SIKLUS BIOGEOKIMIA

PENGERTIAN

Ekosistem merupakan kesatuan dari komponen-komponen biotik dan abiotik yang saling berinteraksi, sehingga terjadi hubungan timbal balik di dalamnya. Setiap komponen abiotik disintesis menjadi sebuah bahan organik di dalam tubuh komponen biotik. Materi abiotik yang merupakan unsur-unsur penyusun bahan organik di dalam tubuh suatu komponen biotik tidak hilang apabila komponen biotik tersebut mati, melainkan didaur-ulang kembali melalui beberapa proses reaksi biologis dan reaksi geo-fisik-kimia secara alamiah. Karena itulah maka proses ini disebut siklus biogeokimia atau biasa disebut juga siklus organik-anorganik.

Siklus biogeokimia yang terjadi di alam dapat berupa silkus hidrologi/air, siklus oksigen dan karbon, siklus nitrogen, dan siklus materi (mineral) yang berupa unsur-unsur hara.

SIKLUS HIDROLOGI

Air (H₂O) merupakan sumber daya terbatas, padahal air diperlukan mutlak untuk mendukung keterlanjutan kehidupan di bumi dan juga sangat penting bagi semua sektor sosio-ekonomi. Dari seluruh jumlah air yang ada di bumi sebanyak 1360 juta km³, hanya 0.3251%v yang bersifat tawar berupa air sungai, air danau, air tanah, dan air bumi sampai jeluk 800 m, sedangkan 97,2%v berupa air laut dan sisanya 2,15%v berada dalam bentuk selubung es dan gletser.

Salah satu fenomena yang berkaitan dengan air di seluruh bumi dan dipelajari dalam kajian ilmu pengetahuan adalah siklus hidrologi siklus hidrologi. Siklus hidrologi merupakan perputaran air di atmosfer dengan perubahan berbagai bentuk dan kembali pada bentuk awal. Hal ini menunjukkan bahwa volume air di permukaan bumi sifatnya tetap. Meskipun tetap dengan perubahan iklim dan cuaca mengakibatkan volume air dalam bentuk tertentu berubah, tetapi secara keseluruhan volume air adalah tetap. Siklus air secara alami berlangsung cukup panjang dan cukup lama. Sulit untuk menghitung secara tepat berapa lama air menjalani siklusnya, karena sangat tergantung pada kondisi geografis, pemanfaatan oleh manusia dan sejumlah faktor lain.

Siklus air atau siklus hidrologi melewati beberapa proses secara umum, yakni evaporasi, transpirasi, kondensasi dan presipitasi.

Evaporasi

Ketika air dipanaskan oleh sinar matahari, permukaan molekul-molekul air memiliki cukup energi untuk melepaskan ikatan molekul air tersebut dan kemudian terlepas dan mengembang sebagai uap air yang tidak terlihat di atmosfir.

Sekitar 95.000 mil kubik air menguap ke angkasa setiap tahunnya. Hampir 80.000 mil kubik menguapnya dari lautan. Hanya 15.000 mil kubik berasal dari daratan, seperti: danau, sungai, dan lahan yang basah lainnya.

Transpirasi (penguapan dari tumbuhan)

Uap air juga dikeluarkan dari daun-daun tumbuhan melalui sebuah proses yang dinamakan transpirasi. Setiap hari tanaman yang tumbuh secara aktif melepaskan uap air 5 sampai 10 kali dari banyak air yang dapat ditahannya.

Kondensasi

Ketika uap air menguap, melalui arus udara/angin awan-awan itu berkumpul di suatu tempat, lalu kemudian akibat tekanan udara terjadi peubahan suhu yang mengakibatkan awan tersebut berkondensasi atau menjadi jenuh air dan dapat turun sebagai hujan (Presipitasi)

Presipitasi

Presipitasi merupakan pembentukan hujan, salju dan hujan batu (hail), yang bergantung pada suhu di sekitarnya.

Gambar 1. Siklus Hidrologi

Pada perjalanan menuju bumi beberapa presipitasi dapat berevaporasi kembali ke atas atau langsung jatuh yang kemudian diintersepsi oleh tanaman sebelum mencapai tanah. Setelah mencapai tanah, siklus hidrologi terus bergerak secara kontinu dalam tiga cara yang berbeda:

·         Evaporasi/transpirasi - Air yang ada di laut, di daratan, di sungai, di tanaman, dsb. kemudian akan menguap ke angkasa (atmosfer) dan kemudian akan menjadi awan. Pada keadaan jenuh uap air (awan) itu akan menjadi bintik-bintik air yang selanjutnya akan turun (precipitation) dalam bentuk hujan, salju, es.

