MODEL KONSEPTUAL SIKLUS NITROGEN

By : Muhammad Fahri. PPS U. Brawijaya Malang 2009

DAFTAR ISI :
Pendahuluan
Siklus Biogeochemical
Lapisan dari Siklus Biogeochemical
Properti Nitrogen
Siklus Nitrogen Yang Disederhanakan
Pengaruh Manusia Pada Siklus Nitrogen
Siklus Nitrogen di Bumi
Atmosphere
Biosphere
Geosphere
Hydrosphere

1. Pendahuluan
Nitrogen (N) adalah suatu unsur penting dalam semua perihal kehidupan. Jika keberadaan N tidak mencukupi di lingkungan, hal itu dapat membatasi pertumbuhan biologis dan produktivitas. Jika N berada dalam jumlah yang cukup maka akan dapat mendorong tingkat kesuburan (eutrophikasi akibat kelebihan jumlah bahan-bahan organik) dari permukaan perairan dan akumulasi dari sejumlah nitrat beracun (NO3-) pada tumbuh-tumbuhan didaratan.

Standard air minum yang dikosumsi untuk kandungan konsentrasi unsur nitrat (NO3-N) adalah 10 mg/L dan beberapa air permukaan dan air tanah. Seperti di Illinois USA telah melampui batas kosentrasi ini. Penetapan ukuran-ukuran dan standard N harus mempertimbangkan secara seksama dampak kelebihan N konsentrasi didaerah muara, seperti eutrophikasi muara dan perairan pantai. Sebab kelebihan N akan mengakibatkan eutrophikasi (kesuburan yang berlebihan) dan mengakibatkan keadaan hypoxia (kehabisan dari oksigen terlarut) didalam perairan pantai, ada kemungkinan bahwa pengangkutan kelebihan N dari daerah hulu dampak secara langsung pada didaerah hilir sebagai muara akhir dari pengangkutan N. Dampak dari eutrophikasi perairan adalah kematian massal organisme perairan akibat kehabisan oksigen terlarut yang menjadi faktor pembatas kehidupan organisme perairan.

2. Siklus Biogeochemical
Konsep siklus biogeochemical menyediakan kerangka dasar untuk merancang ini. Ini merupakan suatu konsep yang mengenali teori pengaruh energi berbagai proses kompleks yang menggerakkan, mengubah bentuk dan menyimpan bahan-kimia didalam geosphere, atmospir, hydrosphere, dan biosphere. Istilah siklus biogeochemical menyatakan interaksi di antara yang bahan-bahan organik tersebut (bio-) dan bahan-bahan inorganik (geo-) didunia, dan memusat perhatian pada ilmu kimia (bahan kimia-), dan pergerakan (siklus) dari unsur-unsur dan kandungan bahan-bahan kimia. Dalam bentuk yang sangat sederhana, siklus biogeochemical menguraikan bergeraknya unsur-unsur tersebut melalui berbagai media dan perubahan kembali unsur-unsur tersebut kepada bentuk aslinya. Penerapan konsep siklus biogeochemical menyediakan suatu kerangka untuk mengidentifikasi dan mengevaluasi keadaan dan sumber dari unsur-unsur kimia tersebut dalam suatu sistem pendekatan.

Pemisahan siklus biogeochemical dapat diketahui untuk masing-masing unsur kimia, seperti siklus nitrogen (N), fosfor (P), dan karbon (C). Melalui perubahan secara kimia, unsur-unsur berkombinasi untuk membentuk campuran, dan siklus biogeochemical dari tiap unsur harus pula mempertimbangkan hubungannya dengan siklus biogeochemical dari unsur-unsur yang lain.

Unsur-unsur dan campuran juga ada yang berupa gas, padat, dan bentuk cair dan dapat berubah-ubah dari bentuk yang satu ke bentu lain. Dalam mempelajari siklus biogeochemical, sangat penting untuk memahami suatu unit umum jumlah unsur masing-masing dalam semua tahapannya dan semua kandungan bahan kimiawinya. Ini mempertimbangkan penetapan suatu "sistem penghitungan" untuk masing-masing unsur dan untuk pertimbangan koservasi massa tersebut. Prinsip konservasi massa menganut asumsi bahwa unsur-unsur bukan diciptakan maupun dihancurkan oleh sistem tersebut. Asumsi ini mempertimbangkan pelaksanaan studi kesetimbangan massa. Studi kesetimbangan massa mengikuti semua tahap bentuk kimia dan fisik dari suatu unsur, penghitungan untuk penyimpanan, pengangkutan, dan perubahan bentuk unsur.

