PROSES NITRFIKASI DI LINGKUNGAN LAUT (I)

BAB VI

PROSES NITRFIKASI DI LINGKUNGAN LAUT

1.Pengantar.

            Dalam modul ini akan dibahas tentang peranan bakteri dalam lingkungan laut. Pada proses pengoksidasian ammonia menjadi nitrit dan nitrat, yang merupakan proses yang mengambil peran penting pada siklus nitrogen di lingkungan laut, secara terinci pembahasan tersebut akan mencakup :

- Proses Nitrifikasi di lingkungan laut.

- Fungsi Nitrifikasi

- Metoda yang digunakan pengukuran proses Nitrifikasi

            Pemahaman materi dalam modul ini bermanfaat untuk melengkapi pengetahuan anda tentang mikroba di lingkungan laut, Bagaimana peranan mikroba pada proses nitrifikasi, metoda yang digunakan.

2.Tujuan Instruksional Umum

Setelah mempelajari modul ini mahasiswa diharapkan bisa memahami mikroba di lingkungan laut.

3.Tujuan Instruksional khusus.

Setelah menyelesaikan modul ini mahasiswa diharapkan mampu untuk :

- Proses Nitrifikasi di lingkungan laut.

- Fungsi Nitrifikasi

- Metoda yang digunakan pengukuran proses Nitrifikasi

4 Kegiatan Belajar 9

4.1 Uraian dan Contoh.

PROSES NITRIFIKASI DI LINGKUNGAN LAUT.

4.1.1 Pendahuluan

      Semua makhluk hidup memerlukan berbagai materi organik dan anorganik. Karbon dioksida dan air diperlukan untuk proses fotosintesis. Nitrogen adalah komponen penyusun protein dan asam inti yang ditemukan didalam jaringan hidup

      Fenomena alam, menyatakan bahwa atmosfir terdiri dari 79% Nitrogen (berdasarkan volume) sebagai gas padat N₂. Namun meskipun demikian, penyediaan makanan untuk kehidupan manusia dan hewan-hewan lainnya lebih dibatasi oleh nitrogen daripada unsur-unsur lainnya. Sebagai gas padat, N₂ tidak bereaksi dengan unsur-unsur lainnya untuk menghasilkan suatu bentuk nitrogen yang dapat digunakan oleh sebagian beberapa gas antara lain nitrogen, oksigen, karbon dioksida; ditambah dengan uap air dan zat-zat lain, seperti debu, jelaga, dan sebagainya. Atmosfer bumi terdiri dari berbagai lapisan, yaitu berturut-turut dari lapisan bawah ke atas adalah troposfer, stratosfer, mesosfer, dan termosfer.

      Konsentrasi nitrogen di atmosfir mencapai 780,90 cm3/liter udara sedangkan konsentrasi nitrogen di dalam air laut hanya mencapai 13 cm³/liter air laut. Namun demikian konsentrasi nitrogen masih lebih tinggi dibandingkan dengan gas-gas lainnya seperti oksigen, argon, neon, helium, dan gas xrypton. Tingginya konsentrasi gas nitrogen dibandingkan dengan gas-gas lain hal ini disebabkan selain faktor siklus alamiah yang berlangsung, nitrogen juga memegang peranan kritis dalam daur organik untuk menghasilkan asam-asam amino yang membentuk protein. Daur bahan organik atau disingkat daur organik di laut sama dengan daur organik di lingkungan air tawar dan di darat. Karbon (C) bersama-sama dengan unsur hara lainnya seperti posfor (P) dan nitrogen (N) melalui proses fotosintesis menghasilkan jaringan tumbuh-tumbuhan yang menjadi makanan hewan. Keduanya akan menghasilkan zat organik dan jika mereka mati dan membusuk maka akan dihasilkan bahan mentah untuk memulai daur bahanorganik lagi (Romimohtarto dan Juwana, 2001).

      Nitrifikasi diartikan sebagai proses oksidasi biologi yang mengubah Nitrogen menjadi nitrat yang terlebih dahulu oleh proses ammonium menjadi nitrit dan diikuti oleh oksidasi nitrit menjadi nitrat dan biasanya dilakukan oleh dua group bakteri yaitu : ammonium oksidizer dan nitrit oksidizer (Underhill, 1990)

      Konsentrasi nitrogen merupakan faktor kontrol produktifitas di laut. Nitrat yang di konsumsi oleh produser primer (phytoplankton) pada lapisan yang mempunyai sinar matahari pada kolom air di laut, diduga berasal dari percampuran vertikal dari air dalam atau dari proses nitrifikasi.

