Siklus Karbon

Siklus Karbon

Siklus karbon termasuk satu jenis siklus bahan kimia yang paling sederhana. Gas karbon dioksida yang tersebar dalam atmosfer (0,03%) hanya merupakan satu dari sekian banyak sumber yang ada dalam ekosfer (dalam lingkungan hidup). Gas karbon dioksida dalam proses fotosintesis tereduksi, kemudian membentuk senyawa sebagai bahan makanan. Senyawa organik dalam bentuk makanan ini, teroksidasi dalam proses pernapasan, terurai lagi menjadi gas karbon dioksida. Sisa-sisa senyawa organik teroksidasi menjadi gas karbon dioksida, ini merupakan proses yang sangat lambat. Proses ini tidak semuanya menghasilkan gas karbon dioksida, tetapi sebagaimana membentuk bahan bakar seperti minyak bumi dan batu bara, proses ini berlangsung sangat lambat sampai beribu-ribu tahun dan berlangsung sepanjang masa.

Manusia bernapas menghirup oksigen (O₂) yang dipakai sebagai sumber energi dan menghasilkan gas karbon dioksida (CO₂) melalui proses fotosintesis, dan gas buangan bahan bakar migas akan diserap oleh tumbuh-tumbuhan yang di daratan dan biota yang ada di lautan untuk dikonversi menjadi oksigen dan kembali dihirup oleh manusia untuk bernapas.

Definisi dari siklus karbon adalah suatu siklus biogeokimia dimana dipertukarkan antara biofer, geosfer, hidrosfer dan atmosfer bumi. Dalam siklus ini terdapat empat reservoir karbon utama yang dihubungkan oleh jalur pertukaran. Pergerakan tahunan karbon, pertukaran karbon antar resevoir, terjadi karena proses-proses kimia, fisika, geologi dan biologi yang bermacam-macam. Lautan mengandung kolam aktif karbon terbesar dekat permukaan bumi, namun demikian laut dalam bagian dari kolam karbon aktif terbesar dekat permukaan bumi, namun laut dalam bagian dari kolam ini mengalami pertukaran yang lambat dengan atmosfer. Secara sederhana, siklus karbon di atmosfer bumi terdiri dari 2 buah reaksi sebagai berikut:

1. Senyawa Karbon + Oksigen Gas karbon dioksida + Energi

Ini terjadi misalnya pada pernapasan makhluk hidup atau hampir segala hal yang berhubungan dengan pembakaran.

2. Gas karbon dioksida + Energi Senyawa Karbon + Oksigen

Ini terjadi pada tanaman disiang hari, tanaman menangkap karbon dari atmosfer dan mengubahnya menjadi karbohidrat.

a. Karbon Atmosfer

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 0,04% dalam basis molar), meskipun sedang mengalami kenaikan, namun tetap memiliki peran yang sangat penting dalam menyokong kehidupan. Gas-gas lain yang mengandung karbon di atmosfer adalah metan dan kloroflorokarbon atau CFC (CFC 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 fotosintesis 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.

· Di laut bagian atas, 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.

· Pelapukan batuan silikat, tidak seperti dua proses sebelumnya, proses ini tidak memindahkan karbon kedalam resevoir yang siap untuk kembali ke atmosfer. Pelapukan batuan karbonat tidak memiliki efek netto terhadap CO₂ atmosferik karena ion karbonat 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 pernapasan (respirasi) oleh tumbuhan dan binatang. Hal ini merupakan reaksi eksotermik dan termasuk juga didalamnya 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.

· Di permukaan laut dimana air menjadi lebih hangat, karbon dioksida terlarut dilepaskan kembali ke atmosfer.

b. Karbon di Biosfer

Sekitar 1.900.000 ton 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.

· Autotrop 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 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 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 anaerobiklah yang terjadi, yang melepaskan metana 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.

c. Karbon di Laut

Laut mengandung sekitar 36.000.000 ton karbon, dimana sebagian besar dalam bentuk ion bikarbonat. Karbon anorganik yaitu senyawa 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 atau lubuk karbon. Karbon siap untuk saling dipertukarkan antara atmosfer dan lautan. Pada daerah upwelling, karbon dilepaskan keatmosfer. Sebaliknya pada daerah downwelling karbon dioksida 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 pada pH ;

H₂CO₃ H⁺ + HCO₃^-.

