Siklus karbon adalah siklus biogeokimia dimana karbon dipertukarkan antara biosfer, geosfer, hidrosfer, dan atmosfer Bumi (objek astronomis lainnya bisa jadi memiliki siklus karbon yang hampir sama meskipun hingga kini belum diketahui).
Dalam siklus ini terdapat empat reservoir karbon utama yang dihubungkan oleh jalur pertukaran. Reservoir-reservoir tersebut adalah atmosfer, biosfer teresterial (biasanya termasuk pula freshwater system dan material non-hayati organik seperti karbon tanah (soil carbon)), lautan (termasuk karbon anorganik terlarut dan biota laut hayati dan non-hayati), dan sedimen (termasuk bahan bakar fosil). Pergerakan tahuan karbon, pertukaran karbon antar reservoir, terjadi karena proses-proses kimia, fisika, geologi, dan biologi yang bermaca-macam. Lautan mengadung kolam aktif karbon terbesar dekat permukaan Bumi, namun demikian laut dalam bagian dari kolam ini mengalami pertukaran yang lambat dengan atmosfer.
Neraca karbon global adalah kesetimbangan pertukaran karbon (antara yang masuk dan keluar) antar reservoir karbon atau antara satu putaran (loop) spesifik siklus karbon (misalnya atmosfer - biosfer). Analisis neraca karbon dari sebuah kolam atau reservoir dapat memberikan informasi tentang apakah kolam atau reservoir berfungsi sebagai sumber (source) atau lubuk (sink) karbon dioksida.
Bagian terbesar dari karbon yang berada di atmosfer Bumi adalah gas karbon dioksida (CO2). Meskipun jumlah gas ini merupakan bagian yang sangat kecil dari seluruh gas yang ada di atmosfer (hanya sekitar 0,04% dalam basis molar, meskipun sedang mengalami kenaikan), namun ia memiliki peran yang penting dalam menyokong kehidupan. Gas-gas lain yang mengandung karbon di atmosfer adalah metan dan kloroflorokarbon atau CFC (CFC ini merupakan gas artifisial atau buatan). Gas-gas tersebut adalah gas rumah kaca yang konsentrasinya di atmosfer telah bertambah dalam dekade terakhir ini, dan berperan dalam pemanasan global.
Karbon diambil dari atmosfer dengan berbagai cara:
Ketika matahari bersinar, tumbuhan melakukan fotosintesa untuk mengubah karbon dioksida menjadi karbohidrat, dan melepaskan oksigen ke atmosfer. Proses ini akan lebih banyak menyerap karbon pada hutan dengan tumbuhan yang baru saja tumbuh atau hutan yang sedang mengalami pertumbuhan yang cepat.
Pada permukaan laut ke arah kutub, air laut menjadi lebih dingin dan CO2 akan lebih mudah larut. Selanjutnya CO2 yang larut tersebut akan terbawa oleh sirkulasi termohalin yang membawa massa air di permukaan yang lebih berat ke kedalaman laut atau interior laut (lihat bagian solubility pump).
Di laut bagian atas (upper ocean), pada daerah dengan produktivitas yang tinggi, organisme membentuk jaringan yang mengandung karbon, beberapa organisme juga membentuk cangkang karbonat dan bagian-bagian tubuh lainnya yang keras. Proses ini akan menyebabkan aliran karbon ke bawah (lihat bagian biological pump).
Pelapukan batuan silikat. Tidak seperti dua proses sebelumnya, proses ini 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).
Karbon dapat kembali ke atmosfer dengan berbagai cara pula, yaitu:
Melalui pernafasan (respirasi) oleh tumbuhan dan binatang. Hal ini merupakan reaksi eksotermik dan termasuk juga di dalamnya penguraian glukosa (atau molekul organik lainnya) menjadi karbon dioksida dan air.
Melalui pembusukan binatang dan tumbuhan. Fungi atau jamur dan bakteri mengurai senyawa karbon pada binatang dan tumbuhan yang mati dan mengubah karbon menjadi karbon dioksida jika tersedia oksigen, atau menjadi metana jika tidak tersedia oksigen.
Melalui pembakaran material organik yang mengoksidasi karbon yang terkandung menghasilkan karbon dioksida (juga yang lainnya seperti asap). Pembakaran bahan bakar fosil seperti batu bara, produk dari industri perminyakan (petroleum), dan gas alam akan melepaskan karbon yang sudah tersimpan selama jutaan tahun di dalam geosfer. Hal inilah yang merupakan penyebab utama naiknya jumlah karbon dioksida di atmosfer.
Produksi semen. Salah satu komponennya, yaitu kapur atau gamping atau kalsium oksida, dihasilkan dengan cara memanaskan batu kapur atau batu gamping yang akan menghasilkan juga karbon dioksida dalam jumlah yang banyak.
Di permukaan laut dimana air menjadi lebih hangat, karbon dioksida terlarut dilepas kembali ke atmosfer.
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; Kedua proses kimia ini yang saling berkebalikan ini akan memberikan hasil penjumlahan yang sama dengan nol dan tidak berpengaruh terhadap jumlah karbon dioksida di atmosfer dalam skala waktu yang kurang dari 100.000 tahun.
