Daur Biogeokimia : Siklus Nitrogen

Nitrogen pada awalnya terbentuk di hati bintang-bintang melalui proses fusi nuklir. Ketika bintang-bintang kuno meledak, mereka melemparkan gas-gas yang mengandung nitrogen melintasi Semesta. Ketika Bumi terbentuk, gas nitrogen adalah bahan utama di atmosfernya.

Saat ini, atmosfer bumi adalah sekitar 78% nitrogen, sekitar 21% oksigen, dan sekitar 1% gas lainnya. Ini adalah keseimbangan yang ideal karena terlalu banyak oksigen sebenarnya bisa menjadi racun bagi sel. Selain itu, oksigen mudah terbakar. Nitrogen, di sisi lain, tidak berbahaya dalam bentuk gasnya. Namun, gas nitrogen tidak dapat diakses oleh tumbuhan dan hewan untuk digunakan dalam sel mereka.

Di sini kita akan membahas bagaimana nitrogen memainkan peran penting dalam kimia kehidupan - dan bagaimana nitrogen masuk dari atmosfer, ke makhluk hidup, dan kembali lagi.

 Baca Juga : Daur Biogeokimia : Siklus Karbon

Langkah Siklus Nitrogen

Langkah-langkah dasar dari siklus nitrogen diilustrasikan di sini:

Kami akan membahas setiap bagian dari proses di bawah ini.

Fiksasi nitrogen

Dalam proses fiksasi nitrogen , bakterimengubah gas nitrogen dari atmosfer menjadi amonia.

Bakteri pengikat nitrogen ini, sering disebut "diazotrophs," memiliki enzim yang disebut "nitrogenase" yang menggabungkan atom nitrogen dengan atom hidrogen. Amonia adalah senyawa nitrogen yang dapat larut dalam air, dan lebih mudah bagi enzim organisme lain untuk berinteraksi.

Menariknya, enzim nitrogenase hanya bisa berfungsi ketika oksigen tidak ada. Akibatnya, organisme yang menggunakannya harus mengembangkan kompartemen bebas oksigen untuk melakukan fiksasi nitrogennya!

Contoh umum kompartemen bebas nitrogen semacam itu adalah nodul Rhizobium yang ditemukan di akar tanaman polong-polongan pengikat nitrogen. Selubung keras dari nodul-nodul ini menjaga oksigen keluar dari kantong di mana bakteri Rhizobium melakukan pekerjaan mereka yang berharga untuk mengubah gas nitrogen menjadi amonia.

Anda dapat melihat nodul Rhizobium bebas oksigen , yang terlihat sebagai benjolan bundar besar, pada akar tanaman kacang polong ini :

 Baca Juga Siklus Oksigen dan Karbon Dioksida

Nitrifikasi

Dalam nitrifikasi , sejumlah bakteri tanah berpartisipasi dalam mengubah amonia menjadi nitrat - bentuk nitrogen yang dapat digunakan oleh tanaman dan hewan. Ini membutuhkan dua langkah, yang dilakukan oleh dua jenis bakteri yang berbeda.

Pertama, bakteri tanah seperti Nitrosomonas atau Nitrococcus mengubah amonia menjadi nitrogen dioksida. Kemudian jenis lain dari bakteri tanah, yang disebut Nitrobacter , menambahkan atom oksigen ketiga untuk membuat nitrat.

Bakteri ini tidak mengubah amonia untuk tanaman dan hewan dari kebaikan hati mereka. Sebaliknya, mereka adalah " chemotroph " yang memperoleh energi dari bahan kimia yang mudah menguap. Dengan memetabolisme nitrogen bersama dengan oksigen, mereka memperoleh energi untuk mendukung proses kehidupan mereka sendiri.

Proses ini dapat dianggap sebagai analog kasar (dan jauh lebih tidak efisien) dengan respirasi sel yang dilakukan oleh hewan, yang mengekstraksi energi dari ikatan karbon-hidrogen dan menggunakan oksigen sebagai akseptor elektron, menghasilkan karbon dioksida pada akhir proses.

