TUGAS BIOPROSES DALAM LINGKUNGAN
SIKLUS OKSIGEN (O2)
Disusun oleh:
EDWIN RIZKI SAFITRA
FITRIANI
KUNTHI WIDHYASIH
RAKHMAT DWI HARYANTO
SARI SEKAR NINGRUM
MAGISTER TEKNIK PENGENDALIAN PENCEMARAN LINGKUNGAN
JURUSAN TEKNIK KIMIA
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS GADJAH MADA
SIKLUS OKSIGEN
O2 dihasilkan dari fotolisis H2O (oksigenik) selama fotosintesis tanaman. Dua kelompok
utama mikroorganisme yang terlibat dalam proses ini yaitu alga eukariotik, dan cyanobacteria prokariot (juga disebut ganggang biru-hijau). Cyanobacteria dan ganggang mendominasi habitat laut yang meliputi sebagian besar planet dan karena banyaknya menjadikannya penghasil terbanyak O2 di atmosfer bumi. Sedangkan tanaman hanya menyumbang sedikit O2 (Bartley et al,
2001).
Karena organisme aerobik membutuhkan O2 yang dihasilkan dari fotosintesis tanaman,
ini mengindikasikan terdapat hubungan antara fotosintesis tanaman dan respirasi aerobik, dua jenis metabolism prominant di bumi. Fotosintesis menghasilkan O2 untuk respirasi aerobik.
Respirasi menghasilkan CO2 yang diperlukan untuk pertumbuhan autotrophic (Hansen et al,
2003).
Karena itu mikroba fotosintesis juga merupakan autotrophic (mengkonversi CO2 ke
material organik selama pertumbuhan) yang memiliki dampak yang sama seperti siklus karbon. Salah satu fitur kunci yang menentukan Bumi menjadi planet yang dapat menampung biologi aktif dan beragam adalah adanya molekul oksigen bebas (O2) di atmosfer. Terjadi proses
interaksi biologi, kimia, dan fisika dan di bawah permukaan bumi membentuk konsentrasi O2
yang bervariasi dan terdistribusi baik temporal dan spasial. Dalam sistem Bumi masa kini, proses pelepaskan O2 ke atmosfer (fotosintesis) dan proses mengkonsumsi O2 (respirasi aerobik,
oksidasi mineral sulfida, oksidasi pengurangan gas vulkanik) menghasilkan fluks besar O2 ke dan
dari atmosfer. Bahkan perubahan yang relatif kecil dalam produksi dan konsumsi O2 memiliki
potensi untuk menimbulkan pergeseran besar konsentrasi O2 di atmosfer baik dalam periode
geologis yang singkat. Namun semua bukti yang tersedia mendukung kesimpulan bahwa variasi O2 yang statis (tidak berubah) adalah fitur yang signifikan dari atmosfer bumi selama rentang
hampir tdk berubah di atmosphere, dan kita faham mengapa hal itu bisa terjadi (Hayes et al, 1999).
Mekanisme Pembentukan O2
1. Fotosintesis
Mekanisme utama dimana molekul oksigen diproduksi di Bumi adalah melalui proses biologi fotosintesis. Fotosintesis terjadi pada tumbuhan tingkat tinggi, eukariotik yang disebut ganggang, dan dalam dua kelompok prokariota: cyanobacteria dan prochlorophytes. Dalam istilah sederhana, fotosintesis adalah pemanfaatan energi cahaya untuk mengurangi senyawa karbon dioksida ke bentuk senyawa organik (misalnya, glukosa). Keseluruhan reaksi untuk fotosintesis menunjukkan karbon dioksida dan air bereaksi untuk menghasilkan oksigen dan karbohidrat.
Fotosintesis sebenarnya adalah proses dengan dua tahap, dengan setiap tahap dipecah menjadi bagian reaksi kimia lain (Gambar 1). Dalam reaksi fotosintesis terang, energi cahaya diubah menjadi energi kimia yang digunakan untuk memisahkan air untuk menghasilkan oksigen dan hidrogen dan membentuk reduktan NADPH dari NADP+.
Gambar 1. Kedua tahap fotosintesis: reaksi terang dan siklus Calvin. Selama fotosintesis pemberian oksigen, H2O
dan pengurangan energi dalam bentuk NADPH dihasilkan dari reaksi terang, dan kemudian digunakan dalam siklus Calvin untuk memberikan elektron bersama dengan CO2 untuk menghasilkan gula.