Sekitar 1900 gigaton karbon ada di dalam biosfer. Karbon adalah bagian yang penting dalam kehidupan di Bumi. Ia memiliki peran yang penting dalam struktur, biokimia, dan nutrisi pada semua sel makhluk hidup. Dan kehidupan memiliki peranan yang penting dalam siklus karbon:
Autotroph adalah organisme yang menghasilkan senyawa organiknya sendiri dengan menggunakan karbon dioksida yang berasal dari udara dan air di sekitar tempat mereka hidup. Untuk menghasilkan senyawa organik tersebut mereka membutuhkan sumber energi dari luar. Hampir sebagian besar autotroph menggunakan radiasi matahari untuk memenuhi kebutuhan energi tersebut, dan proses produksi ini disebut sebagai fotosintesis. Sebagian kecil autotroph memanfaatkan sumber energi kimia, dan disebut kemosintesis. Autotroph yang terpenting dalam siklus karbon adalah pohon-pohonan di hutan dan daratan dan fitoplankton di laut. Fotosintesis memiliki reaksi 6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2
Karbon dipindahkan di dalam biosfer sebagai makanan heterotrop pada organisme lain atau bagiannya (seperti buah-buahan). Termasuk di dalamnya pemanfaatan material organik yang mati (detritus) oleh jamur dan bakteri untuk fermentasi atau penguraian.
Sebagian besar karbon meninggalkan biosfer melalui pernafasan atau respirasi. Ketika tersedia oksigen, respirasi aerobik terjadi, yang melepaskan karbon dioksida ke udara atau air di sekitarnya dengan reaksi C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O. Pada keadaan tanpa oksigen, respirasi anaerobik lah yang terjadi, yang melepaskan metan ke lingkungan sekitarnya yang akhirnya berpindah ke atmosfer atau hidrosfer.
Pembakaran biomassa (seperti kebakaran hutan, kayu yang digunakan untuk tungku penghangat atau kayu bakar, dll.) dapat juga memindahkan karbon ke atmosfer dalam jumlah yang banyak.
Karbon juga dapat berpindah dari bisofer ketika bahan organik yang mati menyatu dengan geosfer (seperti gambut). Cangkang binatang dari kalsium karbonat yang menjadi batu gamping melalui proses sedimentasi.
Sisanya, yaitu siklus karbon di laut dalam, masih dipelajari. Sebagai contoh, penemuan terbaru bahwa rumah larvacean mucus (biasa dikenal sebagai "sinkers") dibuat dalam jumlah besar yang mana mampu membawa banyak karbon ke laut dalam seperti yang terdeteksi oleh perangkap sedimen [1]. Karena ukuran dan kompisisinya, rumah ini jarang terbawa dalam perangkap sedimen, sehingga sebagian besar analisis biokimia melakukan kesalahan dengan mengabaikannya.
Penyimpanan karbon di biosfer dipengaruhi oleh sejumlah proses dalam skala waktu yang berbeda: sementara produktivitas primer netto mengikuti siklus harian dan musiman, karbon dapat disimpan hingga beberapa ratus tahun dalam pohon dan hingga ribuan tahun dalam tanah. Perubahan jangka panjang pada kolam karbon (misalnya melalui de- atau afforestation) atau melalui perubahan temperatur yang berhubungan dengan respirasi tanah) akan secara langsung memengaruhi pemanasan global.
Laut mengandung sekitar 36.000 gigaton karbon, dimana sebagian besar dalam bentuk ion bikarbonat. Karbon anorganik, yaitu senyawa karbon tanpa ikatan karbon-karbon atau karbon-hidrogen, adalah penting dalam reaksinya di dalam air. Pertukaran karbon ini menjadi penting dalam mengontrol pH di laut dan juga dapat berubah sebagai sumber (source) atau lubuk (sink) karbon. Karbon siap untuk saling dipertukarkan antara atmosfer dan lautan. Pada daerah upwelling, karbon dilepaskan ke atmosfer. Sebaliknya, pada daerah downwelling karbon (CO2) berpindah dari atmosfer ke lautan. Pada saat CO2 memasuki lautan, asam karbonat terbentuk:
CO2 + H2O ⇌ H2CO3
Reaksi ini memiliki sifat dua arah, mencapai sebuah kesetimbangan kimia. Reaksi lainnya yang penting dalam mengontrol nilai pH lautan adalah pelepasan ion hidrogen dan bikarbonat. Reaksi ini mengontrol perubahan yang besar pada pH:
H2CO3 ⇌ H+ + HCO3−
Model siklus karbon dapat digabungkan ke dalam model iklim global, sehingga reaksi interaktif dari lautan dan biosfer terhadap nilai CO2 di masa depan dapat dimodelkan. Ada ketidakpastian yang besar dalam model ini, baik dalam sub model fisika maupun biokimia (khususnya pada sub model terakhir). Model-model seperti itu biasanya menunjukkan bahwa ada timbal balik yang positif antara temperatur dan CO2. Sebagai contoh, Zeng dkk. (GRL, 2004 [2]) menemukan dalam model mereka bahwa terdapat pemanasan ekstra sebesar 0,6 °C (yang sebaliknya dapat menambah jumlah CO2 atmosferik yang lebih besar).
