Pengikatan nitrogen: Perbedaan antara revisi
Konten dihapus Konten ditambahkan
Sinonim (QuickEdit) |
|||
| (18 revisi perantara oleh 9 pengguna tidak ditampilkan) | |||
Baris 1:
[[Berkas:Soybean-root-nodules.jpg|
'''Pengikatan nitrogen''' atau '''fiksasi nitrogen''' adalah proses di mana [[nitrogen]] (N<sub>2</sub>) di [[atmosfer bumi|atmosfer]] diubah menjadi [[
Nitrogen merupakan unsur yang penting bagi semua bentuk kehidupan karena nitrogen diperlukan untuk proses [[biosintesis]] komponen dasar tumbuhan, hewan, dan bentuk kehidupan lainnya. [[Nukleotida]], komponen penting penyusun [[DNA]] dan [[RNA]] serta [[asam amino]] penyusun [[protein]] merupakan contoh komponen dasar penyusun kehidupan makhluk hidup. Dengan memahami hal tersebut, maka pengikatan nitrogen agar dapat digunakan bagi tumbuhan merupakan konsep penting dalam pertanian sehingga manufaktur [[pupuk]] berkembang. Pengikatan nitrogen secara sintetis juga digunakan dalam pembuatan bahan peledak. Pengikatan nitrogen di alam dapat terjadi melalui [[kilat]] dan aktivitas [[
Pengikatan nitrogen juga mengacu pada konversi nitrogen ke bentuk lain, seperti [[nitrogen dioksida]]. Beberapa [[tumbuhan]] mampu membentuk hibungan [[simbiosis]] dengan [[mikroorganisme]] yang dapat mengikat nitrogen.
== Pengikatan nitrogen biologis ==
[[Berkas:Nitrogen Cycle.svg|jmpl|320px|ka|Penggambaran skematik dari [[siklus nitrogen]] tanpa pengikatan nitrogen abiotik]]
Pengikatan nitrogen biologis pertama kali ditemukan oleh pakar agronomi Jerman, [[Hermann Hellriegel]] dan pakar mikrobiologi Belanda, [[Martinus Beijerinck]]. Pengikatan nitrogen biologis terjadi ketika nitrogen di atmosfer diubah menjadi amonia oleh enzim [[nitrogenase]].<ref name=postgate/> Reaksinya adalah:
: N<sub>2</sub> + 8 H<sup>+</sup> + 8 e<sup>−</sup> → 2 NH<sub>3</sub> + H<sub>2</sub>
Proses ini diikuti dengan [[hidrolisis]] untuk menghasilkan senyawa yang ekuivalen dengan [[adenosin trifosfat|ATP]] untuk menghasilkan energi. Pada diazotrof yang hidup bebas, [[amonia]] yang dihasilkan enzim nitrogenase diasimilasikan menjadi [[glutamat]].
Enzim nitrogenase rentan terhadap keberadaan oksigen. Banyak bakteri yang menghentikan produksi enzim ini ketika oksigen berada di sekitar mereka.<ref name=postgate/> Organisme pengikat nitrogen banyak terdapat di lingkungan [[anaerobik]].<ref name=postgate/>
Mikroorganisme pengikat nitrogen disebut dengan [[diazotrof]], yang terdiri dari:
* [[Cyanobacteria]], terutama ''[[Trichodesmium]]''
* [[Bakteri sulfur hijau]]
* ''[[Azotobacteraceae]]''
* ''[[Rhizobia]]''
* ''[[Frankia]]''
=== Pengikatan nitrogen oleh cyanobacteria ===
[[Cyanobacteria]] mendiami hampir di setiap tempat yang terpapar cahaya matahari dan berperan penting dalam [[siklus nitrogen]] dan [[siklus karbon|karbon]] [[biosfer]]. Secara umum, cyanobacteria mampu memanfaatkan berbagai sumber nitrogen organik dan organik seperti [[nitrat]], [[nitrit]], [[amonia]], [[urea]], dan berbagai [[asam amino]]. Beberapa jenis cyanobacteria juga dapat hidup secara diazotrof, sebuah kemampuan yang mungkin dimiliki oleh pendahulu [[archaea]] mereka.<ref>"The evolution of nitrogen fixation in cyanobacteria" N. Latysheva, V. L. Junker, W. J. Palmer, G. A. Codd and D. Barker; ''Bioinformatics''; '''2012''': 28(5) pp 603–606; (Article) {{DOI|10.1093/bioinformatics/bts008}}</ref> Pengikatan nitrogen oleh cyanobacteria di [[terumbu karang]] dapat terjadi pada laju dua kali lebih cepat dibandingkan pengikatan nitrogen di daratan, sekitar 1.8 kg nitrogen per hektare per hari. ''[[Trichodesmium]]'' yang membentuk koloni cyanobacteria di lautan diperkirakan melakukan setengah proses pengikatan nitrogen di lautan pada skala global.<ref>{{cite journal|author=Bergman, B.; Sandh, G.; Lin, S.; Larsson, H.; and Carpenter, E. J.|title=''Trichodesmium'' – a widespread marine cyanobacterium with unusual nitrogen fixation properties.|url=http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/j.1574-6976.2012.00352.x/abstract|journal=''FEMS Microbiology Reviews'' |year=2012|pages=1–17}}</ref>
