Unsur nitrogen bersifat “inert”, artinya tidak mudah digunakan begitu saja secara langsung oleh kebanyakan hewan maupun tumbuhan. Sehingga nitrogen mempunyai aktivitas biologis yang sangat kecil. Gas ini memasuki semua tubuh organisme, tetapi umumnya keluar lagi tanpa berperan penting dalam proses hidup organisme tersebut. Nitrogen baru dapat dipergunakan sebagai penyusun elemen-elemen tubuh organisme apabila sudah dalam keadaan terikat.
Udara merupakan cadangan nitrogen utama dalam siklus nitrogen. Dalam udara kadarnya sekitar 78 % dan sumber lainnya berada di kulit bumi dan perairan. Nitrogen bukan hanya dihasilkan dari atmosfir saja, namun juga dihasilkan dari kegiatan gunung merapi. Pada tumbuhan dan hewan, senyawa nitrogen ditemukan sebagai penyusun protein dan klorofil. Dalam ekosistem terdapat suatu daur antara organisme dan lingkungan fisiknya.
Bentuk dan Sumber
Nitrogen organik berasal dari jaringan organisme yang sudah mati, kotoran zat sisa, dan sisa pakan yang ditransformasi menjadi ammonia melalui proses dekomposisi/ mineralisasi oleh bakteri pengurai proteolitik. Nitrogen memiliki beberapa bentuk yaitu ammonia (NH3), nitrit (NO2-), nitrat(NO3-), amina(NH2), amonium(NH4+), dan nitrogen diatomik (N2) (Jamieson, 1995). Sumber utama nitrogen (N2) adalah udara, sedangkan organisme hidup memperoleh nitrogen dalam bentuk garam nitrat kemudian diasimilasikan pada sitoplasma dalam bentuk protein sebagai cadangan pangan (Odum, 1993). Menurut Turk (1985) dan Killham (1996) bahwa di alam ini terdapat tiga gudang nitrogen yaitu udara, senyawa anorganik (misalnya nitrat, nitrit, dan amoniak), dan senyawa anorganik adalah gas N2 di udara.
Jenis-jenis N-anorganik yang utama dalam air adalah ion nitrat (N03-) dan ion amonimum (NH4+). Hujan sangat sedikit sebagai sumber N03- dan NH4+. Namun dalam kondisi tertentu masih terdapat ion nitrit dan sebagian besar dari nitrogen terikat dalam nitrogen organic (47,9%), yaitu bahan-bahan yang berprotein, juga terdapat dalam bahan pencemar seperti asam sianida (HCN), asam etilen diamin tetra asetat (EDTA) atau dalam bentuk asam nitrilotriasetat (NTA).
Di perairan laut, Nitrogen yang terbanyak dalam bentuk N-molekuler (N2) yang berlipat ganda jumlahnya daripada nitrit (NO2) atau nitrat (NO3), tetapi tidak dalam bentuk yang berguna bagi jasad hidup
Transfer dan Fiksasi Nitrogen
Daur Nitrogen melibatkan semua bagian biosfer. Daur Nitrogen merupakan suatu siklus yang sempurna, namun kompleks. Dalam memproduksi nutrient bagi organisme perairan, maka diperlukan transfer senyawa nitrogen. Nitrogen memasuki ekosistem dengan dua jalur alamiah, yang keutamaan relatifnya sangat bervariasi dari satu ekosistem ke ekosistem lain. Yang pertama, deposit pada atmosfer, merupakan sekitar 5% sampai 10% dari nitrogen yang dapat digunakan, yang , memasuki sebagian besar ekosistem. Dalam proses ini, NH4+ dan NO3-, ditambahkan melalui kelarutannya dalam air hujan atau pengendapan debu-debu halus atau butiran-butiran lainnya.
Jalur lain masuknya nitrogen ke ekosistem adalah melalui fiksasi nitrogen (nitrogen fixation). Molekul nitrogen, N2, sangat lembam. Untuk memecahkan molekul itu agar atom-atomnya dapat bergabung dengan atom-atom lain diperlukan pemasukan sejumlah besar energy. Proses berperan penting dalam fiksasi (pengikatan) nitrogen dalam biosfer, Salah satu di antaranya ialah halilintar. Energi yang sangat besar dari halilintar memecahkan molekul-molekul nitrogen dan memungkinkan bergabung dengan oksigen dan hidrogen dalam udara. Nitrogen oksida terbentuk yang larut dalam hujan membentuk kilat. Dalam bentuk ini senyawa ini terbawa ke bumi. Fiksasi nitrogen ini diperkirakan sekitar 5-8% dari keseluruhannya.
Keperluan pertanian yang semakin meningkat telah menyebabkan produk nitrogen terfiksasi secara industry makin meningkat pula. Sehingga supply industry yang merupakan ketergantungan dari sector pertanian ini menjadi pemicu ketergangguan daur alam. Kegiatan manusia telah meningkatkan aliran nitrogen global. Hal ini dapat terlihat pada danau dan sungai karena pupuk nitrogen merembes dari tanah pertanian sekitarnya dan menyuburkan algae.