Udara, air, tanah, kehidupan, dan teknologi saling berkaitan secara erat. Atmosfer merupakan lapisan tipis gas – gas yang menyelimuti permukaan bumi, memegang peranan penting sebagai tempat penampungan ( revervoir ) dari berbagai macam gas. Atmosfer juga menyeimbangkan panas bumi, mengabsorbsi energy dan merusak radiasi ultraviolet yang datang dari matahari. Selain itu memindahkan energy panas dari wilayah ekuator, serta berfungsi sebagai jalan atau media pergerakan air pada phase uap dalam siklus hidrologi.
Hidrosfer mengandung air bumi. Lebih dari 97% dari air bumi berupa lautan, dan sisa yang terbanyak berupa air tawar dalam bentuk es. Oleh karena itu secara relative hanya sedikit persentase dari total air bumi yang secara actual terlibat dengan tanah, atmosfer, dan proses – proses biologis. Kehebatan dari air laaut yng mengalami sirkulasi melalui proses – proses dalam lingkungan, dan sirkulasi tersebut terjadi dalam atmosfer, dalam sumber air, dan dalam ir permukaan seperti aair, sungai – sungai, danau – danau, waduk – waduk, dan penampungn – penampungm air.
Selain tersebut di atas, dalam kehidupan terdapat berbagai banyak unsur yang menyusun makhluk hidup baik tumbuhan, hewan, manusia bahkan lingkungan itu sendiri. Untuk menjaga kelangsungan hidup dibutuhkan proses yang sangat rumit dan kompleks. Salah satu diantaranya adalah siklus bahan alam.
A. Siklus Karbon
Siklus karbon adalah siklus biogeokimia dimana karbon dipertukarkan antara biosfer, geosfer, hidrosfer, dan atmosfer Bumi (objek astronomis lainnya bisa jadi memiliki siklus karbon yang hampir sama meskipun hingga kini belum diketahui). Dalam siklus ini terdapat empat reservoir karbon utama yang dihubungkan oleh jalur pertukaran. Reservoir-reservoir tersebut adalah atmosfer, biosfer teresterial (biasanya termasuk pula freshwater system dan material non-hayati organik seperti karbon tanah (soil carbon)), lautan (termasuk karbon anorganik terlarut dan biota laut hayati dan non-hayati), dan sedimen (termasuk bahan bakar fosil). Pergerakan tahunan karbon, pertukaran karbon antar reservoir, terjadi karena proses-proses kimia, fisika, geologi, dan biologi yang bermaca-macam. Lautan mengadung kolam aktif karbon terbesar dekat permukaan Bumi, namun demikian laut dalam bagian dari kolam ini mengalami pertukaran yang lambat dengan atmosfer.
Karbon di alam ini mengalami sirkulasi melalui suatu siklus. Siklus ini memperlihatkan bahwa karbon bias terdapat sebgai gas CO¬2 penyusun udara, yang konsentrasinya bsangat kecil tetapi sangat menentukan karbon secara global. Sebagian dari karbon terlarut dalam air permukaan, dan sumber air sebagai HCO3- atau molekul CO2. Sejumlah besar karbon terdapaat dalam mineral-mineral, terutaman dalam bentuk kalsium dan magnesium karbonaat, seperti CaCO3. Reaksi fotosintesis menyediakan karbon dalam bentuk anorganik menjadi karbon dalam bentuk organik yang dinyatakan sebagai CH2O, yang merupakan komponen dari molekul-molekul seluruh kehidupan.
Fraksi karbon ainnya terdapat sebagai minyak bumi dan gas alam, yang dalam jumlah lebih banyak sebagai batu bara dan lignit yang dinyatakan sebagai CxH2x. Suatu aspek penting dari siklus karbon, bahwa siklus ini diawali dari terjadinya transfer energy matahari ke system biologis dan akhirnya ke geosfer dan atmosfer sebagaai karbon fosil dan bahan bakar fosil. Organic atau karbon biologis banyak mengandung moleku-molekul dengan energy tinggi yang dapat bereaksi dengan molekul oksigen menghasilkan kembali CO2 dan energy. Hal ini dapat terjadi secara biokimia dalam organism melalui respirasi aerob,
{CH2O} + O2 CO2 + H2O
Atau juga dapat terjadi bila kayu atau bahan bakar fosil dibakar.
Fotosintesis ganggang merupakan fiksasi senyawa karbon yang sangat dominan dalam air, dengan mengambil CO2, pH air meningkat dan dapat mengendapkannya sebagai CaCO3 dan CaCO3.MgCO3. Fiksasi karbon organic oleh mikroorganisme terjadi melalui proses biokimia terhadap bahan bakar fosil, kerogen, batu bara dan lignit. Mikroorganisme melakukan degradasi terhadap karbon organic dari biomassa, minyak dan sumber-sumber xenobiotik, dan akhirnya kembali ke atmosfer sebagai CO2.
