Daur/Siklus
Biogeokimia
A.
Pengertian Daur Biogeokimia
Tanah
dibutuhkan oleh tumbuhan untuk keberlangsungan hidupnya. Selain sebagai tempat
untuk menancapnya akar, tanah jugamerupakan tempat tanaman untuk
memperoleh unsur hara seperti :Karbon (C), Hidrogen (H), Oksigen (O), Nitrogen
(N), Fosfor (P), Kalium(K), Kalsium (Ca), Magnesium (Mg),
Belerang (S), Besi (Fe), Mangan(Mn), Boron (B), Mo, Tembaga (Cu), Seng (Zn) dan
Klor(Cl).
Berdasarkan jumlah
kebutuhannya bagi tanaman, unsur hara dikelompokkan menjadi dua kelompok,
yaitu:
1.
Unsur Hara MikroUnsur hara mikro adalah unsur hara yang
dibutuhkan oleh tanaman dalam jumlah
yang sedikit (< 500 ppm). Unsur hara mikro diperlukantanaman kurang dari 10
mmol per berat kering tanaman. Unsur
haramikro meliputi Besi (Fe), Mangan (Mn), Boron (B), Molibdium(Mo),
Tembaga (Cu),
Seng (Zn) dan Klor (Cl).
2.
Unsur Hara MakroUnsur hara makro adalah unsur hara yang
dibutuhkan tanaman dalam jumlah banyak (> 500 ppm) kekurangan unsur hara
makro dapat menimbulkan gejala defisiensi pada tanaman, tidak bisa digantikan
oleh unsur hara makro lain. Unsur hara makro diperlukan tanaman >10 mmol per
berat kering tanaman. Unsur hara makro meliputi Nitrogen (N), Fosfat (P), Kalium
(K), Kalsium (Ca), Magnesium (Mg), dan Sulfur (S).
Karena itu,
unsur-unsur seperti karbon, nitrogen, fosfor, belerang, hidrogen, dan oksigen
adalah beberapa di antara unsur yang penting bagi kehidupan. Unsur-unsur
tersebut diperlukan oleh makhluk hidup dalam jumlah yang banyak, sedangkan
unsur yang lain hanya dibutuhkan dalam jumlah yang sedikit. Meskipun setiap
saat unsur-unsur yang ada tersebut dimanfaatkan oleh organisme, keberadaan
unsur-unsur tersebut tetap ada. Hal tersebut dikarenakan, unsur yang digunakan
oleh organisme untuk menyusun senyawa organik dalam tubuh organisme, ketika
organisme-organisme tersebut mati, unsur-unsur penyusun senyawa organik tadi
oleh pengurai akan dikembalikan ke alam, baik dalam tanah ataupun dikembalikan
lagi ke udara. Jadi, dalam proses tersebut melibatkan makhluk hidup,
tanah, dan reaksi-reaksi kimia di dalamnya.
Siklus
biogeokimia atau siklus organikanorganik adalah siklus unsur atau senyawa kimia
yang mengalir dari komponen abiotik ke biotik dan kembali lagi ke komponen
abiotik. Siklus unsur-unsur tersebut tidak hanya melalui organisme, tetapi juga
melibatkan reaksi-reaksi kimia dalam lingkungan abiotik sehingga disebut siklus
biogeokimia.
Daur
biogeokimia terjadi sejak munculnya makhluk hidup pertama kali di bumi. Daur
biogeokimia mendukung proses berlangsungnya kehidupan. Makhluk hidup dapat
memperoleh zat dari lingkungannya, melakukan pertukaran zat, serta membuang
zat-zat yang tidak berguna ke lingkungannya. Jika daur ini terhenti, proses
kehidupan juga berhenti. Jadi, kelancaran daur biogeokimia penting bagi
kelangsungan hidup makhluk hidup.
B.