·         Infiltrasi/Perkolasi ke dalam tanah - Air bergerak ke dalam tanah melalui celah-celah dan pori-pori tanah dan batuan menuju muka air tanah. Air dapat bergerak akibat aksi kapiler atau air dapat bergerak secara vertikal atau horizontal dibawah permukaan tanah hingga air tersebut memasuki kembali sistem air permukaan.

·         Air Permukaan - Air bergerak diatas permukaan tanah dekat dengan aliran utama dan danau; makin landai lahan dan makin sedikit pori-pori tanah, maka aliran permukaan semakin besar. Aliran permukaan tanah dapat dilihat biasanya pada daerah urban. Sungai-sungai bergabung satu sama lain dan membentuk sungai utama yang membawa seluruh air permukaan disekitar daerah aliran sungai menuju laut.

Macam-Macam dan Tahapan Proses Siklus Hidrologi :

A.    Siklus Pendek / Siklus Kecil

1.      Air laut menguap menjadi uap gas karena panas matahari

2.      Terjadi kondensasi dan pembentukan awan

3.      Turun hujan di permukaan laut

B.     Siklus Sedang

1.      Air laut menguap menjadi uap gas karena panas matahari

2.      Terjadi kondensasi

3.      Uap bergerak oleh tiupan angin ke darat

4.      Pembentukan awan

5.      Turun hujan di permukaan daratan

6.      Air mengalir di sungai menuju laut kembali

C.     Siklus Panjang / Siklus Besar

1.      Air laut menguap menjadi uap gas karena panas matahari

2.      Uap air mengalami sublimasi

3.      Pembentukan awan yang mengandung kristal es

4.      Awan bergerak oleh tiupan angin ke darat

5.      Pembentukan awan

6.      Turun salju

7.      Pembentukan gletser

8.      Gletser mencair membentuk aliran sungai

9.      Air mengalir di sungai menuju darat dan kemudian ke laut

SIKLUS KARBON

Di atmosfer terdapat kandungan Karbon (C) sebanyak 0.03% dalam bentuk gas Karbon dioksida (CO₂). Karbon dioksida tidak mempunyai bentuk cair pada tekanan di bawah 5,1 atm namun langsung menjadi padat pada temperatur di bawah -78°C. Dalam bentuk padat, karbon dioksida umumnya disebut sebagai es kering. 

Dalam biosfer terdapat sekitar 1900GtC gas karbon dioksida dan oksigen. Karbon adalah bagian yang penting dalam menunjang kehidupan di bumi, karena karbon berperan dalam strutur biokimia dan nutrisi pada semua sel makhluk hidup. Proses-proses perpindahan karbon di biosfer sama dengan proses perpindahan karbon di atmosfer, karena semua proses yang terjadi di atmosfer harus melalui biosfer terlebih dahulu.  

Siklus karbon terjadi 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).

Gambar 2. Siklus Karbon

Karbon dapat diambil dari atmosfer dengan berbagai cara, antara lain:

1.            Melalui proses fotosintesis

Ketika matahari bersinar, tumbuhan melakukan fotosintesis untuk mengubah karbondioksida menjadi karbohidrat dan melepaskan oksigen ke atmosfer. Karbon pada proses ini akan banyak di serap oleh tumbuhan yang baru saja tumbuh atau pepohonan pada hutan yang sedang di reboisasi sehingga membutuhkan pertumbuhan yang cepat.

12H₂O + 6CO₂ + cahaya → C₆H₁₂O₆ (glukosa) + 6O₂ + 6H₂O

2.            Melalui sirkulasi termohalin

Pada permukaan laut di daerah kutub, air laut menjadi lebih dingin dan karbondioksida lebih mudah larut dalam air. Karbondioksida yang larut tersebut akan terbawa oleh sirkulasi termohalin yang membawa massa air di permukaan yang lebih berat menuju ke dalam laut. Di laut bagian atas, pada daerah yang poduktivitasnya tinggi organisme membentuk cangkang karbonat dengan bagian-bagian tubuh lainnya yang keras. Proses ini menyebabkan aliran karbon menuju ke bawah.