Karbon monoksida adalah gas yang tidak berwarna, tidak berbau, tidak mempunyai rasa, titik didih -192ยบ C, tidak larut dalam air dan beratnya 96,5% dari berat udara. Reaksi-reaksi yang menghasilkan gas karbon monoksida antara lain:
• Pembakaran tidak sempurna dari bahan bakar atau senyawa¬ senyawa karbon lainnya:
2 C + O 2 2 CO
• Reaksi antara gas karbon dioksida dengan karbon dalam proses industri yang terjadi dalam tanur:
CO2 + C 2 CO
• Penguraian gas karbon dioksida pada suhu tinggi:
2 CO2 2 CO + O 2
Gas karbon monoksida yang dihasilkan secara alami yang masuk ke atmosfer lebih sedikit bila dibandingkan dengan yang dihasilkan dari kegiatan manusia.
B. Siklus Nitrogen
Gas nitrogen banyak terdapat di atmosfer, yaitu 80% dari udara. Nitrogen bebas dapat ditambat/difiksasi terutama oleh tumbuhan yang berbintil akar (misalnya jenis polongan) dan beberapa jenis ganggang. Nitrogen bebas juga dapat bereaksi dengan hidrogen atau oksigen dengan bantuan kilat/ petir.
Tumbuhan memperoleh nitrogen dari dalam tanah berupa amonia (NH3), ion nitrit (N02- ), dan ion nitrat (N03- ).Beberapa bakteri yang dapat menambat nitrogen terdapat pada akar Legum dan akar tumbuhan lain, 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.
Nitrogen terdapat disemua bagian atau lapisan dalam lingkungan. Nitrogen merupakan suatu reservoir yang tidak aka nada habis-habisnya untuk unsur penting ini. Oleh karena itu tidak sebanyak karbon dan oksigen dalam biomassa tetapi merupakan unsure penting dalam protein. Molekul N2 sangat stabil oleh karena itu pemutusan menjadi atom-atomnya untuk bereaksi dengan bahan kimia membentuk senyawa organic atau anorganik nitrogen merupakan langkah yang terbatas dalaam siklus. Ini dapat terjadi dengan proses berenergi tinggi dalaam penyinaran cahaya yang menghasilkan nitrogen oksida.
Unsur nitrogen dapat terlibat dalam bentuk ikatan kimia, atau fiksasi oleh proses biokimia dengan perantara mikroorganisme-mikroorganisme. Nitrogen biologis dapat diubah menjadi bentuk anorganik pembusukan atau penguraian biomassa. Sejumlah besar dari nitrogen difiksasi secara sintetik dibaawah temperature tinggi dan tekanan ttinggi dari reaksi :
N2 + 3H2 2NH3
Produksi dari gas-gas N2 dan N2O oleh mikroorganisme dan evolusi dari gas-gas ini ke dalam atmosfer menyempurnakan siklus nitrogen melalui suatu proses yang disebut denitrifikasi. Denitrifikasi suatu proses penting di alam yaitu suatu mekanisme di mana hasil fiksasi nitrogen dikembalikan ke dalam atmosfer.
1/5NO3- + ¼{CH2O} + 1/5H+ 1/10 N2 + ¼ CO2 + 7/20 H2O
Proses ini juga penting dalm pengolahan air lanjutan untuk menghilangkan hara nitrogen.
Nitrogen yang diikat biasanya dalam bentuk ammonia. Amonia diperoleh dari hasil penguraian jaringan yang mati oleh bakteri. Amonia ini akan dinitrifikasi oleh bakteri nitrit, yaitu Nitrosomonas dan Nitrosococcus sehingga menghasilkan nitrat yang akan diserap oleh akar tumbuhan. Selanjutnya oleh bakteri denitrifikan, nitrat diubah menjadi ammonia kembali, dan ammonia diubah menjadi nitrogen yang dilepaskan ke udara. Dengan cara ini siklus nitrogen akan berulang dalam ekosistem. Lihat Gambar.
Gbr. Siklus Nitrogen di Alam
C. Siklus Oksigen
Oksigen merupakan unsur yang vital bagi kehidupan dibumi ini. Oksigen adalah unsur ketiga terbanyak yang ditemukan berlimpah di matahari, dan memainkan peranan dalam siklus karbon-nitrogen, yakni proses yang diduga menjadi sumber energi di matahari dan bintang-bintang. Oksigen dalam kondisi tereksitasi memberikan warna merah terang dan kuning-hijau pada Aurora Borealis.
Oksigen merupakan unsur gas, menyusun 21% volume atmosfer dan diperoleh dengan pencairan dan penyulingan bertingkat. Atmosfer Mars mengandung oksigen sekitar 0.15%. dalam bentuk unsur dan senyawa, oksigen mencapai kandungan 49.2% berat pada lapisan kerak bumi. Sekitar dua pertiga tubuh manusia dan sembilan persepuluh air adalah oksigen.