Fungsi Daur Biogeokimia
Fungsi Daur Biogeokimia adalah sebagai siklus materi yang mengembalikan
semua unsur-unsur kimia yang sudah terpakai oleh semua yang ada di Bumi baik
komponen biotik maupun komponen abiotik, sehingga kelangsungan hidup di bumi
dapat terjaga. Dengan adanya daur biogeokimia, unsur-unsur kimia yang penting
bagi keberlangsungan hidup makhluk hidup tetap ada di Bumi untuk terus
dimanfaatkan oleh makhluk hidup dalam suatu siklus. Jika daur ini terhenti,
maka proses kehidupan juga berhenti, karena itu kelancaran daur biogeokimia
sangat penting bagi keberlangsungan hidup makhluk hidup di Bumi.
C.
Macam-macam Daur Biogeokimia
Daur biogeokimia di alam terdapat 4
macam yaitu daur nitrogen, daur fosfor, daur karbon, daur sulfur. Berikut
adalah penjelasan tentang masing-masing daur biogeokimia.
a.
Daur/Siklus Nitrogen
Nitrogen adalah unsur yang paling berlimpah di atmosfer (78%
gas di atmosfer adalah nitrogen).
Meskipun demikian, penggunaan nitrogen pada
bidang biologis sangatlah terbatas. Nitrogen merupakan unsur yang tidak reaktif (sulit bereaksi
dengan unsur lain) sehingga dalam penggunaan nitrogen pada makhluk hidup diperlukan berbagai proses, yaitu
: fiksasi nitrogen, mineralisasi, nitrifikasi, denitrifikasi.
Siklus nitrogen sendiri adalah suatu proses konversi senyawa yang
mengandung unsur nitrogen menjadi
berbagai macam bentuk kimiawi yang lain. Transformasi ini dapat terjadi secara
biologis maupun non-biologis. Siklus
nitrogen secara khusus sangat dibutuhkan dalam ekologi karena
ketersediaannitrogen dapat
mempengaruhi tingkat proses ekosistem kunci, termasuk produksi primer dan
dekomposisi. Aktivitas manusia seperti pembakaran bahan bakar fosil,
penggunaan pupuk nitrogen buatan,
dan pelepasan nitrogen dalam
air limbah telah secara dramatis mengubah siklus nitrogen global. Pembukaannya sudah cukup, sekarang
kita menginjak ke detail proses daur
/ siklus nitrogen.
1.
Fungsi
Nitrogen Dalam Ekologi
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
nitrogenmenjadi 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.
2.
Proses-Proses
Dalam Daur Ulang 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).
a)
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.
b)
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.
c)
Amonifikasi
Jika tumbuhan atau hewan mati, nitrogen organik diubah menjadi amonium (NH4+) oleh bakteri dan jamur.
d)
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 menjadinitrit (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 :
1.
NH3 + CO2 +
1.5 O2 + Nitrosomonas → NO2- + H2O
+ H+
2.
NO2- + CO2 +
0.5 O2 + Nitrobacter → NO3-
3.
NH3 + O2 →
NO2− + 3H+ + 2e−
4.
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."
e)
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 nitratsebagai 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
f)
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
b.
Daur/Siklus Fosfor
Materi
yang menyusun tubuh organisme berasal dari bumi. Materi yang berupa unsur
– unsur terdapat dalam senyawa kimia yang merupakan materi dasar
makhluk hidup dan tak hidup. Ada 40 unsur yang diperlukan bagi kehidupan,
ddiantaranya yang terpenting adalah karbon (C), nitrogen (N), fosfor (P),
belerang (S), oksigen (O), kalium (Ca), magnesium (Mg), kalium (K), natrium
(Na), silicon (Si), besi Fe), dan aluminium (Al). selain itu sebagian unsure
–unsur ini tersimpan dalam bentuk organic dalam tubuh makhluk hidup yang
masih hidup atau yang sudah mati.
Siklus
biogeokimia atau siklus organik anorganik adalah siklus unsur atau senyawa
kimia yang mengalir dari komponen abiotik ke biotik dan kembali lagi ke
komponen abiotik. Siklus unsur-unsur tersebut tidak hanya melalui organisme,
tetapi juga melibatkan reaksi – reaksi kimia dalam lingkungan abiotik sehingga
disebut siklus biogeokimia. Siklus-siklus tersebut antara lain: siklus air,
siklus oksigen, siklus karbon, siklus nitrogen, dan siklus fosfor.
