Pengertian, Unsur-unsur Siklus Materi dan Aliran Energi

Pengertian, Unsur-unsur Siklus Materi dan Aliran Energi- Dalam pembahasan terdahulu, kita telah membahas mengenai komponen-komponen ekosistem. Komponen-komponen ekosistem tersebut bekerja secara teratur sebagai satu kesatuan. Keteraturan itu tidak lepas dari adanya siklus materi dan aliran energi.

1. Siklus Materi
Tubuh kita, hewan, tumbuhan, dan batu, tersusun oleh materi. Materi ini terdiri atas unsur kimia, seperti karbon (C), hidrogen (H), oksigen (O), nitrogen (N), dan fosfor (P). Materi tersebut dimanfaatkan oleh produsen untuk membentuk bahan organik dengan bantuan matahari atau energi yang berasal dari reaksi kimia. Bahan organik yang dihasilkan adalah sumber energi bagi organisme lain melalui proses makan dan dimakan. Materi mengalir dari mata rantai makanan yang satu ke mata rantai yang lain. Jika makhluk hidup mati, tidak berarti aliran materi terhenti, tetapi makhluk yang mati menjadi makanan bagi makhluk hidup yang lain, misalnya bangkai hewan atau tumbuhan dimakan oleh jasad renik, seperti bakteri dan jamur dalam proses pembusukan. Sebagian hasil pembusukan tersebut adalah gas, misalnya CO₂, cairan, dan mineral. Gas dan mineral tersebut kemudian digunakan lagi oleh tumbuhan dalam proses sintesis. Tumbuhan dimakan oleh herbivora, maka proses makan dan dimakan berulang. Dengan demikian, dapat kita katakan bahwa aliran materi merupakan suatu daur (Gambar 9.8).

Gambar 9.8 Siklus materi, aliran energi

Materi tidak ada habis-habisnya, materi mengalir dari tubuh makhluk hidup yang satu ke tubuh makhluk yang lain dan dari dunia hidup ke dunia tak hidup, serta kembali lagi ke dunia hidup. Daur materi di atas disebut daur biogeokimia, yaitu daur yang melibatkan proses biologi, geologi, dan kimia. Mata rantai makhluk hidup dalam daur biogeokimia merupakan jaring-jaring kehidupan. Aliran materi merupakan suatu daur, sedangkan aliran energi bukan suatu daur, melainkan aliran yang searah. Setelah melewati beberapa transformasi yang menjaga semua makhluk hidup tetap hidup, energi tersebut kembali ke angkasa luar sebagai panas. Dengan demikian, tidak ada daur energi. Berikut ini, kita akan membahas daur beberapa unsur yang penting saja, yaitu daur air, daur nitrogen, daur karbon, daur fosfor, dan daur sulfur.

a. Daur Air
Meskipun hanya sebagian kecil air di bumi yang terdapat pada materi hidup, air sangat penting bagi makhluk hidup. Siklus air atau daur air digerakkan oleh energi matahari dan sebagian besar terjadi di antara lautan dan atmosfer melalui penguapan dan curah hujan. Perhatikan daur air pada Gambar 9.9.

Gambar 9.9 Daur air

b. Daur Nitrogen
Di alam, nitrogen terdapat dalam bentuk senyawa organik, seperti urea, protein, dan asam nukleat atau sebagai senyawa anorganik, seperti amonia, nitrit, dan nitrat. Tumbuhan dan hewan membutuhkan nitrogen untuk membuat protein. Udara (atmosfer) terdiri atas berbagai gas, dan gas nitrogen terdapat kurang lebih sebanyak 80%. Namun, nitrogen tidak digunakan oleh makhluk hidup dalam bentuk gas. Tumbuhan dapat menyerap nitrogen dalam bentuk senyawa nitrit atau nitrat.