=== Simbiosis pada bintil akar ===
==== Famili legum ====
Tumbuhan yang mampu mengikat nitrogen mencakup famili legum, [[Fabaceae]], seperti [[kudzu]], [[semanggi]], [[kedelai]], [[kacang tanah]], [[alfalfa]], [[lupin]], dan [[rooibos]]. Mereka mampu membentuk hubungan simbiosis dengan bakteri ''[[rhizobia]]'' pada bintil akar di dalam sistem per[[akar]]an mereka, menghasilkan senyawa nitrogen yang membantu tanaman untuk tumbuh. Ketika tanaman mati, nitrogen yang telah terikat dilepaskan ke [[tanah]] sehingga menjadi tersedia bagi tanaman berikutnya yang tumbuh di tanah tersebut.<ref name=postgate/><ref>{{Cite book|author=Smil, V|year=2000|title=Cycles of Life
|publisher=Scientific American Library}}</ref> Sebagian besar legum memiliki hubungan ini, kecuali genus ''[[Styphnolobium]]''. Pada berbagai praktik [[pertanian subsisten|tradisional]] dan [[pertanian organik|organik]], ladang ditanam secara rotasi, bergiliran dengan berbagai variasi tanaman, di mana salah satunya adalah tanaman legum. Usaha pertanian di sela-sela tanaman legum seperti pohon dari genus ''[[inga]]'' dapat menjadi solusi bagi praktik perladangan [[tebang dan bakar]].<ref
name=Elkan>Elkan, Daniel. "Slash-and-burn farming has become a major threat to the world's rainforest". ''[[The Guardian]]'', 21 April 2004.</ref>
==== Non-legum ====
[[Berkas:An alder root nodule gall.JPG|jmpl|Bintil akar pada pohon alder]]
[[Berkas:A sectioned alder root nodule gall.JPG|ka|jmpl|Potongan bintil akar pohon alder]]
Meski sebagian besar tanaman pembentuk bintil akar ada pada famili [[Fabaceae]], terdapat beberapa yang bukan famili Fabaceae, yaitu:
* Genus ''Parasponia'' dalam famili [[Cannabaceae]].<ref>{{cite journal |first=Rik |last=Op den Camp |last2=''et al.'' |title=LysM-Type Mycorrhizal Receptor Recruited for Rhizobium Symbiosis in Nonlegume ''Parasponia'' |journal=[[Science (journal)|Science]] |volume=331 |issue=6019 |pages=909–912 |doi=10.1126/science.1198181 |year=2010 |first2=A. |last3=De Mita |first3=S. |last4=Cao |first4=Q. |last5=Polone |first5=E. |last6=Liu |first6=W. |last7=Ammiraju |first7=J. S. S. |last8=Kudrna |first8=D. |last9=Wing |first9=R. }}</ref>
* [[Tumbuhan actinorhizal]] seperti [[alder]] dan [[bayberry]] karena bersimbiosis dengan bakteri genus ''[[Frankia]]''. Terdapat 25 genus yang termasuk ke dalam tanaman ini.<ref>{{cite book|chapter=Ecology of actinorhizal plants|first=J. O.|last=Dawson|title=Nitrogen-fixing Actinorhizal Symbioses|volume=6|pages=199–234|doi=10.1007/978-1-4020-3547-0_8|year=2008|publisher=Springer }}</ref>
Bentuk simbiosis pengikatan nitrogen lainnya dengan cyanobacteria (terutama ''[[Nostoc]]'') yaitu:
* [[Liken]] seperti ''[[Lobaria]]'' dan ''[[Peltigera]]''
* Spesies dari genus ''[[Azolla]]''
* [[Cycad]]
* ''[[Gunnera]]''
== Pengikatan nitrogen industri ==
Adanya kemungkinan bagi nitrogen atmosfer untuk bereaksi dengan senyawa kimia tertentu pertama kali diamati oleh Desfosses pada tahun 1828. Ia mengamati campuran oksida [[logam alkali]] dan karbon bereaksi pada temperatur tinggi dengan nitrogen. Dengan penggunaan [[barium karbonat]] sebagai bahan baku, proses ini dikembangkan oleh Margueritte dan Sourdeval menjadi komersial pada tahun 1860an. Hasil berupa [[barium sianida]] dapat direaksikan dengan uap air membentuk [[amonia]]. Pada tahun 1898, [[Adolph Frank]] dan [[Nikodem Caro]] memisahkan prosesnya dan memproduksi [[kalsium karbida]] dalam tahapan pereaksian nitrogen dan [[kalsium sianamida]]. [[Proses Ostwald]] untuk produksi [[asam nitrat]] ditemukan pada tahun 1902. [[Proses Frank-Caro]] dan Proses Ostwald mendominasi industri pengikatan nitrogen hingga penemuan [[Proses Haber]] pada tahun 1909.<ref>{{cite journal | title = Die Umwandlungsgleichung Ba(Cn)<sub>2</sub> → BaCN<sub>2</sub> + C Im Temperaturgebiet von 500 Bis 1000 °C | first1 = H. last1 = Heinrich | first2 = Rolf | last2= Nevbner | journal =Zeitschrift für Elektrochemie und angewandte physikalische Chemie | volume = 40 | issue = 10 | pages = 693–698 | year = 1934 | url = | doi = 10.1002/bbpc.19340401005}}</ref><ref>{{cite book|url = http://books.google.de/books?id=87XQAAAAMAAJ|title = Fixed nitrogen|author1 = Curtis|first1 = Harry Alfred|year = 1932}}</ref>
