Siklus Nitrat

SEJARAH
(Latin: nitrum, Yunani: Nitron, soda alami, membentuk). Nitrogen ditemukan oleh kimiawan dan fisikawan Daniel

Canonical forms of the nitrate ion, NO 3 − , resonating (Photo credit: Wikipedia)

Rutherford (1772). Dia memisahkan oksigen dan karbon dioksida dari udara dan menunjukkan gas yang tersisatidak menunjang pembakaran atau mahluk hidup. Pada saat yang bersamaan ada beberapailmuwan lainnya yang mengadakan riset tentang nitrogen. Mereka adalah Scheele,Cavendish, Priestley, dll. Mereka menamakan gas ini udara tanpa oksigen.
Definisi Amonia
Amonia (NH₃) merupakan senyawa komersil nitrogen yang paling penting. Diproduksimenggunakan proses Haber. Gas natural (metana, CH₄) bereaksi dengan uap panas untuk memproduksi karbon dioksida dan gas hidrogen (H₂) dalam proses dua langkah. Gashidrogen dan gas nitrogen lantas direaksikan dalam proses Haber untuk memproduksiamonia. Gas yang tidak bewarna ini bau yang menyengat dapat dengan mudah dicairkan.Bahkan bentuk cair senyawa ini digunakan sebagai pupuk nitrogen. Amonia jugadigunakan untuk memproduksi urea (NH₂CONH₂), yang juga digunakan sebagai pupuk dalam industri plastik dan dalam industri peternakan sebagai suplemen makanan ternak.
Definisi Nitrogen
Kimiawan Perancis Antoine Laurent Lavoisier menamakan nitrogen azote, yang artinyatanpa kehidupan. Walaupun begitu, senyawa-senyawa nitrogen ditemukan di makanan pupuk, racun dan bahan peledak. Sebagai gas nitrogen tidak bewarna, tidak memilikiaroma dan dianggap sebagai inert element (elemen yang tak bereaksi). Sebagai bendacair, ia juga tidak bewarna dan beraroma dan memiliki ketampakan yang sama denganair. Gas nitrogen dapat dipersiapkan dengan memanaskan solusi amonium nitrat(NH4NO3) dalam air. Nitrogen suatu gas inert yang sangat sulit diikat langsung olehmahkluk hidup tingkat tinggi , di udara Nitrogen sepertinya tak terbatas jumlahnyakarena jumlahnya 78 % paling besar diatara gas gas lainnya seperti oksigen , sulfur ,carbon dan lainnya.
Siklus Nitrogen
( Amonia dalam kolam diuraikan nitrosomonas menjadi nitrit.Nitrobacter mengkonversi  nitrit menjadi nitrat.William Pantoni menjelaskan siklus nitrogen dalam kolam )
Siklus nitrogen adalah proses paling krusial dalam kolam koi. Ini adalah proses pengolahan limbah air secara natural dan alami untuk menghilangkan senyawa racun organik yang dihasilkan dari hasil metabolisme, sisa pakan, atau senyawa liar yang masuk ke kolam. Senyawa paling mematikan yang dihasilkan kolam adalah ammonia ( NH3). Koi mengeluarkan ammonia melalui respirasi, dan lebih banyak lagi dihasilkan dari proses sekresi dalam bentuk padat dan cair. Ammonia juga dihasilkan dari pembusukan daun – daun, ikan mati dan sisa – sisa pakan.
Pengurangan ammonia di kolam bisa dilakukan dengan memberi material seperti zeolite. Ini adalah solusi tercepat dan bersifat jangka pendek. Penggemar koi sejatinya  banyak yang lebih menyukai cara lain, yaitu menjaga populasi bakteri – bakteri alami yang menguntungkan. Bakteri tersebut adalah nitrosomonas dan nitrobacter yang bisa menguraikan racun ammonia dan nitrit.
Nitrosomonas
Alam menyediakan bakteri menguntungkan, Nitrosomonas, yang mampu menguraikan ammonia. Bakteri ini bisa ditemukan pada hampir semua ekosistem. Umumnya mereka termasuk bakteri aerobic yang membutuhkan oksigen untuk hidup dan berkembang biak. Bakteri ini membentuk koloni dimana saja asalkan tersedia cukup ammonia dan oksigen.