Hanya prokariota tertentu yang dapat memfiksasi nitrogen, yakni mengubah N2 menjadi mineral yang dapat digunakan untuk mensitesis senyawa organik bernitrogen seperti asam amino. Prokariota merupakan mata rantai yang penting pada beberapa titik dalam siklus nitrogen. Beberapa sinobakteri memfiksasi nitrogen dalam ekosistem akuatik. Organisme yang memfiksasi nitrogen tentunya sedang memenuhi kebutuhan metaboliknya sendiri. Tetapi kelebihan ammonia yang dibebaskan oleh organisme tersebut menjadi tersedia bagi organisme lain.
Pengikatan nitrogen secara biologi dapat dilakukan oleh bakteri nonsimbiotik, bakteri simbiotik, dan ganggang hijau biru. Nitrat (NO3) yang terdapat di tanah dan air pada umumnya terjadi karena pengikatan nitrogen secara bilogi. Bakteri non simbiotik (bakteri bebas) yang berperan dalam pengikatan nitrogen diantaranya, Azotobacter chroococcum, A. Beijerinckii, A. Vinelandii, Derxia spp.,dan Aerobacter aerogenes. Sedangkan ganggang biru- hijau yang berperan dalam pengikatan nitrogen secara biologi adalah Nostoc dan Anabaena.
Bakteri simbiotik yang berperan dalam pengikatan secara biologi adalah genus Rhizobium diantaranya Rhizobium trifolii, Rhizobium meliloti, Rhizobium leguminosarum, Rhizobium lupine dan Rhizobium speciosa. Bakteri pengikat nitrogen tersebut hidup bersimbiosis dengan akar tumbuhan polong- polongan membentuk bintil akar.
Mikroorganisme tertentu lainnya dapat mengikat nitrogen atmosfer. Sebenarnya kemampuan mengikat nitrogen ternyata merupakan kemampuan prokariota semata-mata. Beberapa aktinomisites hidup bergabung dengan tumbuhan selain legum. Beberapa organisme foto-ototrof dapat mengikat nitrogen, tetapi organisme ini terbatas pada lingkungan bentik anaerobik, sehingga hanya ditemui di estuari.
Meskipun sudah banyak penelitian dilakukan, masih belum jelas bagaimana pengikat nitrogen mampu mengatasi penghalang energy tinggi yang terlibat dalam proses itu. Pengikat-pengikat itu memerlukan suatu enzim, yang dinamakan nitrogenase, dan pemakaian ATP yang sangat besar. Walaupun produk pertama yang stabil tersebut adalah ammonia, zat ini dengan cepat bergabung dengan protein dan senyawa organic lain yang mengandung nitrogen. Fiksasi nitrogen menuju kepada penggabungan nitrogen dengan protein tumbuhan dan protein mikroba. Tumbuhan yang tidak mempunyai keuntungan dari gabungan pengikatan nitrogen membuat proteinnya dari tanah.
Pembusukan
Protein yang dibuat oleh tumbuhan masuk melalui jarring-jaring makanan. Pada setiap tingkatan trofik terdapat kehilangan yang kembali ke sekitarnya, terutama dalam ekskresi. Yang terakhir mengambil keuntungan dari senyawa nitrogen organic ialah mikroorganisme pembusuk. Melalui kegiatan molekul-molekul yang mengandung nitrogen organic dalam ekskresi dan bangkai itu dirombak menjadi ammonia.
Nitrifikasi
Nitrat (N03-) yang telah diadsorbsi oleh akar tanaman, selanjutnya nitrogen akan disintesis menjadi protein tanaman, kemudian herbivora yang makan tumbuhan akan mengubah tumbuhan tersebut menjadi protein hewani. Tumbuhan dan hewan yang telah mati akan terdekomposisi, sehingga protein nabati dan protein hewani diuraikan menjadi ammonia dan asam amino. Demikian pula kotoran-kotoran organism tersebut akan diuraikan menjadi ammonia dan asam amino.
Penguraian protein pada bahan organic yang terdekomposisi menjadi asam amino dan ammonia ini disebut amonifikasi. Reaksi ini menyebabkan paling tidak sebagian besar tanah menjadi sedikit bersifat asam, dan NH3 yang dibebaskan ke dalam tanah akan menangkap sebuah ion hydrogen (H+) untuk membentuk ammonium, NH4+ , yang dapat digunakan langsung oleh tumbuhan. NH3 adalah gas sehingga dapat menguap kembali ke atmosfer dari tanah yang mempunyai pH mendekati 7 . NH3 yang hilang dari tanah ini kemudian dapat membentuk NH4+ di atmosfer. Sebagai akibatnya, konsentrasi NH4+ dalam curah hujan berkorelasi dengan pH tanah dalam kisaran wilayah yang luas.
