siklus nitrogen

Siklus Nitrogen: Unsur Terbesar di Atmosfer dan Peranannya Bagi Kehidupan

Artikel ini akan menguraikan siklus Nitrogen, mulai dari pengertian, proses, bakteri atau mikroorganisme yang terlibat, hingga hasil dan manfaatnya bagi atmosfer dan makhluk hidup.

Halo pembaca setia Zenius! Kali ini aku mau mengajak kamu untuk menelusuri lebih jauh tentang Nitrogen di atmosfer, tanah, air, bahkan sampai kepada makhluk hidup 一tanaman, hewan, dan manusia. 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, kita harus tau dulu tentang dari mana Nitrogen berasal dan apa saja peranan Nitrogen bagi kehidupan kita. Dengan begitu, kita 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

Nitrogen di atmosfer yang berbentuk N2 memiliki ikatan yang sangat kuat, tapi bersifat non-reaktif. Sehingga, dalam siklus Nitrogen terdapat fiksasi Nitrogen untuk memutuskan ikatan N2 menjadi bentuk yang bisa digunakan dan bermanfaat bagi kehidupan, seperti protein, DNA, dan RNA. 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

Lalu, apa aja sih peranan Nitrogen bagi kehidupan kita? Oke, kita mulai dulu dari tanaman, menurut kamu tanaman itu butuh Nitrogen gak sih? Butuh dong pasti. Nitrogen dibutuhkan tanaman untuk pertumbuhan. Buktinya kita sering melihat petani menggunakan pupuk NPK (Nitrogen, Fosfor, dan Kalium) untuk tanamannya. 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. Buat yang lupa atau belum belajar tentang Materi Genetik di Kelas 12, bisa langsung tonton video pembelajaran dari Zenius >> Struktur dan Komponen DNA. Nah, DNA ini merupakan pembawa informasi genetik yang akan menentukan seperti apa tubuh makhluk hidup yang akan dibentuk.

Peranan siklus nitrogen bagi kehidupan
Video pembelajaran Zenius tentang Materi Genetika

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. 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!

Nitrogen berlebih bisa menyebabkan eutrofikasi
Eutrofikasi (dok. Wikimedia)

Gambar di atas merupakan penyebab eutrofikasi, karena kelebihan Nitrogen. Kamu bisa lihat uraiannya sebagai berikut:

  1. Kelebihan nutrisi (termasuk Nitrogen) di tanah dan permukaannya.
  2. 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.
  3. Tapi, ada juga beberapa yang mengalir dari permukaan langsung ke badan air.
  4. Nah, nutrisi yang berlebihan tersebut akan merangsang pertumbuhan alga.
  5. Alga yang terus berkembang di permukaan air akan menutupi sinar matahari masuk ke dalam air.
  6. Sehingga, proses fotosintesis dan pertumbuhan tanaman di bawah air akan terhambat atau bahkan mati.
  7. 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.
  8. 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.

Apa Itu Siklus Nitrogen?

Sejatinya, makhluk hidup sangat membutuhkan Nitrogen. Kita 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.

siklus nitrogen
Siklus Nitrogen (dok. Channel youtube It’s AumSum Time)

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. Fiksasi sendiri memiliki arti 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-).

Amonifikasi

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. Bakteri tersebut fungsinya untuk 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 kamu udah tau kan siklus Nitrogen itu seperti apa, dan ternyata kandungan Nitrogen di atmosfer itu gak berkurang alias konstan karena adanya siklus ini. Nah, 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. Kamu juga bisa nonton video tentang siklus Nitrogen di video Zenius >> Ekologi (Siklus Nitrogen).

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