3.            Melalui pelapukan batu silikat

Proses ini tidak memindahkan karbon ke dalam reservoir yang siap untuk kembali ke atmosfer seperti dua proses sebelumnya. Pelapukan batuan silikat tidak memilki efek yang terlalu besar terhadap karbondioksida pada atmosfer karena ion karbonat pada atmosfer yang terbentuk terbawa oleh air laut dan selanjutnya akan dipakai untuk membuat karbonat laut.

Karbon dapat kembali lagi ke atmosfer dengan beragai cara pula antara lain:

1.            Melalui respirasi tumbuhan dan binatang

Proses ini merupakan reaksi eksotermik dan termasuk juga penguraian glukosa menjadi karbohidrat dan air.

2.            Melalui pembusukan, tumbuhan, dan binatang

Jamur dan bakteri menguraikan senyawa karbon pada tumbuhan dan binatang yang mati dan mengubah karbon menjadi karbon dioksida jika tersedia aksigen atau menjadi metana jika tidak tersedia oksigen

3.            Melalui pembakaran material organik

Proses ini berlangsung dengan cara mengoksidasi karbon yang terkandung pada material organik menjadi karbondioksida. Pembakaran bahan bakar fosil seperti batu bara, minyak bumi, dan gas alam akan melepaskan karbon yang tersimpan di dalam geosfer, sehingga menyebabkan kadar karbon dioksida di atmosfer semakin bertambah.

4.            Melalui produksi semen

Salah satu komponen semen yaitu kapur atau kalium oksida dihasilkan dengan cara memanaskan batu kapur yang akan menghasilkan karbon dioksida dalam jumlah banyak.

5.            Melalui erupsi vulkanik

Erupsi vulkanik atau ledakan gunung berapi akan melepasakan gas ke atmosfer. Gas-gas tersebut termasuk uap air, karbon dioksida, dan belerang. Jumlah karbon dioksida yang dilepas ke atmosfer hampir sama dengan jumlah karbon dioksida yang hilang dari atmosfer akibat pelapukan batuan silikat.

6.            Melalui pemanasan permukaan laut

Di permukaan laut, ketika air laut menjadi lebih hangat, karbon dioksida yang larut dalam air akan dilepas ke atmosfer sebagai uap air.

Lautan mengadung kolam aktif karbon terbesar dekat permukaan Bumi, namun demikian laut dalam bagian dari kolam ini mengalami pertukaran yang lambat dengan atmosfer. Laut mengandung sekitar 36000 GtC ion karbonat yang merupakan kandungan umum. Karbon anorganik, yaitu senyawa karbon tanpa ikatan karbon-karbon atau karbon-hidrogen, adalah penting dalam reaksi yang terjadi pada air. Di ekosistem air, pertukaran CO₂ dengan atmosfer berjalan secara tidak langsung. Karbon dioksida berikatan dengan air membentuk asam karbonat yang akan terurai menjadi ion bikarbonat. Bikarbonat adalah sumber karbon bagi alga yang memproduksi makanan untuk diri mereka sendiri dan organisme heterotrof lain. Sebaliknya, saat organisme air berespirasi, COz yang mereka keluarkan menjadi bikarbonat. Jumlah bikarbonat dalam air adalah seimbang dengan jumlah CO₂ di air.

Proses pertukaran karbon antara atmosfer dengan lautan diawali dengan pelepasan karbon ke atmosfer yang terjadi di daerah upwelling (lautan bagian atas), kemudian pada daerah downwelling (laut bagian bawah), karbon berpindah dari atmosfer kembali ke lautan. Pada saat CO₂ memasuki lautan, asam karbonat terbentuk dengan reaksi kimia:

CO₂ + H₂O → H₂CO₃

Reaksi tersebut memiliki sifat dua arah  untuk mencapai suatu kesetimbangan kimia. Reaksi lain yang penting dalam mengontrol nilai pH larutan adalah pelepasan ion hidrogen dan bikarbonat, dimana dapat menyebabkan perubahan yang besar pada pH, yaitu:

H₂CO₃ H⁺ + HCO₃^-

Terdapat lebih banyak persenyawaan karbon yang dikenal daripada persenyawaan unsur lain kecuali hidrogen. Kebanyakan dikenal sebagai zat-zat kimia organik. Keistimewaan karbon yang unik adalah kecenderungannya secara alamiah mengikat dirinya sendiri dalam rantai-rantai atau cincin-cincin, tidak hanya dengan ikatan tunggal, C-C, tetapi juga mengandung ikatan ganda, C=C atau C≡C. 

