Siklus nitrogen merupakan salah satu contoh dari daur biogeokimia tipe gas yang agak kompleks. Sumber utama nitrogen (N) adalah N dari udara atau atmosfer. Udara 80% terdiri dari gas nitrogen bebas dalam bentuk N2. Nitrogen dalam bentuk gas oleh kebanyakan organisme tidak dapat digunakan sebagai unsur hara. Untuk dapat diserap dan dimanfaatkan oleh tanaman, nitrogen udara melalui serangkaian proses yang membuatnya menjadi berbentuk nitrat (NO3). Nitrat inilah yang dapat diserap oleh tanaman.
Proses Siklus Nitrogen
Nitrat yang diserap oleh tumbuhan kemudian digunakannya di dalam proses sintesis protein. Tumbuhan kemudian dimakan oleh hewan, misalnya serangga, kambing dan oleh karena itu Nitrogen yang ada di udara masuk tubuh hewan tersebut. Bilamana tumbuhan atau hewan mati, maka bakteri dan jamur akan mendekomposisinya sisa-sisa jasad mereka untuk dipecah menjadi asam-asam amino dan residu organik. Bahan tersebut kemudian diuraikan lagi oleh bakteri amonifikasi menjadi amonia.
Amonia dengan aktivitas bakteri nitrifikasi akan berubah bentuk menjadi nitrit dan senyawa ini oleh bakteri nitrat disintesis menjadi nitrat. Nitrat inilah yang kemudian kembali diserap oleh tanaman sebagai salah satu unsur hara. Di samping itu, N di udara akan diubah juga menjadi nitrat oleh bakteri dan alga penambat N. Adanya elektrifikasi dan fiksasi fotokimia yang terjadi di atmosfer juga akan mengikat N2 di udara menjadi nitrat.
Di alam selain adanya bakteri nitrifikasi yang merubah amonia menjadi nitrat, terdapat pula bakteri denitrifikasi yang dapat melepaskan nitrogen dari nitrat ke udara. ion-ion nitrat ini juga mudah terbawa air, masuk ke aliran sungai dan sampai ke laut. Nitrat yang dilepaskan tersebut kemudian akan hilang dari siklus nitrogen karena masuk ke dalam sedimen di dasar laut. Akan tetapi sebagian dari N yang berada dalam laut tersebut masih dapat masuk lagi ke dalam siklus nitrogen. Hal itu terjadi bilamana kita menangkap ikan atau udang dari laut, ion nitrat dapat masuk ke fitoplankton. Fitoplankton dapat menjadi makanan ikan-ikan, dapat juga melalui zooplankton. Selain itu, perlu diketahui pula bahwa ekskresi oleh hewan juga menghasilkan amonia, demikian juga aktivitas gunung berapi. Kegiatan tersebut akan membantu kelancaran siklus nitrogen di alam.
Nitrogen masuk ke bagian hidup dari ekosistem dengan cara sebagai berikut :
- Nitrogen atmosfer melalui fiksasi jasad renik.
- Nitrat atau kadang-kadang amonia tersedia dalam tanah sebagai hasil dari suatu seri bakteri dekomposer (fiksasi N).
- Nitrogen bebas yang ada di atmosfer dapat juga berubah menjadi nitrat yang diakibatkan oleh sambaran halilintar.
Peran Bakteri dalam Siklus Nitrogen
Perubahan nitrogen dari protein mati menjadi amonia (NH3) dilakukan oleh bakteri dan cendawan pembusuk. Dari bentuk amonia ke bentuk nitrit, dilakukan oleh bakteri Nitrosomonas. Nitrit kemudian dioksidasi menjadi nitrat oleh bakteri dari genus Nitrobacter. Proses tersebut disebut dengan nama nitrifikasi.
Ada beberapa jenis jasad renik yang dapat memanfaatkan gas nitrogen dari atmosfer. Mikroorganisme tersebut antara lain :
- Bakteri yang hidup bebas, contohnya adalah Azotobacter (aerobik) dan Clostridium (anaerobik).
- Bakteri yang bersimbiosis dengan bintil akar leguminosae, yaitu Rhizobium.
- Ganggang hijau-biru, Anabaena, Nostoc dan jenis-jenis lainnya dari ordo nostocales.
- Bakteri ungu : Rhodospirillum.
- Beberapa bakteri fotosintetik yang mampu melakukan fiksasi nitrogen.
- Bakteri yang ada dalam tanah yang mirip Pseudomonas.
Tumbuhan leguminosae dan beberapa generasi dari famili lain dapat melakukan fiksasi nitrogen dengan bantuan mikroorganisme penambat N. Tumbuhan tersebut antara lain Alnus, Casuarina, Ginkgo, Myrica, Coriaria dan Ceanothus, hanya saja semua tumbuhan ini tidak mampu menambat nitrogen tanpa bantuan mikroorganisme.