Nitrat - produk akhir dari rangkaian penting reaksi bakteri ini - dapat dibuat secara buatan, dan merupakan bahan utama dalam banyak pupuk tanah. Anda mungkin benar-benar mendengar pupuk seperti itu disebut “pupuk nitrat.” Dengan memompa tanah yang penuh nitrat, pupuk semacam itu memungkinkan tanaman tumbuh besar dengan cepat, tanpa tergantung pada kecepatan bakteri pengikat nitrogen melakukan pekerjaannya!

Menariknya, lingkungan berenergi tinggi seperti sambaran petir dan letusan gunung berapi dapat mengubah gas nitrogen langsung menjadi nitrat - tetapi ini tidak terjadi hampir cukup untuk menjaga ekosistem modern tetap sehat sendiri!

Asimilasi

Dalam asimilasi nitrogen , tanaman akhirnya mengkonsumsi nitrat yang dibuat oleh bakteri tanah dan menggunakannya untuk membuat nukleotida, asam amino, dan bahan kimia penting lainnya untuk kehidupan.

Tanaman mengambil nitrat melalui akarnya dan menggunakannya untuk membuat asam amino dan asam nukleat dari awal. Hewan yang memakan tanaman kemudian dapat menggunakan asam amino dan asam nukleat ini dalam sel mereka sendiri.

Amonifikasi

Sekarang kami telah memindahkan nitrogen dari atmosfer ke sel-sel tumbuhan dan hewan.

Karena ada begitu banyak nitrogen di atmosfer, tampaknya proses itu bisa berhenti di sana - tetapi pasokan atmosfer tidak terbatas, dan menjaga nitrogen di dalam sel tumbuhan dan hewan pada akhirnya akan menghasilkan perubahan besar pada tanah, atmosfer, dan ekosistem kita!

Untungnya, bukan itu yang terjadi. Dalam ekosistem yang kuat seperti milik kita, di mana pun energi digunakan untuk menciptakan bahan kimia organik, ada bentuk kehidupan lain yang menunggu untuk mengekstraksi energi itu dengan memutus ikatan-ikatan kimia tersebut.

Suatu proses yang disebut " amonifikasi " dilakukan oleh bakteri tanah yang menguraikan tumbuhan dan hewan yang mati. Selama proses ini, pengurai ini memecah asam amino dan asam nukleat menjadi nitrat dan amonia dan melepaskan senyawa-senyawa itu kembali ke tanah.

Di sana, amonia dapat diambil kembali oleh tanaman dan bakteri nitrifikasi. Atau, amonia dapat diubah kembali menjadi nitrogen atmosfer melalui proses denitrifikasi.

Denitrifikasi

Pada langkah terakhir dari siklus nitrogen, bakteri anaerob dapat mengubah nitrat kembali menjadi gas nitrogen.

Proses ini, seperti proses mengubah gas nitrogen menjadi amonia, harus terjadi tanpa adanya oksigen. Karena itu sering terjadi jauh di dalam tanah, atau di lingkungan basah di mana lumpur dan kotoran menyimpan oksigen di teluk.

Dalam beberapa ekosistem, denitrifikasiini adalah proses yang berharga untuk mencegah senyawa nitrogen di tanah dari membangun ke tingkat yang berbahaya.

Mengapa Siklus Nitrogen Penting?

Nitrogen adalah unsur penting untuk kehidupan seperti yang kita kenal. Sifat ikatan kimianya yang unik memungkinkannya untuk membuat struktur seperti nukleotida DNA dan RNA, dan asam amino dari mana protein dibangun. Tanpa nitrogen, molekul-molekul ini tidak akan ada.

Diperkirakan bahwa nukleotida dan asam amino pertama terbentuk secara alami di bawah kondisi volatil Bumi awal, di mana sumber energi seperti sambaran petir dapat menyebabkan nitrogen dan atom lainnya bereaksi dan membentuk struktur kompleks.

Proses ini mungkin secara alami menghasilkan bahan kimia organik yang dapat direplikasi sendiri - tetapi untuk dapat bereproduksi dan berkembang, kehidupan perlu dipikirkan bagaimana membuat senyawa nitrogen ini sesuai permintaan.