Oleh
karena itu, pentingnya siklus biogekimia yang salah satunya adalah siklus
fosfor, maka dianggap perlu menyusun makalah dan melakukan
presentasi tentang siklus fosfor yang terjadi di alam. Makalah ini akan
membahas secara umum tentang bagaiman terjadinya siklus fosfor dan
perannya bagi kehidupan.
Adapun
kegunaanya adalah akan menjadi bahan referensi bagi yang memerlukannya. Selain
itu, merupakan salah satu persyaratan dalam menyelesaikan mata kuliah
Oseanografi Kimia program studi Ilmu Kelautan.
1.
Pengertian Fosfor
Fosfor adalah
zat yang dapat berpendar karena mengalami fosforesens, unsur kimia yang
memiliki lambang P dengan
nomor atom 15. Fosfor berupa nonlogam,
bervalensi banyak, termasuk golongan nitrogen, banyak
ditemui dalam batuan fosfat anorganik dan dalam semua sel hidup tetapi tidak
pernah ditemui dalam bentuk unsur bebasnya. Fosfor amatlah reaktif, memancarkan
pendar cahaya yang lemah ketika bergabung dengan oksigen,
ditemukan dalam berbagai bentuk, Fosfor berupa berbagai jenis senyawa logam transisi atau
senyawa tanah langka seperti zink sulfida (ZnS)
yang ditambah tembaga atau perak, dan zink silikat (Zn2SiO4)
yang dicampur dengan mangan. Unsur kimia fosforus dapat
mengeluarkan cahaya dalam keadaan tertentu, tetapi fenomena ini bukan
fosforesens, melainkan kemiluminesens. Fosfor merupakan unsur
penting dalam makhluk hidup.
2.
Macam-macam Fosfor
Fosfor
dapat berada dalam empat bentuk atau lebih alotrop: putih (atau kuning), merah,
dan hitam (atau ungu). Yang paling umum adalah fosfor merah dan putih, keduanya
mengelompok dalam empat atom yang berbentuk tetrahedral. Fosfor putih terbakar
ketika bersentuhan dengan udara dan dapat berubah menjadi fosfor merah ketika
terkena panas atau cahaya. Fosfor putih juga dapat berada dalam keadaan alfa
dan beta yang dipisahkan oleh suhu transisi -3,8°C. Fosfor merah relatif lebih
stabil dan menyublim pada 170°C pada tekanan uap 1 atm, tetapi terbakar akibat
tumbukan atau gesekan. Alotrop fosfor hitam mempunyai struktur seperti grafit – atom-atom tersusun dalam
lapisan-lapisan heksagonal yang menghantarkan listrik.
3.
Siklus Fosfor
Daur
fosfor yaitu daur atau siklus yang melibatkan fosfor, dalam hal input atau
sumber fosfor-proses yang terjadi terhadap fosfor- hingga kembali menghasilkan
fosfor lagi. Daur fosfor dinilai paling sederhana daripada daur lainnya, karena
tidak melalui atmosfer. fosfor di alam didapatkan dari: batuan, bahan organik,
tanah, tanaman, PO4- dalam tanah. kemudian inputnya adalah hasil pelapukan
batuan. dan outputnya: fiksasi mineral dan pelindikan.
fosfor berupa fosfat yang diserap tanaman untuk sintesis senyawa organik. Humus
dan partikel tanah mengikat fosfat, jadi daur fosfat dikatakan daur lokal.
Di alam, fosfor terdapat dalam dua bentuk, yaitu senyawa fosfat organik (pada
tumbuhan dan hewan) dan senyawa fosfat anorganik (pada air dan tanah). Fosfat
organik dari hewan dan tumbuhan yang mati diuraikan oleh decomposer (pengurai)
menjadi fosfat anorganik. Fosfat anorganik yang terlarut di air tanah atau air
laut akan terkikis dan mengendap di sedimen laut. Oleh karena itu, fosfat
banyak terdapat di batu karang dan fosil. Fosfat dari batu dan fosil terkikis
dan membentuk fosfat anorganik terlarut di air tanah dan laut. Fosfat anorganik
ini kemudian akan diserap oleh akar tumbuhan lagi. Siklus ini berulang terus
menerus. Fosfor dialam dalam bentuk terikat sebagai Ca-fosfat, Fe- atau
Al-fosfat, fitat atau protein. Bakeri yang berperan dalam siklus fosfor :
Bacillus, Pesudomonas, Aerobacter aerogenes, Xanthomonas, dll. Mikroorganisme(Bacillus, Pseudomonas, Xanthomonas,
Aerobacter aerogenes) dapat melarutkan P menjadi tersedia
bagi tanaman.
