Daur biogeokimia adalah proses yang terjadi di alam untuk menjamin daur ulang unsur-unsur kimia di lingkungan. Daur inilah yang memungkinkan unsur-unsur berinteraksi dengan lingkungan dan makhluk hidup, yaitu, mereka memastikan bahwa unsur tersebut mengalir melalui atmosfer, hidrosfer, litosfer, dan biosfer.
Pengertian
Daur biogeokimia adalah salah satu jalur sirkulasi alami dari unsur-unsur penting dari materi hidup. Unsur-unsur ini dalam berbagai bentuk mengalir dari tak hidup (abiotik) ke komponen biosfer hidup (biotik) dan kembali ke tak hidup lagi.
Agar komponen hidup ekosistem utama (misalnya, danau atau hutan) dapat bertahan hidup, semua unsur kimia yang membentuk sel-sel hidup harus didaur ulang terus menerus.
Daur biogeokimia adalah peredaran unsur-unsur kimia dari lingkungan melalui komponen biotik dan kembali lagi ke lingkungan. Proses tersebut terjadi secara berulang-ulang dan tak terbatas. Bila suatu organisme mati, maka bahan organik yang terdapat di dalam tubuh organisme tersebut akan dirombak menjadi zat anorganik dan dikembalikan ke lingkungan.
Unsur-unsur kimia yang terdapat di alam dapat berbentuk padat (berupa garam-garam mineral), cair, atau gas. Unsur-unsur kimia tersebut dapat disintesis oleh tumbuhan menjadi berbagai senyawa organik, misalnya karbohidrat, protein, lemak, enzim, nukleoprotein, asam deoksiribonukleat (DNA), dan asam ribonukleat (RNA).
Daur biogeokimia dapat diklasifikasikan sebagai gas, di mana reservoir udara atau laut (melalui penguapan), dan sedimen, di mana reservoirnya adalah kerak bumi. Daur gas termasuk nitrogen, oksigen, karbon, dan air; daur sedimen termasuk dari zat besi, kalsium, fosfor, dan unsur-unsur yang lebih terikat pada bumi lainnya.
Daur gas cenderung bergerak lebih cepat daripada sedimen dan dapat menyesuaikan lebih mudah terhadap perubahan biosfer karena reservoir atmosfer yang besar. Misalnya, pengumpulan lokal karbon dioksida, segera disebarkan oleh angin atau diambil oleh tanaman. Bagaimanapun, gangguan lokal yang luar biasa dan sering bisa serius mempengaruhi kemampuan untuk menyesuaikan diri.
Daur sedimen bervariasi dari satu unsur ke yang lain, tetapi masing-masing daur terdiri secara fundamental dari fase larutan dan fase batu (atau sedimen). Pada saat
Pelapukan mineral dilepaskan dari kerak bumi dalam bentuk garam, beberapa di antaranya larut dalam air, melewati serangkaian organisme, dan akhirnya mencapai laut lepas, di mana mereka menetap dari peredaran tanpa batas. Garam lainnya disimpan sebagai sedimen dan batuan di laut dangkal, akhirnya akan lapuk dan didaur ulang.
Tanaman dan beberapa hewan memperoleh kebutuhan nutrisi mereka dari larutan dalam lingkungan. Hewan lain memperoleh sebagian besar kebutuhan mereka dari tumbuhan dan hewan yang mereka konsumsi. Setelah kematian organisme, unsur-unsur tetap dalam tubuhnya dikembalikan ke lingkungan melalui aksi organisme pembusuk dan menjadi tersedia bagi organisme hidup yang lainnya lagi.
Jenis
Daur biogeokimia utama yang ditemukan di alam adalah daur air, karbon, oksigen dan nitrogen.
1. Daur Karbon
Unsur karbon terdapat di atmosfer dalam bentuk senyawa karbon anorganik, yaitu karbon dioksida (CO2). Senyawa anorganik CO2, baik di darat maupun di air akan diubah oleh produsen menjadi senyawa karbon organik melalui proses fotosintesis, disertai penyimpanan energi yang berasal dari radiasi cahaya matahari.
Energi yang tersimpan di dalam tubuh produsen bersama dengan senyawa karbon organik disebut energi biokimia. Sebagian senyawa karbon organik di dalam tubuh produsen dimanfaatkan untuk aktivitas fisiologi produsen itu sendiri melalui proses respirasi, dan sebagiannya lagi ditransfer ke konsumen (hewan dan manusia) melalui rantai makanan. Respirasi (pernapasan) yang dilakukan oleh produsen dan konsumen akan membebaskan CO2 ke udara.
Bila produsen dan konsumen mati, maka senyawa karbon organik di dalam tubuhnya akan diurai oleh organisme pengurai (bakteri dan jamur) yang akan membebaskan CO2 ke udara atau ke dalam air.