2.1.2 Siklus Fosfor

Fosfor adalah unsur kimia yang memiliki lambang P dengan nomor atom 15. Fosfor berupa nonlogam, bervalensi banyak, termasuk golongan nitrogen, banyak ditemui dalam batuan fosfat arorganik dan dalam semua sel hidup tetapi tidak pernah ditemui dalam bentuk bentuk unsur bebasnya. Fosfor amatlah reaktif, memancarkan pendar cahaya yang lemah ketika bergabung dengan oksigen, ditemukan dalam berbagai bentuk dan merupakan unsur penting dalam makhluk hidup. Kegunaan fosfor yang terpenting adalah pembuatan pupuk dan seara luas digunakan dalam bahan peledak, korek api, kembang api, pestisida, odol dan detergen.

a. Bentuk

Secara umum fosfor membentuk padatan putih yang lengket dan memiliki bau tidak enak tetapi ketika murni menjadi tak berwarna dan transparan. Non logan ini tidak larut dalam air, tetapi dapat larut dalam karbon disulfida. Fosfor murni terbakar secara spontan di udara membentuk fosfor pentoksida.

Fosfor dapat berada dalam empat bentuk atau alotrop: putih(atau kuning), merah, merah dan hitam (atau ungu). Paling umum terdapat adalah fosfor merah dan putih, keduanya mengelompok dalam empat atom yang tetrahedral. Fosfor putih terbakar ketika bersentuhan dengan udara dan dapat berubah menjadi fosfor merah ketika terkena panas atau cahaya. Fosfor putih juga dapat berada dalam keadaan alfa dan beta yang dipisahkan oleh suhu transisi –3,8°C. Fosfor merah relatif lebih stabil dan menyublim pada 170°C pada tekanan uap 1 atm, tetapi terbakar akibat tumbukan atau gesekan. Alotrop fosfor hitam mempunyai struktur seperti grafit atom-atom tersusun dalam lapisan-lapisan heksagonal yang menghantarkan listrik.

b. Keberadaan Fosfor

Tanah mengandung persenyawaan-persenyawaan anorganik yang berisi kalsium, besi, dan aluminium. Persenyawan-persenyawaan kalsium yang lebih larut bergabung dengan besi dan aluminium, yang dikandung di tanah-tanah semacam itu, adalah yang paling stabil dan tidak dapat larut. Bahan organik tanah juga mengandung fosfor. Kwalitas fosfat-fosfat organik dalam tanah tergantung sebagian pada jumlah keseluruhan bahan organik. Persenyawaan fosfor organik dapat merupakan 25% sampai 50% dari seluruh jumlah fosfor tanah.

Fosfor memiliki peranan penting sebagai bahan baku universal untuk kegiatan biokimia dalam sel hidup. Ikatan Adenosin Trifosfat (ATP) yang berenergi tinggi melepaskan energi untuk kegiatan bila diubah menjadi adenosine difosfat (ADP). Fosfat merupakan unsur yang juga penting dalam tulang dan gigi. Hanya beberapa persen saja fosfor didalam tanah tersedia bagi tumbuh-tumbuhan berderajat tinggi. Kebanyakan fosfat-fosfat dalam tanah secara relative tidak dapat larut. Fosfat-fosfat besi dan kelompok kombinasi-kombinasi kalsium secara khusus tak dapat larut. Sumber fosfat yang langsung menumbuhkan tanaman-tanaman adalah dalam bentuk ion fosfat anorganik dalam larutan tanah. Struktur tanah dan aerosi adalah sangat penting dalam mengatur dapat diperolehnya fosfat alam tanah berkapur. Pencucian dari drainase cepat dapat memperbaiki tersedianya fosfat pada tanah-tanah semacam itu. Suatu struktur tanah yang lepas meningkatkan daya serap dan aerasi yang baik. Dalam kondisi-kondisi ini, jasad renik tanah disuplai dengan oksigen secara baik. Keadaan demikian menyuburkan akan adanya karbon dioksida bebas, pembalikan selengkapnya adalah tidak mungkin.

Walaupun pemberdayaan fosfor pada umumnya sangat rendah, bahan organik memiliki peranan sangat penting dalam meningkatkan tersedianya unsur ini. Perombakan struktur organik menghasilkan pembebasan fosfat dari bahan yang terurai itu. Jika bahan organik telah dirombak oleh jasad renik, maka fosfornya dimineralisasi dan dibebaskan untuk pertumbuhan tanaman, bahan organik dan jasa renik secara materi mempengaruhi dapat tidaknya diperoleh fosfor organik.

Seperti halnya unsur nitrogen dalam suatu ekosistem adalah fosfor juga terdapat pada protein dan zat-zat organik lainnya. Adenosine trifosfat misanya terdapat dalam sel makhluk hidup dan berperan penting dalam penyediaan energi. Perjalanan fosfor dalam daurnya mirip dengan daur nitrogen, dalam ekosistem air fosfor ada dalam tiga bentuk yakni senyawa fosfor anorganik seperti ortofosfat, senyawa organik dalam protoplasma dan senyawa anorganik seperti ortofosfat, dan senyawa anorganik terlarut yang terbentuk karena kotoran atau tubuh organisme yang mengurai.