Daur fosfor terlihat akibat aliran air pada batu-batuan akan melarutkan bagian
permukaan mineral termasuk fosfor akan terbawa sebagai sedimentasi ke dasar
laut dan akan dikembalikan ke daratan.
c. Daur/Siklus Karbon
Siklus
karbon adalah siklus
biogeokimia dimana karbon dipertukarkan antara
biosfer,
geosfer,
hidrosfer,
dan
atmosfer
Bumi (objek astronomis lainnya bisa jadi memiliki siklus karbon yang hampir
sama meskipun hingga kini belum diketahui).
Dalam siklus ini terdapat empat
reservoir karbon utama yang dihubungkan oleh jalur pertukaran.
Reservoir-reservoir tersebut adalah atmosfer, biosfer teresterial (biasanya
termasuk pula freshwater system
dan material non-hayati organik seperti karbon tanah (soil carbon)),
lautan (termasuk
karbon anorganik
terlarut dan biota laut hayati dan non-hayati), dan
sedimen (termasuk
bahan bakar fosil). Pergerakan tahuan karbon,
pertukaran karbon antar reservoir, terjadi karena proses-proses kimia, fisika,
geologi, dan biologi yang bermaca-macam. Lautan mengadung kolam aktif karbon
terbesar dekat permukaan Bumi, namun demikian
laut dalam
bagian dari kolam ini mengalami pertukaran yang lambat dengan atmosfer.
Neraca
karbon global adalah kesetimbangan pertukaran karbon (antara yang masuk
dan keluar) antar reservoir karbon atau antara satu putaran (loop) spesifik siklus karbon
(misalnya atmosfer - biosfer). Analisis neraca karbon dari sebuah kolam atau
reservoir dapat memberikan informasi tentang apakah kolam atau reservoir
berfungsi sebagai sumber (source)
atau lubuk (sink) karbon
dioksida.
1.
Karbon di Atmosfer
Bagian terbesar dari karbon yang berada
di
atmosfer Bumi
adalah gas
karbon dioksida (CO
2). Meskipun
jumlah gas ini merupakan bagian yang sangat kecil dari seluruh gas yang ada di
atmosfer (hanya sekitar 0,04% dalam basis molar, meskipun sedang mengalami
kenaikan), namun ia memiliki peran yang penting dalam menyokong kehidupan.
Gas-gas lain yang mengandung karbon di atmosfer adalah
metan dan
kloroflorokarbon atau CFC
(CFC ini merupakan gas artifisial atau buatan). Gas-gas tersebut adalah
gas rumah
kaca yang konsentrasinya di atmosfer telah bertambah dalam dekade
terakhir ini, dan berperan dalam
pemanasan
global.
Karbon
diambil dari atmosfer dengan berbagai cara:
·
Ketika matahari bersinar, tumbuhan melakukan fotosintesa untuk mengubah karbon dioksida menjadi karbohidrat, dan melepaskan oksigen ke atmosfer. Proses ini akan lebih banyak menyerap karbon
pada hutan dengan tumbuhan yang baru saja tumbuh atau hutan yang sedang
mengalami pertumbuhan yang cepat.
·
Pada permukaan laut ke arah kutub,
air laut menjadi lebih dingin dan CO2 akan lebih mudah larut.
Selanjutnya CO2 yang larut tersebut akan terbawa oleh sirkulasi termohalin yang membawa massa air di permukaan yang lebih berat ke
kedalaman laut atau interior laut (lihat bagian solubility pump).
