Memahami Siklus Nitrogen dan Manfaatnya bagi Kehidupan

Nitrogen merupakan zat penting yang mempengaruhi tubuh organisme, termasuk manusia. Namun, sebagian besar makhluk hidup tidak bisa 'mengonsumsi' nitrogen secara langsung. Sebab, nitrogen yang ada di atmosfer umumnya masih berupa N2 dan memiliki ikatan kuat yang sulit bereaksi. Perlu adanya pengubahan atau kombinasi unsur sehingga nitrogen akhirnya dapat bermanfaat bagi makhluk hidup. 

Siklus nitrogen bergerak melalui makhluk hidup dan tidak hidup. Termasuk atmosfer, tanah, air, tumbuhan, hewan, dan bakteri inilah yang dinamakan siklus nitrogen. Intinya, siklus nitrogen merupakan proses daur berulang yang mengonversi unsur nitrogen menjadi bentuk kimiawi lain melalui makhluk hidup dan tak hidup.

Ada lima tahapan daur yang harus nitrogen lewati agar bisa dimanfaatkan oleh banyak makhluk hidup. Adapun penjelasan siklusnya yakni sebagai berikut.

Tahap pertama yakni fiksasi nitrogen. Tahapan ini merupakan proses 'penangkapan' gas nitrogen yang ada di udara. Pada tahap fiksasi, gas nitrogen akan ditangkap secara langsung oleh mikroorganisme bawah tanah yang bersifat diazotrof (Rhizobium, Azotobacteraceae, dan lainnya).

Bakteri dengan kemampuan diazotrof atau mengikat nitrogen memiliki enzim nitrogenaze yakni enzim yang dapat mengubah gas nitrogen menjadi amonia atau NH3. Senyawa amonia ini selanjutnya akan diubah oleh mikroorganisme menjadi asam amino. 

Gas nitrogen (N2) ---> mikroorganisme ---> NH3 (amonia) ---> asam amino

Proses fiksasi non-biologis juga terjadi melalui bantuan energi yang menghasilkan panas atau tekanan tinggi, seperti petir dan kilat. Nitrogen yang berinteraksi dengan petir akan bereaksi dengan oksigen dan menghasilkan senyawa nitrogen oksida (NO) atau nitrogen dioksida (NO2). Keduanya, dapat memasuki tanah melalui perantara hujan atau salju. 

Step kedua dari siklus hidrogen yakni nitrifikasi. Pada tahapan ini, amonia yang telah dihasilkan sebelumnya akan diubah menjadi nitrat. Bakteri nitrifikasi (bakteri yang mampu menyusun nitrat dari amonia secara aerob di bawah tanah) berperan penting dalam tahap nitrifikasi.

Dilansir nature.com, nitrifikasi sejatinya terdiri dari dua proses besar. Pertama, nitritasi yakni oksidasi amonia menjadi nitrit yang dilakukan oleh kelompok bakteri genus Nitrosomonas, Nitrosospira, dan Nitrosococcus; serta Archaea bernama Nitrosopumilus maritimus. Proses ini mengandalkan enzim amonia monooksigenase dan hidroksilamin oksidoreduktase.

NH3 + O2 + 2e- ---> NH2OH + H2O ---> NO2- + 5H+ + 4e-

Kedua, merupakan nitratasi yang merupakan proses oksidasi senyawa nitrit menjadi nitrat oleh bakteri. Berbeda dengan nitritasi, nitratasi dilakukan oleh bakteri genus Nitrospira, Nitrobacter, Nitrococcus, dan Nitrospina. 

NO2– + 0.5 O2 ---> NO3–

Nah, proses nitrifikasi telah mengubah bentuk nitrogen yang ditangkap bakteri menjadi nitrat. Nitrogen yang telah berubah bentuk kimiawi ini nantinya bisa diserap oleh tanaman.

Hasil dari proses nitrifikasi mengubah gas nitrogen yang sulit terurai menjadi senyawa  yang mudah terserap. Proses penyerapan inilah yang dinamakan asimilasi dalam siklus nitrogen. Tumbuhan menyerap nitrogen yang telah diproses melalui rambut-rambut akar yang ada di bawah tanah.

Proses asimilasi mengubah nitrat yang dihasilkan pada tahapan sebelumnya menjadi ion nitrit dan ion amonium. Karena ion bersifat polar alias mudah larut dalam air, menjadikan senyawa nitrogen yang telah melalui serangkaian proses lebih mudah diserap tumbuhan.

Beberapa jenis tumbuhan dapat mengasimilasi nitrat menjadi ion amonium secara langsung di nodul (bintil akar). Namun, sebagian lainnya perlu memasukkannya pada asam nukleat, asam amino dan klorofil.

Tumbuhan yang telah mengandung senyawa turunan nitrogen akan dimakan oleh hewan dan manusia. Dengan demikian, senyawa nitrogen yang ada pada tumbuhan akan turut berpindah pada makhluk hidup yang memakannya. 

Nah, ketika makhluk hidup pemakan tumbuhan itu mengeluarkan feses atau mati, maka nitrogen yang telah dikonsumsi akan kembali diubah menjadi amonium (NH4+). Proses perubahan bentuk tersebut terjadi ketika kotoran atau jasad mengalami penguraian (dekomposisi) oleh jamur dan bakteri pada tanah.  

Hasil dari proses amonifikasi yakni amonium akan kembali ke tanah. Tidak hanya secara organik, amonifikasi juga dapat terjadi sebagai akibat aktivitas bakteri yang mengubah nitrat menjadi amonium. 

Yay, tahap akhir dari siklus nitrogen yakni denitrifikasi. Karena siklus selalu berputar, proses denitrifikasi berarti mereduksi nitrat dan selanjutnya diubah kembali menjadi gas nitrogen (N2). Tahapan ini dilakukan oleh bakteri dari genus Bacillus, Paracoccus, dan Pseudomonas dalam kondisi anaerob.

Denitrifikasi jadi proses penting karena menghilangkan nitrogen hasil proses (nitrat) dari ekosistem dan mengembalikannya ke atmosfer dalam bentuk inert biologis (N2). Namun, ini jadi merugikan tanaman. Sebab, hilangnya nitrat menjadikan tumbuhan kekurangan unsur nitrogen. 

Bagaimana, sudah paham atau justru pusing memahami siklus nitrogen? Dengan tahapan yang panjang dan rumit itu, nitrogen dapat memberikan banyak manfaat bagi kehidupan, lho. Berikut  di antaranya:

• Nitrogen merupakan penyusun inti asam amino, selanjutnya menjadi penyusun protein dan asam nukleat. Dilansir laman Understanding Global Change (UGC) University of California, protein dan asam nukleat merupakan penyusun materi genetik (RNA dan DNA) yang membentuk identitas makhluk hidup
• Nitrogen sangat diperlukan untuk mensintesis klorofil. Ingat, kan, nitrogen diserap oleh tumbuhan? Nah, terpenuhinya nutrisi tersebut menyebabkan tanaman tumbuh sehat
• Selama proses amonifikasi, bakteri membantu menguraikan hewan dan tumbuhan yang membusuk. Ini membantu membersihkan lingkungan secara alami
• Tanah yang kaya akan nitrat merupakan kondisi yang mendukung pertanian. Siklus nitrogen membantu meningkatkan kualitas tanah. Itulah mengapa pupuk mengandung senyawa nitrogen.

Keberlangsungan siklus nitrogen ini dapat menjaga keseimbangan kehidupan, lho. Fungsinya jelas sama penting seperti siklus air, siklus karbon dan oksigen, juga daur biogeokimia lainnya.