Dekomposisi yang cepat pada bahan organik memperbaiki struktur tanah dan aerasi dan secara materi memperbaiki kondisi-kondisi yang menguntungkan aktivitas akar dan ketersediaan fosfat-fosfat. Produk-produk dekomposisi ata bahan organik tak diragukan memainkan peranan penting dalam tanah serta mudah tidaknya didapat fosfor anorganik.

Daur unsur fosfor dalam lingkungan hidup relative lebih sederhana bila dibandingkan dengan daur bahan kimia lainnya, tetapi mempunyai peranan yang sangat penting sebagai pembawa energi dalam bentuk ATP. Daur unsur fosfor adalah dasar bahan kimia yang menghasilkan endapan. Dalam lingkungan hidup tidak diketemukan unsur fosfor dalam bentuk gas, unsur fosfor yang terdapat dalam atmosfer yaitu partikel-partikel fosfor padat.

Batu karang fosfor dalam tanah terkikis karena pengaruh cuaca menjadi senyawa-senyawa fosfot yang terlarut dalam air tanah dan dapat digunakan/ diambil oleh tumbuh-tumbuhan untuk pertumbuhannya. Penguraian senyawa organik (tumbuh-tumbuhan dan hewan yang mati) menghasilkan senyawa-senyawa fosfat yang dapat menyuburkan tanah untuk pertanian sebagian senyawa-senyawa fosfat yang terlarut dalam air tanah terbawa aliran air sungai menuju ke laut atau ke danau, kemudian mengendap pada dasar atau dasar danau. Dengan demikian senyawa fosfoat akan berkurang, tanah menjadi kurang subur. Penambahan senaywa fosfat bisa terjadi dari tulang-tulang ikan yang telah mati dan dari proses pemupukan menggunakan pupuk fosfat yang terbawa oleh aliran sungai.

umbuhan dan hewan memerlukan suplai senyawaan fosfat secara kontinyu. Senyawaan organofosfat esensial bagi sel, termasuk dalam proses pembentukan DNA dan RNA. Disamping itu juga sangat diperlukan dalam proses pembentukan tulang dan gigi.

Gambar 2.1 Proses-proses pokok dalam daur fosfor tanah. Persediaan fosfor bagi tanaman ditentukan oleh jumlah fosfor di dalam tanah.

Kadar fosfor dalam larutan terutama merupakan fungsi kelarutan bentuk fosfor yang terikat. Hasilnya adalah kadar fosfor yang sangat rendah dalam tanah pada suatu saat karena bentuk terikat rendah pada umumnya, terdapatnya penurunan keterlarutan atau ketersediaan dalam larutan kalsium fosfat yang diserap tanah liat serta besi aluminium fosfat.

Nutrisi tumbuhan dan hewan meliputi lingkar metabolisme energi dengan reaksi kimia memanfaatkan adrenalin trifosfat (ATP). Tetumbuhan menyerap garam fosfat anorganik dari dalam tanah dan mengubah menjadi fosfat organik. Tetumbuhan yang mengandung fosfat organik dikonsumsi oleh hewan untuk memenuhi kebutuhan fosfat hewan tersebut.

Gambar 2.2 Siklus fosfat di dalam air

Sumber utama fosfat adalah batuan dan tanah, dimana fosfat keluar dalam bentuk terlarut, tidak larut dalam air atau campuran keduanya. Fosfat yang diserap oleh tumbuhan (dikonsumsi oleh manusia/hewan) dikembalikan kedalam tanah dalam bentuk tanaman mati dan residu organik hewan seperti bangkai dan kotoran. Bahan-bahan ini kemudian diubah menjadi humus oleh aksi mikroba tanah. Di dalam tanah, fosfat umumnya diserap oleh partikel-partikel padat, akan tetapi sebagian terbuang ke dalam sumber-sumber air. (gambar 2.1)

Di dalam air, beberapa algae atau fitoplankton menyerap fosfat anorganik terlarut secara cepat dan mengubahnya menjadi fosfat organik. Algae merupakan makanan bagi zooplankton yang kemudian dikonsumsi oleh hewan-hewan air lainnya. Semua mahluk hidup yang mati di dalam air dan hasil-hasil sekresinya akan hancur dan mengendap di dasar perairan. Pada saat itu bahan-bahan tersebut, akan mengalami pembusukan sebgai akibat aktivitas bakteri. Fosfat yang dihasilkan dari proses ini akan dibebaskan ke dalam air dalam bentuk fosfat terlarut yang selanjutnya akan masuk kembali ke dalam siklus (gambar 2.2)