Sebagian bahan organik di dalam tubuh organisme ada yang sulit diuraikan (perlu waktu yang lama) dan ada yang berubah menjadi batu kapur (CaCO3), arang, dan minyak bumi (bahan bakar fosil). Pembakaran bahan bakar fosil akan membebaskan CO2 kembali ke udara.
Di dalam air, CO2 terlarut akan bereaksi dengan air membentuk asam karbonat (H2CO3). H2CO3 kemudian bereaksi dengan batu kapur (CaCO3) yang berlimpah di perairan terutama lautan, untuk membentuk ion bikarbonat (HCO3) dan karbonat (CO32-).
Ion bikarbonat merupakan sumber CO2 bagi organisme perairan. Organisme Mollusca bercangkang membuat bahan cangkang kalsium karbonat (CaCO3) dengan memanfaatkan kalsium dan CO2 yang terlarut dalam air. Bila hewan tersebut mati, maka cangkang akan hancur dan membebaskan CO2 ke udara.
2. Daur Nitrogen
Nitrogen merupakan unsur yang penting dalam kehidupan, yaitu sebagai komponen pembentuk protein atau komponen penyusun asam nukleat (DNA dan RNA). Sumber utama nitrogen adalah N2 di atmosfer.
Namun, sebagian besar organisme baik tumbuhan maupun hewan tidak dapat memanfaatkan N2 bebas di udara. Tumbuhan menyerap nitrogen dalam bentuk nitrat (NO3–). Pengikatan (fiksasi) N2 di udara menjadi NO3– dapat terjadi secara biologi dan elektrokimia.
Pengikatan N2 secara biologi dilakukan oleh bakteri dan ganggang hijau-biru. Bakteri bebas (non-simbiotik) yang dapat mengikat N2 antara lain Azotobacter. Bakteri simbiotik yang mampu mengikat N2 antara lain Rhizobium leguminosarum yang bersimbiosis dengan bintil akar tumbuhan polong-polongan.
Ganggang hijau-biru yang dapat mengikat N2, antara lain Nostoc dan Anabaena.
Nitrat (NO3–) yang telah diserap oleh akar tumbuhan disintesis menjadi bahan protein di dalam tubuh tumbuhan (protein nabati). Protein nabati diubah oleh herbivor menjadi protein hewani.
Bila tumbuhan dan hewan mati, maka protein nabati dan hewani, serta kotorannya diurai menjadi amonia (NH3) dan asam amino oleh jamur pelapuk dan bakteri. Penguraian protein menjadi asam amino dan amonia disebut amonifikasi.
Bakteri yang melakukan amonifikasi, antara lain Bacillus subtilis dan Bacillus mesentericus. Amonia kemudian diubah menjadi nitrit (NO2–)oleh bakteri nitrit (Nitrosococcus dan Nitrosomonas). Nitrit (NO2–) diubah menjadi nitrat (NO3–) oleh bakteri nitrat (Nitrobacter). Selain diserap oleh akar tumbuhan, nitrat juga mengalami denitrifikasi oleh bakteri, dan sebagian menumpuk dalam bentuk endapan.
Denitrifikasi adalah pengubahan nitrat menjadi gas nitrogen (N2) yang akan dibebaskan kembali ke udara. Bakteri yang berperan dalam denitrifikasi, antara lain Pseudomonas denitrificans dan Micrococcus.
Pengikatan nitrogen di udara secara elektrokimia memerlukan energi dari halilintar. Dengan energi dari halilirtar, nitrogen berikatan dengan oksigen menghasilkan nitrogen dioksida (NO2). Nitrogen dioksida kemudian bereaksi dengan air membentuk nitrat yang akan diserap oleh akar tumbuhan, mengalami denitrifikasi, atau menumpuk pada endapan.
3. Daur Air
Daur air berbeda dengan daur biogeokimia lain karena sebagian besar aliran air terjadi bukan melalui proses kimia, melainkan proses fisik. Air mempertahankan bentuknya sebagai H2O, kecuali terjadi perubahan kimia dalam proses fotosintesis.
Sumber air di alam, yaitu lautan, danau, rawa, waduk, dan sungai. Di dalam tubuh makhluk hidup, air berperan sebagai pelarut, berfungsi mentranspor zat makanan dan zat sisa metabolisme, mengatur tekanan osmotik sel, mengatur suhu tubuh, dan media berbagai reaksi kimia di dalam tubuh.
Saat terkena cahaya matahari, seluruh permukaan bumi yang mengandung air akan mengalami penguapan (evaporasi), sementara makhluk hidup mengalami transpirasi (kehilangan air melalui penguapan atau evaporasi).
