Siklus Biogeokimia

 Siklus Biogeokimia

Daur Biogeokimia adalah daur ulang air dan komponen-komponen kimia (unsur kimia) yang melibatkan peran serta dari makhluk hidup termasuk manusia dan bebatuan/geofisik. Daur Biogeokimia memiliki peranan yang sangat penting bagi kehidupan manusia. Yang termasuk daur biogeokima antara lain :

·         Daur karbon

·         Daur Nitrogen

·         Daur Belerang/Sulfur

·         Daur Hidrogen/air

·         Daur Oksigen

·         Daur Fosfor

1.Daur 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.

    Siklus karbon ini terjadi dimana karbon dipertukarkan antara biosfer, geosfer, hidrosfer, dan atmosfer bumi (dimana objek astronomi lainnya bisa jadi memiliki siklus karbon yang hampir sama, meskipun hingga kini belum diketahui).

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

1)             Melalui proses fotosintesis

Dalam proses ini dimana matahari bersinar, tumbuhan akan melakukan fotosintesis untuk mengubah karbondioksida menjadi karbohidrat kemudian melepaskannya ke atmosfer.

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 iru akan terbawa oleh sirkulasi termohalin yang membawa masa air dipermukaan yang lebih berat menuju kedalam laut.

3)             Melalui pelapukan batu silikat

Pelapukan batuan silikat ini tidak memilki efek yang terlalu besar terhadap karbondioksida pada atmosfer, karena ion karbonat pada atmosfer yang terbentuk dan terbawa oleh air laut selanjutnya akan dipakai untuk membuat karbonat laut.

Karbon dapat kembali lagi ke atmosfer dengan berbagai cara, antara lain:

1)             Melalui respirasi tumbuhan, dan binatang.

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

2)             Melalui pembusukan tumbuhan, dan binatang.

Jamur, bakteri akan menguraikan senyawa karbon pada tumbuhan dan binatang yang mati, kemudian mengubah karbon menjadi karbondioksida jika tersedia oksigen atau menjadi metana jika tidak tersedia oksigen.

3)             Melalui pembakaran material organik.

Mengoksidasi karbon yang terkandung pada material organik menjadi karbondioksida. Pembakaran bahan fosil seperti batu bara, minyak bumi, dan gas alam akan melepaskan karbon yang tersimpan di dalam geosfer, sehingga kadar karbondioksida di atmosfer semakin bertambah.

4)             Melalui produksi semen.

Komponen semen yaitu kapur atau kalium oksida dihasilkannya dengan cara memanaskan batu kapur yang menghasilkan karbondioksida dalam jumlah banyak.

5)             Melalui erupsi vulkanik.

Jadi erupsi vulkanik itu akan melepaskan gas ke atmosfer. Gas-gas tersebut termasuk uap air, karbon dioksida, dan belerang. Jumlah karbondioksida yang terlepas di atmosfer itu sama dengan karbondioksida yang hilang di atmosfer akibat pelapukan batuan silikat.

6)             Melalui pemanasan permukaan laut.

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

2.   Daur Nitrogen

Nitrogen terdapat di dalam bentuk senyawa organik (urea, protein, dan asam nukleat) atau sebagai senyawa anorganik (amonia, nitrit, dan nitrat). Tumbuhan dan hewan membutuhkan nitrogen (tdidak dalam bentuk gas) untuk membuat protein. Nitrogen di udara ada kurang lebih sebanyak 80%. Tumbuhan dapat menyerap nitrogen dalam bentuk senyawa nitrit atau nitrat. Pertama, daur nitrogen adalah transfer nitrogen dari atmosfer ke dalam tanah. Selain air hujan yang membawa sejumlah nitrogen, penambahan nitrogen ke dalam tanah terjadi melalui proses fiksasi nitrogen yang dapat dilakukan oleh bakteri, hal itu dapat mengikat nitrogen seperti bakteri rhizobium dan azetobacter. Selain itu, ganggang hijau-biru dalam air juga memiliki kemampuan memfiksasi nitrogen. Kedua, nitrat yang dihasilkan oleh fiksasi biologis digunakan oleh produsen (tumbuhan) diubah menjadi molekul protein. Kemudian, jika tumbuhan atau hewan mati, makhluk pengurai merombaknya menjadi gas amoniak dan garam amonium yang larut dalam air. Proses ini disebut dengan amonifikasi. Selanjutnya adalah proses nitrifikasi. Bakteri nitrifikasi (Nitrosomonas) mengubah amoniak dan senyawa amonium menjadi nitrat oleh bakteri nitfrifikasi lainnya (Nitrobacter). Apabila oksigen dalam tanah terbatas, nitrat dengan cepat ditransformasikan menjadi gas nitrogen atau oksida nitrogen oleh proses yang d2isebut denitrifikasi.

3. Daur / Siklus Sulfur (Belerang)

Secara alami, sulfur/belerang terkandung dalam tanah berbentuk mineral tanah. Dan juga Sulfur terdapat dalam bentuk sulfat anorganik. Sulfur direduksi oleh bakteri menjadi sulfida dan kadang-kadang terdapat dalam bentuk sulfur dioksida atau hidrogen sulfida. Dalam proses aerobik tumbuhan mendapat sulfur dari dalam tanah dalam bentuk sulfat (SO₄). Selanjutnya tumbuhan tersebut dimakan hewan sehingga sulfur berpindah ke hewan. kemudian hewan dan tumbuhan mati lalu bangkai hewan dan tumbuhan itu diuraikan menjadi gas H₂S atau menjadi sulfat lagi.

