Makhluk hidup membutuhkan atom nitrogen untuk sintesis molekul organik esensial seperti protein, asam nukleat, DNA, oleh karena itu merupakan unsur yang sangat diperlukan untuk pengembangan makhluk hidup.
Udara di atmosfer mengandung 78% nitrogen, oleh karena itu atmosfer merupakan reservoir dari senyawa ini. Meskipun berlimpah, beberapa organisme dapat menyerapnya secara langsung untuk digunakan dalam proses vital mereka. Sebagai contoh, tanaman untuk mensintesis protein membutuhkan nitrogen dalam bentuk tetapnya, yaitu, dimasukkan ke dalam senyawa.
Siklus lainnya:
- Siklus belerang * Siklus fosfor
- Siklus karbon * Siklus oksigen
Proses utama yang membentuk siklus nitrogen yang melewati biosfer, atmosfer dan geosfer adalah lima: fiksasi nitrogen, asupan nitrogen (pertumbuhan organisme), mineralisasi nitrogen (disintegrasi), nitrifikasi dan denitrifikasi Mikroorganisme, terutama bakteri, memainkan peran penting dalam semua transformasi nitrogen utama. Sebagai proses mediasi mikroba, transformasi nitrogen ini umumnya terjadi lebih cepat daripada proses geologis, seperti gerakan lempeng yang merupakan proses fisik murni yang merupakan bagian dari siklus karbon. Dalam kasus proses mediasi mikroba, kecepatan dipengaruhi oleh faktor lingkungan seperti suhu, kelembaban dan ketersediaan sumber daya yang mempengaruhi aktivitas mikroba.
Fiksasi Nitrogen: tiga proses memainkan peran penting dalam memperbaiki nitrogen di biosfer. Salah satunya adalah kilat. Energi yang terkandung dalam petir memecah molekul nitrogen dan memungkinkan mereka untuk bergabung dengan oksigen di udara.
Melalui proses industri, nitrogen difiksasi, dalam proses ini hidrogen dan nitrogen bereaksi membentuk amonia, NH3. Proses tersebut digunakan misalnya untuk pembuatan pupuk.
Bakteri nitrifikasi mampu memperbaiki nitrogen atmosfer yang digunakan tanaman untuk menjalankan fungsinya. Juga beberapa ganggang hijau-biru mampu memperbaiki nitrogen atmosfer.
Dekomposisi: hewan memperoleh nitrogen dengan menelan sayuran, dalam bentuk protein. Pada setiap tingkat trofik, nitrogen dilepaskan ke lingkungan dalam bentuk ekskresi, yang digunakan oleh organisme pengurai untuk melakukan fungsi vitalnya.
Nitrifikasi: adalah transformasi amonia menjadi nitrit, dan kemudian menjadi nitrat. Ini terjadi oleh intervensi bakteri dari genus nitrosomonas, yang mengoksidasi NH3 menjadi NO2-. Nitrit dioksidasi menjadi nitrat NO3- oleh bakteri dari genus nitrobacter.
Denitrifikasi: dalam proses ini nitrat direduksi menjadi nitrogen, yang dimasukkan kembali ke atmosfer, proses ini diproduksi oleh aksi katabolisme organisme, mereka hidup di lingkungan dengan kekurangan oksigen seperti sedimen, tanah yang dalam, dll. Bakteri menggunakan nitrat untuk menggantikan oksigen sebagai akseptor terakhir elektron yang tercurah saat bernafas. Dengan cara ini siklus ditutup.
Siklus nitrogen – termasuk langkah-langkah yang membentuk nitrifikasi – proses penting yang terjadi di dalam tanah.Contoh siklus nitrogen terjadi ketika tanaman atau hewan mati mengeluarkan limbah, nitrogen organik kemudian dilepaskan. Bakteri mampu mengubah nitrogen organik ini menjadi amonium melalui proses yang disebut mineralisasi.
Tahapan Siklus 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 lain. Banyak proses yang dilakukan oleh mikroba baik untuk menghasilkan energi atau menumpuk nitrogen dalam bentuk yang dibutuhkan untuk pertumbuhan. Diagram di atas menunjukkan bagaimana proses-proses cocok bersama untuk membentuk siklus nitrogen (lihat gambar).
Fiksasi Nitrogen
Fiksasi nitrogen adalah proses alam, biologis atau abiotik yang mengubah nitrogen di udara menjadi ammonia (NH3). Mikroorganisme yang mem-fiksasi nitrogen disebut diazotrof. Mikroorganisme ini memiliki enzim nitrogenaze yang dapat menggabungkan hidrogen dan nitrogen. Reaksi untuk fiksasi nitrogen biologis ini dapat ditulis sebagai berikut :
N2 + 8 H+ + 8 e− → 2 NH3 + H2
Mikro organisme 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 non-biologis, contohnya sambaran petir. Lebih jauh, ada empat cara yang dapat mengkonversi unsur nitrogen di atmosfer menjadi bentuk yang lebih reaktif :
- 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.
- Industri fiksasi nitrogen : 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.