      Substrat dari nitrifikasi adalah ammonium dan nitrit yang hanya beberapa mikromler, tetapi nitrat bisa terakumulasi pada laut dalam jumlah yang lebih besar. Sehingga proses nitrifikasi di lingkungan laut memegang peranan penting dari siklus nitrogen.

      Nitrifikasi dihambat oleh sinar matahari pada lapisan permukaan kolom air. Dalam proses modelisasi produser primer, aliran nitrat tidak di ukur secara kimia, karena dia cepat terasimilasi oleh produser primer.

      Unsur hara nitrogen (N) tidak mempunyai hubungan tetap dengan unsurk hara posfor (P), tetapi bersama-sama dengan karbon (C), N dan P, merupakan unsur-unsur utama dalam produksi zat organik. Walaupun hara C terdapat dalam jumlah yang banyak, tetapi kedua unsur hara N dan P menjadi faktor pembatas dalam daur bahan organik di laut. Oleh karena itu makalah ini mencoba mendeteksi dan menelusuri, serta ingin mempelajari seberapa jauh peran dan daur atau siklus hara N akan sangat berpengaruh terhadap kehidupan biota laut dan sekaligus sebagai faktor penentu dalam siklus kehidupan di laut, untuk bahasan ini termaktub dalam judul siklus nitrogen di laut.

4.1.2. Bentuk Senyawa Nitrogen

      Sumber utama nitrogen adalah nitrogen bebas (N₂) yang terdapat di atmosfir, yang takarannya mencapai 78 % volume, dan sumber lainnya yang ada di kulit bumi dan perairan. Nitrogen juga terdapat dalam bentuk yang komplek, tetapi hal ini tidak begitu besar sebab sifatnya yang mudah larut dalam air.

      Pada umumnya derivat nitrogen sangat penting bagi kebutuhan dasar nutrisi, tetapi dalam kenyataannya substansi nitrogen adalah hal yang menarik sebagai polutan di lingkungan. Dapat terjadi perubahan global di lingkungan oleh adanya interaksi antara nitrogen oksida dengan ozon di zona atmosfir. Juga adanya perlakuan pemupukan (fertilization treatment) yang berlebihan dapat mempengaruhi air tanah (soil water), sehingga dapat mempengaruhi kondisi air minum bagi manusia. Khusus di laut, kelebihan unsur N dan P akan mengakibatkan kejadian blooming dapat menimbulkan tumbuhnya beberapa alga yang beracun bagi kehidupan fauna, hal ini sangat merugikan produksi (Rompas, 1998).

      Bentuk atau komponen N di atmosfir dapat berbentuk ammonia (NH₃), molekul nitrogen (N₂), dinitrit oksida (N₂O), nitrogen oksida (NO), nitrogen dioksida (NO₂), asam nitrit (HNO₂), asam nitrat (HNO₃), basa amino (R3-N) dan lain-lain dalam bentuk proksisilnitri (Soderlund dan Rosswall, 1980). Dalam telaah kesuburan tanah proses pengubahan nitrogen dapat dilakukan dengan berbagai cara, yaitu mineralisasi senyawa nitrogen komplek, amonifikasi, nitrifikasi, denitrifikasi, dan volatilisasi ammonium (Mas’ud, 1992).

      Sejumlah organisme mampu melakukan fiksasi N dan N-bebas akan berasosiasi dengan tumbuhan. Senyawa N-amonium dan N-nitrat yang dimanfaatkan oleh tumbuhan akan diteruskan ke hewan dan manusia dan kembali memasuki sistem lingkungan melalui sisa-sisa jasad renik. Proses fiksasi memerlukan energi yang besar, dan enzim (nitrogenase) bekerja dan didukung oleh oksigen yang cukup. Kedua faktor ini sangat penting dalam memindahkan N-bebas dan sedikit simbiosis oleh organisme (Rompas, 1998).

      Nitrogen organik diubah menjadi mineral N-amonium oleh mikroorganisasi dan beberapa hewan yang dapat memproduksi mineral tersebut seperti : protozoa, nematoda, dan cacing tanah. Serangga tanah, cacing tanah, jamur, bakteri dan aktinbimesetes merupakan biang penting tahap pertama penguraian senyawa N-organik dalam bahan organic dan senyawa N-kompleks lainnya (Mas’ud, 1993).