Tahap selanjutnya dari fotosintesis, siklus Calvin menggunakan NADPH untuk mengurangi CO2 sebagai fosfogliseraldehida, prekursor untuk jenis jalur metabolisme,
termasuk sintesis glukosa. Pada tumbuhan tingkat tinggi dan ganggang, siklus Calvin beroperasi di organel khusus yang disebut kloroplas. Namun dalam bakteri, siklus Calvin terjadi diseluruh sitosol. Enzim ribulosa - 1 ,5 - bifosfat karboksilase (rubisco) mengkatalisis pengurangan CO2 untuk phosphoglycerate, yang prosesnya dilakukan melalui rantai reaksi
yang mengkonsumsi ATP dan NADPH dan akhirnya menghasilkan fosfogliseraldehida.
2. Fotolisis Air
Di bagian atas atmosfer saat ini, sejumlah kecil O2 dihasilkan melalui fotolisis air uap.
Proses ini merupakan satu-satunya sumber O2 ke atmosfer, di mana konsentrasi O2 telah
diketahui (Vidal et al., 1997). Fotolisis uap air mungkin juga telah menjadi sumber O2 di
Bumi sebelum evolusi fotosintesis oksigenik. Namun, oksigen dibentuk oleh fotolisis yang melalui reaksi dengan metana dan karbon monoksida, mencegah akumulasi dalam atmosfer (Kasting et al., 2001). Glikolisis tidak langsung menggunakan O2 bebas, dan berlangsung antara organisme aerobik
dan anaerobik. Siklus Krebs asam sitrat (asam trikarboksilat) dan fosforilasi oksidatif dilokalisasi dalam mitokondria eukariota, dan sepanjang membran sel prokariota. Oksidasi piruvat menjadi CO2 dari glikolisis lengkap tersaji di siklus Kreb, dan bersama siklus Krebs
menyediakan energi kimia dan reduktan (dalam bentuk ATP, NADH, dan FADH2 ) untuk
langkah ke 3-oksidasi fosforilasi.
Fosforilasi oksidatif melibatkan transfer elektron dari NADH dan FADH2 melalui aliran
transpor elektron dari fosforilasi oksidatif meliputi berbagai flavoproteins, kuinon, Protein Fe-S, dan sitokrom. Transfer elektron dari NADH ke O2 melepaskan cukup energi. Pada
bagian ini, gradien diciptakan oleh proses reduksi O2 ke H2O sebagai langkah terakhir dari
fosforilasi oksidatif. Sementara eukariota dan prokariota banyak menggunakan siklus Krebs untuk mengoksidasi piruvat menjadi CO2, tetapi masih ada jalur lain yang bisa dipakai.
Sebagai contoh, prokariota menggunakan siklus glyoxalate untuk memetabolisme asam lemak. Beberapa prokariota aerobik juga dapat menggunakan jalur Entner-Doudoroff.. Reaksi ini juga menghasilkan piruvat, tapi menghasilkan lebih sedikit energi dalam bentuk ATP dan NADH.
Glikolisis, siklus Krebs, dan oksidatif fosforilasi ditemukan di semua eukariota (hewan, tumbuhan, dan jamur) dan banyak dari prokariota aerobik. Tujuan dari jalur reaksi ini adalah untuk mengoksidasi karbohidrat dengan O2, menghasilkan CO2, H2O, dan energi kimia
dalam bentuk ATP. Sementara makrofauna umumnya memerlukan sedikitnya ~0.05-0.1 bar (~10µM) O2 untuk bertahan hidup, banyak organisme prokariotik mikroaerofil dapat
berkembang dan bertahan hidup dengan konsentrasi O2 yang jauh lebih rendah. Karena
kebanyakan proses oksidasi biologis dimediasi melalui aktivitas mikroorganisme aerotolerant, itu tidak diinginkan antara kedua antara terbatasnya konsentrasi O2 di atmosfer
dan terbatas respirasi global yang ada.
Gambar 2. Tiga komponen respirasi aerobik: glikolisis, siklus Krebs, dan fosforilasi oksidatif. Gula yang digunakan untuk menghasilkan energi dalam bentuk ATP selama glikolisis. Produk dari glikolisis, piruvat
dikonversi menjadi asetil-CoA, dan masuk siklus Krebs menghasilkan CO2, energi yang disimpan sebagai ATP,
dan disimpan sebagai energi. NADH dan FADH2 dihasilkan dalam siklus Krebs. O2 langsung dikonsumsi
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 yang berbentuk gas, menyusun 21% volume atmosfer dan diperoleh dengan pencairan dan penyulingan bertingkat. Oksigen diatmosfer Mars mengandung sekitar 0.15%. Dalam bentuk unsur dan senyawa, oksigen memiliki kandungan 49.2% berat pada lapisan kerak bumi. Sekitar dua pertiga tubuh manusia dan sembilan persepuluh air adalah oksigen.
