DAUR BIOGEOKIMIA

Daur biogeokimia : pergerakan dan perubahan materi oleh aktivitas biogeokimiawi dalam ekosfer, pergerakannya secara siklis.

Semua organisme hidup berperan dalam daur ini Mikroorganisme memiliki peran yang sangat

penting dalam siklus ini karena : Penyebarannya luas Memiliki kemampuan metabolisme bervariasi Kecepatan aktivitas enzim tinggi

Daur biogeokimia juga melibatkan transformasi secara : Fisika : misalnya pelarutan, pengendapan,

penguapan, dan penambatan Kimia : misalnya biosintesis, biodegradasi, dan

oksidasi-reduksi Kombinasi cara fisika dan kima

Daur biogeokimia dikendalikan oleh energi radiasi dari matahari. Energi matahari diserap, diubah, disimpan dan dikeluarkan, dengan demikian energi mengalir dalam ekosistem

Berbagai macam unsur mengalami daur biogeokimia

Unsur-unsur utama penyusun organisme hidup (C, H, N, O, P, S) mengalami daur paling aktif

Unsur yang sedikit dibutuhkan (Mg, K, Na dan Halogen) serta unsur trace (B, Co, Cr, Cu, Mo, Ni, Se, Sn, V dan Mn) mengalami daur yang kurang aktif dibanding dengan unsur-unsur utama

Perkecualian adalah unsur Fe dan Mn, meskipun sedikit dibutuhkan (minor) tetapi siklusnya aktif karena bersifat sangat oksidoreduktif serta Ca dan Si siklusnya aktif karena merupakan penyusun protoplasma, eksoskeleton dan endoskeleton

Unsur-unsur yang bersifat toksik dan tidak esensial dapat juga mengalami daur misalnya merkuri dan arsen

Reservoir (pool): berbagai bentuk kimia dari unsur tertentu

Reservoir global suatu unsur cenderung stabil dalam ukuran sejarah hidup manusia, tetapi berubah dalam ukuran sejarah geologis

Ukuran reservoir berbeda-beda. Reservoir berukuran kecil mudah mengalami gangguan

Kecepatan perpindahan unsur antar reservoir bervariasi dan berlangsung dengan peran enzim

Reservoir karbon paling aktif adalah CO2 atmosfer yang merupakan bagian 0,034 % atmosfer

Karbon anorganik terlarut dalam bentuk CO2, H2CO3, HCO3

- dan CO32- di permukaan air laut

berada dalam keadaan setimbang denga CO2 atmosfer

Dasar laut merupakan reservoir karbon yang sangat besar, lebih besar dari pada atmosfer dan permukaan laut, dan hanya akan mencapai kesetimbangan bila ada pertukaran air vertikal

Organisme hidup maupun yang sudah mati merupakan reservoir aktif, sedangkan bahan bakar fosil dan sedimen merupakan reservoir tidak aktif

Fiksasi CO2 untuk membentuk senyawa organik dilakukan oleh organisme autotrof yaitu tumbuhan hijau, mikroorganisme fotosintetik dan khemolitotrof

Di terestrial maupun lautan, proses peruraian bahan organik terutama dilakukan oleh mikroorganisme heterotrof dan seringkali bekerjasama dengan makroorganisme heterotrof

Di lingkungan aerob dapat terjadi kerjasama antara makroorganisme dan mikroorganisme dalam peruraian nutrien organik sederhana dan biopolimer seperti pati, pektin, protein dll

Di lingkungan anaerob mikroorganisme melakukan peruraian bahan organik secara anaerob yaitu secara fermentasi

Salah satu bagian dari daur C adalah degradasi polimer tumbuhan Tumbuhan berperan dalam menghasilkan bahan organik tanah Mikroorganisme berperan dalam transformasi polimer tumbuhan yang ada dalam tanah CO2 dapat kembali ke atmosfer Terbentuk humus dan materi yang lebih sederhana yang dapat dimanfaatkan oleh populasi yang lain

Reservoir global terbesar dari hidrogen adalah air Reservoir hidrogen aktif oleh adanya fotosintesis

dan respirasi Karena air merupakan reservoir berukuran besar,

kecepatan perputarannya agak rendah Organisme hidup dan mati merupakan reservoir

yang kecil dan aktif Reservoir tidak aktif dari hidrogen misalnya air

yang terikat di dalam batuan, es di kutub dan hidrokarbon dalam fosil

Hidrogen sebagai gas bebas (H2) dapat dihasilkan melalui fermentasi dan penambatan N2 udara oleh sianobakteri dan asosiasi Rhizobium-Legum

N2 + 8 H+ + 8 e− → 2 NH3 + H2

Gas hidrogen (H2) dapat diubah menjadi NH2 atau H2S, atau CH4

Reservoir oksigen yang aktif dan dominan adalah O2 atmosfer serta O2, CO2 dan H2O di perairan

Oksigen dalam organisme (bahan organik) hidup maupun mati merupakan reservoir yang kecil dan aktif

Oksigen atmosfer dihasilkan melalui fotosintesis dan diambil dari udara untuk respirasi