SIKLUS OKSIGEN

Semua kelompok molekul struktural yang terdapat pada organisme hidup, seperti protein, karbohidrat dan lemak, mengandung oksigen. Demikian pula senyawa anorganik yang terdapat pada cangkang, gigi dan tulang hewan. Oksigen dalam bentuk O₂ digunakan pada respirasi sel oleh hampir semua makhluk hidup.

Gas oksigen menduduki 21,0% volume dan 23,1% massa (sekitar 10¹⁵ ton) atmosfer. Bumi memiliki ketidaklaziman pada atmosfernya dibandingkan planet-planet lainnya dalam sistem tata surya karena ia memiliki konsentrasi gas oksigen yang tinggi di atmosfernya. Namun, O₂ yang berada di planet-planet selain bumi hanya dihasilkan dari radiasi ultraviolet yang menimpa molekul-molekul beratom oksigen, misalnya karbon dioksida. Konsentrasi gas oksigen di Bumi yang tidak lazim ini merupakan akibat dari siklus oksigen. Siklus biogeokimia ini menjelaskan pergerakan oksigen di dalam dan di antara tiga reservoir utama bumi: atmosfer, biosfer dan litosfer.

Gambar 3. Siklus Oksigen

Faktor utama yang mendorong siklus oksigen ini adalah fotosintesis. Fotosintesis melepaskan oksigen ke atmosfer, manakala respirasi dan proses pembusukan menghilangkannya dari atmosfer. Dalam keadaan kesetimbangan, laju produksi dan konsumsi oksigen adalah sekitar 1/2000 keseluruhan oksigen yang ada di atmosfer setiap tahunnya.

Oksigen bebas juga terdapat dalam air sebagai larutan. Peningkatan kelarutan O₂ pada temperatur yang rendah memiliki implikasi yang besar pada kehidupan laut. Lautan di sekitar kutub bumi dapat menyokong kehidupan laut yang lebih banyak oleh karena kandungan oksigen yang lebih tinggi. Air yang terkena polusi dapat mengurangi jumlah O₂ dalam air tersebut. Para ilmuwan menaksir kualitas air dengan mengukur kebutuhan oksigen biologis atau jumlah O₂ yang diperlukan untuk mengembalikan konsentrasi oksigen dalam air itu seperti semula.

Oksigen secara cepat bersenyawa, membentuk oksida-oksida, seperti dengan karbon dalam respirasi aerobik atau dengan karbon dan hidrogen dalam perubahan bahan bakar fosil seperti dengan metana.

CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂

Suatu aspek yang sangat penting dari siklus di stratosfer yaitu proses pembentukan ozon, O₃. Ozon membentuk lapisan tipis di stratosfer yang berfungsi sebagai filter dari radiasi ultraviolet, dengan demikian dapat menjaga kehidupan di bumi dari kerusakan yang disebabkan oleh radiasi tersebut.

Siklus Oksigen disempurnakan atau diakhiri ketika unsur Oksigen masuk kembali ke atmosfer dalam bentuk gas. Hanya ada satu cara yang signifikan dimana hal tersebut terjadi, yaitu melalui fotosintesis yang dilakukan oleh tumbuhan.

SIKLUS NITROGEN

Nitrogen merupakan unsur terbesar yang terdapat di atmosfer, yaitu ±78% dari udara. Nitrogen di alam umumnya berupa gas terutama dalam bentuk sebagai dinitrogen (N₂) dan dalam jaringan tubuh organisme dalam bentuk asam amino dan asam nukleat. Dalam proses kehidupan, tumbuhan sebagai produsen hanya mampu menyerap nitrogen dalam bentuk ion nitrit (NO₃^-) dan amonium (NH₄⁺) dari tanah. Nitrogen bebas dapat ditambat/difiksasi terutama oleh bakteri (contoh:Marsiella crenatta) yang terdapat pada akar tumbuhan legum, selain itu dapat juga dilakukan oleh beberapa jenis bakteri (Azotobacter sp. yang bersifat aerob dan Clostridium sp. yang bersifat anaerob. Nostoc sp. dan Anabaena sp. (ganggang biru) juga mampu menambat nitrogen).