Siklus oksigen penting untuk kesehatan manusia dan juga lingkungan. Manusia membutuhkan oksigen untuk proses respirasi. Oksigen pada nafas kita membawa oksida gula dalam makanan untuk menghasilkan energi. Selama proses ini karbon dioksida dilepaskan dalam atmosfer. Manusia membutuhkan oksigen untuk bernapas, sedangkan oksigen diperlukan untuk dekomposisi limbah organik. Air dapat melarutkan oksigen dan oksigen terlarut diperairan ini yang mendukung kehidupan.
Siklus oksigen adalah proses pertukaran oksigen di bumi ini yang berlangsung secara terus menerus tidak ada habisnya. Selama evolusi awal bumi, oksigen yang dibebaskan dari uap H2O
dibantu oleh radiasi UV. H2O kemudian terakumulasi di atmosfer dan sebagian hidrogen
dilepaskan ke atmosfer bumi untuk membantu proses tumbuh pada mahkluk hidup. Oksigen sendiri dilepas ke udara menjadi sumber fotosintesis yang kemudian akan berikatan dengan senyawa organik yaitu karbon menjadi senyawa CO2 dan akhirnya akan mengendap menjadi
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 (Pavlov et al, 2000)
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.
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 (Olson and Pierson, 1986).
1. Pada Tanaman
Tanaman menandai awal munculnya siklus oksigen dengan menggunakan energi sinar matahari untuk mengubah karbon dioksida dan air menjadi karbohidrat dan oksigen dalam proses ini disebut fotosintesis. Pada siang hari, tanaman memerlukan sedikit oksigen yang dihasilkan dalam fotosintesis dan menggunakannya kembali untuk memecah karbohidrat.Namun, untuk mempertahankan metabolisme dan dapat terus berespirasi 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 namun ketika mereka mengkonsumsi pada malam hari dapat menciptakan kondisi oksigen yang rendah khususnya di beberapa habitat air.
2. Oksigen dalam Air
Oksigen di dalam air yang dikenal sebagai oksigen terlarut atau DO. Di alam, oksigen masuk ke dalam air ketika air mengalir di atas batu dan akanmenciptakan sejumlah besar luas permukaan. Luas permukaan yang tinggi memungkinkan untuk mentransfer oksigen dari udara ke dalam air dengan sangat cepat.
3. Pada Organisme
Peran oksigen pada organisme.Organisme menggunakan oksigen dalam banyak bentuk.Dimana siklus peran mereka dimulai dengan karbon dioksida di atmosfer.Tanaman menerima karbon dioksida dan kemudian menggabungkannya dengan air membentuk molekul gula dan oksigen. Kemudian melalui proses metabolisme, gula terurai menjadi air dan karbon dioksida, selanjutnya siklus dimulai lagi.
4. Pada Oksigen
Oksigen adalah salah satu senyawa utama yang ditemukan di atmosfer bumi. Namun oksigen tidak dapat ditemukan berikatan sendiri, dan selalu berikatan dengan unsur-unsur lain. Molukel oksigen memiliki dua atom oksigen, dan ada beberapa molekul oksigen yang memiliki tiga atom oksigen yang disebut ozon (O3).Hal ini juga ditemukan dalam molekul
air dan karbon dioksida.Oksigen bersifat sangat reaktif, tidak berwarna, tidak berbau gas pada suhu biasa, berubah menjdai kebiru-biruan pada suhu -183oC.oksigen sangat penting
bagi kehidupan, sebagaimana kita ketahui bahwa seluruh organisme membutuhkan oksigen untuk bernapas dan untuk menghasilkan energi. Hal ini juga berlaku pada atmosfir bumi dalam bentuk ozon serta memberikan perlindungan kepada kehidupan dengan menyaring sinar matahari ultraviolet..
5. Cadangan Oksigen pada reservoir
Kandungan oksigen terbesar terdapat dalam silikat dan oksida mineral dari kerak dan mantel (99,5%). Hanya sebagian kecil oksigen bebas yang terdapat dalam biosfer (0,01%) dan atmosfer (0,49%).
6. Pada Biosfer dan Atmosfer
menghasilkan karbonhidrat kira–kira sepuluh kali lebih banyak dari oksigen yang dikonsumsi.
Tambahan oksigen yang terdapat di atmosfer juga berasal dari fotolisis, dimana energi dari radiasi untraviolet yang tinggi memecah air dan nitrit menjadi komponen atom di atmosfer. Atom bebas hidrogen dan nitrogen meninggalkan oksigen di atmosfer. Sebagian besar oksigen di atmosfer digunakan selama mekanisme respirasi dan pembusukan pada hewan serta bakteri yang mengkonsumsi oksigen dan melepaskan karbon dioksida.