Ada tidaknya oksigen di suatu habitat sangat penting karena menentukan tipe aktivitas metabolisme (aerob, anaerob, fakultatif)

Di beberapa habitat, penggunaan oksigen oleh mikroorganisme selama melakukan biodegradasi senyawa organik menyebabkan habitat menjadi anoksik

Di sedimen lautan dan tanah tergenang, molekul oksigen seringkali sangat rendah konsentrasinya karena digunakan untuk dekomposisi dan difusi oksigen dari atas atau tempat lain berjalan lambat

Di atmosfer bagian atas, radiasi pengion mengubah O2 menjadi O3 (ozon)

Nitrogen merupakan penyusun asam amino, asam nukleat, gula amino dan polimer-polimernya

Nitrogen memiliki beberapa valensi, berkisar dari - 3 (NH3) sampai +5 (NO3

-)

Reservoir nitrogen yang besar dan daurnya lambat adalah N2 gas di atmosfer

Batu dan sedimen merupakan reservoir besar tetapi tidak dalam bentuk tersedia

Ketersediaan nitrogen merupakan faktor pembatas penting untuk produksi primer di banyak ekosistem

Garam nitrogen anorganik, amonium, nitrit dan nitrat sangat larut dalam air dan terdistribusi dalam ekosfer, merupakan reservoir yang kecil dan aktif

Bahan organik hidup dan mati merupakan reservoir aktif

Di iklim sedang, bahan organik stabil (humus) merupakan reservoir nitrogen yang stabil

Nitrogen humus dapat menjadi tersedia bagi organisme hidup bila mengalami mineralisasi → di daerah tropis cepat

Tumbuhan, hewan dan mikroorganisme membutuhkan nitrogen, tetapi kemampuan untuk menambat nitrogen dari udara hanya dimiliki oleh beberapa bakteri secara simbiotik maupun nonsimbiotik

DNRA: dissimilatory nitrate reduction to ammonium, Annamox: anaerobic ammonium oxidation , PON: particulate organic nitrogen

Enzim yang berperan aktif dalam penambatan nitrogen adalah nitrogenase

Aktivitas nitrogenase sensitif terhadap oksigen dan membutuhkan tekanan oksigen rendah untuk aktivitasnya

Penambatan nitrogen dapat dilakukan oleh bakteri yang hidup bebas, bakteri yang hidup di rhizosfer, dan bakteri yang bersimbiosis mutualisme dengan tumbuhan

Penambatan nitrogen pada umumnya terjadi sebagai respon terhadap rendah atau terbatasnya ketersediaan amonia tanah

PENAMBATAN MOLEKUL NITROGEN

Proses pembentukan amonia/amonium dari nitrogen organik

Di lingkungan basah yang asam sampai netral, amonia sebagai ion amonium

Di lingkungan alkali, amonia dapat dikeluarkan ke lingkungan

Ion amonium dapat diasimilasi oleh tumbuhan dan mikroorganisme untuk membentuk asam amino dan senyawa-senyawa lain

Amonia atau ion amonium dioksidasi menjadi nitrit dan nitrit dioksidasi menjadi nitrat, merupakan satu rangkaian proses nitrifikasi. Reaksi sbb : NH4+ + 1½ O2 NO2

- + 2H+ + 2 H2O

NO2- + ½ O2 NO3

-

Proses ini terutama dilakukan oleh bakteri autotrof Untuk oksidasi amonium menjadi nitrit, bakteri yang

berperan secara dominan dari genus Nitrosomonas Untuk oksidasi nitrit menjadi nitrat, genus yang berperan

secara dominan Nitrobacter Tumbuhan dapat menyerap nitrat (NO3

-) dari tanah melalui akar dan mengasimilasikannya menjadi senyawa organik.

Ion nitrat dapat diubah oleh beberapa jenis organisme menjadi bahan organik melalui reduksi nitrat asimilatif

Beberapa mikroorganisme dari golongan bakteri, fungi dan alga dapat melakukan reduksi nitrat asimilatif

Proses reduksi nitrat melibatkan beberapa sistem enzim misalnya nitrat reduktase dan nitrit reduktase

Proses ini dihambat oleh adanya amonia dan bahan organik nitrogen yang tereduksi, tetapi tidak dihambat oleh oksigen

Bila lingkungan tanpa oksigen, nitrat dapat berperan sebagai akseptor elektron , prosesnya disebut respirasi nitrat atau reduksi nitrat disimilatif

Dalam proses ini nitrat diubah menjadi produk tereduksi

Reduksi nitrat disimilatif Dalam denitrifikasi terjadi reaksi :

NO3- NO2

- NO N2O N2

Tidak dihambat oleh adanya amonia di lingkungan, oksidasi tetapi dihambat oleh oksigen

Mikroorganisme yang berperan dalam denitrifikasi misalnya Paracoccus denitrificans, Thiobacillus denitrificans, Pseudomonas, Alcaligenes

