DAUR MATERI

DAUR BIOGEOKIMIA

Materi dan energi sulit dipisahkan karena di dalam materi terdapat energi. Energi merupakan segala sesuatu yang menghasilkan benda atau sumberdaya lain, sedangkan benda adalah materi. Dalam ekosistem, energi akan mengalami aliran sehingga disebut aliran energi, sedangkan materi akan mengalami daur sehingga disebut daur materi. Hukum yang sangat penting dalam hubungannya dengan daur materi dan aliran energi adalah hukum termodinamika yaitu energi tidak dapat diciptakan atau dihancurkan hanya mengalami transformasi dan proses energi tidak pernah spontan dan proses transformasi energi tidak ada yang terjadi dengan 100% efisien, sehingga setiap proses pemakaian energi selalu ada sisa energi yang tidak terpakai (entropi). Semua makhluk hidup memerlukan berbagai materi organik dan anorganik. Dalam daur biogeokimia terdapat 3 (tiga) sistem yaitu produksi, konsumsi, dan dekomposisi. Produsen dan konsumen dapat mengalami dekomposisi menjadi bahan organik yang lebih sederhana. Proses produksi dibedakan dalam tingkatan yang disebut tingkat trofik yang disusun dalam piramida trofik. Dalam suatu ekosistem, materi pada setiap tingkat trofik tidak hilang. Materi berupa unsur-unsur penyusun bahan organik tersebut didaur-ulang. Unsur-unsur tersebut masuk ke dalam komponen biotik melalui udara, tanah, dan air artinya, semua materi akan mengalir membentuk suatu daur yang melibatkan komponen biotik dan abiotik yang disebut daur biogeokimia. Dalam daur tersebut terjadi proses-proses kimia, fisik, dan biologi di biosfer (lapisan permukaan bumi atau dapat pula disebut ekosistem raksasa, karena terbentuk dari berbagai ekosistem yang saling berinteraksi) yang silih berganti atau bersamaan dan berulang balik dan terjadi persinggungan antara komponen-komponen habitat yaitu tanah/batuan, air, dan atmosfer, dimana unsur atau senyawa kimia yang mengalir dari komponen abiotik ke biotik dan kembali lagi ke komponen abiotik. Semakin rendah tingkat trofiknya semakin sedikit limbah yang terbentuk. Ada banyak unsur/senyawa anorganik mengalir secara daur di dalam ekosistem. Kelompok yang terpenting dari unsur-unsur ini adalah hidrogen, karbon, fosfor, nitrogen, oksigen, dan sulfur. Karbon dioksida dan air diperlukan untuk proses fotosintesis. Nitrogen merupakan komponen penyusun protein dan asam nukleat yang ada di dalam jaringan hidup. Fosfor merupakan unsur penting dalam pembentukan ATP (energi) dan nukleotida. Semua materi yang menyusun tubuh makhluk hidup pada saatnya akan kembali ke alam (atmosfer, air dan tanah), yaitu ketika mahkluk hidup tersebut mati. Di alam, tubuh makhluk hidup yang telah mati akan diuraikan oleh dekomposer sehingga terbentuk senyawa sederhana. Selanjutnya, senyawa tersebut akan dimanfaatkan kembali oleh makhluk hidup autrotof. Daur Biogeokimia berfungsi sebagai siklus materi yang mengembalikan semua unsur-unsur kimia yang sudah terpakai oleh semua yang ada di bumi baik komponen biotik maupun komponen abiotik, sehingga kelangsungan hidup di bumi dapat terjaga. Pergerakan setiap elemen (materi) dapat dibagi menjadi :