Tanaman yang masuk ke dalam famili leguminosae mempunyai bintil-bintil akar yang di dalamnya terdapat bakteri yang hidup bersimbiosis dengan tumbuhan inangnya. Bakteri tersebut mampu menambat nitrogen bebas dari udara dan mengubahnya menjadi nitrat, melalui tahap pembentukan amonia dan nitrit. Nitrogen berbentuk nitrat inilah yang dapat diserap oleh tumbuh-tumbuhan. Proses yang sama juga terjadi pada penambatan nitrogen oleh ganggang biru-hijau yang banyak terdapat di sawah, yaitu kiyambang (Azolla pinnata). Fiksasi nitrogen oleh tumbuhan tersebut disebut fiksasi biologi.
Hutchinson pada tahun 1944 telah memperkirakan bahwa ada sejumlah 140-170 mg nitrogen per m2 per tahun yang difiksasi dari udara. Sebagian besar fiksasi tersebut berlangsung secara biologis, hanya sebagian kecil saja yang berlangsung karena elektrifikasi da fotokimiawi.
Pentingnya asosiasi bakteri penambah nitrogen dengan tumbuhan leguminosae menarik para pakar yang kemudian memanfaatkannya. Hal ini telah banyak dilakukan di bidang pertanian. Sistem pertanian dengan cara rotasi tanaman menggunakan tanaman leguminosae adalah salah satu cara dari pemanfaatan hal ini. Penggunaan fiksasi N secara biologis lebih menguntungkan dibandingkan dengan pemupukan dengan nitrat (pemupukan dengan pupuk nitrat buatan). Hal ini terutama dalam pemeliharaan struktur tanah, pencegahan pencemaran serta erosi. Meskipun demikian penggunaan fiksasi N secara biologis mempunyai banyak kendala, misalnya pembajakan tanah dan rotasi tanaman sehingga tidak memungkinkan menanam tanaman dalam waktu yang pendek.
Akan tetapi dengan cara alami ini, manusia memperoleh hikmah yaitu dengan bersahabatlah dengan mikroba dan jangan meracuni tanah serta air sehingga dapat menjadikan lingkungan sehat dan bersih tanpa mengeluarkan biaya.
Dengan mempelajari siklus nitrogen tersebut, maka jelaslah bahwa siklus tersebut termasuk ke dalam tipe gas. Pada siklus nitrogen tersebut, bagian cadangan yang utama adalah yang terdapat di atmosfer.
Gambar Siklus Nitrogen
Pada gambar diatas diberikan contoh gambar siklus nitrogen dalam skala yang sederhana, yaitu siklus nitrogen di padang penggembalaan. Pada gambar tersebut terlihat seekor sapi sedang meruput. Kenapa demikian ? Karena sapi ingin bertahan hidup dan berkembang. Dalam rumput terkandung zat-zat makanan (gizi) yang diperukan untuk pertumbuhan ternak. Salah satunya adalah protein yang mengandung unsur nitrogen (N) di dalamnya. Nitrogen merupakan salah satu unsur protein yang diperlukan oleh sapi untuk pertumbuhan jaringan tubuh.
Tidak semua nitrogen diserap oleh tubuh mereka, tetapi sebagian besar akan dikeluarkan melalui feses (kotoran) dan urin (air kencing). Ternak mengeluarkan feses yang mengandung nitrogen dan sebagian akan dibebaskan ke dalam atmosfer dalam bentuk amonia (NH3) dan amonium (NH4) dan sebagian lagi akan kembali ke tanah bersama-sama dengan sisa tanaman sebagai nitrogen dalam bahan organik tanah. Nitrogen bahan organik tanah sebagian akan terbawa oleh erosi dan sebagian berubah menjadi amonium. Selain itu, penggunaan pupuk yang mengandung nitrat oleh manusia (pupuk urea) akan memperkaya kandungan nitrat yang ada di dalam tanah.
Nitrat tersebut sebagian akan diserap oleh tanaman dan sebagian akan tercuci dan masuk ke air tanah serta sebagian lainnya akan mengalami proses denitrifikasi mebentuk N2 dan N2O yang kemudian akan masuk ke atmosfer. Proses tersebut berjalan secara terus menerus dan tiada hentinya, dan itulah yang disebut dengan nama siklus nitrogen.
Dalam hubungannya dengan siklus nitrogen, manusia sudah lama melakukan praktek-praktek ekologi yang memanfaatkannya. Diantaranya adalah dengan memelihara ternak yang kemudian kotorannya digunakan untuk membuat pupuk kandang. karena para petani sudah mengetahui bahwa di dalam kotoran ternak mengandung unsur nitrogen yang diperlukan tanaman. Bahkan ada petani yang sengaja membeli ternak, seperti sapi, kambing dan domba terutama untuk menyediakan pupuk kandang dalam upaya meningkatkan hasil tanamannya. Kasus ini banyak dijumpai di daerah dataran tinggi yang lahannya kurang subur.