Pada dasarnya siklus fosfat alami dapat dipengaruhi oleh cemaran/limbah bahan-bahan kimia. Aplikasi pupuk yang mengandung superfosfat atau tripel superfosfat dewasa ini banyak diigunakan pada lahan pertanian, mengakibatkan bertambahnya jumlah fosfat yang masuk kedalam tanahatau air. Sumber cemaran fosfat lainnya dapat berasal dari hasil eksresi hewan, rsidu yang berasal dari tumbuhan atau yang berasal dari deterjen. Fosfat-fosfat ini, lambat laun akan mencapai aliran-aliran air, sungai dan danau. Sebagai gambaran bagi kita bahwa di Kerajaan Inggris sedikitnya 200.000 ton fosfat memasuki saluran perairan setiap tahun dan sekitar 66% diantaranya masuk ke dalam aliran sungai pencemaran fosfat pada sungai dan danu dapat menyebabkan pertumbuhan algae yang berlebihan yang secara tidak langsung akan berkompetisi dengan mahlujk lain dalam mengkonsumsi oksigen sehingga akan mengacaukan sistem rantai makanan alami.

2.1.3 Siklus Nitrogen

Dalam proses daur materi/bahan kimia dalam lingkup besar ini mengikut sertakan semua komponen lingkungan hidup, baik komponen biotik maupun komponen abiotik dengan energi matahari sebagai matahari sumber energi. Dari sekian banyak unsur-unsur kimia yang terbesar dalam lingkungan hidup, yang memegang peranan penting dan harus ada dalam jumlah banyak untuk kehidupan antara lain adalah karbon, hidrogen, oksigen, nitrogen, fosfor dan belerang. Unsur-unsur ini berada dalam lingkungan hidup berupa senyawa organik dan senyawa anorganik. Keenam unsur-unsur tersebut, dapat digolongkan kedalam “makronutrien”. Selain unsur-unsur macronutrien ini masih ada lagi unsur-unsur yang diperlukan untuk kehidupan hanya dalam jumlah sedikit sekali yaitu besi, magnesium, tembaga, yodium, dan digolongkan kedalam “mikronutrien”.

Keenam unsur makronutrien ini diperlukan dalam jumlah banyak maka perlu ada daur ulang unsur-unsur kimia ini dari sumbernya (air, udara, dan tanah) melewati jaringan makanan (fotosintesis, tumbuh-tumbuhan, herbivora, omnivora dan karnivora) kembali lagi kesumbernya (setelah diuraikan oleh bakteri). Untuk pertumbuhan dan proses kehidupan, makhluk hidup memerlukan kurang lebih 40 macam unsur kimia. Unsur hidrogen, karbon, dan oksigen merupakan unsue pokok pada pembentukkan karbohidrat melalui proses fotosintesis sebagai langkah pertama dengan energi matahari sebagai sumber energi dan sangat dibutuhkan oleh tumbuh-tumbuhan dan hewan.

Daur ulang bahan kimia ini dapat dibagi menjadi dua kelompok yaitu:

1. Daur bahan kimia dalam bentuk gas (unsur C,H,O, N dan S).

2. Daur bahan kimia dalam bentuk endapan (logam-logam).

Siklus nitrogen ini merupakan suatu siklus bahan kimia yang sangat kompleks dan sangat penting dalam lingkungan hidup. Unsur nitrogen banyak terdapat dalam atmosfer dalam bentuk gas nitrogen (N₂) sampai mencapai 78% volume udara bersih dan kering, tetapi tidak dapat digunakan secara langsung oleh tumbuh-tumbuhan untuk proses asimilais N. Setelah diubah menjadi gas NH₃ senyawa nitrat, senyawa aitrit atau senyawa ammonium yang terlarut dalam air tanah, baru dapat digunakan oleh tumbuh-tumbuhan.

Bagan di bawah ini, merupakan rangkuman mengenai proses siklus nitrogen yang terjadi di lingkungan hidup :

Gambar 2.3 Siklus Nitrogen

Dalam siklus nitrogen pada lingkungan hidup terjadi beberapa proses kimia antara lain:

o Fiksasi nitrogen adalah proses perubahan gas nitrogen menjadi senyawa nitrat yang akan larut dalam air.

o Reaksi amonifikasi adalah nama reaksi yang diberikan pada reaksi penguraian protein (tumbuh-tumbuhan dan hewan yang mati) menjadi asam-asam amino dan gas amonia oleh bakteri. Gas amonia yang terbentuk sebagain diambil oleh tumbuh-tumbuhan untuk pertumbuhannya dan sebagian lagi masuk ke atmosfer. Pada kondisi tertentu gas amoniak teroksida menjadi nitrat.

o Protein Asam-asam amino

o Reaksi nitrifikasi adalah istilah yang diberikan pada proses perubahan gas amonia (NH₃ ) menjadi senyawa nitrat oleh bakteri.

o Reaksi denitrifikasi yang sebagian dari senyawa nitrat yang terlarut dalam air tanah akan tereduksi lagi menjadi gas nitrogen. Sebagian besar dari oksigen dalam senyawa nitrat digunakan oleh bakteri anaerob untuk mengoksidasi karbohidrat.