Siklus Oksigen penting untuk kesehatan kita dan lingkungan kita. Kami membutuhkan oksigen untuk respirasi. Oksigen pada nafas kita merupakan oxidises gula dalam makanan untuk menghasilkan energi. Selama proses ini karbon dioksida dilepaskan dalam atmosfer. Manusia membutuhkan oksigen untuk bernapas, Oksigen diperlukan untuk dekomposisi limbah organik.. Air dapat melarutkan oksigen dan inilah oksigen terlarut perairan yang mendukung kehidupan.
Terus-menerus pertukaran oksigen antara atmosfer dan air, tanaman dan hewan dan mineral penting disebut siklus oksigen. Selama evolusi awal bumi, oksigen yang dibebaskan dari H2O uap oleh radiasi UV. Ini terakumulasi di atmosfer sebagai hidrogen melarikan diri ke atmosfer bumi. Dengan munculnya kehidupan tanaman, fotosintesis juga menjadi sumber oksigen. Oksigen juga dirilis sebagai karbon organik dalam CHO, dan mendapat dimakamkan di sedimen.
Siklus ini menggambarkan pertukaran dari oksigen antara bentuk gas O2 yang terdapat dengan jumlah besar dalam atmosfer, dan oksigen yang terikat secara kimia dalam CO2, H2O dan bahan-bahan organik. Siklus ini berkaitan sangat erat dengan siklus unsur lainnya, terutama dengan siklus karbon. Unsur oksigen menjadi yang terikat secara kimia melalui berbagai proses yang menghasilkan energi, terutama pada perubahan dan proses metabolit dalam organisme. Oksigen dilepaskan dari reaksi fotosintesis
Unsur ini secara cepat bersenyawa, membentuk oksida-oksida, seperti dengan aerobik atau dengan karbon dan hidrogen dalam perubahan bahan bakar fosil seperti dengan metana
CH4 + 2O2 CO2 + 2 H2O
Suatu aspek yang sangat penting dari siklus distratosfer yaitu proses pembentukan ozon, O3. Ozon membentuk lapisan tipis di stratosfer yang berfungsi sebagai filter dari radiasi ultaviolet, dengan demikian dapat menjaga kehidupan dibumi dari kerusakan/kehancuran yang disebabkan radiasi ini. Siklus oksigen disempurnakan atau diakhiri ketika unsur oksigen masuk kembali ke atmosfer dalam bentuk gas. Hanya satu cara yang signifikan dimana hal tersebut terjadi yaitu melalui fotosintesis yang dilakukan tumbuhan.
Siklus oksigen adalah serangkaian proses rumit di mana semua atom oksigen hadir di bumi beredar. Oksigen adalah salah satu dari lebih dari 100 unsur yang diketahui, dan salah satu dari enam unsur utama dari organisme hidup. Bumi tidak menerima masalah dari luar kecuali dari sesekali meteorit (dan ini diabaikan). Dengan demikian, atom oksigen (bersama dengan unsur-unsur lain) adalah bagian dari sistem tertutup, yaitu, mereka tidak dapat hilang atau diisi ulang. Tetap ini jumlah atom oksigen di daur ulang di seluruh bumi semua proses yang menggunakan bahan kimia yang mengandung oksigen. Proses ini membentuk siklus yang melibatkan lingkungan hidup disebut biosfer, dan lingkungan tak hidup - litosfer, atmosfer dan hidrosfer.
Pada Tanaman
Tanaman menandai awal siklus oksigen. Tanaman dapat menggunakan energi sinar matahari untuk mengubah karbon dioksida dan air menjadi karbohidrat dan oksigen dalam proses yang disebut fotosintesis. Pada siang hari, tanaman berpegang sedikit oksigen yang dihasilkan dalam fotosintesis dan menggunakan oksigen untuk memecah karbohidrat. Namun, untuk mempertahankan metabolisme dan terus respirasi pada malam hari, tanaman harus menyerap oksigen dari udara dan melepaskan karbon dioksida seperti hewan. Meskipun tanaman menghasilkan kira-kira sepuluh kali lebih banyak oksigen di siang hari ketika mereka mengkonsumsi pada malam hari, malam-waktu konsumsi oksigen oleh tanaman dapat menciptakan kondisi oksigen yang rendah di beberapa habitat air.
Oksigen dalam Air
Oksigen di dalam air yang dikenal sebagai oksigen terlarut atau DO. Di alam, oksigen masuk air ketika air mengalir di atas batu dan menciptakan jumlah besar luas permukaan. Luas permukaan yang tinggi memungkinkan untuk mentransfer oksigen dari udara ke dalam air sangat cepat.
Ketika air di sungai memasuki sebuah kolam, mikroorganisme di dalam kolam mulai memetabolisme (break down) bahan organik, mengkonsumsi oksigen dalam proses. Ini adalah bentuk lain dari siklus oksigen - oksigen memasuki jeram dan air di daun air di kolam. Oxygen uptake rate (OUR) adalah tingkat di mana oksigen dikonsumsi oleh organisme hidup di dalam air. Karena organisme terus-menerus menggunakan oksigen ke dalam air dan oksigen secara konstan memasuki kembali air dari udara, jumlah oksigen dalam air tetap relatif konstan. Pada ekosistem yang sehat, tingkat perpindahan oksigen (yang digunakan atas) dan diimbangi penyerapan oksigen di dalam air.