·
Di laut bagian atas (upper ocean), pada daerah dengan
produktivitas yang tinggi, organisme membentuk jaringan yang mengandung karbon,
beberapa organisme juga membentuk cangkang karbonat dan bagian-bagian tubuh
lainnya yang keras. Proses ini akan menyebabkan aliran karbon ke bawah (lihat
bagian biological pump).
·
Pelapukan batuan silikat. Tidak
seperti dua proses sebelumnya, proses ini tidak memindahkan karbon ke dalam
reservoir yang siap untuk kembali ke atmosfer. Pelapukan batuan karbonat tidak
memiliki efek netto terhadap CO2 atmosferik karena ion bikarbonat
yang terbentuk terbawa ke laut dimana selanjutnya dipakai untuk membuat
karbonat laut dengan reaksi yang sebaliknya (reverse reaction).
Karbon dapat kembali ke atmosfer dengan berbagai cara pula,
yaitu:
·
Melalui pernapasan (respirasi) oleh
tumbuhan dan binatang. Hal ini merupakan reaksi eksotermik dan termasuk juga di dalamnya penguraian glukosa (atau
molekul organik lainnya) menjadi karbon dioksida dan air.
·
Melalui pembusukan binatang dan
tumbuhan. Fungi atau jamur
dan bakteri mengurai senyawa karbon pada binatang dan tumbuhan yang
mati dan mengubah karbon menjadi karbon dioksida jika tersedia oksigen, atau
menjadi metana jika tidak tersedia oksigen.
·
Melalui pembakaran material organik yang mengoksidasi karbon yang terkandung
menghasilkan karbon dioksida (juga yang lainnya seperti asap). Pembakaran bahan
bakar fosil seperti batu
bara, produk dari industri perminyakan (petroleum), dan gas alam
akan melepaskan karbon yang sudah tersimpan selama jutaan tahun di dalam
geosfer. Hal inilah yang merupakan penyebab utama naiknya jumlah karbon
dioksida di atmosfer.
·
Produksi semen. Salah satu komponennya, yaitu kapur atau gamping
atau kalsium oksida,
dihasilkan dengan cara memanaskan batu kapur atau batu gamping yang akan
menghasilkan juga karbon dioksida dalam jumlah yang banyak.
·
Di permukaan laut dimana air menjadi
lebih hangat, karbon dioksida terlarut dilepas kembali ke atmosfer.
·
Erupsi vulkanik atau ledakan gunung
berapi akan melepaskan gas ke atmosfer. Gas-gas tersebut termasuk uap
air, karbon dioksida, dan belerang.
Jumlah karbon dioksida yang dilepas ke atmosfer secara kasar hampir sama dengan
jumlah karbon dioksida yang hilang dari atmosfer akibat pelapukan silikat;
Kedua proses kimia ini yang saling berkebalikan ini akan memberikan hasil
penjumlahan yang sama dengan nol dan tidak berpengaruh terhadap jumlah karbon dioksida
di atmosfer dalam skala waktu yang kurang dari 100.000 tahun.
2.
Karbon di Biosfer
Sekitar 1900 gigaton karbon ada di dalam biosfer. Karbon adalah bagian yang
penting dalam kehidupan di Bumi. Ia memiliki peran yang penting dalam struktur,
biokimia, dan nutrisi
pada semua sel makhluk hidup. Dan kehidupan memiliki peranan yang penting
dalam siklus karbon:
·
Autotroph adalah organisme yang menghasilkan
senyawa organiknya sendiri dengan menggunakan karbon dioksida yang berasal dari
udara dan air di sekitar tempat mereka hidup. Untuk menghasilkan senyawa organik
tersebut mereka membutuhkan sumber energi dari luar. Hampir sebagian besar autotroph menggunakan radiasi
matahari untuk memenuhi kebutuhan energi tersebut, dan proses produksi ini
disebut sebagai fotosintesis.
Sebagian kecil autotroph
memanfaatkan sumber energi kimia, dan disebut kemosintesis. Autotroph
yang terpenting dalam siklus karbon adalah pohon-pohonan di hutan dan daratan
dan fitoplankton
di laut. Fotosintesis memiliki reaksi 6CO2 + 6H2O → C6H12O6
+ 6O2
·
Karbon dipindahkan di dalam biosfer
sebagai makanan heterotrop pada organisme lain atau bagiannya (seperti buah-buahan).
