Siklus Material: Siklus Nutrisi, Karbon, Nitrogen, dan Belerang!
Siklus Nutrisi:
Pasokan nutrisi selain karbon dioksida, untuk ekosistem datang terutama dari tanah, tetapi juga sebagian kecil dari udara, hujan dan salju, dan debu.
Pasokan banyak nutrisi sangat terbatas karena pasokannya terbatas di tanah dan di sumber lain. Unsur hara didaur ulang sedemikian rupa sehingga keduanya dimasukkan ke dalam tumbuhan dan hewan, atau disediakan untuk serapan tanaman melalui dekomposisi sisa tumbuhan dan hewan yang mati.
Jalur dari sumber ke tenggelam dan kembali ke sumber disebut siklus unsur, dan mereka berbeda di antara berbagai elemen. Kami mempertimbangkan secara singkat tiga siklus terpenting, siklus karbon, nitrogen, dan belerang.
Siklus Karbon:
Karbon adalah dasar dari semua molekul organik. Itu membuat materi genetik kita (DNA dan RNA) dan protein, yang penting untuk kehidupan. Karbon sangat istimewa karena kemampuannya untuk berikatan dengan hampir semua molekul lain. Unsur utama dalam tubuh kita adalah karbon.
Siklus karbon adalah proses di mana karbon didaur ulang melalui udara, tanah, tumbuhan, hewan, dan bahan bakar fosil. Sejumlah besar karbon ada di atmosfer sebagai karbon dioksida (CO 2 ). Karbon dioksida didaur ulang oleh tumbuhan hijau selama proses yang dikenal sebagai fotosintesis untuk membuat molekul organik (glukosa, yaitu makanan).
Dari sinilah makanan setiap organisme heterotrofik berasal. Hewan melakukan kebalikan dari tanaman—mereka melepaskan karbon dioksida kembali ke udara sebagai produk limbah dari respirasi. (Catatan: Tumbuhan juga menjalani respirasi untuk membuat makanan, tetapi sebagian besar karbon dioksida di udara berasal dari respirasi heterotrofik). Pengurai, ketika mereka memecah bahan organik mati, juga melepaskan karbon dioksida ke udara.
Pengurai sangat penting karena tanpa mereka, semua karbon di planet ini pada akhirnya akan terkunci di bangkai mati dan sampah lainnya. Pembusukan memungkinkan karbon dilepaskan kembali ke jaring makanan. Karbon juga disimpan dalam bahan bakar fosil, seperti batu bara, minyak bumi, dan gas alam.
Ketika ini dibakar, karbon dioksida juga dilepaskan kembali ke udara. Gunung berapi dan kebakaran juga melepaskan CO2 dalam jumlah besar ke atmosfer. Karbon dioksida dapat larut dalam air, di mana sebagian darinya kemudian dikembalikan ke atmosfer. Sisanya dapat diambil untuk membentuk kalsium karbonat, yang membentuk cangkang, bebatuan, dan kerangka protozoa dan koral.
Siklus Karbon adalah serangkaian proses yang kompleks di mana semua atom karbon yang ada berputar. Atom karbon yang sama di tubuh Anda saat ini telah digunakan dalam molekul lain yang tak terhitung jumlahnya sejak awal waktu. Kayu yang terbakar beberapa dekade yang lalu dapat menghasilkan karbon dioksida yang melalui fotosintesis menjadi bagian dari tumbuhan.
Saat Anda memakan tanaman itu, karbon yang sama dari kayu yang dibakar bisa menjadi bagian dari diri Anda. Siklus karbon adalah pendaur ulang alami yang hebat dari atom karbon. Sayangnya, tingkat kepentingannya jarang ditekankan. Tanpa berfungsinya siklus karbon dengan baik, setiap aspek kehidupan dapat berubah secara dramatis.
Menggunakan energi dari matahari, siklus karbon alam berputar, dari atmosfer ke hutan dan sebaliknya. Inilah cara kerjanya. Pohon menyerap karbon dioksida dari udara saat mereka tumbuh. Faktanya, sekitar setengah dari berat keringnya adalah karbon yang diserap ini. Saat pohon-pohon tua mati dan membusuk, atau terbakar dalam kebakaran hutan, karbonnya dilepaskan kembali ke udara sebagai karbon dioksida. Ini adalah siklus karbon alam.
Ketika kayu bakar digunakan sebagai sumber energi, bagian dari siklus karbon alami dibawa ke rumah kita untuk memanaskannya. Api di perapian melepaskan energi matahari yang disimpan oleh pohon saat tumbuh. Jika seluruh siklus bahan bakar dipertimbangkan, perapian pembakaran yang bersih akan memanaskan rumah Anda secara lebih efisien dan dengan dampak lingkungan yang lebih rendah daripada pilihan bahan bakar lainnya.