Pada Organisme
Terakhir adalah organisme dunia. Mereka menggunakan oksigen dalam banyak bentuk. Mereka Menggunakan oksigen dalam banyak bentuk. Peran mereka dalam siklus dimulai dengan karbon dioksida di atmosfer. Tanaman menerima bahwa karbon dioksida dan menggabungkannya dengan air untuk membuat molekul gula dan oksigen. Bahwa tanaman menerima karbon Dioksida dan menggabungkannya dengan air untuk membuat gula dan molekul oksigen. Melalui proses metabolisme, gula terurai menjadi air dan karbon dioksida. Melalui proses metabolisme, gula udara dan terurai menjadi karbon Dioksida. Kemudian siklus dimulai lagi.
Pada Oksigen
Oksigen adalah salah satu dari senyawa utama yang ditemukan di Atmosfer bumi. Tidak pernah ditemukan mengapung di sekitar sebagai individu atom, tetapi selalu dengan unsur-unsur lain. Molekul oksigen memiliki dua atom oksigen. Beberapa molekul memiliki tiga atom oksigen yang disebut ozon. Hal ini juga ditemukan dalam molekul air dan karbon dioksida. Bahwa oksigen mengapung melalui atmosfer sampai turun ke bumi dan mulai salah satu dari banyak siklus. Hal ini sangat reaktif, tidak berwarna, tidak berbau gas pada suhu biasa, berubah menjadi kebiru-biruan cair pada -183 ° C. Pada evolusi awal bumi, radiasi ultraviolet pada uap air diyakini telah dirilis Oksigen yang kemudian terakumulasi di atmosfer. Oksigen sangat penting bagi kehidupan, sebagaimana kita ketahui di bumi. Organisme hidup membutuhkan oksigen untuk bernapas dan untuk menghasilkan energi. Hal ini penting dalam banyak cara lain juga. Hal ini hadir dalam atmosfer dalam bentuk ozon dan memberikan perlindungan kepada kehidupan dengan menyaring matahari sinar ultraviolet. Pembakaran atau pembakaran pada intinya adalah reaksi oksidasi.
Pada Reservoir oksigen cadangan oksigen
Sejauh reservoir terbesar Bumi oksigen dalam silikat dan oksida mineral dari kerak dan mantel (99,5%). Hanya sebagian kecil yang hadir sebagai oksigen bebas dalam biosfer (0,01%) dan atmosfer (0.49%).
Pada Biosfer dan Atmosfer
Dalam biosfer dan atmosfer, tanaman menandai awal siklus oksigen. Tanaman dapat menggunakan energi dari cahaya matahari untuk mengubah karbon dioksida dan air menjadi karbohidrat dan oksigen dalam proses yang disebut fotosintesis. Ini berarti bahwa tanaman "bernapas" dalam karbon dioksida dan "bernapas" keluar oksigen. Hewan membentuk setengah bagian dari siklus oksigen. Mereka menghirup oksigen yang mereka gunakan untuk memecah karbohidrat turun menjadi energi dalam proses yang disebut respirasi. Karbon dioksida yang dihasilkan selama respirasi adalah binatang menghela napas ke udara. Tetapi siklus oksigen sebenarnya tidak sesederhana itu. Tanaman juga harus memecah karbohidrat turun menjadi energi seperti hewan lakukan. Tapi tanaman menghasilkan kira-kira sepuluh kali lebih banyak oksigen yang mereka konsumsi.
Sebuah tambahan pasokan oksigen atmosfer berasal dari fotolisis, dimana energi tinggi radiasi ultraviolet memecah atmosfer air dan nitrite menjadi komponen atom. Bebas atom Hydrogen dan Nitrogen melarikan diri ke luar angkasa meninggalkan Oksigen di atmosfer. Bebas atom Hidrogen dan Nitrogen melarikan diri ke luar angkasa Meninggalkan Oksigen di Atmosfer. Sebagian besar oksigen hadir dalam atmosfer digunakan selama mekanisme respirasi dan pembusukan di mana kehidupan hewan dan bakteri mengkonsumsi oksigen dan melepaskan karbon dioksida. Karena litosferik mineral yang dioksidasi menggunakan oksigen, kimia pelapukan batuan yang terpajan juga mengkonsumsi oksigen.
Oksigen juga bersepeda antara biosfer dan litosfer.
Oksigen juga bersepeda antara biosfer dan litosfer. Organisme laut dalam biosfer membuat bahan shell kalsium karbonat (CaCO3) yang kaya oksigen. Ketika organisme mati cangkangnya diendapkan pada dasar laut yang dangkal dan dimakamkan sepanjang waktu untuk menciptakan batu kapur dari litosfer. Proses pelapukan diprakarsai oleh organisme dapat juga bebas oksigen dari litosfer. Ekstrak tumbuhan dan hewan gizi mineral dari bebatuan dan melepaskan oksigen dalam proses.