Uap air akan naik ke lapisan atmosfer membentuk awan. Awan kemudian berpindah karena perbedaan suhu udara atau terbawa oleh angin. Saat terpapar udara dingin, awan akan mengalami kondensasi menjadi tetes-tetes air dan akan jatuh ke permukaan bumi dalam bentuk hujan (presipitasi).
Air hujan akan masuk ke dalam tanah secara vertikal melalui infiltrasi. Infiltrasi air hujan pada daerah yang bervegetasi (ditumbuhi tumbuhan) lebih besar bila dibandingkan dengan daerah yang tidak bervegetasi, karena vegetasi menghasilkan serasah (tumpukan dedaunan kering) yang dapat meningkatkan porositas tanah.
Setelah terjadi infiltrasi, air akan terus bergerak ke bawah karena pengaruh gravitasi bumi; disebut peristiwa perkolasi. Sebagian air tanah diserap oleh tumbuhan untuk fotosintesis. Air tanah dalam bentuk mata air, sumur, danau, dan sungai dimanfaatkan oleh hewan maupun manusia untuk menunjang kehidupan.
Air sungai akan mengalir ke tempat yang lebih rendah, dan akhirnya menuju ke laut. Di lautan, laju evaporasi lebih tinggi daripada presipitasi. Sebaliknya di daratan, laju presipitasi lebih tinggi daripada evaporasi dan transpirasi.
4. Daur Fosfor
Fosfor di alam berasal dari pelapukan batuan mineral (batuan fosfat) dan penguraian bahan organik (misalnya kotoran ternak atau hewan laut) oleh dekomposer. Fosfor diserap oleh tumbuhan dalam bentuk fosfat anorganik (H2PO4–, HPO42-, dan PO43-).
Meskipun jumlah fosfor di alam sangat banyak, tetapi persediaannya untuk tumbuhan sangat terbatas karena sebagian besar terikat secara kimia oleh unsur lain dan sukar larut di dalam air. Itulah alasan para petani memberikan pupuk fosfat untuk tanaman pertaniannya. Pupuk fosfat dibuat dari bahan baku berupa batu-batuan fosfat yang tersedia di alam.
Fosfor di dalam tubuh makhluk hidup berfungsi untuk menyimpan dan memindahkan energi (dalam bentuk ATP), membentuk asam nukleat, dan membantu proses respirasi maupun asimilasi. Melalui rantai makanan, fosfor dari tumbuhan masuk ke dalam tubuh hewan. Bila tumbuhan dan hewan mati, maka fosfat organik dari tubuh organisme tersebut akan diurai oleh dekomposer menjadi fosfat anorganik.
Fosfat anorganik yang terlarut dalam air dapat mengalami pengendapan (sedimentasi) di laut sebagai batu karang atau fosil. Batu karang maupun fosil dapat terkikis kembali membentuk fosfat anorganik yang terlarut dalam air atau diambil melalui kegiatan penambangan.
5. Daur Belerang (Sulfur)
Belerang (sulfur) terdapat di atmosfer dalam bentuk sulfur dioksida (SO2) yang berasal dari aktivitas vulkanis (misalnya gunung berapi), pembakaran bahan bakar fosil, asap kendaraan bermotor, dan asap pabrik.
Belerang juga terdapat dalam bentuk hidrogen sulfida (H2S) yang dilepas dari proses pembusukan bahan organik di dalam tanah dan air yang dilakukan oleh bakteri dan jamur pengurai.
Organisme pengurai yang merombak bahan organik (protein) dan melepaskan H2S, antara lain jamur Aspergillus dan Neurospora serta bakteri Escherichia. H2S selanjutnya mengalami oksidasi di atmosfer membentuk sulfat (SO4).
Gas sulfat bersama sama dengan presipitasi (curah hujan) masuk ke dalam tanah. Bila kandungan gas sulfat di udara terlalu tinggi, maka presipitasi yang dihasilkan akan sangat asam; dikenal sebagai hujan asam.
H2S di dalam tanah juga dapat mengalami oksidasi dan menghasilkan elemen sulfur (S). Sulfur kemudian teroksidasi menjadi sulfat oleh bakteri Thiobacillus denitrificans dan Thiobacillus thiooxidans.
Sulfat di dalam tanah dapat tereduksi kembali menjadi H2S oleh bakteri Thiobacillus thioparus. Belerang di dalam tanah terdapat dalam bentuk sulfat, sulfida, dan belerang anorganik. Akan tetapi, tumbuhan menyerap belerang dalam bentuk anion sulfat (SO42-) dari dalam tanah.
Daur biogeokimia dapat dikelompokkan dalam tiga tipe, yaitu daur gas, daur cair, dan daur padat (sedimen). Daur gas meliputi daur karbon dan daur nitrogen. Daur cair meliputi daur air, sedangkan daur padat (sedimen) meliputi daur fosfor dan belerang.