Pilihan bahan bakar lainnya — minyak, gas, dan batu bara — adalah bahan bakar fosil, dan saat dibakar, karbon lama yang terkubur jauh di dalam bumi dilepaskan ke atmosfer. Meningkatnya konsentrasi karbon dioksida dari penggunaan bahan bakar fosil terkait dengan pemanasan global, perubahan iklim, dan cuaca yang tidak biasa yang telah kita lihat dalam beberapa tahun terakhir.
Kebakaran kayu tidak berkontribusi terhadap pemanasan global karena tidak ada lebih banyak karbon dioksida yang dilepaskan daripada yang dilepaskan hutan alam jika dibiarkan tidak tersentuh. Menggunakan kayu untuk panas berarti lebih sedikit bahan bakar fosil yang dibakar, lebih sedikit emisi gas rumah kaca, dan lingkungan yang lebih sehat.
Siklus Nitrogen:
Siklus nutrisi penting lainnya adalah siklus nitrogen. Nitrogen adalah elemen yang sangat penting untuk semua kehidupan. Protein, yang merupakan konstituen dari semua sel hidup, mengandung rata-rata 16% nitrogen menurut beratnya. Zat nitrogen kompleks lainnya yang penting bagi kehidupan adalah asam nukleat dan gula amino. Tanpa pasokan nitrogen yang terus menerus, kehidupan di bumi akan berhenti.
Siklus nitrogen agak mirip dengan siklus karbon, tetapi dengan sejumlah perbedaan kritis. Meskipun 79% atmosfer bumi terdiri dari unsur nitrogen (N 2 ), gas lembam ini sama sekali tidak tersedia untuk diserap oleh sebagian besar tumbuhan dan hewan. Ini sangat kontras dengan jumlah kecil Karbon dioksida (0, 03%) di atmosfer, yang tersedia untuk serapan tanaman.
Relatif sedikit mikroba yang mampu memperbaiki nitrogen atmosfer dari bentuk anorganik menjadi organik. Fiksasi mikrobiologi tersebut rata-rata 140 sampai 700 mg/m 2 tahun. Di daerah pertanian yang sangat subur dapat melebihi 20.000 mg/m 2 tahun.
Sejumlah bakteri, jamur, dan alga biru-hijau diketahui mampu memfiksasi nitrogen. Fiksasi nitrogen melibatkan penggabungan langsung nitrogen atmosfer ke dalam tubuh organik organisme pengikat. Pemecah nitrogen, hanya merupakan bagian yang sangat kecil dari kelompok ini secara keseluruhan.
Mereka dapat dibagi menjadi:
- pemecah nitrogen simbiotik, yang sebagian besar adalah bakteri, dan yang berasosiasi dengan akar kacang-kacangan (anggota keluarga kacang-kacangan) dan beberapa tumbuhan berbunga lainnya, dan
- Pemecah nitrogen hidup bebas. Genus Rhizobium termasuk bakteri yang menghuni nodul yang berkembang pada akar anggota keluarga kacang dan buncis. Mereka hadir di tanah dan menginfeksi akar halus saat bibit tumbuh. Akar menghasilkan nodul khusus yang menampung rhizobia, di mana bakteri mengubah nitrogen atmosfer menjadi konstituen nitrogen organik sel mereka sendiri.
Karena sel-sel bakteri mati dengan sangat cepat, nitrogen ini tersedia untuk tumbuhan tingkat tinggi. Tanaman semanggi dan kacang benar-benar menambah nitrogen ke tanah tempat mereka tumbuh dan menghilangkan kebutuhan akan pupuk yang mahal. Upaya ilmiah besar sedang dilakukan di banyak negara untuk menemukan bakteri yang dapat membentuk asosiasi serupa dengan tanaman biji-bijian sereal.
Pemecah nitrogen simbiotik tampaknya terbatas pada ekosistem darat dan belum ditemukan di habitat perairan, satu-satunya pengecualian adalah cacing laut yang menyerang kayu yang terendam. Di antara pemecah nitrogen non simbiotik adalah bakteri hidup bebas aerobik dan anaerobik serta cyanobacteria.
Ini terjadi di tanah dan di perairan laut dan air tawar dan dapat menambah secara substansial kandungan nitrogen di lingkungan ini. Sumber nitrogen atmosfer tambahan tetapi umumnya kecil untuk tanah dan air adalah badai petir di mana konversi nitrogen elektrokimia terjadi.