Termasuk di dalamnya pemanfaatan material organik yang mati (detritus) oleh jamur dan bakteri untuk fermentasi atau penguraian.
·
Sebagian besar karbon meninggalkan
biosfer melalui pernapasan atau respirasi. Ketika tersedia oksigen, respirasi aerobik terjadi, yang melepaskan karbon dioksida ke udara atau air
di sekitarnya dengan reaksi C6H12O6 + 6O2
→ 6CO2 + 6H2O. Pada keadaan tanpa oksigen, respirasi anaerobik lah yang terjadi, yang melepaskan metan ke lingkungan
sekitarnya yang akhirnya berpindah ke atmosfer atau hidrosfer.
·
Pembakaran biomassa (seperti
kebakaran hutan, kayu yang digunakan untuk tungku penghangat atau kayu bakar,
dll.) dapat juga memindahkan karbon ke atmosfer dalam jumlah yang banyak.
·
Karbon juga dapat berpindah dari
bisofer ketika bahan organik yang mati menyatu dengan geosfer (seperti gambut).
Cangkang binatang dari kalsium karbonat yang menjadi batu gamping melalui proses sedimentasi.
·
Sisanya, yaitu siklus karbon di laut
dalam, masih dipelajari. Sebagai contoh, penemuan terbaru bahwa rumah larvacean mucus (biasa dikenal sebagai "sinkers") dibuat dalam
jumlah besar yang mana mampu membawa banyak karbon ke laut dalam seperti yang
terdeteksi oleh perangkap sedimen. Karena ukuran dan kompisisinya, rumah ini
jarang terbawa dalam perangkap sedimen, sehingga sebagian besar analisis
biokimia melakukan kesalahan dengan mengabaikannya.
Penyimpanan karbon di biosfer dipengaruhi oleh sejumlah
proses dalam skala waktu yang berbeda: sementara produktivitas
primer netto mengikuti siklus harian dan
musiman, karbon dapat disimpan hingga beberapa ratus tahun dalam pohon dan
hingga ribuan tahun dalam tanah. Perubahan jangka panjang pada kolam karbon
(misalnya melalui de- atau afforestation) atau melalui perubahan
temperatur yang berhubungan dengan respirasi tanah) akan secara langsung
memengaruhi pemanasan global.
3. Karbon di laut
Laut mengandung sekitar 36.000 gigaton karbon, dimana sebagian besar dalam bentuk ion bikarbonat.
Karbon anorganik, yaitu senyawa karbon tanpa ikatan karbon-karbon atau
karbon-hidrogen, adalah penting dalam reaksinya di dalam air. Pertukaran karbon
ini menjadi penting dalam mengontrol pH di laut dan juga dapat berubah sebagai sumber (source) atau lubuk (sink) karbon. Karbon siap untuk
saling dipertukarkan antara atmosfer dan lautan. Pada daerah upwelling, karbon dilepaskan ke atmosfer.
Sebaliknya, pada daerah downwelling karbon (CO2) berpindah
dari atmosfer ke lautan. Pada saat CO2 memasuki lautan, asam
karbonat terbentuk:
CO2 + H2O ⇌ H2CO3
Reaksi ini memiliki sifat dua arah, mencapai sebuah
kesetimbangan kimia. Reaksi lainnya yang penting dalam mengontrol nilai pH
lautan adalah pelepasan ion hidrogen dan bikarbonat. Reaksi ini mengontrol
perubahan yang besar pada pH:
H2CO3 ⇌
H+ + HCO3−
4. Model siklus karbon
Model siklus karbon dapat digabungkan ke dalam model iklim global, sehingga reaksi interaktif dari lautan dan biosfer
terhadap nilai CO2 di masa depan dapat dimodelkan. Ada
ketidakpastian yang besar dalam model ini, baik dalam sub model fisika maupun
biokimia (khususnya pada sub model terakhir). Model-model seperti itu biasanya
menunjukkan bahwa ada timbal balik yang positif antara temperatur dan CO2.