Pertukaran nitrogen di ekosistem dapat digambarkan melalui siklus nitrogen. Tumbuhan dan hewan secara berkesinambungan menghasilkan protein yaitu salah satu senyawa organik yang kaya akan kandungan nitrogen . Tetumbuhan menyerap nitrat dari dalam tanah untuk selanjutnya menghasilkan protein , disamping itu beberapa makanan hewan pada tumbuh-tumbuhan digunakan untuk memenuhi kebutuhan protein. Organisme-organisme yang mati dan bahan organik hasil ekskresi merupakan tambahan residu organik bagi tanah yang menganung protein. Didalam tanah terdapat jenis-jenis mikroorganisme yang berbeda dalam pemanfaatan senyawa nitrogen untuk keperluan metabolismenya. Protein digunakan oleh bakteri melalui suatu rantai senyawaan antara seperti amonia, nitrat dan akhirnya dihasilkan senyawa nitrat. Senyawaan nitrat ini diserap oleh tumbuhan kemudian dimasukkan kembali kedalam siklus nitrogen. Selain itu, terjadi juga pertukaran nitrogen antara sikluis dengan atmosfer melalui aksi mikroba-mikroba tanah lainnya. Beberapa senyawaan nitrat dari tanah berubah menjadi nitrogen melalui proses denitrifikasi dan lainnya mengubah nitrogen menjadi senyawa nitrogen terlarut, yang dapat larut kedalam tanah dengan juml;ah sekitar 0,097 – 0,105 ton/hektar/tahun. Dalam siklus nitrogen ditambahkan kedalam tanah setiap tahunnya. Sebagliknya sebagain nitrogen, dalm bentuk nitrat, meninggalkan tanah berpindah ke sumber-sumber air dan laut.

Siklus nitrogen sebenarnya berlangsung seimbang sehingga konsentrasi nitrogen di atmosfer relatif konstan. Sistem pertanian modern, termasuk budidaya tanaman yang sangat efisien membutuhkan sejumlah tanaman yang sangat efisien membutuhkan sejumlah pupuk berkandugnan nitrogen yang ditambahkan pada tanah/lahan pertanian. Penambahan ini berkisar 40 Mton/tahun untuk lahan pertanian. Pemupukan yang berlangsung berulang-ulang ini, akan mengeser keseimbangan siklus alami. Pencemaran air karena nitrogen dapat disebabkan oleh pelepasan senyawaan nitrat ke dalam saluran air, irigasi, sungai dan danau.

2.1.4 Siklus Belerang

Tumbuhan dan hewan juga memerlukan suplai belerang dan senyawaannya secara kontinyu, terutaman dalam kaitannya dengan sintesis asam-asam amoni dan protein. Proses pertukaran belerang di dalam ekosistem berlangsung melalui aktivitas bakteri.

Ada 3 sumber alam pokok dari mana tanaman mendapat sulfur sebagai berikut :

1. Mineral tanah

Ada beberapa mineral tanah yang mengandung sulfur yang dapat dilepaskan untuk tanaman, misalnya sulfida besi, nikel dan tembaga banyak terdapat dalam tanah terutama tanah dengan drainase terbatas. Sulfida itu juga jika mengalami oksidasi berubah menjadi sulfat yang dapat cepat tersedia untuk tanaman.

2. Sulfur Atmosfer

Pembakaran bahan bakar, terutama batu bara melepaskan sulfur dioksida dari senyawa sulfur lain dalam atmosfer, sering berhubungan erat degnan jarak dari pusat industri. Disamping pantai laut dimana percikan garam menambah sulfur dengan nyata dan didekat rawa-rawa yang merupakan sumber Hidrogen Sulfida, olehnya itu pembakaran batubara merupakan sumber paling berarti bagi sulfur atmosfer. Jumlah sulfur yang diabsorpsi langsung oleh tanaman dari atmosfer akan bervariasi tergantung pada keadaan tanah.