Nitrogen memasuki rantai makanan produsen – konsumen ketika tanaman mengambilnya dari larutan tanah baik sebagai nitrat atau sebagai ion amonium. Nitrat juga dapat diubah menjadi amonia oleh bakteri denitrifikasi di tanah, terutama oleh bakteri dan jamur di tanah yang tergenang air. Konversi tersebut juga terjadi pada kondisi rendah oksigen di danau. Prosesnya disebut denitrifikasi. Bakteri nitrifikasi, pada gilirannya, dapat menggunakan nitrogen amonia sebagai sumber energi untuk mensintesis protoplasma mereka sendiri.
Proses ini hanya terjadi perlahan, jika sama sekali, dalam kondisi asam. Pertama amonia diubah menjadi nitrit oleh genus bakteri Nitrosomonas, dan nitrit kemudian diubah menjadi nitrat oleh genus lain, Nitrobacter. Proses dua langkah ini disebut nitrifikasi. Kedua kelompok bakteri memperoleh energinya dari proses oksidasi ini dan kemudian memanfaatkan sebagian energi tersebut untuk mengubah karbon dioksida menjadi karbon seluler.
Akhirnya, setelah nitrat diambil dan diubah oleh tumbuhan tingkat tinggi dan mikroba menjadi protein dan asam nukleat, nitrat dimetabolisme dan dikembalikan ke bagian utama siklus sebagai produk limbah dari metabolisme tersebut (nitrogen organik tak hidup).
Banyak bakteri dan jamur heterotrofik baik di tanah maupun air memanfaatkan bahan kaya nitrogen organik ini, mengubahnya dan melepaskannya sebagai amonia anorganik dalam proses yang disebut amonifikasi. Bagian lain dari siklus melibatkan pelepasan gas nitrogen dan oksida nitrat, kembali ke atmosfer, meskipun signifikansinya terbatas.
Siklus belerang:
Belerang adalah nutrisi penting bagi organisme, menjadi konstituen utama asam amino tertentu, protein, dan biokimia lainnya. Tumbuhan memenuhi kebutuhan nutrisi mereka akan belerang dengan mengasimilasi senyawa mineral sederhana dari lingkungan.
Hal ini sebagian besar terjadi sebagai sulfat terlarut dalam air tanah yang diambil oleh akar, atau sebagai gas belerang dioksida yang diserap oleh dedaunan di lingkungan di mana atmosfer agak tercemar dengan gas ini. Hewan memperoleh belerang yang mereka butuhkan dengan memakan tumbuhan atau hewan lain, dan mencerna serta mengasimilasi bentuk belerang organik mereka, yang kemudian digunakan untuk mensintesis biokimia yang mengandung belerang yang diperlukan.
Dalam situasi tertentu, terutama dalam pertanian yang dikelola secara intensif, ketersediaan belerang yang berguna secara biologis dapat menjadi faktor pembatas produktivitas tanaman, dan penerapan pupuk yang mengandung sulfat terbukti bermanfaat. Senyawa belerang juga dapat dikaitkan dengan kerusakan lingkungan yang penting, seperti ketika belerang dioksida merusak vegetasi, atau ketika drainase asam yang terkait dengan mineral sulfida merusak ekosistem.
Belerang (S) dapat terjadi dalam berbagai bentuk kimia di lingkungan. Ini termasuk bentuk organik dan mineral, yang dapat diubah secara kimia melalui proses biologis dan anorganik. Belerang dioksida adalah gas yang dapat menjadi racun bagi tumbuhan pada konsentrasi yang jauh lebih kecil dari satu bagian per juta di atmosfer, dan bagi hewan pada konsentrasi yang lebih besar.
Ada banyak sumber alami emisi SO2 ke atmosfer, seperti letusan gunung berapi dan kebakaran hutan. Emisi SO2 yang besar juga terkait dengan aktivitas manusia, terutama pembakaran batu bara dan pengolahan bijih logam tertentu.
Di atmosfer, SO2 dioksidasi menjadi sulfat, anion yang terjadi sebagai partikulat kecil di mana muatan negatif diseimbangkan secara elektrokimia oleh muatan positif kation, seperti amonium (NH + 4), kalsium (Ca 2+ ), atau ion hidrogen (H + ). Partikulat halus ini dapat berfungsi sebagai inti kondensasi untuk pembentukan kristal es, yang dapat mengendap dari atmosfer.
Bahan dasar terpenting kehidupan adalah air, salah satu jive panchabltutas. Ini dalam persediaan terbatas. Bentuk-bentuk kehidupan di wilayah terestrial bergantung pada air yang bebas dari garam-‘air tawar. Karena panas matahari, air menguap dari lautan dan naik sebagai uap air, dan saat bergerak melintasi wilayah daratan, mencapai ketinggian yang cukup tinggi, uap tersebut mendingin untuk mengendap sebagai air atau salju. Dari perkiraan total air di bumi dan atmosfernya.
