ganggang hijau biru juga dapat memfiksasi nitrogen. Beberapa tanaman yang lebih tinggi, dan beberapa hewan (rayap), telah membentuk asosiasi (simbiosis) dengan diazotrof. Selain dilakukan oleh mikroorganisme, fiksasi nitrogen juga terjadi pada proses nonbiologis, contohnya sambaran petir. Lebih jauh, ada empat cara yang dapat mengkonversi unsur nitrogen di atmosfer menjadi bentuk yang lebih reaktif :

a. Fiksasi biologis: beberapa bakteri simbiotik (paling sering dikaitkan dengan tanaman polongan) dan beberapa bakteri yang hidup bebas dapat memperbaiki nitrogen sebagai nitrogen organik. Sebuah contoh dari bakteri pengikat nitrogen adalah bakteri Rhizobium mutualistik, yang hidup dalam nodul akar kacang-kacangan. Spesies ini diazotrophs. Sebuah contoh dari hidup bebas bakteri Azotobacter.

b. Industri fiksasi: Di bawah tekanan besar, pada suhu 600° C, dan dengan penggunaan katalis besi, nitrogen atmosfer dan hidrogen (biasanya berasal dari gas alam atau minyak bumi) dapat dikombinasikan untuk membentuk amonia (NH3). Dalam proses Haber-Bosch, N2 adalah diubah bersamaan dengan gas hidrogen (H2) menjadi amonia (NH3), yang digunakan untuk membuat pupuk dan bahan peledak.

c. Pembakaran bahan bakar fosil : mesin mobil dan pembangkit listrik termal, yang melepaskan berbagai nitrogen oksida (NOx).

d. Proses lain: Selain itu, pembentukan NO dari N2 dan O2 karena foton dan terutama petir, dapat memfiksasi nitrogen.

Hasil penelitian tentang fiksasi N ini menunjukkan bahwa ada cukup banyak genera bakteri yang dapat mem-fiksasi N termasuk spesies dari Bacillus, Clostridium, dan Vibrio. Pada habitat perairan, cyanobacteria adalah kelompok utama yang melakukan fiksasi N (Anabaena, Nostoc, Gloeotrichia, Oscillatoria, Lyngbya, dll). Komponen yang berperan dalam fiksasi N di habitat perairan adalah heterocyst, tapi ada cyanobacteria yang tidak memiliki heterocyst yang juga dpt fiksasi N. Fiksasi N memerlukan cukup banyak energi dalam bentuk ATP dan koenzim.

Asimilasi

Tanaman mendapatkan nitrogen dari tanah melalui absorbsi akar baik dalam bentuk ion nitrat atau ion amonium. Sedangkan hewan memperoleh nitrogen dari tanaman yang mereka makan. Tanaman dapat menyerap ion nitrat atau amonium dari tanah melalui rambut akarnya. Jika nitrat diserap, pertama-tama direduksi menjadi ion nitrit dan kemudian ion amonium untuk dimasukkan ke dalam asam amino, asam nukleat, dan klorofil. Pada tanaman yang memiliki hubungan mutualistik dengan rhizobia, nitrogen dapat berasimilasi dalam bentuk ion amonium laangsungdari nodul. Hewan, jamur dan organism heterotrof lain mendapatkan nitrogen sebagai asam amino, nukleotida dan molekul organik kecil.

Asimilasi merupakan Penyerapan dan penggabungan dengan unsur lain membentuk zat baru dengan sifat baru. Senyawa Nitrat (NO3) diserap oleh tumbuhan mengalami proses asimilasi menjadi bahan penyusun organ pada tumbuhan. Tumbuhan sebagai Produsen dikonsumsi oleh manusia dan hewan. Nitrogen pada biomassa tumbuhan masuk ke dalam proses biokimia pada manusia dan hewan. Jumlah relatif NO3 dan nitrogen organik dalam xylem bergantung pada kondisi lingkungan. Jenis tumbuhan yang akarnya mampu mengasimilasi N, dalam cairan Xylem dijumpai banyak asam amino, amide an urine, tidak dijumpai NH4+.

Sedangkan jika di dalm cairan xylem mengandung NO3 berarti akar tumbuhan itu tidak mampu mengasimilasi NO3. Kalau dlam lingkungan perakaran NO3 terdapat dalam jumlah besr, cairan xylem akan mengandung NO3 juga.