3. Sulfur yang terikat dalam organik

Pada tanah permukaan daerah lembab, sebagian besar sulfur dalam bentuk organik. Seperti halnya pada nitrogen, sedikit sekali diketahui tentang senyawa sulfur itu. Sulfur yang terdapat dalam sisa-sisa tanaman sebagian besar dalam bentuk protein yang biasanya rendah menjadi sasaran serangan mikroba. Dengan beberapa cara sulfur (bersama nitrogen) dihindarkan dari pelepasan yang cepat, jadi ia tidak hilang atau dibenahi tanaman tingkat tinggi.

Oksidasi belerang (S) atau senyawa-senyawa organik belerang dalam kondisi aerobik disebabkan oleh bakteri Thiobacillus Thioxidans. Akan tetapi, salah satu bakteri ini yaitu Thiobacillus Denitrificans merupakan jenis aerobik sehingga bakteri tersebut dapat mengoksidasi belerang dan senyawa-senyawanya tanpa adanya oksigen dari udara. Energi yang diperlukan untuk perkembangan dan pertumbuhan bakteri ini diperoleh sebagai akobat atau hasil oksidasi belerang dan sebagai hasil akhirnya adalah asam sulfat. Bakteri ini paling mudah berkembang baik dalam lingkungan asam dengan pH antara 0 – 6. Jenis bakteri ini dapat menghasilkan asam sulfat yang tidak begitu banyak, yaitu konsentrasinya mencapai 10% atau 2N.

Bakteri sulfur menerima energi yang diperlukan untuk kehidupannya dari oksidasi asam sulfit.

Dengan adanya bakteri ini korosi akan dipercepat.

2H₂S + O₂ 2H₂O + S

seperti juga bakteri pengoksidasi sulfur, bakteri ini juga menggunakan sulfat sebagai sumber energi bagi pertumbuhan dan perkembangan dirinya.

Sumber belerang dalam tanaman adalah dari mineral tanah dan bahan organik yang melepaskan ion sulfat dan dituliskan sebagai berikut :

Bahan organik Hasil Uraian Sulfit Sulfat

(Karbohidrat,lemak (diantaranya SO₃ ^– SO₄ ^{– 2}

Lignin,Protein) H₂S dan gas)

Perubahan H₂S dan belerang menjadi sulfit dan akhirnya sulfat tersebut sulfofikasi. Sulfofikasi ini dikerjakan oleh bakteri tanah aerob yang disebut Beggiatoa dan Thiobacillus thiooxidans. Ion sulfat adalah bentuk S tersedia bagi tanaman. Pada pemberian S (SO₄ ^– ) berlebihan maka sebagian sulfat terdapat bebas didalam tanaman sebagai ion SO₄ ^– dan digunakan dalam metabolisme selanjutnya. Apabila kadar SO₄ ^– bebas didalam tanaman sebagai 20 ml/Kg bahan kering dapat dikatakan bahwa status S dalam tanaman cukup.

Disamping itu kekurangan S menghambat proses konveksi S menjadi N protein sehingga kadar amida dan nitrat tanaman tinggi dan ini sangat berbahaya pada ternak (khususnya tanaman ternak). Disamping itu S merupakan bagian aktif dari beberapa enzim (papaine, bromelin, ficin) dan vitamin.

Gambar 2.3 Siklus sulfida menjadi sulfat yang terjadi di alam

Siklus bagian atas menggambarkan proses oksida belerang sedangkan siklus bagian bawah menunjukkan perubahan sulfat menjadi protein selular dari hewan tumbuhan dan degradasi bahan/bahan yang mati akibat aksi bakteri.

Dalam lingkungan perairan yang sangat tercemar, mungkin terdapat kondisi anerobik dimana kandungan oksida anaerobik di mana kandunga oksigen terlarut sangat kecil atau bahkan tak ada sama sekali. Pada kondisi seperti ini aksi bakteri pembusuk akan menghasilkan senyawa hidrogen sulfida yang sangat toksik dan deposit besi sulfida yang memberikan warna hitam pada lingkungan perairan tersebut.

Dalam perairan yang belum tercemar, atau sedikit tercemar, lingkungannya masih memberikan kondisi aerobik. Pada kondisi seperti ini, bakteri-bakteri sulfur akan mengubah sulfida-sulfida menjadi senyawaan sulfat yang dapat digunakan dalam produksi protein selanjutnya.

2.2 Sumber Daya Tanah

Bila dibandingkan dengan luas bumi secara keseluruhan, maka tanah pada permukaan bumi hanya merupakan lapisan tipis, tetapi sangat penting karena menyediakan berbagai sumber daya yang berguna bagi kehidupan manusia dan makhluk hidup yang lain.