=== Proses Haber ===
{{main|Proses Haber}}
Produksi pupuk sintetis merupakan sumber nitrogen terikat yang paling banyak digunakan oleh manusia. Amonia dibutuhkan sebagai bahan awal pembuatan [[pupuk]], [[bahan peledak]], dan produk lainnya. Metode yang paling umum, yaitu Proses Haber, memanfaatkan tekanan tinggi (sekitar 200 atm) dan temperatur tinggi (minimal 400 <sup>o</sup>C) untuk mendapatkan amonia dari nitrogen di udara, ditambah gas alam sebagai sumber atom [[hidrogen]]nya.<ref>http://www.epa.gov/watertrain/nitroabstr.html US Enivronmental Protection Agency: Human Alteration of the Global Nitrogen Cycle: Causes and Consequences by Peter M. Vitousek, Chair, John Aber, Robert W. Howarth, Gene E. Likens, Pamela A. Matson, David W. Schindler, William H. Schlesinger, and G. David Tilman</ref>
Berbagai penelitian telah dilakukan untuk mencari katalis dalam proses pengikatan nitrogen sehingga energi yang dibutuhkan untuk proses ini menjadi lebih sedikit. Namun penelitian tersebut cenderung tidak berhasil dan tidak mencapai efisiensi yang lebih baik dari Proses Haber. Kebanyakan senyawa yang digunakan bereaksi dengan nitrogen di atmosfer membentuk senyawa [[kompleks dinitrogen]]. Senyawa [[kompleks (kimia)|kompleks]] dinitrogen yang pertama ditemukan adalah berbasis [[ruthenium]], [Ru(NH<sub>3</sub>)<sub>5</sub>(N<sub>2</sub>)]<sup>2+</sup>.<ref>{{cite journal | title = Nitrogenopentammineruthenium(II) complexes | author = A. D. Allen, C. V. Senoff | journal = Journal of the Chemical Society, Chemical Communications | volume = | issue = 24 | pages = 621 | year = 1965 | url = | doi = 10.1039/C19650000621}}</ref>
=== Reduksi nitrogen ambien ===
Nitrogen diubah menjadi ammonia dan [[hydrazine]] oleh [[Alexander E. Shilov]] pada tahun 1970.<ref>"Catalytic reduction of molecular nitrogen in solutions" A. E. Shilov ''Russian Chemical Bulletin'' Volume 52, Number 12, 2555–2562, {{DOI|10.1023/B:RUCB.0000019873.81002.60}}</ref><ref>"Reduction of dinitrogen" Richard R. Schrock ''PNAS'' 14 November 2006 vol. 103 no. 46 17087 {{DOI|10.1073/pnas.0603633103}}</ref> Beberapa senyawa dapat memecah molekul diatomik N<sub>2</sub>. Di lingkungan yang penuh dengan nitrogen, logam [[lithium]] mampu membentuk [[lithium nitrida]]. Perlakuan terhadap senyawa nitrida dapat menghasilkan ammonia. Dua senyawa kompleks berbasis [[molibdenum]] mampu bereaksi dengan molekul N<sub>2</sub> membentuk senyawa MoN dengan ikatan tiga rangkap.<ref>"Dinitrogen Cleavage by a Three-Coordinate Molybdenum(III) Complex" Catalina E. Laplaza and Christopher C. Cummins ''Science'' 12 May 1995: 861–863.[[Digital object identifier|10.1126/science.268.5212.861]]</ref> Sejak saat itu, senyawa kompleks berikatan tiga rangkap digunakan untuk membuat [[nitril]].<ref>"A Cycle for Organic Nitrile Synthesis via Dinitrogen Cleavage" John J. Curley, Emma L. Sceats, and Christopher C. Cummins ''J. Am. Chem. Soc.'', 2006, 128 (43), pp. 14036–14037 {{DOI|10.1021/ja066090a}}</ref>
== Lihat pula ==
* [[Biopori]]
* [[Bintil akar]]
* [[Denitrifikasi]]
Baris 25 ⟶ 81:
* [http://dornsife.usc.edu/labs/capone Marine Nitrogen Fixation laboratory at the University of Southern California]
{{Authority control}}
[[Kategori:Metabolisme nitrogen]]
[[Kategori:Fisiologi tanaman]]▼
[[Kategori:Biologi tanah]]
| |||