1. GAS

Daur Karbon & Oksigen

Proses timbal balik fotosintesis dan respirasi seluler menggunakan energi matahari (UVA) menyebabkan perubahan dan pergerakan materi yaitu karbon. Jumlah CO₂ dan O₂ atsmosfer bergantung pada aktifitas organisme autotrof dalam melakukan fotosintetik dan respirasi. Pembakaran kayu dan bahan bakar fosil menambahkan lebih banyak lagi CO₂ ke atmosfir. Sebagai akibatnya jumlah CO₂ di atmosfer meningkat. CO₂ dan O₂ atmosfer juga berpindah masuk ke dalam dan ke luar sistem akuatik melalui phytoplankton, dimana CO₂ dan O₂ terlibat dalam suatu keseimbangan dinamis dengan bentuk bahan anorganik lainnya. Karbon merupakan bahan dasar dari semua bahan organik. Aliran karbon berjalan beriringan secara paralel dengan aliran energi. Sumber pokok karbondioksida (CO2) ada di atmosfer. Selain itu, komponen karbon juga tersedia dalam bahan bakar fosil (batu bara, gas alam, dan minyak). Karbondioksida (CO2) disatukan ke dalam sistem biotik melalui fotosintesis. Oksigen (O2) digunakan selama pembakaran dan pemecahan energi, bersamaan dengan dihasilkannya karbondioksida. Karbon dioksida di atmosfer merupakan sumber karbon bagi tumbuhan, terutama ketika melakukan fotosintesis. Karbon tersebut dapat berpindah ke hewan ketika mereka memakan tumbuhan. Selanjutnya, tubuh hewan dan tumbuhan yang sudah mati akan diuraikan oleh mahkluk hidup pengurai menjadi karbondioksida, air, dan mineral. Karbondioksida akan kembali ke atmosfer dari penguraian juga melalui sistem respirasi. Proses lain adalah erupsi vulkanik atau ledakan gunung berapi akan melepaskan gas ke atmosfer. Gas-gas tersebut termasuk uap air, karbon dioksida, dan belerang. Jumlah karbon dioksida yang dilepas ke atmosfer secara kasar hampir sama dengan jumlah karbon dioksida yang hilang dari atmosfer akibat pelapukan silikat. Pelapukan batuan silikat,tidak seperti proses sebelumnya dimana tidak memindahkan karbon ke dalam reservoir yang siap untuk kembali ke atmosfer. Pelapukan batuan karbonat tidak memiliki efek netto terhadap CO₂ atmosferik karena ion bikarbonat yang terbentuk terbawa ke laut dimana selanjutnya dipakai untuk membuat karbonat laut dengan reaksi yang sebaliknya (reverse reaction).

Daur Nitrogen

Tumbuhan dan hewan membutuhkan nitrogen untuk membentuk asam amino untuk membentuk protein. Selain itu, nitrogen diperlukan dalam pembentukan senyawa nitrogen, seperti asam nukleat (ADN dan ARN). Meskipun 78% di udara terdapat nitrogen bebas, namun tumbuhan dan hewan pada umumnya tidak mampu menggunakannya dalam bentuk bebas. Nitrogen harus diubah menjadi bahan nitrogen lain sehingga dapat digunakan. Nitrogen bebas di atmosfer juga dapat bereaksi dengan hidrogen atau oksigen dengan bantuan energi elektrik dari kilat/ petir. Nitrogen diikat oleh bakteri yang ada di dalam tanah (biasanya dalam bentuk amonia). Selanjutnya oleh bakteri nitrifikasi diubah menjadi nitrit (NO2-), kemudian menjadi nitrat (NO3-), yang mana dapat diserap dari tanah oleh tumbuhan (disebut proses nitrifikasi). Beberapa tanaman mempunyai nodul pada akarnya yang di dalamnya terdapat bakteri pengikat nitrogen misalnya Marsiella crenata. Selain itu, terdapat bakteri dalam tanah yang dapat mengikat nitrogen secara langsung, yakni Azotobacter sp. yang bersifat aerob dan Clostridium sp, yang bersifat anaerob Nostoc sp. dan Anabaena sp. (ganggang biru) juga mampu menambat nitrogen. Bakteri mengubah banyak nitrogen menjadi asam amino yang dilepaskan ke jaringan tumbuhan. Dalam ekosistem air, alga hijau-biru juga mampu menyerap nitrogen.. Bakteri pemecah memecah protein dalam tubuh organisme mati atau hasil sisa mereka menjadi amonium, Amonia ini akan dinitrifikasi oleh bakteri nitrit, yaitu Nitrosomonas dan Nitrosococcus sehingga menghasilkan nitrat yang akan diserap oleh akar tumbuhan, kemudian nitrit atau nitrat dan selanjutnya oleh bakteri denitrifikan, nitrat diubah menjadi amonia kembali, dan amonia diubah menjadi nitrogen yang akan dilepaskan ke atmosfer dari mulai nitrogen diikat dan berputar lagi sebagai siklus. Semua hewan hanya memperoleh nitrogen organik dari tumbuhan atau hewan lain yang dimakannya. Protein yang dicerna akan menjadi asam amino yang selanjutnya dapat disusun menjadi protein-protein baru pada tingkat trofik berikutnya. Ketika makhluk hidup mati, materi organik yang dikandungnya akan diuraikan kembali oleh dekomposer sehingga nitrogen dapat dilepaskan sebagai amonia. Dekomposisi nitrogen organik menjadi amonia lagi disebut amonifikasi. Proses tersebut dapat dilakukan oleh beberapa bakteri dan mahkluk hidup eukariotik. Meskipun pengikatan secara alami menghasilkan cukup nitrogen untuk proses yang berlangsung secara alami, namun pembentukan nitrogen oleh industri yang digunakan untuk pemupukan dan produk lain melampui kebutuhan ekosistem darat.

2. SEDIMEN

Daur Fosfor

Fosfor merupakan materi yang penting dalam kehidupan karena semua makhluk hidup membutuhkan fosfor dalam bentuk ATP (Adenosin Tri Fosfat), sebagai sumber energi untuk metabolisme sel. Fosfor juga ditemukan sebagai komponen utama dalam pembentukan gigi dan tulang vertebrata. Daur fosfor tidak melalui komponen atmosfer. Di alam, fosfor terdapat dalam dua bentuk, yaitu senyawa fosfat organic (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. Energi kinetik menghancurkan bebatuan melalui peristiwa erosi dan pelapukan menyebabkan fosfat terbawa menuju sungai hingga laut membentuk sedimen. Adanya pergerakan dasar bumi menyebabkan sedimen yang mengandung fosfat muncul ke permukaan. Di darat tumbuhan mengambil fosfat yang terlarut dalam air tanah. Herbivora mendapatkan fosfat dari tumbuhan yang dimakannya dan karnivora mendapatkan fosfat dari herbivora yang dimakannya. Seluruh hewan mengeluarkan fosfat melalui urin dan feses. Bakteri dan jamur mengurai bahan-bahan anorganik di dalam tanah lalu melepaskan fosfor kemudian diambil oleh tumbuhan. Berbeda dengan daur gas berupa karbon,oksigen dan nitrogen yang melalui komponen atmosfer sehingga energi berasal dari matahari (UVA) dan energi elektrik dari kilat/petir sedangkan daur sediment yang melibatkan materi fosfor untuk memungkinkan terjadinya daur adalah melalui erosi dan pelapukan yang berperan dalam pergerakan materi fosfor oleh energi kinetik dan perpindahan materi fosfor dalam siklus melalui komponen biotik (autotrof dan heterotrof).

Daur Sulfur

Sulfur terdapat dalam bentuk sulfat anorganik. Sulfur direduksi oleh bakteri menjadi sulfida dan kadang-kadang terdapat dalam bentuk sulfur dioksida atau hidrogen sulfida. Hidrogen sulfida ini seringkali mematikan mahluk hidup di perairan dan pada umumnya dihasilkan dari penguraian bahan organik yang mati. Tumbuhan menyerap sulfur dalam bentuk sulfat (SO₄). Perpindahan sulfat terjadi melalui proses rantai makanan, lalu semua mahluk hidup mati dan akan diuraikan komponen organiknya oleh bakteri. Beberapa jenis bakteri terlibat dalam daur sulfur, antara lain Desulfomaculum dan Desulfibrio yang akan mereduksi sulfat menjadi sulfida dalam bentuk hidrogen sulfida (H₂S). Kemudian H₂S digunakan bakteri fotoautotrof anaerob seperti Chromatium dan melepaskan sulfur dan oksigen. Sulfur di oksidasi menjadi sulfat oleh bakteri kemolitotrof seperti Thiobacillus. Belerang atau sulfur berbentuk non-metal yang tak berasa, tak berbau dan multivalent. Belerang, dalam bentuk aslinya, adalah sebuah zat padat kristalin kuning. Di alam, belerang dapat ditemukan sebagai unsur murni atau sebagai mineral- mineral sulfide dan sulfate. Ia adalah unsur penting untuk kehidupan dan ditemukan dalam dua asam amino. Belerang atau sulfur merupakan unsur penyusun protein. 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. Secara alami, belerang terkandung dalam tanah dalam bentuk mineral tanah,aktivitas gunung berapi dan sisa pembakaran minyak bumi dan batubara. Setiap daur melibatkan unsur organisme untuk membantu menguraikan senyawa-senyawa menjadi unsur-unsur.

3. AIR

Daur Air

Di atmosfer air tersedia dalam bentuk uap air yang berasal dari proses evaporasi (penguapan) dari danau, sungai, tanah atau permukaan tubuh mahkluk hidup, permukaan daun tumbuhan (lebih dikenal transpirasi) terutama evaporasi dari lautan karena energi thermal dari matahari. Sebagian besar uap air di atmosfer berasal dari laut karena laut mencapai tigaperempat luas permukaan bumi. Pada saat molekul-molekul air di atmosfer bergerak mengikuti pola angin, kelembapan udara menyebabkan suhu menjadi lebih dingin. Selanjutnya, uap air terkondensasi menjadi tetes-tetes air dan jatuh sebagai air hujan atau salju. Air hujan jatuh di daratan, beberapa di antaranya menjadi air permukaan, mengalami penguapan, dan terserap di dalam tanah. Pergerakan air hujan ke permukaan bumi dan pergerakan aliran air melalui infiltrasi dan runoff dari dataran tinggi ke yang lebih rendah karena adanya energi kinetik. Tumbuhan darat menyerap air yang ada di dalam tanah. Dalam tubuh tumbuhan air mengalir melalui suatu pembuluh. Kemudian melalui tranpirasi uap air dilepaskan oleh tumbuhan ke atmosfer. Transpirasi oleh tumbuhan mencakup 90% penguapan pada ekosistem darat. Hewan memperoleh air langsung dari air permukaan serta dari tumbuhan dan hewan yang dimakan, sedangkan manusia menggunakan sekitar seperempat air tanah. Sebagian air keluar dari tubuh hewan dan manusia sebagai urin dan keringat. Air tanah dan air permukaan sebagian mengalir ke sungai, kemudian ke danau dan ke laut. Siklus ini di sebut Siklus Panjang. Sedangkan siklus yang dimulai dengan proses transpirasi dan evapotranspirasi dari air yang terdapat di permukaan bumi menjadi kumpulan uap air yang disebut awan yang akan melepaskan airnya atau presipitasi sebagai hujan disebut Siklus Pendek. Molekul air sangat penting bagi kehidupan. Air merupakan alat transfer utama bagi pemindahan zat dalam beberapa daur biogeokimia. Air bergerak dalam daur air secara global. Daur air ialah pergerakan air melalui sistem biotik dan abiotik. Dalam proses fotosintesis, air diperlukan untuk membentuk karbohidrat. Selain itu, air juga diperlukan untuk berbagai reaksi metabolik di dalam tubuh mahkluk hidup.