Setiap daur melibatkan unsur organisme untuk membantu menguraikan senyawa-senyawa menjadi suatu unsur. Dalam daur sulfur/belerang misalnya, mikroorganisme yang bertanggung jawab dalam setiap transformasi 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 silfide aerobik); bakteri thiobacilli.

4)      S organik      ->       SO₄ + H₂S, masing-masing mikroorganisme heterotrof 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.

4.    Daur Oksigen

Daur Oksigen dimulai dari tumbuhan, melalui proses fotosintesis tumbuhan menghasilkan O₂. Makhluk hidup menggunakan O₂ (respirasi) untuk memecah senyawa organik di dalam tubuh menjadi energi. Di dalam air oksigen tersedia dalam bentuk DO (dissolved Oksigen = oksigen terlarut). Organisme air menggunakan DO untuk bernafas. DO terbentuk oleh gerakan permukaan air yang bersinggungan dengan oksigen bebas di udara. Hasil dari proses respirasi sel adalah senyawa karbon CO₂ yang akan diikat oleh tumbuhan untuk menyusun zat-zat organik dan menghasilkan O₂ melalui fotosintesis.

Di dalam air, respirasi organisme air menghasilkan senyawa bikarbonat yaitu senyawa yang terbentuk dari reaksi CO₂ dan asam karbonat di dalam air. Bikarbonat merupakan sumber karbon bagi organisme autotrof air untuk melakukan fotosintesis.

5. Daur posfor

Gambar 4. Daur Fosfor

     Daur/siklus fosfor adalah proses yang tidak pernah berhenti mengenai perjalanan fosfor dari lingkungan abiotik hingga dimanfaatkan dalam proses biologis. Berbeda dengan daur hidrologi, daur karbon, dan daur nitrogen, daur fosfor tidak melalui komponen atmosfer. Fosfor terdapat di alam dalam bentuk ion fosfat (fosfor yang berikatan dengan oksigen:  H₂PO₄^- dan HPO₄^2-). Ion fosfat banyak terdapat dalam bebatuan. Pengikisan dan pelapukan batuan membuat fosfat larut dan terbawa menuju sungai sampai laut sehingga membentuk sedimen. Sedimen ini muncul kembali ke permukaan karena adanya pergerakan dasar bumi. 

Ion fosfat dapat memasuki air tanah sehingga tumbuhan dapat mengambil fosfat yang terlarut melalui absorbsi yang dilakukan oleh akar. Dalam proses rantai makanan, Herbivora mendapatkan fosfat dari tumbuhan yang dimakannya. Selanjutnya karnivora mendapatkan fosfat dari herbivora yang dimakannya.

Fosfat dikeluarkan dari organisme melalui urin dan feses. Di sini para detrivor (bakteri dan jamur) mengurai bahan-bahan anorganik di dalam tanah, lalu melepaskan fosfor, kemudian diambil oleh tumbuhan atau mengendap. Daur fosfor mulai lagi dari sini.

6.Siklus Air (Siklus Hidrologi)

Air di permukaan bumi selalu mengalami perputaran. Jumlah air di bumi tetap dan selalu bergerak dalam peredarannya. Peredaran air ini disebut siklus hidrologi, siklus air atau daur hidrologi.

Siklus hidrologis dapat dibedakan menjadi tiga macam, yakni sebagai berikut:

1. Siklus pendek
Air laut menguap, terjadi kondensasi lalu menjadi awan dan akhirnya jatuh hujan dan kembali ke laut lagi.

2. Siklus menengah
Air laut menguap, terjadi kondensasi lalu dibawa angin ke daratan, membentuk awan, dan akhirnya jatuh menjadi hujan, masuk ke selokan, tanah, sungai, lalu kembali ke laut.

3. Siklus panjang
Air laut menguap menjadi gas kemudian membentuk kristal-kristal es di atas laut, kristal-kristal es tersebut dibawa angin ke daratan dan jatuh sebagai salju, membentuk gletser, mengalir ke sungai lalu kembali ke laut lagi.

Adapun unsur-unsur utama (komponen) yang terjadi dalam proses siklus hidrologi, adalah sebagai berikut:

1. Evaporasi, yaitu penguapan dari benda-benda abiotik dari air menjadi gas. 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, danau, sungai dan lahan yang basah, dan yang paling penting juga berasal dan transpirasi oleh daun tanaman yang hidup.

2. Transpirasi, yaitu pelepasan uap air dari tumbuhan melalui stomata atau mulut daun.

3. Evapotranspirasi, gabungan antara evaporasi dan transpirasi.

4. Kondensasi, proses berubahnya uap air menjadi embun, titik-titik air, salju dan es karena pendinginan.

5. Infiltrasi (Perkolasi), perembesan air ke dalam tanah melalui pori-pori tanah.

6. Aliran permukaan (run off) dan aliran bawah tanah (ground water). air dapat bergerak akibat aksi kapiler atau air dapat bergerak secara vertikal atau horizontal di bawah permukaan tanah hingga air tersebut memasuki kembali sistem air permukaan. Air permukaan, baik yang mengalir maupun yang tergenang (danau, waduk, rawa), dan sebagian air bawah permukaan akan terkumpul dan mengalir membentuk sungai dan berakhir ke laut.

7. Presipitasi, ketika titik-titik air, salju dan es di awan ukurannya semakin besar dan menjadi berat, mereka akan menjadi hujan. Presipitasi pada pembentukan hujan, salju, dan hujan batu (hail) berasal dan kumpulan awan. Awan-awan tersebut bergerak mengelilingi dunia, yang diatur oleh arus udara.Untuk lebih jelasnya terkait unsur utama pada siklus hidrologi dapat kita lihat pada gambar di bawah ini.