Amonia di perairan adalah pemecahan nitrogen organik (protein dan urea) dan nitrogen anorganik yang terdapat di dalam tanah dan air, yang berasal dari dekomposisi bahan organik oleh mikroba dan jamur. Amonia dan garam-garamnya bersifat mudah larut dalam air.
Sumber amonia adalah reduksi gas nitrogen yang berasal dari proses difusi udara atmosfer, limbah industri dan domestik. Amonia yang terdapat dalam mineral masuk ke badan air melalui erosi tanah. Amonia membentuk senyawa kompleks dengan beberapa ion logam. Amonia juga dapat terserap kedalam bahan-bahan tersuspensi dan koloid sehingga mengendap di dasar perairan. Amonia di perairan dapat menghilang melalui proses volatilisasi karena tekanan parsial amonia dalam larutan meningkat dengan semakin meningkatnya pH.
Ikan tidak bisa bertoleransi terhadap kadar amonia bebas yang terlalu tinggi karena dapat mengganggu proses pengikatan oksigen oleh darah dan pada akhirnya dapat meningkatkan sifokasi. Pada budidaya intensif, yang padat penebaran tinggi dan pemberian pakan sangat intensif, penimbunan limbah kotoran terjadi sangat cepat.
Amonia (NH3) dapat secara langsung diambil oleh tumbuhan melalui akar dan melalui daun-daunnya. Namun demikian sebagian besar ammonium dalam tanah digunakan oleh bakteri anaerob tertentu sebagai sumber energi, bakteri detrifor; aktivitas mengoksidasi ammonium menjadi nitrit (N02-), dan kemudian menjadi nitrat (NO3-), suatu proses yang disebut nitrifikasi, yakni suatu proses oksidasi ensimatik yang dilakukan oleh sekelompok jasad renik/bakteri.
Bakteri autotrofi (bakteri nitrifikasi) dapat menggunakan N-anorganik untuk melakukan nitrifikasi, seperti genera bakteri Nitosomonos, Nitrosococcus, Nitrosospira, Nitrosovibrio, dan Nitrosolobus. Jenis bakteri nitrifikasi yang terdapat pada air tawar, misalnya Nitrosomonas, Nitrobacter serta Nitrosococcus, Nitrococcu,s Nitrospira ,Nitrosolobus merupakan bakteri nitrifikasi laut.
Pada proses tahap pertama reaksi berlangsung dari ammonium ke nitrit yang melibatkan bakteri Nitrosomonos dan Nitrosococcus yang merupakan dengan persamaan reaksisebagai berikut:
NH4 + 3/2 O2 NO2 + H2O + 2 H E = - 65 kcal
Di perairan, nitrit ditemukan dalam jumlah yang sangat sedikit, lebih sedikit daripada nitrat, karena bersifat tidak stabil dengan keberadaan oksigen. Sumber nitrit dapat berupa limbah industri dan limbah domestik. Kadar nitrit pada perairan relatif karena segera dioksidasi menjadi nitrat.
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 nitrit ini terakumulasi di lingkungan.
Nitrat yang telah diproduksi dapat diserap oleh tumbuhan untuk keperluan sintetis protein melalui proses metabolisme. Kemudian tumbuhan menjadi makanan berbagai jenis hewan. Tumbuhan dan hewan mengalami proses dekomposisi melalui kegiatan jasad renik yang melepaskan hasil dekomposisi itu ke dalam lingkungannya, antara lain ammonium.
Langkah dari protein ke nitrat menghasilkan energy bagi organism pengurai. Langkah sebaliknya dari nitrat ke protein memerlukan energy dari sumber lain, seperti dari bahan organic atau cahaya matahari. Sebagian nitrat yang berasal dari fiksasi dan dekomposisi itu dilarutkan air tanah dan dipindahkan atau diekspor ke ekosistem lain, atau dapat pula “hilang” menjadi endapan..
Denitrifikasi
Denitrifikasi merupakan pengubahan nitrat menjadi gas nitrogen , dengan demikian mengisi kembali atmosfer. Proses ini melibatkan peran beberapa bakteri antara lain Bacillus cereus, Bacillus licheniformis, Pseudomonas denitrificants, Thiobacillus denitrificants, Micrococcus, dan Achromabacter. Bakteri ini hidup jauh di dalam tanah dan dalam sedimen air yang jumlah oksigennya sangt terbatas. Bakteri tersebut menggunakan nitrat sebagai suatu alternative terhadap oksigen untuk akseptor terakhir dalam respirasinya. Dengan demikian bakteri tersebut menutup daur nitrogen. Aktivitas bakteri tersebut sama cepatnya dengan efisiensi yang terus meningkat dalam memajukan fiksasi nitrogen masih harus diselidiki.