- Pembakaran bahan bakar fosil : mesin mobil dan pembangkit listrik termal, yang melepaskan berbagai nitrogen oksida (NOx).
- Proses lain: Selain itu, pembentukan NO dari N2 dan O2 karena foton dan terutama petir, dapat memfiksasi nitrogen.
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 langsung dari nodul. Hewan, jamur, dan organisme heterotrof lain mendapatkan nitrogen sebagai asam amino, nukleotida dan molekul organik kecil.
Amonifikasi
Jika tumbuhan atau hewan mati, nitrogen organik diubah menjadi amonium (NH4+) oleh bakteri dan jamur.
Nitrifikasi
Konversi amonium menjadi nitrat dilakukan terutama oleh bakteri yang hidup di dalam tanah dan bakteri nitrifikasi lainnya. Tahap utama nitrifikasi, bakteri nitrifikasi seperti spesies Nitrosomonas mengoksidasi amonium (NH4 +) dan mengubah amonia menjadi nitrit (NO2-). Spesies bakteri lain, seperti Nitrobacter, bertanggung jawab untuk oksidasi nitrit menjadi dari nitrat (NO3-). Proses konversi nitrit menjadi nitrat sangat penting karena nitrit merupakan racun bagi kehidupan tanaman.
Proses nitrifikasi dapat ditulis dengan reaksi berikut ini :
- NH3 + CO2 + 1.5 O2 + Nitrosomonas → NO2- + H2O + H+
- NO2- + CO2 + 0.5 O2 + Nitrobacter → NO3-
- NH3 + O2 → NO2− + 3H+ + 2e−
- NO2− + H2O → NO3− + 2H+ + 2e
note : “Karena kelarutannya yang sangat tinggi, nitrat dapat memasukkan air tanah. Peningkatan nitrat dalam air tanah merupakan masalah bagi air minum, karena nitrat dapat mengganggu tingkat oksigen darah pada bayi dan menyebabkan sindrom methemoglobinemia atau bayi biru. Ketika air tanah mengisi aliran sungai, nitrat yang memperkaya air tanah dapat berkontribusi untuk eutrofikasi, sebuah proses dimana populasi alga meledak, terutama populasi alga biru-hijau. Hal ini juga dapat menyebabkan kematian kehidupan akuatik karena permintaan yang berlebihan untuk oksigen. Meskipun tidak secara langsung beracun untuk ikan hidup (seperti amonia), nitrat dapat memiliki efek tidak langsung pada ikan jika berkontribusi untuk eutrofikasi ini.”
Denitrifikasi
Denitrifikasi adalah proses reduksi nitrat untuk kembali menjadi gas nitrogen (N2), untuk menyelesaikan siklus nitrogen. Proses ini dilakukan oleh spesies bakteri seperti Pseudomonas dan Clostridium dalam kondisi anaerobik. Mereka menggunakan nitrat sebagai akseptor elektron di tempat oksigen selama respirasi. Fakultatif anaerob bakteri ini juga dapat hidup dalam kondisi aerobik.
Denitrifikasi umumnya berlangsung melalui beberapa kombinasi dari bentuk peralihan sebagai berikut:
NO3− → NO2− → NO + N2O → N2 (g)
Proses denitrifikasi lengkap dapat dinyatakan sebagai reaksi redoks:
2 NO3− + 10 e− + 12 H+ → N2 + 6 H2O
Oksidasi Amonia Anaerobik
Dalam proses biologis, nitrit dan amonium dikonversi langsung ke elemen (N2) gas nitrogen. Proses ini membentuk sebagian besar dari konversi nitrogen unsur di lautan. Reduksi dalam kondisi anoxic juga dapat terjadi melalui proses yang disebut oksidasi amonia anaerobik
NH4+ + NO2− → N2 + 2 H2O
Fungsi Siklus Nitrogen
Nitrogen sangatlah penting untuk berbagai proses kehidupan di Bumi. Nitrogen adalah komponen utama dalam semua asam amino, yang nantinya dimasukkan ke dalam protein, tahu kan kalau protein adalah zat yang sangat kita butuhkan dalam pertumbuhan.
Nitrogen juga hadir di basis pembentuk asam nukleat, seperti DNA dan RNA yang nantinya membawa hereditas. Pada tumbuhan, banyak dari nitrogen digunakan dalam molekul klorofil, yang penting untuk fotosintesis dan pertumbuhan lebih lanjut. Meskipun atmosfer bumi merupakan sumber berlimpah nitrogen, sebagian besar relatif tidak dapat digunakan oleh tanaman.
Pengolahan kimia atau fiksasi alami (melalui proses konversi seperti yang dilakukan bakteri rhizobium), diperlukan untuk mengkonversi gas nitrogen menjadi bentuk yang dapat digunakan oleh organisme hidup, oleh karena itu nitrogen menjadi komponen penting dari produksi pangan. Kelimpahan atau kelangkaan dari bentuk “tetap” nitrogen, (juga dikenal sebagai nitrogen reaktif), menentukan berapa banyak makanan yang dapat tumbuh pada sebidang tanah.