Tahap pertama daur nitrogen adalah transfer nitrogen dari atmosfer ke dalam tanah. Selain air hujan yang membawa sejumlah nitrogen, penambahan nitrogen ke dalam tanah terjadi melalui proses fiksasi nitrogen. Fiksasi nitrogen secara biologis dapat dilakukan oleh bakteri Rhizobium yang bersimbiosis dengan polong-polongan, bakteri Azetobacter dan Clostridium. Selain itu, ganggang hijau-biru dalam air juga memiliki kemampuan memfiksasi nitrogen. Tahap kedua, nitrat yang dihasilkan oleh fiksasi biologis digunakan oleh produsen (tumbuhan) diubah menjadi molekul protein (Gambar 9.10). Selanjutnya jika tumbuhan atau hewan mati, makhluk pengurai merombaknya menjadi gas amoniak (NH₃) dan garam amonium yang larut alam air (NH₄₊). Proses ini disebut dengan amonifikasi. Bakteri Nitrosomonas mengubah amoniak dan senyawa amonium menjadi nitrat oleh Nitrobacter, kedua proses tersebut dinamakan nitrifikasi. Apabila oksigen dalam tanah terbatas, nitrat dengan cepat ditransformasikan menjadi gas nitrogen atau oksida nitrogen oleh proses yang disebut denitrifikasi.

Gambar 9.10 Proses fiksasi dalam urutan besarnya

c. Daur Karbon dan Oksigen
Reservoir utama karbon adalah dalam bentuk karbon dioksida yang terdapat di atmosfer. Bumi juga memiliki karbon organik dalam bentuk batu bara, minyak bumi, tumbuhan, dan binatang. Selain itu, terdapat sejumlah kecil karbon yang masuk ke dalam tanah dalam bentuk gula, asam amino, dan senyawa lain yang disekresikan langsung oleh akar tumbuh-tumbuhan. Tumbuhan dan berbagai jenis bakteri mampu menyintesis senyawa organik dari CO₂ atmosfer. CO₂ dan air yang diserap oleh tumbuhan kemudian diubah menjadi glukosa dalam proses fotosintesis. Dari proses ini dihasilkan gas oksigen. Lihat bagan berikut:

Glukosa kemudian diubah menjadi bentuk lain, seperti protein, lemak, dan amilum. Selanjutnya tumbuhan dimakan oleh hewan. Tumbuhan dan hewan melakukan respirasi, demikian juga jika hewan dan tumbuhan mati, mereka diuraikan oleh mikroorganisme dengan bantuan oksigen. Hasilnya, CO₂ dilepaskan kembali ke atmosfer. Berikut adalah reaksi umum respirasi.Mengapa sampah berbau busuk? Hal ini terjadi karena pada proses penguraian sampah tersebut kekurangan oksigen, sehingga tidak semua senyawa organik diubah menjadi CO₂ dan energi, tetapi menjadi gas sampingan, seperti NH₃ atau H₂ S (Gambar 9.10).

Gambar 9.11 Mikroorganisme heterotrofik pembusuk menghasilkan CO2 melalui respirasi molekul organik yang terdapat pada tubuh tumbuhan dan tubuh hewan serta sekskreta hewan yang telah mati.

d. Daur Sulfur
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 sering kali bersifat mematikan makhluk hidup di perairan, pada umumnya dihasilkan dari penguraian bahan organik yang mati. Ion sulfat kemudian diserap tumbuhan dan diubah menjadi protein. Jika jaringan tumbuhan atau binatang mati akan mengalami proses penguraian (Gambar 9.12). Beberapa jenis bakteri dapat mengoksidasi hidrogen sulfida menjadi sulfat kembali. Besi (Fe) dalam sedimen bereaksi dengan sulfida membentuk ferosulfida (FeS) yang mengendap.

Gambar 9.12 Daur sulfur. Pembakaran bahan bakar fosil dan pencairan biji yang mengandung sulfur sangat banyak menambah pemasukan senyawa gas sulfur alam ke dalam atmosfer.

e. Daur Fosfor
Fungsi fosfor bagi makhluk hidup, antara lain fosfor dalam bentuk adenosin trifosfat (ATP) merupakan bahan bakar (energi) bagi makhluk hidup. Cadangan fosfat yang dapat larut, dapat digunakan langsung sebagai zat hara primer dalam sintesis protein oleh tumbuhan. Melalui rantai makanan, fosfat dapat beralih ke tingkat tropik yang lebih tinggi. Jika organisme mati, fosfor dikembalikan ke tanah melalui proses penguraian. Kelebihan fosfat yang diekskresikan burung dan ikan dalam tinjanya juga mengembalikan fosfor ke lingkungan. Guano (deposit kotoran burung) juga merupakan akumulasi fosfor yang dikembalikan ke daratan (Gambar 9.13).