Sebagai contoh, Zeng dkk. (GRL,
2004) menemukan dalam model mereka bahwa terdapat pemanasan ekstra sebesar
0,6 °C (yang sebaliknya dapat menambah jumlah CO2 atmosferik
yang lebih besar).
d.
Daur/Siklus
Sulfur
Siklus sulfur didahului oleh pembentukan sulfur dari kerak
bumi dan atmosfer. Secara alami, sulfur terkandung di dalam tanah dalam bentuk
mineral tanah. Dimana kerak bumi umumnya mengandung sekitar 0,06% belerang.
Sulfida-sulfida logam terdapat dalam bebatuan plutonik, yaitu batuan yang
membeku di dalam kerak bumi dan tidak mencapai ke permukaan bumi. Bebatuan
plutonik ini apabila hancur dan mengalami pelapukan akan membebaskan sulfida
ini melalui reaksi oksidasi dan menghasilkan sulfat (SO4-2)
yang kemudian mengalami presipitasi (pengendapan) dalam bentuk garam-garam
sulfat yang larut atau tidak larut.
Di atmosfer, terdapat hampir 0,05 ppm belerang
dalam bentuk gas belerang dioksida (SO2) yang merupakan hasil emisi
pembakaran bahan bakar berbelerang seperti minyak bumi dan batubara yang banyak
dihasilkan oleh asap kendaraan dan pabrik atau gas belerang dari gunung berapi
semisal gunung arjuno di Jawa Timur. Gas SO2tersebut kemudian
terkena uap air hujan sehingga gas tersebut berubah menjadi sulfat yang jatuh
di tanah, sungai dan lautan. Dimana tanah yang mengandung banyak belerang
adalah tanah-tanah berpasir dan tanah-tanah yang tinggi kandungan oksida Fe dan
Al seperti mineral Pirit (FeS) dan rendah kandungan bahan organik. Sedangkan
produksi sulfat melalui dekomposisi bahan organik berupa protein dan senyawa organik
lainnya yang akan menghasilkan senyawa-senyawa sederhana berupa H2S dan sulfida (S2) yang jika teroksidasi akan menjadi
sulfat (SO4-2).
Tumbuhan kemudian menyerap sulfat (SO4-2)
yang mengendap pada tanah, sungai, dan lautan. Di dalam tubuh tumbuhan,
sulfur digunakan sebagai bahan penyusun protein. Hewan dan manusia mendapatkan
sulfur dengan jalan memakan tumbuhan yang juga dimanfaatkan sebagai energi
cadangan berupa protein. Jika tumbuhan dan hewan mati, jasad renik (dekomposer)
akan menguraikannya menjadi gas berbau busuk yakni H2S dan sulfida
(S2).
Pada aliran
energi lebih ditekankan pada
perputaran energi yang terjadi diantara komponen ekosistem. Siklus energi ini
diawali dari energi matahari yang ditangkap oleh produsen, kemudian terus
berputar tiada henti pada konsumen dan semua komponen ekosistem yang. hal ini
karena menurut hukum termodinamika bahwa energi dapat berubah bentuk, tidak
dapat dimusnahkan serta diciptakan. Perubahan bentuk energi ini dikenal dengan
istilah transformasi energi. Aliran energi di alam atau ekosistem tunduk kepada
hukum-hukum termodinamika tersebut. Dengan proses fotosintesis energi cahaya
matahari ditangkap oleh tumbuhan, dan diubah menjadi energi kimia atau makanan
yang disimpan di dalam tubuh tumbuhan. Proses aliran energi berlangsung dengan
adanya proses rantai makanan. Tumbuhan dimakan oleh herbivora, dengan demikian
energi makanan dari tumbuhan mengalir masuk ke tubuh herbivora. Herbivora
dimakan oleh karnivora, sehingga energi makanan dari herbivora masuk ke tubuh
karnivora.