4.1.3. Fiksasi Nitrogen

      Semua mikroorganisme mampu melakukan fiksasi nitrogen, dan berasosiasi dengan N-bebas yang berasal dari tumbuhan. Nitrogen dari proses fiksasi merupakan sesuatu yang penting dan ekonomis yang dilakukan oleh bakteri genus Rhizobium dengan tumbuhan Leguminosa termasuk Trifollum spp, Gylicene max (soybean), Viciafaba (brand bean), Vigna sinensis (cowSiklus pea), Piscera sativam (chick-pea), dan Medicago sativa (lucerna) (Rompas, 1998).

      Dalam memproduksi nutrient bagi organisme laut, maka diperlukan fiksasi N dari atmosfir. Penelitian yang dilakukan di Eniwetok Atoll, menemukan bahwa bentuk N sangat bervariasi pada air yang mengalir sesudah terumbu karang karena air tersebut sangat miskin nutrient (Johannes, et al., 1972; Wiebe, et al., 1972). Sumber N yang berasal dari fiksasi-N di laut berasal dari alga hijau biru Calothnia crustacea (Wiebe, et al., 1975). Fiksasi N juga ditemukan pada bakteri anaerobic Thalassia (Patriquien, 1972; Patriquien dan Knowles, 1972). Fiksasi N ditemukan pada akar pertumbuhan Thalassia (Goering dan Parker, 1972) dan makro alga serta coral rubble (Copone, 1977). Selain itu pentingnya bakteri-bakteri terumbu (reef bacteria) untuk melakukan fiksasi N (Sorokin, 1978). Spesies Oscillatoria (Tridrodesmium) dan Richella spp, merupakan spesies yang penting dalam proses asimilasi molekul N (Mangue, 1977). Tetapi N-fiksasi di laut Pasifik sangat kecil terjadi (Mangue, et al., 1977), demikian pula di laut Sargossa (Carpenter dan McCarthy, 1975), jika dibandingkan dengan NH3. Asimilasi molekul N dapat dihitung melalui kebutuhan N dari Oscillatoria thiebantii. Bagaimanapun alga ini sangat rendah dan dalam dalam proses regenrasi membutuhkan waktu 15 hari atau lebih (Carpenter and McCarthy, 1975).

             Akhir-akhir ini ditemukan simbiosis asosiasi antara bakteri Azospirillum lipoferum dan akar tumbuhan termasuk rumput tropikal Digitaria decumbens, juga jenis rumput tropikal Paspalum notatum mampu melakukan fiksasi N bersama-sama bakteri Azotobacter paspalli di dalam akar (Dobereiner, 1978, dalam Rompas, 1998).

4.1.4. Proses Nitrifikasi Di Lingkungan Laut

      

Nitrifikasi merupakan suatu proses oksidasi ensimatik yang dilakukan oleh sekelompok jasad renik/bakteri dan berlangsung dalam dua tahap yang terkoordinasikan yaitu proses oksidasi ammonium menjadi nitrit dan nitrat.

      Nitrifikasi merupakan pusat siklus nitrogen di laut. Sebagian besar senyawa nitrogen inorganic ditemukan di laut adalah berbentuk nitrat dan berada didasr laut. Dibawah daerah photik dimana intensitas cahaya kira-kira 5% atau tidaka ada sama sekali, bakteri nitrifikasi akan mengkonsumsi ammonium dan nitrit dihasilkan nitrat. Melalui proses upwelling nitrat yang berasal dari dasar laut terbawa kedarah photik merupakan sumber nitrogen untuk produksi baru atau proses fotosintesis bagi fitoplankton dalam memanfaatkan nitrat sebagai sumber makanan sehingga proses nitrifikasi didaerah permukaan hamper tidak terjadi. Selanjutnya bahwa adanya gas-gas yang dilepas ke laut dan dari atmosfir dalam bentuk oksida nitrit dan oksida nitrat juga termasuk dalam siklus nitrogen dilaut (Ward, 1986). Proses nitrifikasi masing-masing dilakukan oleh bakteri/jasad renik yang berbeda pada tahap-tahapan proses nitrifikasi (Mas’ud, 1993), sebagai berikut:

Tahap pertama (Ammonia oksidizer)