Mempertahankan Siklus Oksigen
Dengan peningkatan tingkat polusi atmosfer dan penggundulan hutan skala besar, para ahli khawatir mengganggu keseimbangan di atmosfer - mungkin ada saatnya ketika jumlah karbon di oksida ini sangat besar dan hanya ada beberapa tanaman dan pohon untuk rahasia menjadi Oksigen. Krisis ini tidak akan mengetahui batas-batas internasional. Ini adalah keharusan bahwa kita menanam lebih banyak pohon dan mengurangi polusi kendaraan dan industri.
Siklus oksigen dan lingkungan
Siklus oksigen memainkan peran penting dalam dekomposisi limbah organik. Bila jaringan yang mati (senyawa karbon) meluruh oleh kombinasi oksidasi dan mikroorganisme pembusukan, karbon dioksida dilepaskan kembali ke atmosfer.
Sebuah siklus lambat terjadi bila masalah mineral dioksidasi, seperti dalam pembentukan batu. Isi biodegradable zat dalam air limbah dinyatakan oleh indeks khusus yang disebut "permintaan oksigen biologis" (BOD), yang mewakili jumlah oksigen yang diperlukan oleh bakteri aerobik untuk menguraikan limbah. Dengan oksigen yang tersedia tidak cukup untuk bakteri ini, misalnya, membuang-buang banyak dalam tubuh air, mereka mati dan bakteri anaerob yang tidak memerlukan oksigen mengambil alih. Bakteri ini mengubah bahan limbah menjadi H2S dan lain beracun dan zat-zat berbau busuk.
Oksigen adalah salah satu bagian terpenting bagi organisme hidup maupun materi tidak hidup. Konsentrasi tertinggi terdapat pada bagian kulit keras, atmosfir ,hidrosfir,dan biosfir, oleh karena itu oksigen perlu mendapat perhatian khusus. Oksigen diatmosfer selalu merupakan elemen bebas dalam bentuk O2. Reaksi oksigen terhadap pengikatan dengan unsur lain, cukup mampu untuk mengontrol keberadaan senyawa lain seperti Karbon, hidrogen, nitrogen, sulfur dan besi, jika telah terjadi perubahan kimia di lingkungan akibat bencana.
Jumlah oksigen yang ada diatmosfer adalah bioproduk dari proses fotosintesa, dimana oleh bantuan cahaya UV proses dapat berlangsung. Reaksi ini disebut dissosiasi cahaya dan hidrogen terlepas diudara. Reaksi kimia yang merubah dua atom oksigen menjadi tiga atom oksigen dengan bantuan sinar UV disebut fotolisis. Produk eaksi tersebut adalah ozon. Lapisan ini penting di atmosfer karena mampu mengurangi penetrasi sinar UV ke bumi.
Sinar UV tersebut dapat mematikan banyak kehidupan di permukaan bumi, jika tidak ada lapisan ozon yang menjadi filternya.
O2 Sinar UV O + O (atom oksigen)
O + O2 O3
Pada persamaan dibawah ini memperlihatkan suatu reaksi oksidasi dengan bersamaan masuknya sinar UV (realatif kecil) dan menghasilkan energi kimia atau yang lebih dikenal sebagai proses fotosintesis
(CH2O)n + nO2 nCO2 + nH2O
Karbohidrat + dioksigen karbon dioksida + air
Hasil pembakaran fosil juga menghasilkan karbon dioksida dan air atas tanggungan dioksigen, tetapi peristiwa ini dapat merusak proses oksidasi dari bahan organik yang mati. Oksigen diatmosfer berbentuk gas pada suhu ruang, dan akan bereaksi dengan asam karbon (CO2), sulfur (SO2), dan nitrit. Perubahan atau reaksi yang terjadi akan menghasilkan berbagai bentuk senyawa dan tergantung pada jumlah atom/molekul yang diikatnya, hasil reaksi ini akan berasosiasi dengan air di lapisan bumi.
Oksigen merupakan hasil radiasi ultra violet terhadap uap air dalam atmosfer, kemudian gas O2 yang terbentuk akan membentuk gas ozon yang kemudian teruai lagi menjadi gas O2 dengan persamaan reaksi sebagai berikut :
H2O(g) UV H. + OH
2OH . H2O(g) + O
O. + O. O2
O. + O2 O3
Siklus oksigen melibatkan pergerakan oksigen antara atmosfer, badan air, tanah dan batu-batu di bawahnya. Oksigen adalah unsur yang diperlukan kehidupan di bumi. Ini menempati sekitar 20 persen dari atmosfer berdasarkan volume, dan bersama-sama dengan nitrogen yang terdiri dari hampir 80 persen dari atmosfer, kedua membuat hampir semua komposisi atmosfer. Selain jumlah di atmosfer, oksigen juga merupakan bagian dari mantel tanah, batu-batu di bawah mantel ini, dan merupakan konstituen air di lautan, danau dan sungai.