Sulfur berperan dalam penyimpanan dan pembebasan
energi karena sulfur merupakan komponen penting asam-asam amino esensial
penyusun protein tanaman maupun hewan, seperti methionin, sistein, dan sistin,
juga dalam pembentukan polipeptida. Meskipun sulfur tidak berperan langsung
dalam pembentukan energi (ATP) seperti phospor, namun sulfur berperan dalam
sintesis protein. Dimana protein nantinya akan dirombak menjadi
karbonhidrat jika zat makanan penghasil energi utama tidak mencukupi.
Itu sebabnya mengapa protein berperan sebagai penghasil energi. Ketika
hewan dan tumbuhan mati, dekomposer seperti bakteri akan menguraikan tubuh
makhluk hidup tersebut menjadi gas H2S. Beberapa bakteri anaerob
melakukan kemosintesis. Dimana
kemosintesis merupakan proses pembentukan senyawa bahan organik dari zat-zat
anorganik dengan menggunakan energi yang berasal dari reaksi-reaksi kimia. Pada
kemosintesis elektron donor berasal dari bahan anorganik sedehana, misalnya
hidrogen, nitrgen, besi dan sulfur. Selama kemosintesis, elektron dilepaskan
dari bahan anorganik sehingga menjadi molekul yang tereduksi. Substansi
terduksi ini akan menimbulkan energi kimia, dan digunakan untuk produksi ATP
serta NADPH. Selanjutnya, ATP dan NADPH menyediakan energi untuk sintesis
karbohidrat. Berikut ini contoh kemosintesis yang dilakukan bakteri belerang
(Thiobacillus) untuk memperoleh energi dengan cara
mengoksidasi H2S. Reaksinya sebagai berikut: 2H2S
+ O2 ==> 2H2O + 2S + Energi.
Selanjutnya energi tersebut digunakan untuk
fiksasi CO2 menjadi gula (karbonhidrat), reaksinya: CO2 +
2 H2S ==> CH2O + 2S + H2O
Proses biologi terjadi ketika pembentukan sulfat
melibatkan berbagai jenis mikroorganisme yang berperan sebagai dekomposer.
Berikut adalah bakteri yang berperan dalam pembentukan sulfat.
1. H2S → S → SO4-2;
bakteri fotoautotrof tak berwarna, hijau dan ungu.
2. SO4-2 → H2S
(reduksi sulfat anaerobik); bakteri Desulfovibriodan Desulfomaculum.
3. H2S → SO4-2 (Pengoksidasi
sulfide aerobik); bakteri kemolitotrof : bakteri Thiobacilli.
4. Senyawa Organik → SO4-2 +
H2S, masing-masing mikroorganisme heterotrof aerobik dan anaerobik
Proses kimia terjadi ketika sulfat mengendap di dalam
permukaan tanah hasil dari pengoksidasian mineral sulfida (batuan plutonik),
berikut adalah contoh persamaan reaksi pembentukan sulfat melalui oksidasi
mineral sulfida, misalnya mineral besi sulfida.
2 FeS2 + 7 O2 +
2 H2O → 2 Fe2+ + 4 SO42− +
4 H+
Proses kimia juga terjadi ketika gas SO2 terbentuk
melalui pembakaran hasil emisi pembakaran gas belerang atau aktivitas gunung
berapi. Persamaan reaksinya:
S (s) + O2 (g) → SO2 (g)
Proses kimia juga terjadi ketika gas H2S
terbentuk melalui aktivitas biologis ketika bakteri mengurai bahan organik
dalam keadaan tanpa oksigen (aktivitas anaerobik), seperti di rawa, dan saluran
pembuangan kotoran. Gas ini juga muncul pada gas yang timbul dari aktivitas
gunung berapi dan gas alam. Persamaan reaksinya:
1S -2(s) + 2H+ (g)
→ H2S (g)
Proses kimia dan biologi juga terjadi ketika
sulfida (S2), belerang dioksida (SO2) dan (H2S)
berubah menjadi SO4 atau sebaliknya dengan bantuan dari
dekomposer. Dimana didalam proses-proses tersebut juga terdapat
reaksi-reaksi kimia.
1. H2S → S → SO4-2
2.
SO4-2 →
H2S
3.
H2S → SO4-2
4.
Senyawa Organik → SO4-2 +
H2S