Nitrogen yang diikat biasanya akan dirubah ke dalam bentuk amonia. Amonia diperoleh dari hasil penguraian jaringan yang mati oleh bakteri. Amonia ini akan dinitrifikasi oleh bakteri nitrit, yaitu Nitrosomonas dan Nitrosococcus sehingga menghasilkan nitrat yang akan diserap oleh akar tumbuhan. Selanjutnya oleh bakteri denitrifikan, nitrat diubah menjadi amonia kembali, dan amonia diubah menjadi nitrogen yang dilepaskan ke udara. Dengan cara ini siklus nitrogen akan berulang dalam ekosistem.

Nitrogen bebas di udara dalam bentuk N₂ dapat dioksidasi oleh karena pengaruh suhu saat terjadinya proses presipitasi menjadi nitrit (NO₃^-) ataupun amonium (NH₄⁺) dan kemudian turun sebagai air hujan.

Gambar 4. Siklus Nitrogen

SIKLUS FOSFOR

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 dekomposer (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.

Siklus fosfor, bersifat kritis karena fosfor secara umum merupakan hara yang terbatas dalam ekosistem. Tidak ada bentuk gas dari fosfor yang stabil, oleh karena itu siklus fosfor adalah “endogenik”. Dalam geosfer, fosfor terdapat dalam jumlah besar dalam mineral-mineral yang sedikit sekali larut seperti hidroksiapilit, garam kalsium. Adapun gambar dari siklus fosfor adalah sebagai berikut:

Gambar 5. Siklus Fosfor

      Fosfor terlarut dari mineral-mineral fosfat dan sumber-sumber lainnya, diserap oleh tanaman dan tergabung dalam asam nukleat yang menyusun material genetik dalam organisme. Mineralisasi dari biomassa oleh pembusukan/penguraian mikroba mengembalikan fosfor kepada larutan garamnya yang kemudian dapat mengendap sebagai bahan mineral. Sejumlah besar dari mineral-mineral fosfat digunakan sebagai bahan pupuk, industry kimia, dan “food additives”. Fosfor merupakan salah satu komponen dari senyawa-senyawa sangat toksik, terutama insektisida organofosfat.

SIKLUS BELERANG

Secara alami, belerang/sulfur terkandung dalam tanah dalam bentuk mineral tanah. Ada juga yang berasal dari gunung berapi dan sisa pembakaran minyak bumi dan batubara. Sulfur direduksi oleh bakteri menjadi sulfida dan kadang-kadang terdapat dalam bentuk sulfur dioksida atau hidrogen sulfida. Dan melalui proses aerobik tumbuhan mendapat sulfur dari dalam tanah dalam bentuk sulfat (SO₄ ). Kemudian tumbuhan tersebut dimakan hewan sehingga sulfur berpindah ke hewan. Lalu hewan dan tumbuhan mati diuraikan menjadi gas H₂S atau menjadi sulfat lagi.

Gambar 6. Siklus Belerang

Setiap daur melibatkan unsur organisme untuk membantu menguraikan senyawa-senyawa menjadi unsur-unsur. Dalam daur belerang misalnya, mikroorganisme yang bertanggung jawab dalam setiap trasformasi adalah sebagai berikut :

1.      H₂S → S → SO₄; bakteri sulfur tak berwarna, hijau dan ungu.

2.      SO₄ → H₂S (reduksi sulfat anaerobik), bakteri desulfovibrio.

3.      H₂S → SO₄ (Pengokaidasi sulfide aerobik); bakteri thiobacilli.

4.      S organik → SO₄ + H₂S, masing-masing mikroorganisme heterotrofik  aerobik dan anaerobik.

Selain itu ada beberapa jenis bakteri terlibat dalam daur sulfur, antara lain Desulfomaculum dan Desulfibro yang akan mereduksi sulfat menjadi sulfida dalam bentuk hidrogen sulfida (H₂S). Kemudian H₂S digunakan bakteri fotoautotrof aerob seperti Chromatium dan melepaskan sulfur dan oksigen. Sulfur dioksida menjadi sulfat oleh bakteri kemolitotrof seperti Thiobacillus.