Sebuah fitur oksigen adalah bahwa sangat sering berkaitan dengan unsur-unsur lain, seperti dalam kasus air (H2O), karbon dioksida (CO2) dan oksida besi (Fe2O3). Ini juga mengkombinasikan dengan berbagai elemen lain yang membentuk kerak bumi. Dengan demikian bagian dari banyak siklus global utama lain. Sebagian besar bumi total oksigen yang disimpan di bebatuan dan mineral (sekitar 99 persen) yang merupakan bagian dari litosfer, padat luar lapisan kerak bumi. Terbesar berikutnya jumlah yang akan ditemukan di atmosfer dan sebagian kecil, meskipun sangat penting, adalah dalam biosfer.
Beberapa oksigen di atmosfer adalah dalam bentuk ozon (O3). Ini ditemukan tinggi di atmosfer di zona stratosfir. Lapisan ozon ini menyerap sebagian besar sinar ultraviolet dari matahari. Sinar seperti itu berbahaya bagi sel-sel hidup. Saat ini sudah ada beberapa kekhawatiran bahwa perubahan lain di atmosfer, yang disebabkan oleh manusia, dapat mengurangi konsentrasi ozon dan dengan demikian menjaga efektivitas manusia terhadap sinar ultraviolet.
Di atmosfer terdapat kandungan CO2 sebanyak 0.03%. Sumber-sumber CO2 di udara berasal dari respirasi manusia dan hewan, erupsi vulkanik, pembakaran batubara, dan asap pabrik. Karbon dioksida di udara dimanfaatkan oleh tumbuhan untuk berfotosintesis dan menghasilkan oksigen yang nantinya akan digunakan oleh manusia dan hewan untuk berespirasi. Hewan dan tumbuhan yang mati, dalam waktu yang lama akan membentuk batubara di dalam tanah. Batubara akan dimanfaatkan lagi sebagai bahan bakar yang juga menambah kadar C02 di udara.
Di ekosistem air, pertukaran C02 dengan atmosfer berjalan secara tidak langsung. Karbon dioksida berikatan dengan air membentuk asam karbonat yang akan terurai menjadi ion bikarbonat. Bikarbonat adalah sumber karbon bagi alga yang memproduksi makanan untuk diri mereka sendiri dan organisme heterotrof lain. Sebaliknya, saat organisme air berespirasi, C02 yang mereka keluarkan menjadi bikarbonat. Jumlah bikarbonat dalam air adalah seimbang dengan jumlah C02 di air. Lihat Gambar
Gbr I I. Siklus Karbon dan Oksigen di Alam
D. Siklus Belerang
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 (SO42-).
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.
Siklus belerang relatif kompleks diman melibatkan berbagai macam gas, mineral-mineral yang sukar larut dan beberapa spesi lainnya dalam larutan. Siklus ini berkaitan dengan siklus oksigen dimana belerang bergabung dengan oksigen memmbentuk gas belerang oksida, SO2 sebagai bahan pencemar air. Diantara spesi-spesi yang secara signifikan terlihat dalam siklus belerang adalah gas hidrogen sulfida, H2S; mineral-mineral sulfida sperti Pbs; asam sulfat H2SO4; belerang osida SO2, komponen utama dari hujan asam; dan belerang yang terikat dalam protein.
Yang merupakan bagian dari siklus belerang yang sangat penting adalah adanya gas SO2 sebagai bahan pencemar dan H2SO4 dalam atmosfer. Gas SO2 dikeluarkan dari pembakaran bahan bakar fosil yang mengandung belerang. Efek utama dari belerang dioksida dalam atmosfer adalah kecenderungan untukteroksidasi menghasilkan asam sulfat, asam ini dapat menyebabkan hujan asam.
E. Siklus Fosfor
Posfor merupakan elemen penting dalam kehidupan karena semua makhluk hidup membutuhkan posfor dalam bentuk ATP (Adenosin Tri Fosfat), sebagai sumber energi untuk metabolisme sel. Posfor terdapat di alam dalam bentuk ion fosfat (PO43-). Ion Fosfat terdapat dalam bebatuan. Adanya 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.
Di alam, fosfor terdapat dalam dua bentuk, yaitu senyawa fosfat organik (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. Fosfat dari batu dan fosil terkikis dan membentuk fosfat anorganik terlarut di air tanah dan laut. Fosfat anorganik ini kemudian akan diserap oleh akar tumbuhan lagi. Siklus ini berulang terus menerus
Siklus fosfor, bersifat kritis karena fosfor secara umum merupakan hara yang terbatas dalam ekosistem. Tidak ada bentuk gas dari fosfor yang stabil oleh karena itu siklus fosfor adalah “endogenik”. Dalam geosfer, fosfor terdapat dalam jumlah besar dalam mineral-mineral yang sedikit sekali larut, seprti hidroksilapilit, garam kalsium.
Fosfor terlarut dari mineral-mineral fosfat dan sumber-sumber lainnya, seperti pupuk fosfat, diserap oleh tanaman dan tergabung dalam asam nukleat yang menyusun material genetic dalam organisme. Mineralisasi dari biomassa oleh pembusukan/penguraian mikroba mengembalikan fosfor kepada larutan garamnya yang kemudian dapat mengendap sebagai bahan mineral.
Tidak ada komentar:
Posting Komentar