Gambar 9.13 Daur fosfor. Fosfor biasanya merupakan nutrien pembatas bagi organisme yang hidup dalam air tawar. Banyak fosfor yang sampai ke lautan hilang untuk periode yang lama bagi organisme daratan.

Aktivitas manusia dapat mengganggu siklus biologi di atas. Salah satu mata rantai siklus biogeokimia tersebut adalah terjadinya sebuah penguraian (yang dilakukan oleh mirkoorganisme). Penguraian senyawa organik tersebut umumnya membutuhkan oksigen. Penambahan jumlah sampah akan membutuhkan oksigen yang lebih banyak juga. Jika kandungan oksigen terbatas, penguraian sampah menjadi tidak sempurna, akibatnya tidak semua senyawa organik diubah menjadi CO₂, tetapi sebagian energi masih tersimpan dalam bentuk senyawa sampingan seperti NH₃ dan H₂S. Adanya senyawa-senyawa tersebut menyebabkan sampah berbau busuk. Penguraian yang tidak sempurna ini bisa terjadi baik di darat maupun di air. Sampah organik yang melimpah di perairan akan mengganggu siklus biogeokimia di perairan tersebut. Danau, sungai atau kolam akan mengalami eutrofikasi, suatu keadaan ketika nutrien melimpah sehingga alga tumbuh dengan subur. Alga yang memadati permukaan air menyebabkan cahaya matahari tidak sampai di bagian bawah sehingga alga di lapisan bawah menjadi mati. Matinya alga, yang juga diikuti dengan matinya organisme lain menyebabkan terjadinya pembusukan. Jika kurang oksigen, pembusukan kurang sempurna sehingga perairan menjadi berbau. Oleh karena itu, sangat penting jika masyarakat menyadari bahwa “sampah” tidak bisa dianggap remeh dan diabaikan penanganannya.

2. Aliran Energi
Beberapa usaha telah dilakukan untuk mengukur aliran energi melalui rantai makanan. Salah satu yang paling mendalam adalah yang dilakukan oleh H.T. Odum pada ekosistem Sungai Silver Springdi Florida, AS. Hasil penelitian Odum dapat dilihat melalui diagram di bawah ini.

Gambar 9.14 Aliran energi melalui Silver Springs, Florida. Angka diberikan dalam kkal/m2/ th. Perhatikan bahan yang hilang dalam hasil bersih sebagai energi yang berlaku dari satu tingkatan trofik ke tingkatan berikutnya. (Berdasarkan data yang diperoleh Howard T. Odum).

Pada diagram tersebut dapat diterangkan sebagai berikut.

1. Hasil bersih produsen 8.833 kkal/th.
2. 5465 kkal dari hasil bersih diurai oleh pengurai.
3. Herbivora mengonsumsi 3.368 kkal/th.
4. 1890 kkal hilang melalui respirasi.
5. Produktivitas herbivora 1.478 kkal (17% dari produktivitas bersih).
6. Hanya 383 kkal yang dikonsumsi oleh konsumen sekunder, dan 316 kkal hilang melalui respirasi tinggal 67 kkal (4% dari produktivitas bersih produksi).
7. Dari 67 kkal yang ada di konsumen sekunder 46 kkal hilang karena hancur (hanya 21 kkal yang sampai pada konsumen tersier). Selanjutnya 15 kkal digunakan untuk respirasi dan produktivitas bersihnya hanya sebesar 6 kkal.

Akhirnya, karena tidak ada lagi karnivor yang lebih tinggi, energi tersebut diteruskan ke pengurai. Dalam ekosistem senantiasa selalu ada aliran energi. Jika kita perhatikan dalam aliran energi ini ternyata sebagian besar energi dihamburkan kembali ke alam sekitar.