Sulfur memiliki valensi yang stabil, -2 sampai +6 Sulfur tersedia cukup di alam sehingga jarang menjadi

faktor pembatas Aliran lahar dan gunung meletus menyebabkan sulfur

masuk ke ekosfer Sulfat di laut merupakan reservoir yang besar dengan

siklus lambat Reservoir sulfur yang inert dan besar misalnya sulfida

logam di batuan, endapan sulfur dan bahan bakar fosil Bahan organik dari organisme hidup atau mati

merupakan reservoir sulfur yang kecil dan bersiklus cepat

Aktivitas manusia misalnya pemboran tambang dan pembakaran bahan bakar fosil memobilisasi bagian dari reservoir inert

Tumbuhan, alga dan banyak mikroorganisme heterotrof mengasimilasi sulfur dalam bentuk sulfat yang direduksi menjadi sulfida membentuk gugus –SH

Bagi sebagian besar mikroorganisme, sulfida bersifat toksis sehingga pada waktu asimilasi, setelah membentuk sulfida segera diubah menjadi bentuk yang tidak toksik

Dekomposisi organosulfur di tanah dan sedimen menghasilkan merkaptan dan H2S

Dalam keadaan ada oksigen, dapat terjadi reaksi oksidasi :

H2S + ½ O2 S0 + H2O ∆G’ = - 50,1 kcal/mol

Reaksi ini dapat dilakukan oleh bakteri khemolitrotof Beggiatoa, Thioplaca, Thiothrix, dan oleh bakteri termofil Thermothrix

Dari reaksi ini, S0 yang dihasilkan disimpan dalam sel Dalam keadaan tidak ada H2S (habis), S0 dalam sel akan

dioksidasi perlahan-lahan menjadi sulfat dengan reaksi sbb :

S0 + 1 ½ O2 + H2O H2SO4 ∆G’ = - 149,8 kcal/mol

Beberapa spesies misalnya Thiobacillus thioparus, memiliki toleransi rendah terhadap asam sehingga S0 tidak dioksidasi menjadi sulfat

Desulforomonas acetoxidans tumbuh dengan substrat asetat, secara anaerob mereduksi S0 menjadi H2S . Reaksi sbb :

CH3COOH +2H2O+4 S02CO2+4H2S ∆G’ = - 5,7 kcal/mol

Reduksi sulfat anaerob:

4 H2+SO42- → HS-+4H2O

Reaksi reduksi sulfat anaerob dapat juga dilakukan oleh Desulfovibrio, Desulfotomaculum, Desulfobacter dll.

Oksidasi sulfur dapat menghasilkan asam, dalam tanah dapat berguna meningkatkan kelarutan fosfor, selain itu berguna untuk pengaturan pH tanah.

Reduksi SO42- menghasilkan H2S di tanah

tergenang dapat menyebabkan matinya nematoda dan hewan-hewan lain di habitat tersebut.

H2S bersifat antimikroba, dapat mempengaruhi populasi mikroba di lingkungannya

H2S toksik terhadap tanaman

Ketersediaan fosfor di alam sering terbatas karena unsur ini cenderung bereaksi dengan Ca2+, Mg2+ dan Fe3+ sehingga terendapkan pada pH netral dan alkali

Laut dan sedimen merupakan reservoir fosfat yang besar dengan siklus lambat.

Reservoir fosfat yang kecil dengan siklus aktif misalnya fosfat terlarut di tanah dan air serta fosfat di dalam bahan organik dari organisme hidup ataupun mati

Batuan fosfat merupakan reservoir inert Fosfor merupakan elemen esensial dalam sistem

hidup, sebagai penyusun asam nukleat, ATP dan fosfolipid membran.

Transformasi fosfor oleh mikroorganisme pada umumnya terjadi dari bentuk anorganik menjadi bentuk organik atau sebaliknya.

Selama transformasi pada umumnya tidak terjadi reaksi reduksi oksidasi

Mikroorganisme heterotrof pelarut fosfat menghasilkan asam-asam organik yang menyebabkan fosfat dapat larut.

Mikroorganisme khemolitotrof melarutkan fosfat dengan jalan menghasilkan asam nitrat (misalnya Nitrosomonas) dan asam sulfat (misalnya Thiobacillus).

Tumbuhan dan mikroorganisme dapat menyerap fosfat anorganik terlarut dan mengasimilasinya menjadi fosfat organik.

Sebaliknya dapat terjadi mineralisasi fosfat organik yang dikatalisir oleh enzim fosfatase.

Banyak jenis mikroorganisme mampu menghasilkan enzim fosfatase.

Di lingkungan akuatik, konsentrasi fosfat berfluktuasi dan berhubungan dengan alga/cyanobacteria bloom dan eutrofikasi.

Phosphorus Cycle.

Biological importance: Phosphorus is a

component of nucleic acids, phospholipids, as well as bones and teeth. Forms available to life:

Inorganic phosphate (PO4

3-) is absorbed by plants.

Reservoirs: The largest reservoirs are in

sedimentary rocks. Key processes:

Weathering of rocks adds phosphorus to soil; some leaches into groundwater

and soil and find its way to sea.