Tanah selain menyediakan SDT (sumber daya tanah) yang diperlukan bagi kehidupan hampir seluruh makhluk hidup di bumi ini juga merupakan habitat alamiah bagi manusia. Oleh karena itu, sudah sepantasnya setiap orang memelihara kualitas tanah yang memberikan bahan atau mineral baginya. Berbagai kegiatan manusia seperti pembukaan hutan, perladangan berpindah dan penggalian lahan besar terhadap kondisi tanah menyebabkan berkurangnya luas SDT yang subur, bersama-sama dengan meningkatnya jumlah penduduk dengan segala aktivitasnya merupakan tekanan yang luar biasa terhadap SDT.

Tanah atau geosfer merupakan bagian padat atau tempat dimana manusia mendapatkan sumber makanan, mineral-mineral, bahan baker, dll, karena aktivitas manusia yang tidak terkendali untuk menambang secara besar-besaran sehingga tanah mengalami kerusakan.

Aktivitas manusia di permukaan bumi mempengaruhi perubahan iklim yang cukup besar misalnya perubahan elbino, terjadinya daerah gurun dengan curah hujan rendah. Proses perubahan suatu daerah tersebut diakibatkan menurunnya jumlah air tanah, salinitas lapisan atas dan air meningkat, menurunnya permukaan air, erosi tanah yang cukup tinggi dan perusakan vegetasi asli, meningkatnya populasi penduduk dunia, menjamurnya industri-industri dan kendaraan bermotor yang menyebabkan jumlah CO₂ diatmosfir meningkat, terjadinya hujan asam serta tanah asam, terdapatnya beberapa daerah dinegara industri memiliki tanah sebagai tempat penimbunan bahan-bahan kimia beracun. Selain itu, geosfer harus menyediakan tempat pembuangan untuk limbah nuklir dari sekitar lebih dari 300 reaktor nuklir yang sekarang beroperasi diseluruh dunia.

Aktivitas manusia dipermukaan bumi secara langsung dapat mempengaruhi perubahan permukaan albedo, yang dapat didefenisikan sebagai persentase direfleksikannya radiasi sinar matahari oleh permukaan air. Sebagai contoh jika matahari memancarkan energi sebesar 100 unit/menit kebatas luar atmosfir dan permukaan bumi akan menerima 60 unit/menit dari total dan kemudian 30 unit direfleksikan lagi keatas albedonya dan 50%. Terdapat perbedaan nilai albedo untuk beberapa wilayah dipermukaan bumi misalnya hutan hijau abadi 7-15%, padang kering 10-15%, gurun 25-30%.

Dalam jumlah yang tidak terlalu besar, segala kerusakan dialam dapat diatasi secara alami karena tanah dapat bersifat menetralisir dan mengasimilasi bahan pencemar didegradasi menjadi bahan tidak beracun misalnya proses oksidasi-reduksi, reaksi asam-basa, presipitasi atau pengendapan, penyerapan dan degradasi biokimia.

2.2.1 Fungsi tanah

Fungsi tanah sebagai SDT, pada dasarnya terdiri dari 3 makna sbb:

a. Sebagai produk alam berupa bahan hancuran yang berasal dari pelapukan batuan yang berfungsi sebagai bahan bangunan dan tempat bangunan berpijak.

b. Sebagai produk alam yang menjadi media tumbuh bagi berbagai jenis tumbuh-tumbuhan misalnya sumber unsur hara, tempat akar berjangkar, tempat penyimpanan air.

c. Sebagai ruang, nilainya ditentukan oleh unsur-unsur yang terdapat dan menjadi bagian tanah dan sebagai tempat berlangsungnya ekosistem.

2.1.2 Karakteristik lahan dan dampaknya

Menurut FAO (1977), lahan merupakan suatu daerah permukaan bumi yang ciri-cirinya mencakup semua pengenal yang cukup mantap, terdiri dari biosfir, atmosfir, geologi, hidrologi, populasi tumbuhan dan hewan, serta segala hasil kegiatan manusia pada masa lampau dan masa kini. Bentuk lahan dapat dibedakan dari dataran dan pengunungan.

2.1.3 Struktur bawah permukaan tanah

Untuk memahami tentang struktur bawah permukaan tanah dapat dibagi menjadi 2 yaitu : Ilmu geologi dan ilmu tanah.

· Struktur bawah permukaan menurut ilmu geologi menyangkut bidang geologi meliputi struktur lipatan, struktur patahan, struktur rekahan dan struktur ketidak selarasan.

· Struktur tanah menurut ilmu tanah merupakan gumpalan kecil dari butiran-butiran tanah yang menjadi butir-butirnya terikat satu sama lain misalnya bahan organik, oksida-oksida besi dll. Gumpalan tersebut memiliki bentuk, ukuran dan kemantapan yang berbeda-beda.