Gambar 1. Siklus biogeochemical
Unsur-unsur dan campuran disimpan pada reservoir utama yaitu atmospir, hydrosphere, geosphere, dan biosphere. Reservoir tersebut saling behubungan, misalnya keluaran dari satu reservoir dapat menjadi masukan pada reservoir yang lain. Bergeraknya unsur-unsur dan campuran didalam masing-masing reservoir dan antar reservoir disebut fluxes (perubahan terus menerus). Interaksi antara atmospir, permukaan perairan, air bawah tanah, tanah, tumbuhan, pohon, dan sedimen harus mempertimbangkan siklus biogeochemical. Air (H2O) adalah suatu medium penting untuk mengangkut dan merubah bahan-kimia dan siklus hydrologis adalah suatu faktor penting dalam siklus biogeochemical.

3. Lapisan dari Siklus Biogeochemical
Unsur-unsur kimia dapat ditemukan empat lapisan berbeda: atmospir, biosphere, geosphere, dan hydrosphere. Atmospir berisi sebagian besar gas dan aerosol dan mencakup luas dari permukaan bumi sampai ujung ruang angkasa. Geosphere sebagian besar meliputi tanah, sedimen, dan bebatuan yang tersusun dari bagian padat dari bumi. Hydrosphere sebagian besar meliputi semua cairan dan bentuk air beku dan mengalir di atas dan melalui geosphere itu sendiri. Biosphere terdiri dari dari semua organisme. Jelasnya, kenyataan yang ada jauh lebih kompleks dibanding dari ini, misalnya empat lapisan tersebut tidak sama satu sama lain secara eksklusif, tetapi tumpang-tindih satu sama lainnya. Sebagai contoh, permukaan tanah berisi udara dan pertukaran gas dengan atmospir, sehingga menyebabkan geosphere dan atmospir saling tumpang-tindih. Sedimen, tanah, dan aquifers mengandung air, sehingga geosphere dan hydrosphere saling tumpang-tindih. Debu dari geosphere an air dari hydrosphere terjadi pada atmospir. Organisme berada didalam badan air, tanah, aquifers, dan atmospir, sehingga biosphere tumpang-tindih dengan tiga lapisan lainnya.

Gambar 2. Lapisan dari Siklus Biogeochemical
Mayoritas kebanyakan unsur-unsur didalam geosphere berada dalam bentuk yang padat, didalam atmospir bentuknya berupa gas, dan didalam hydrosphere berbentuk cairan atau terlarut. Semua bentuk tiga bahan itu ditemukan di biosphere dalam jumlah yang signifikan. Reaksi kimia membuat siklus dari semua unsur-unsur terjadi dalam semua empat lapisan.

Ada empat unsur-unsur yang paling melimpah yang menyusun organisme yaitu karbon (C), hidrogen (H), oksigen (O), dan Ntrogen (N). Sebagian besar berasal dari atmospir (C,O,N) dan hydrosphere (H, O). Mineral bahan nutrien penting lain sebagian besar berasal dari geosphere. Sebab unsur dari lapisan lain diproses oleh biosphere, biosphere secara signifikan mempengaruhi komposisi kimia dan alami atmospir, hydrosphere, dan geosphere.

Gas yang paling melimpah didalam atmospir adalah Nitrogen (N2), Oksigen (O2), dan argon (Ar). Udara kering berisi 75.5% N2, 23.1% O2, dan 1.3% Ar secara massa (78.3%, 21.0%, dan 0.9% secara volume). Udara juga berisi uap air (0 sampai 4% secara volume), dan karbondioksida (CO2, ~ 365 bagian per sejuta secra volume).
Semua unsur-unsur dapat ditemukan pada geosphere dalam beberapa jumlah. Lapisan yang tipis di bumi itu disebut tanah dengan berat didiami oleh semua jenis mikroba, tumbuh-tumbuhan, dan fauna.

Gambar 3. Ekosistem akuatik berperan dalam siklus biogeochemical.
Danau, Sungai, dan samudra adalah komponen yang jelas nyata dan yang utama dari hydrosphere. Sejumlah cairan air yang besar juga ada didalam geosphere sebagai air tanah. Hydrosphere bertindak sebagai suatu bahan pelarut, suatu agen perusak phisik iklim, dan mekanisme pengangkutan untuk banyak mineral terlarut dan unsur-unsur berupa gas, seperti material partikel penting bagi kehidupan material dari tiga lapisan lainnya. Air juga bertindak sebagai medium untuk reaksi biokimia selular penting bagi berbagai fungsi kehidupan.

Unsur-unsur kimia ditransfer didalam dan diantara empat lapisan tersebut. Massa total unsur-unsur dalam semua lapisan dikonservasi. Perubahan secara kimia dapat merubah bentuk bahan kimia.