NH₄⁺ + ½ O₂                           NH₂OH + H⁺

NH₂OH + H₂O                     HNO₂ + 2 H₂O + E (79 kalori).

oleh bakteri ammonium oksidizer hydroxyl amin

Tidak terakumulasi didalam kondisi alami

Tahap kedua (nitrit oksidizer)

o

2 HNO₂ + O₂                  2 HNO₃ + H₂O

Oleh bakteri nitrit oksidizer

      Menurut Rompas (1998), bakteri autotrofi (bakteri nitrifikasi) dapat menggunakan N-anorganik untuk melakukan nitrifikasi, seperti genera bakteri Nitosomonos, Nitrosococcus, Nitrosospira, Nitrosovibrio, dan Nitrosolobus. Pada proses tahap pertama reaksi berlangsung dari ammonium ke nitrit yang melibatkan bakteri Nitrosomonos dan Nitrosococcus dengan persamaan reaksi sebagai berikut:

NH₄ + 3/2 O₂              NO₂ + H₂O + 2 H E = - 65 kcal

Sedangkan reaksi kedua diperankan oleh bakteri Nitrobacter dan Nitrococcus spp yang melakukan oksidasi dari nitrat ke nitric dengan persamaan reaksi sebagai berikut :

NO₂ + ½ O₂                  NO₃ + E = - 18 kcal.

Reaksi nitrifikasi seperti di atas dapat berlangsung jika adanya oksigen. Proses oksidasi dari NO2 ke nitrit umumnya lebih cepat dari pada proses oksidasi dari NH4 ke nitrit, dan nitri ini terakumulasi di lingkungan.

Mekanisme enzimatik:

1.     Enzim ammoniak mono-enzimatik (AMO) merupakan enzim yang merealisasi oksidasi ammonium ke hidrosiamin, enzim terasosiasi ke membrane cytoplasmik, yang sensible pada sinar matahari, enzim ini mengandung CU (Cuivre).

Enzim ini bisa terdapat pada 3 kondisi:

- Kondisi oksidasi disebut MET yang mengandung dua ion cuivre

- Kondisi reduksi yang membawa dua electron disebut desoxy

- Keadaan diman cuivre direoksidasi untuk memberikan bentuk aktif disebut oxy, bentuk oxy memberikan suatu atom oksigen atau substrat, ammonium oksigen yang lain direduksi untuk memberikan satu molekul air.

2.     Enzim hidroksil amin oksireduktase (HAO) yang aktif dalam kondisi oksidasi hidroksiamin nitrit, merupakan enzim yang larut, terdapat pada periplasma.

3.     Enzim nitrit oxydoreduktase yang aktif pada oksidasi nitrit ke nitrat yang merupakan transfer electron yang sederhana. 

4.1.5. Denitrifikasi Dan Asimilasi Nitrat

      Denitrifikasi merupakan proses preduksian senyawa N-nitrat menjadi gas nitrogen dan/atau gas nitrogen oksida, dengan nitrogen bertindak sebagai penerima hydrogen. Produksi nitrogen bebas dari senyawa-senyawa organic tidaklah melalui aksi mikroorganisme, namun terbentuk secara tidak langsung oleh saling tindak antara asam nitrat bebas dengan senyawa amino, yang keduanya dihasilkan secara bersama melalui biang bakteri (Mas’ud, 1993).

      Menurut Rompas (1998), dalam keadaan anaerob, bakteri aerob dapat memanfaatkan nitrat untuk menggantikan oksigen sebagai penerima elektron, sehingga mengurangi gas-gas produk akhir seperti NO, N₂O atau N₂, tahapan dalam nitrifikasi adalah sebagai berikut:

NH4⁺ + 2O2                NO3- + H2O + 2H

Gas dinitrogen dan nitrogen oksida adalah dua komponen produk akhir yang sangat penting dan N₂ biasanya diproduksi dari N₂O sedang dari NO dapat terjadi tetapi dalam kondisi tertentu. Terbentuknya N₂O dan N₂ tidak saja dari nitrat selama respirasi, tetapi dapat juga konversi dengan cara asimilasi ke NH₄⁺ dalam komponen organic biomasa. Tentu pula mikroorganisme dapat merubah NO₃^- ke NH₄⁺ melalui mekanisme diasimilasi pada kondisi anaerob, mekanisme ini bersama denitrifikasi adalah proses memanfaatkan energi.

Artikel terkait :