Oksigen atau zat asam adalah unsur kimia
dalam sistem tabel periodik yang mempunyai lambang O dan nomor atom 8.
Ia merupakan unsur golongan kalkogen dan dapat dengan mudah bereaksi
dengan hampir semua unsur lainnya (utamanya menjadi oksida). Pada
Temperatur dan tekanan standar, dua atom unsur ini berikatan menjadi
dioksigen, yaitu senyawa gas diatomik dengan rumus O2 yang tidak
berwarna, tidak berasa, dan tidak berbau. Oksigen merupakan unsur paling
melimpah ketiga di alam semesta berdasarkan massa dan unsur paling
melimpah di kerak Bumi.Gas oksigen diatomik mengisi 20,9% volume
atmosfer bumi..
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 yang diikat
biasanya dalam bentuk amonia. 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 amonia kembali, dan
amonia diubah menjadi nitrogen yang dilepaskan ke udara. Dengan cara ini
siklus nitrogen akan berulang dalam ekosistem.
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.
Lihat Gamba
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 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.
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.
KARBON DI 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 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.
KARBON DI BIOSFER
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 mempengaruhi pemanasan global.
KARBON DI LAUT
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
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).