Nitrogen adalah satu contoh yang spesifik dari unsur-unsur kimia ini dan menjadi fokus pembahasan dalam uraian makalah ini.

Lapisan siklus N
Gambar 4. Lapisan tempat siklus N terjadi
Sejumlah nitrogen (N) dapat dinilai keberadaanya didalam atmospir, biosphere, hydrosphere, dan geosphere. Dengan reaksi oxidation/reduction siklus N terjadi dalam semua empat lapisan, N dalam semua empat lapisan, sampai bermacam-macam derajat tingkat aktif, dipengaruhi dengan faktor mediasi bahan kimia, phisik dan biologi yang dapat atau tidak mungkin dipengaruhi oleh aktivitas manusia.

Ke tiga faktor mediasi mempengaruhi perubahan kuantitatif dan kualitatif -berubah kuantitas dan bentuk kimia, berturut-turut- dari N terdapat di empat lapisan Bergeraknya kuantitas N dari satu lapisan ke lapisan lain adalah sering, tetapi tidak selalu, disebabkan oleh beberapa bahan kimia (kualitatif) berubah seperti perubahan kimia dapat membuat qualitatively-altered N untuk berada di satu lapisan di atas lapisan yang lain. Sebagai contoh, 3.86 x 1015 metric ton N2 gas bumi 5.12 x 1015 atmospir metric ton terutama hasil konversi dari cairan dan bentuk N padat oleh denitrifikasi ke N2 dan gas lain. Sehingga mengkonversi ke bentuk gas, N dipengaruhi untuk bergerak dari hydrosphere, biosphere, dan geosphere dan ke dalam atmospir.
Perubahan N inter-sphere terus menerus terjadi ketidakhadiran dari perubahan kimia. Sebagai contoh, perputaran erosi akan memindahkan N ke atmospir dan erosi air akan membawa N ke hydrosphere pada ketidakhadiran pengaruh perubahan didalam pengangkutan N. Demikian juga, hujan akan membawa semua bentuk N yang ditemukan di atmospir ke geosphere dan hydrosphere pada ketidakhadiran pengaruh perubahan pada pengangkutan N. Dan sebaliknya, hujan akan memenuhi ruang pori-pori tanah dan lubang gas tanah, termasuk gas N, ke atmospir pada ketidakhadiran pengaruh perubahan pada vented gas N. Setelah ini, pergerakkan N ke dalam suatu lingkungan baru hampir tanpa alternatif mengakibatkan kualitatif (bahan kimia) berubah pengangkut N.

Perubahan kualitatif dan kuantitatif oleh ke tiga faktor memodifikasi tidak akan mengakibatkan perpindahan N dari satu lapisan ke lapisan lain tetapi, melainkan, suatu siklus N di dalam lapisan ditentukan. Sebagai contoh, oksidasi dan reaksi pengurangan nitrifikasi/denitrifikasi sisi siklus N di dalam geosphere menghasilkan diperkiraan ~100 juta (106) metric ton emisi gas N alami ke atmospir. Sedangkan diperkiraan ~100 juta (106) metric ton gas N menjadi dihasilkan dan dilepaskan ke atmospir, hampir 6 milyar (109) metric ton N/Yr terestrial di biospheric siklus N 1 m bagian atas tanah tidak meninggalkan geosphere tetapi, menerobos kolam berbeda yang menyusun tanah keseluruhan N reservoir di geospheric.

Faktor Pendukung
Faktor Pendukung Biologi, Phisik, Bahan kimia
ni adalah faktor yang mengendalikan perubahan bentuk tersebut didalam suatu siklus biogeochemical. Banyak faktor penting untuk perubahan bentuk tertentu dapat besar; beberapa yang umum meliputi temperatur, pH, intensitas cahaya, konsentrasi kandungan, identitas dan konsentrasi biota, isi materi, dan faktor lain. Faktor biologi, fisika, dan kimia dapat secara signifikan dipengaruhi oleh aktivitas manusia, seperti aktivitas industri (seperti, pertambangan, emisi asap, anak sungai yang membelah badan air), aktivitas pertanian (seperti, pembajakan sawah, menanam, aplikasi agrichemicals), konstruksi, penanganan limbah, dan lain-lain. Faktor pendukung dapat merubah konsentrasi tersebut dan bentuk kandungan bahan kimia dalam lapisan didalam ketidakhadiran perubahan masukan. Sebagai contoh konsentrasi NO3- didalam sungai dapat meningkat jika oksigen cukup tersedia untuk mengubah bentuk nitrogen yang reduksi ke bentuk NO3-.