7. Oksigen berotasi diantara biosfer dan litosfer
Organisme laut dalam biosfer membentuk kalsium karbonat (CaCO3) yang kaya akan
oksigen. Ketika organisme mati akan terendap didasar laut yang dangkal dalam waktu yang lama sehingga tercipta batu kapur dari litosfer. Ekstrak yumbuhan dan hewan mengandung mineral dari bebatuan dan melepaskan oksigen.
Mempertahankan Siklus Oksigen
Dengan meningkatnya jumlah polusi di atmosfer dan terjadinya penggundulah hutan dalam skala besar, para ahli khawatir hal ini dapat mengganggu kesetimbangan di atmosfer, ketika ada saatnya jumlah karon dioksida sangat besar dan hanya beberapa pohon yang menghasilkan oksigen. Ini adalah keharusan agar kita menanam pohon lebih banyak dan mengurangi polusi kendaraan dan industri.
Siklus Oksigen dan Lingkungan
Siklus oksigen memiliki eran penting dalam dekomposisi limbah organik. Bila senyawa karbon terlarut oleh oksidasi dan pembusukan mikroorganisme, karbon dioksida dilepaskan kembali ke atmosfer.
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 produk dari proses fotosintesis, dimana oleh bantuan cahaya UV proses dapat berlangsung. Reaksi ini disebut dissosiasi cahaya dan hidrogen bebas diudara. Reaksi kimia yang merubah dua atom oksigen menjadi tiga atom oksigen dengan bantuan sinar UV disebut fotolisis. Produk reaksi tersebut adalah ozon. Lapisan ini penting di atmosfer karena mampu mengurangi penetrasi sinar UV ke bumi.
Jika tidak ada lapisan ozon yang menjadi filternya, sinau UV dapat membinasakan banyak kehidupan di permukaan bumi.
O + O2 O3
Pada persamaan dibawah ini memperlihatkan suatu reaksi oksidasi bersamaan dengan 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, tetapi peristiwa ini dapat merusak proses oksidasi dari bahan organik yang mati. Oksigen diatmosfer berbentuk gas pada suhu ruang, dan akan bereaksi dengan 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, seperti
Siklus oksigen melibatkan pergerakan oksigen antara atmosfer, badan air, tanah dan batu-batu di bawahnya. Oksigen adalah unsur yang diperlukan bagi kehidupan di bumi. Terdapat sekitar 20% dari atmosfer berdasarkan volume, dan bersama-sama dengan nitrogen yang terdiri dari hampir 80% dari atmosfer, keduanya merupakan komposisi utama diatmosfer. 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%) 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 banyak 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
tumbuhan yang mati, dalam waktu yang lama akan membentuk batubara di dalam tanah. Batubara akan dimanfaatkan lagi sebagai bahan bakar yang juga menambah kadar CO2 di udara.
Di ekosistem air, pertukaran CO2 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, CO2
DAFTAR PUSTAKA
Bartley J. K., Semikhatov M. A., Kaufman A. J., Knoll A. H.,Pope M. C., and Jacobsen S. B. (2001), Global events across the Mesoproterozoic–Neoproterozoic boundary: C and Srisotopic evidence from Siberia. Precamb. Res. 111,165 –202.572–574.
Hansen K. W. and Wallmann K. (2003) Cretaceous and Cenozoic evolution of seawater composition, atmospheric O2 and CO2: a model perspective. Am. J. Sci. 303, 94–148.
Hayes J. M., Strauss H., and Kaufman A. J. (1999) The abundance of 13 C in marine organic matter and isotopic fractionation in the global biogeochemical cycle of carbon during the past 800 Myr. Chem. Geol.161,103 –125.
Kasting J. F., Pavlov A. A., and Siefert J. L. (2001) A coupled ecosystem-climate model for redicting the methane concentration in the Archean atmosphere. Orig. Life Vol.Biosph.31, 271–285.
Olson J. M. and Pierson B. K. (1986) Photosynthesis 3.5 thousand million years ago. Photosynth. Res.9, 251– 259.
Pavlov A. A., Kasting J. F., Brown L. L., Rages K. A., and Freedman R. (2000) Greenhouse warming by CH4 in the atmosphere of early Earth. J. Geophys. Res. 105,11981– 11990
Setyawan, Agung, dkk., diakses dari
academia.edu/4405370/PROSES_TERJADINYA_SIKLUS_OKSIGEN tanggal 13 Mei 2014 jam.
Vidal R. A., Bahr D., Baragiola R. A., and Peters M. (1997) Oxygen on Ganymede: laboratory studies.Science 276, 1839–1842.