Proses kimia dalam tanah untuk pengaplikasian pada pertanian misalnya mineral-mineral yang membentuk tanah tersebut dimana dari proses pelapukan oleh air, panas dll. Tanah dikenal dengan tanah muda yaitu baru mengalami pelapukan dan tanah tua yaitu telah mengalami proses pelapukan yang lama sehingga kandungan beberapa mineralnya telah hilang.

2.3 Sumber Daya Air

Defenisi sumber daya air adalah segala potensi yang terdapat pada air, termasuk sarana dan prasarana yang termanfaatkan, tetapi tidak termasuk kekayaan hewani yang ada di dalamnya. Proyek-proyek tentang air telah banyak dibangun tetapi kapan pertama kali dilakukan belum ada data yang jelas.Terdapat bukti-bukti bahwa saluran irigasi telah ada di Mesir semasa pemerintahan raja Scorpion sekitar tahun 3200 SM, Irigasi sungai Nil dan bendungan disekitar kota Kairo dll.

Sejarah membuktikan bahwa manusia selalu mencari sumber daya air misalnya Kerajaan di Indonesia, Mesir dan Cina selalu berjaya disekitar sungai besar dan air diandalkan sebagai sarana transportasi, ekonomi, proses produksi, pertanian, perikanan, dll.

Kuantitas dan kualitas air yang sesuai dengan kebutuhan manusia merupakan faktor penting yang menentukan kesehatannya. Kuantitas air berhubungan dengan adanya bahan-bahan lain terutama senyawa-senyawa kimia baik dalam bentuk senyawa organik maupun anorganik juga adanya mikroorganisme yang memegang peranan penting dalam menentukan komposisi kimia air.

Seluruh peradaban manusia dan makhluk hidup akan musnah karena kurangnya air yang disebabkan berbagai faktor terutama akibat dari perubahan iklim. Kualitas air yang buruk disebabkan adanya berbagai jenis bakteri patogen dan kandungan bahan-bahan kimia berbahaya dapat membunuh berjuta-juta manusia. Dalam jaringan hidup, air merupakan medium untuk berbagai reaksi dan proses ekspresi. Air merupakan komponen utama baik dalam tanaman maupun hewan termasuk manusia. Tubuh manusia terdiri dari 60-70% air.

2.3.1 Permasalahan sumber daya air

Ada 3 yang hal yang menyebabkan air tidak bisa dimanfaatkan oleh manusia untuk memenuhi kehidupannya bahkan menjadi bencana bagi kehidupan manusia yaitu :

· Terlalu banyak

· Terlalu sedikit

· Terlalu kotor

Ketiga hal tersebut, tidak terlepas dari kerusakan sumber daya air, misalnya daerah tangkapan air (DAS), erosi dan sedimentasi, kekeringan, pencemaran air, banjir, konflik terhadap penggunaan air, keadilan pengelolaan sumber daya air, bahan baku pengolahan PAM.

,

2.3.2 Pengelolaan Sumber Daya Air (SDA)

Arahan Undang-Undang Tentang Sumber Daya Air No.7 Tahun 2004 yaitu

“Pengelolaan sumber daya air berazaskan kelestarian, keseimbangan, kemanfaatan, umum, keterpaduan dan keserasian, keadilan, kemandirian serta transparansi dan akuntabilitas”.

Tujuan pengembangan dan pengelolaan infrastruktur SDA mendukung pengelolaan SDA dalam rangka mewujudkan kemanfaatan SDA yang berkelanjutan untuk sebesar-besarnya kemakmuran rakyat. Pengelolaan SDA merupakan upaya dalam hal perencanaan, pelaksanaan, pemantauan dan evaluasi penyelengaraan, konservasi SDA, pendayagunaan dan pengendalian daya rusak air.

Konservasi adalah upaya memelihara keberadaan serta keberlanjutan sifat dan fungsi SDA agar selalu tersedia setiap saat, baik mengenai kuantitas maupun kualitasnya. Sedangkan, pendayagunaan SDA adalah suatu upaya untuk mencegah, menanggulangi dan memulihkan kerusakan kualitas lingkungan yang diakibatkan oleh daya rusak air (daya air yang dapat merugikan kehidupan manusia).

Beberapa kondisi yang dapat menjadi ancaman yang berhubungan dengan SDA yaitu jumlah penduduk Indonesia tahun 2007 sekitar 250 juta jiwa, indeks pembangunan rendah dan indeks kemiskinan penduduk meningkat tetapi berbagai sektor berebutan air serta berlomba mencemari sumber air, tempat-tempat penyimpanan air berubah menjadi pemukiman dan pembangunan mis: empang, rawa, DAS menyebabkan daerah resapan air serta hutan dirusak dan digunduli.