Reduksi Nitrogen

Reaksi kedua dari proses reduksi nitrat adalah pengubahan nitrit menjadi NH4. Nitrit yang ada di sitosol diangkut ke dalam kloroplas di daun atau ke dalam proplastid di akar. Di daun, reduksi NO2 menjadi NH4 memerlukan enam elektron yang diambil dari H2O pada sistem pengangkutan elektron non siklik, pada kloroplas selama pengangkutan elektron ini, cahaya mendorong pengangkutan elektron dari H2O ke feredoksin (fd). Proses keseluruhan reduksi NO3 menjadi NH4 yaitu :

a. Reduksi Nitrat

NO3 + NADH -> NO2+ + NAD + H2O

Reaksi ini berlangsung di sitosol, enzim yang mengkatalis adalah nitrat reduktase, enzim yang memindahkan dua elektron dari NADPH2, hasilnya adalah nitrite, NAD (NADP) dan H2O. Nitrat reduktase adalh suatu enzim besar dan kompleks yang terdiri dari FAD, satu sitokrom dan Molibdenum (Mo) yang semuanya akan tereduksi dan teroksidasi pada waktu elektron diangkut dari NADH2 ke atom nitrogen dalm NO3

b. Reduksi Nitrit

NO2 + 3 H2O + 6 Fd +2 H+ + cahaya -> NH4+ + 1,5O2 +3 H2O + 6 Fd

Reaksi ini berlangsung di kloroplas (pada daun) atau pada proplastida (pada akar), dengan enzim Nitrit reduktase. Meskipun Fd tereduksi merupakan donor elektron yang khas bagi nitrit reduktase di daun.

Pengubahan NH4+ mejadi senyawa organik

NH4+ (ammonium) yang diserap langsung dari tanah atu yang dihasilkan oleh fiksasi N2 tidak pernah dijumpai tertimbun dalam tubuh tumbuhan. Ammonium ini bersifat racun, mungkin menghambat pembentukan ATP dalam kloroplas maupun dalam mitokndria. Ammonium ini segera ditangkap oleh asam glutamat untuk menjadi glutamine dengan enzim glutamine sintetase, glutamin direaksikan dengan asam α keto glutarat menjadi 2 molekul asam glutamate. Untuk reaksi ini juga diperlukan elektron yang bersal dari Fd (dalam kloroplas) dan NADH atau NADPH2 dalam proplastida dari sel-sel non-fotosintetik. Salah satu dari kedua glutamate yang terbentuk diperlukan untuk mempertahankan reaksi 1, sedang glutamat yang kedua dapat berubah langsung menjadi protein atau asam amino lain yang diperlukan untuk sintesis protein, klorofil, asam nukleat dan lain-lain.

Selain membentuk glutamate, glutamine dapat memberikan gugus amide-nya kepada asam aspartat untuk menjadi asparagin yang dikatalis oleh enzim asparagin sintetase. Glutamin dan asparagin menjadi senyawa nitrogen organik pertama yang terbentuk, selanjutnya gugus NH2 dapat diberikan kepada α keto karboksilat, membentuk asam amino. Proses ini dinamakan transaminasi. Dengan transaminasi berbagai asam amino dapat dibuat, tergantung pada α keto karboksilatnya.

Rantai Makanan akan meningkat

Hewan yang memakan tumbuhan dalam jaring makanan akan menciptakan jaringan hewan. Setelah tumbuhan atau hewan atau binatang mati mengekresikan limbah, bakteri dan beberapa jamur di dalam tanah memperbaiki nitrogen organik dan mengembalikannya ke tanah sebagai amonia. Bakteri nitrifikasi mengoksidasi amonia menjadi nitrit, sedangkan bakteri lain mengoksidasi nitrit menjadi nitrat, yang dapat digunakan oleh generasi tumbuhan berikutnya. Dengan cara ini, nitrogen tidak perlu kembali ke gas. Dalam kondisi ketika tidak ada oksigen, beberapa bakteri dapat mengurangi nitrat menjadi nitrogen molekul.

Ringkasan

Nitrogen merupakan komponen penting dari banyak molekul organik. Nitrogen adalah tetap pada saat itu berubah menjadi bentuk yang dapat digunakan oleh organisme. Bakteri dan beberapa jamur memperbaiki nitrogen organik menjadi amonia dan bakteri nitrifikasi mengoksidasi ke nitrat.

Advertisement

Facebook Twitter

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *