Siklus Nitrogen: Pengertian, Peran, Fungsi, dan Contohnya

Siklus nitrogen adalah suatu proses konversi senyawa yang mengandung unsur nitrogen menjadi berbagai macam bentuk kimiawi yang lain. Transformasi ini dapat terjadi secara biologis maupun non-biologis. Beberapa proses penting dalam siklus nitrogen, antara lain fiksasi nitrogen, mineralisasi, nitrifikasi, dan denitrifikasi.

Walaupun terdapat sangat banyak molekul nitrogen di dalam atmosfer, nitrogen dalam bentuk gas tidaklah reaktif. Hanya beberapa organisme yang mampu untuk mengkonversinya menjadi senyawa organik dengan proses yang disebut fiksasi nitrogen.

Fiksasi nitrogen yang lain terjadi karena proses geofisika, seperti terjadinya kilat. Kilat memiliki peran yang sangat penting dalam kehidupan, tanpanya tidak akan ada bentuk kehidupan di bumi. Walaupun demikian, sedikit sekali makhluk hidup yang dapat menyerap senyawa nitrogen yang terbentuk dari alam tersebut. Hampir seluruh makhluk hidup mendapatkan senyawa nitrogen dari makhluk hidup yang lain. Oleh sebab itu, reaksi fiksasi nitrogen sering disebut proses topping-up atau fungsi penambahan pada tersedianya cadangan senyawa nitrogen.

Vertebrata secara tidak langsung telah mengonsumsi nitrogen melalui asupan nutrisi dalam bentuk protein maupun asam nukleat. Di dalam tubuh, makromolekul ini dicerna menjadi bentuk yang lebih kecil yaitu asam amino dan komponen dari nukleotida, dan dipergunakan untuk sintesis protein dan asam nukleat yang baru, atau senyawa lainnya.

Sekitar setengah dari 20 jenis asam amino yang ditemukan dalam protein merupakan asam amino esensial bagi vertebrata, artinya asam amino tersebut tidak dapat dihasilkan dari asupan nutrisi senyawa lain, sedang sisanya dapat disintesis dengan menggunakan beberapa bahan dasar nutrisi, termasuk senyawa intermediat dari siklus asam sitrat.

Asam amino esensial disintesis oleh organisme invertebrata, biasanya organisme yang mempunyai lintasan metabolisme yang panjang dan membutuhkan energi aktivasi lebih tinggi, yang telah punah dalam perjalanan evolusi makhluk vertebrata.

Nukleotida yang diperlukan dalam sintesis RNA maupun DNA dapat dihasilkan melalui lintasan metabolisme, sehingga istilah “nukleotida esensial” kurang tepat. Kandungan nitrogen pada purina dan pirimidina yang didapat dari asam amino glutamina, asam aspartat dan glisina, layaknya kandungan karbon dalam ribosa dan deoksiribosa yang didapat dari glukosa.

Kelebihan asam amino yang tidak digunakan dalam proses metabolisme akan dioksidasi guna memperoleh energi. Biasanya kandungan atom karbon dan hidrogen lambat laun akan membentuk CO₂ atau H₂O, dan kandungan atom nitrogen akan mengalami berbagai proses hingga menjadi urea untuk kemudian diekskresi. Setiap asam amino memiliki lintasan metabolismenya masing-masing, lengkap dengan perangkat enzimatiknya.

Peranan Nitrogen Bagi Kehidupan

Sebelum ke pembahasan siklus nitrogen, kalian perlu tahu juga manfaat nitrogen bagi kehidupan. Lalu, apa aja peranan nitrogen bagi kehidupan kita? Oke, kita mulai dulu dari tanaman. Menurut kalian, tanaman itu butuh nitrogen tidak? Tentunya membutuhkan.

Nitrogen dibutuhkan tanaman untuk pertumbuhan. Buktinya, kalian sering melihat petani menggunakan pupuk NPK (Nitrogen, Fosfor, dan Kalium) untuk tanamannya. Kalau tanaman kekurangan nitrogen, akan menguning, pertumbuhannya terhambat, dan hasilnya (buah dan bunga) akan tumbuh dengan ukuran kecil. Kalau sudah seperti itu para petani juga pasti akan mengalami kerugian.

Selain itu, nitrogen juga dibutuhkan dalam pembentukan DNA dan RNA. DNA ini merupakan pembawa informasi genetik yang akan menentukan seperti apa tubuh makhluk hidup yang akan dibentuk. Lalu, apa hubungannya antara DNA dan nitrogen?

Ketika makhluk hidup tidak mendapatkan pasokan nitrogen yang cukup, mereka tidak bisa menghasilkan asam amino. Padahal, kombinasi dari basa nukleotida yang menyusun DNA akan mengkodekan asam amino. Nah, asam amino inilah yang nantinya akan membentuk protein, dan protein itulah yang menentukan seperti apa tubuh dari makhluk hidup. Kalau makhluk hidup kekurangan nitrogen, asam amino juga akan berkurang, sehingga bisa memengaruhi pembuatan protein khusus yang dibutuhkan sel untuk tumbuh.

Manusia memang tidak bisa memanfaatkan nitrogen secara langsung dari aktivitas respirasi, melainkan harus menyerapnya dengan cara memakan tanaman atau hewan yang mengandung nitrogen. Dengan cara itulah manusia memperoleh nitrogen.

Seperti yang tadi sudah dijelaskan di awal, nitrogen bisa terserap oleh tumbuhan setelah melalui proses fiksasi. Dalam siklus nitrogen di alam, proses fiksasi adalah merubah nitrogen ke bentuk lain agar bisa bermanfaat dan dapat diserap oleh tumbuhan.

Sepenting itu siklus nitrogen bagi kehidupan kita. Nitrogen membantu dalam proses sintesis protein, asam amino, yang memiliki peranan vital dalam kehidupan organisme, seperti pertumbuhan, hormon, fungsi otak, dan sistem kekebalan tubuh. Proses metabolisme dalam tubuh kita tergantung oleh enzim. Enzim tersebut mengandung berbagai jenis protein. Sekarang kembali lagi, protein disintesis oleh siapa? DNA membentuk gen kita dan RNA memiliki peranan dalam sintesis protein. Dari aktivitas tersebut, nitrogen memiliki peranan penting. Dari sini sudah jelas terlihat jika tidak ada nitrogen di dalam tubuh kita, tidak akan ada pula DNA.

Pengertian Siklus Nitrogen

Secara umum, daur nitrogen merupakan pergerakan nitrogen dari atmosfer menuju bumi dan terjadi secara terus menerus. Siklus nitrogen sederhana memungkinkan terjadinya perubahan nitrogen dari satu wujud ke wujud kimia lainnya. Nitrogen mempunyai peran yang sangat penting bagi kelangsungan makhluk hidup di bumi. Apabila urutan daur nitrogen terhenti, seluruh makhluk hidup yang ada di Bumi akan mati karena tidak tersedianya cadangan nitrogen.

Keberadaan nitrogen di muka Bumi dibutuhkan untuk membentuk protein dan molekul organik esensial. Setidaknya, terdapat sekitar 78 persen unsur nitrogen di udara. Dari jumlah itu, hanya organisme tingkat rendah yang dapat menggunakannya seperti bakteri dan alga biru.

Salah satu bakteri yang berperan dalam daur nitrogen adalah Rhizobium yang dapat menangkap nitrogen di udara. Bakteri ini banyak ditemukan pada tanaman Leguminose atau kacang-kacangan. Dengan demikian, bisa dikatakan bahwa siklus ini sebagian besar terjadi di dalam tanah.

Lalu, bagaimana tahapan daur nitrogen yang terjadi di dalam tanah? Perlu diketahui bahwa dalam siklus nitrogen terjadi peristiwa fiksasi nitrogen, nitrifikasi, asimilasi, amnofikasi, dan denitrifikasi. Berikut uraiannya masing-masing:

1. Fiksasi

Proses fiksasi ini mengubah nitrogen yang terdapat di udara menjadi amonia. Mikroorganisme yang membantu proses fiksasi, yaitu Diazotrof. Biasanya bakteri ini mempunyai enzim nitrogenaze yang dapat menggabungkan nitrogen dengan hidrogen. Bakteri ini bersimbiosis dengan tanaman kacang-kacangan atau hidup bebas, sehingga dapat memperbaiki nitrogen menjadi nitrogen organik. Bakteri-bakteri yang dapat melakukan fiksasi nitrogen antara lain Azotobacteraceae, Cyanobacteria, Clostridium, Frankia, dan Rhizonia.

2. Nitrifikasi

Tahapan nitrifikasi merupakan konversi amonium menjadi nitrat. Tahap ini dilakukan oleh bakteri hidup yang berada di dalam tanah dan oleh bakteri nitrifikasi lainnya. Tahapan utama dari proses nitrifikasi, yakni bakteri Nitrosomonas melakukan oksidasi terhadap amonium, kemudian mengubah amonia menjadi nitrit. Sementara itu, untuk spesies bakteri lainnya seperti Nitrobacter melakukan oksidasi pada nitrit menjadi nitrat. Perubahan nitrit menjadi nitrat sangat penting, mengingat nitrit adalah racun bagi tanaman.

3. Asimilasi

Proses asimilasi adalah saat semua tumbuhan memperoleh nitrogen yang berasal dari tanah melalui penyerapaan akar dalam bentuk ion nitrat atau ion amonium. Perubahan ion nitrit baru kemudian menjadi ion amonium berfungsi untuk menyerap nitrat. Kemudian ion amonium ini dimasukkan pada asam nukleat, asam amino, dan klorofil. Pada beberapa jenis tumbuhan yang bersimbiosis dengan rhizobia, nitrogen tersebut diasimilasi secara langsung menjadi ion amonium di bagian nodul (bintil akar).

4. Amonifikasi

Amonifikasi merupakan tahapan saat sisa-sisa tanaman dan limbah terurai oleh organisme dan menghasilkan amonia yang disebut amonifikasi. Mikroorganisme yang ada dalam tanah tadi akan mengurai bahan organik yang telah mati, agar bisa dijadikan sebuah energi dan bisa menghasilkan amonia serta senyawa dasar lain sebagai produk cadangan. Amonia dalam tanah tadi akan bertahan dengan wujud ion amonium.

5. Denitrifikasi

Denitrifikasi merupakan sebuah proses reduksi nitrat yang berubah menjadi gas nitrogen inert (berukuran kecil) dalam tahapan daur nitrogen. Denitrifikasi ini dilakukan oleh bakteri seperti Clostridium pseudomonas dalam kondisi anaerobik atau tanpa bantuan oksigen. Selama tahap respirasi, bakteri akan menjadikan nitrat sebagai akseptor elektron. Bakteri yang mampu bertahan dalam kondisi anaerobik ini adalah bakteri dengan jenis Anaerob fakultatif.

Fungsi Daur Nitrogen

Meski tersebar luas dalam atmosfer, nitrogen tak dapat digunakan secara langsung oleh beberapa makhluk hidup. Itulah sebabnya, nitrogen harus melalui sejumlah tahapan agar manfaatnya dapat dioptimalkan untuk keseimbangan ekosistem maupun kelangsungan hidup makhluk di bumi.

Mengutip dari buku Ekologi Perairan Tropis: Prinsip Dasar Pengelolaan Sumber Daya Hayati Perairan karya Husein Latuconsina, nitrogen perlu mengalami fiksasi agar berubah menjadi nitrogen anorganik seperti amonia, amonium, nitrit, nitrat, dan molekul nitrogen maupun dalam bentuk nitrogen organik. Adapun nitrogen organik dapat berupa protein, asam amino, dan urea. Dari siklus nitrogen tersebut, makhluk hidup dapat memanfaatkan nitrogen dengan optimal.

Contoh Daur Nitrogen

Agar lebih menambah pemahamanmu tentang salah satu jenis siklus biogeokimia, berikut contoh daur nitrogen yang terjadi di sekitar kita:

• Terjadinya pelepasan nitrogen anorganik pada makhluk yang sudah mati melalui proses mineralisasi. Melalui proses tersebut, nitrogen akan diubah oleh bakteri menjadi amonium.
• Terjadinya proses presipitasi yang menyebabkan nitrogen sampai ke lautan. Nitrogen akan mengalami fiksasi dengan bantuan bakteri cynobacteria, kemudian nitrogen tersebut bermanfaat bagi fitoplankton.
• Terjadinya fenomena kilat akibat adanya proses geofisika di dalamnya.

Manfaat Daur Nitrogen

Sebagai bagian dari siklus biogeokimia, daur nitrogen memiliki peran penting dalam kehidupan. Menukil dari buku Ekologi dan Ilmu Lingkungan yang ditulis oleh Dyah Widodo, dkk., transformasi nitrogen dapat terjadi secara biologis maupun non-biologis.

Berdasarkan hal tersebut, terdapat beberapa manfaat daur nitrogen, di antaranya:

• Membantu tanaman menyerap nitrogen melalui proses fiksasi, sehingga pertumbuhannya menjadi optimal.
• Membantu penguraian bahan organik menjadi sebuah energi dan menghasilkan amonia serta senyawa dasar lain sebagai produk cadangan melalui proses amonifikasi.
• Dan berbagai manfaat lainnya.

Siklus Urea

Pada eukariota, siklus urea (bahasa Inggris: urea cycle, ornithine cycle) merupakan bagian dari siklus nitrogen, yang meliputi reaksi konversi amonia menjadi urea. Siklus ini ditemukan pertama kali oleh Hans Krebs dan Kurt Henseleit pada 1932. Pada mamalia, siklus urea terjadi di dalam hati, produk urea kemudian dikirimkan ke organ ginjal untuk diekskresi. Dua jenjang reaksi pada siklus urea terjadi di dalam mitokondria.

Ringkasan reaksi siklus urea adalah:

2NH₃ + CO₂ + 3ATP → NH₂.NH₂.CO + H₂O + 3ADP

1. Amonia

Amonia merupakan produk dari reaksi deaminasi oksidatif yang bersifat toksik. Pada manusia, kegagalan salah satu jenjang pada siklus urea dapat berakibat fatal, karena tidak terdapat lintasan alternatif untuk menghilangkan sifat toksik tersebut selain mengubahnya menjadi urea.

Defisiensi enzimatik pada siklus ini dapat mengakibatkan simtoma hiperamonemia yang dapat berujung pada kelainan mental, kerusakan hati dan kematian. Sirosis pada hati yang diakibatkan oleh konsumsi alkohol berlebih terjadi akibat defisiensi enzim yang menghasilkan Sarbamil fosfat pada jenjang reaksi pertama pada siklus ini.

Ikan mempunyai rasio amonia yang rendah di dalam darah, karena amonia diekskresi sebagai gugus amida dalam senyawa glutamina. Reaksi hidrolisis pada glutamina akan menkonversinya menjadi asam glutamat dan melepaskan gugus amonia.

Adapun manusia hanya mengekskresi sedikit sekali amonia, yang dikonversi oleh asam di dalam urin menjadi ion NH₄⁺, sebagai respon terhadap asidosis karena amonia memiliki kapasitas seperti larutan penyangga yang menjaga pH darah dengan menetralkan kadar asam yang berlebih.

2. Urea

Urea merupakan zat diuretik higroskopik dengan menyerap air dari plasma darah menjadi urin. Kadar urea dalam darah manusia disebut BUN (bahasa Inggris: Blood Urea Nitrogen). Peningkatan nilai BUN terjadi pada simtoma uremia dalam kondisi gagal ginjal akut dan kronis atau kondisi gagal jantung dengan konsekuensi tekanan darah menjadi rendah dan penurunan laju filtrasi pada ginjal. Pada kasus yang lebih buruk, hemodialisis ditempuh untuk menghilangkan larutan urea dan produk akhir metabolisme dari dalam darah.

Pada hewan seperti burung dan reptil yang harus mencadangkan air di dalam tubuhnya, nitrogen diekskresi sebagai asam urat yang bersenyawa dengan sedikit kandungan air. Adapun pada manusia, asam urat tidak disintesis dari amonia, melainkan dari adenina dan guanina yang terdapat pada berbagai nukleotida. Asam urat biasanya diekskresi dalam jumlah sedikit, melalui urin.

Kadar asam urat dalam darah dapat meningkat pada penderita gangguan ginjal dan leukemia. Bentuk garam dari asam urat dapat mengendap menjadi batu ginjal maupun batu kemih. Pada artritis, endapan garam dari asam urat terjadi pada tulang rawan yang terdapat pada persendian.

3. Jenjang Reaksi

CO₂ + NH₃ + 2ATP → NH₂.OCO.PO₃ + 2ADP + H₂O

Sarbamil fosfat sintetase, sebuah enzim, merupakan katalis pada reaksi dengan substrat NH₃, CO_2, dan ATP menjadi sarbamil fosfat, yang kemudian diaktivasi oleh asam N-asetilglutamat yang terbentuk dari asam glutamat dan asetil-KoA dengan enzim N-asetilglutamat sintetase. N-asetilglutamat merupakan regulator yang penting dalam ureagenesis selain arginina, kortikosteroid dan protein yang lain.

Reaksi kondensasi yang terjadi pada ornitina lantas memicu konversi sarbamil fosfat menjadi sitrulina dengan bantuan enzim ornitina transarbamilase. Kemudian sitrulina dilepaskan dari dalam matriks menuju sitoplasma, dan kondensasi terjadi dengan asam aspartat dan enzim argininosuksinat sintetase, membentuk asam argininosuksinat, yang kemudian diiris oleh argininasuksinat liase menjadi asam fumarat dan arginina.

Asam fumarat akan dioksidasi dalam siklus sitrat di dalam mitokondria, sedangkan arginina akan teriris menjadi urea dan ornitina dengan enzim arginase hepatik. Baik argininosuksinat liase maupun arginase diinduksi oleh rasa lapar, dibutiril cAMP dan kortikosteroid.

4. Siklus Urea Selama Puasa

Selama puasa, hati menjaga tingkat glukosa darah. Asam amino dari protein otot adalah sumber karbon utama untuk produksi glukosa dengan jalur glukoneogenesis. Karena karbon asam amino dikonversi menjadi glukosa, maka nitrogen diubah menjadi urea. Dengan demikian, ekskresi urin mengandung banyak urea selama puasa. Selama puasa berjalan, otak memulai menggunakan badan keton untuk menghemat glukosa darah. Semakin sedikit protein otot dipecah untuk penyediaan asam amino untuk glukoneogenesis, dan penurunan produksi glukosa dari asam amino diimbangi dengan penurunan produksi urea.

Substrat asam amino utama untuk glukoneogenesis adalah alanin, yang disintesis pada jaringan perifer untuk beraksi sebagai pembawa nitrogen. Pelepasan glukagon, yang diharapkan selama puasa, menstimulasi pengangkutan alanin ke hati dengan pengaktifan transkripsi sistem pengangkut untuk alanin. Dua molekul alanin dibutuhkan untuk menghasikan satu molekul glukosa. Nitrogen dari dua molekul alanin diubah menjadi satu molekul urea.

Itulah penjelasan tentang daur nitrogen yang memiliki manfaat besar dalam kelangsungan ekosistem dan kelangsungan makhluk hidup di bumi. Dengan memahami setiap tahapan di dalamnya, semoga dapat menambah wawasan mengenai siklus biogeokimia yang satu ini.

Jadi, sekarang kalian sudah tahu kalau siklus nitrogen itu seperti apa, dan ternyata kandungan nitrogen di atmosfer itu tidak berkurang alias konstan karena adanya siklus ini. Dari uraian di atas, kita juga jadi tahu kalau nitrogen memegang peranan yang sangat penting bagi kehidupan. Namun, gas nitrogen di atmosfer harus dikonversi terlebih dahulu menjadi senyawa yang bisa diserap oleh tanaman, melalui proses fiksasi nitrogen, amonifikasi, nitrifikasi, asimilasi, dekomposisi, hingga akhirnya kembali lagi ke atmosfer melalui denitrifikasi.

Rekomendasi Buku & Artikel Terkait