Nitrobacter

Nitrosomonas menguraikan ammonia menjadi Nitrit, yang merupakan senyawa beracun bagi koi. Nitrit menjadi makanan bakteri Nitrobacter dan menghasilkan senyawa Nitrat. Melihat keterkaitannya, lumrah bila kita menemukan kedua bakteri itu bersama dalam kolam. Walaupun berbahaya, koi masih mampu bertahan dengan kadar Nitrit dua kali kadar ammonia.
Inilah yang dimaksud siklus nitrogen atau lazim disebut proses nitrifikasi. Koi melakukan respirasi dan bersekresi membuang kotoran yang mengandung ammonia. Begitu juga sisa pakan, kotoran di dasar kolam, atau koti mati yang lama tidak diangkat. Semuanya memberikan kontribusi terhadap peningkatan kadar ammonia dalam kolam. Ammonia diuraikan nitrosomonas menjadi nitrit. Siklus berikutnya adalah nitrobacter yang mengkonversi nitrit menjadi nitrat. Pada bagian akhir, nitrat diserap tumbuhan air atau menguap setelah melalui proses oksidasi dipermukaan air.
Karakteristik
Nitrosomonas dan nitrobacter adalah terminologi bakteri Lithotrophic. Mereka membutuhkan oksigen dan makanan untuk hidup dan membangun koloni dimedia dengan permukaan yang keras dan bersih. Kedua jenis bakteri tersebut termasuk lama dalam replikasi dibanding bakteri lain yang ada. Pada kolam air tawar, bakteri membutuhkan waktu setiap 8 jam untuk bereplika, sedangkan untuk air laut lebih lama lagi, sekitar 24 jam.

PERUBAHAN FISIKA KIMIA
1. Fiksasi Nitrogen
Fiksasi nitrogen adalah proses alam, biologis atau abiotik yang mengubah nitrogen di udara menjadi ammonia (NH₃). Mikroorganisme yang mem-fiksasi nitrogen disebut diazotrof. Mikroorganisme ini memiliki enzim nitrogenaze yang dapat menggabungkan hidrogen dan nitrogen. Reaksi untuk fiksasi nitrogen biologis ini dapat ditulis sebagai berikut :
N2 + 8 H+ + 8 e− → 2 NH3 + H2
Mikro organisme yang melakukan fiksasi nitrogen antara lain : Cyanobacteria, Azotobacteraceae, Rhizobia, Clostridium, dan Frankia. Selain itu ganggang hijau biru juga dapat memfiksasi nitrogen. Beberapa tanaman yang lebih tinggi, dan beberapa hewan (rayap), telah membentuk asosiasi (simbiosis) dengan diazotrof. Selain dilakukan oleh mikroorganisme, fiksasi nitrogen juga terjadi pada proses non-biologis, contohnya sambaran petir. Lebih jauh, ada empat cara yang dapat mengkonversi unsur nitrogen di atmosfer menjadi bentuk yang lebih reaktif :
a. Fiksasi biologis: beberapa bakteri simbiotik (paling sering dikaitkan dengan tanaman polongan) dan beberapa bakteri yang hidup bebas dapat memperbaiki nitrogen sebagai nitrogen organik. Sebuah contoh dari bakteri pengikat nitrogen adalah bakteri Rhizobium mutualistik, yang hidup dalam nodul akar kacang-kacangan. Spesies ini diazotrophs. Sebuah contoh dari hidup bebas bakteri Azotobacter.
b. Industri fiksasi nitrogen : Di bawah tekanan besar, pada suhu 600 C, dan dengan penggunaan katalis besi, nitrogen atmosfer dan hidrogen (biasanya berasal dari gas alam atau minyak bumi) dapat dikombinasikan untuk membentuk amonia (NH3). Dalam proses Haber-Bosch, N2 adalah diubah bersamaan dengan gas hidrogen (H2) menjadi amonia (NH3), yang digunakan untuk membuat pupuk dan bahan peledak.
c. Pembakaran bahan bakar fosil : mesin mobil dan pembangkit listrik termal, yang melepaskan berbagai nitrogen oksida (NOx).
d. Proses lain: Selain itu, pembentukan NO dari N2 dan O2 karena foton dan terutama petir, dapat memfiksasi nitrogen.
2. Asimilasi
Tanaman mendapatkan nitrogen dari tanah melalui absorbsi akar baik dalam bentuk ion nitrat atau ion amonium. Sedangkan hewan memperoleh nitrogen dari tanaman yang mereka makan.
Tanaman dapat menyerap ion nitrat atau amonium dari tanah melalui rambut akarnya. Jika nitrat diserap, pertama-tama direduksi menjadi ion nitrit dan kemudian ion amonium untuk dimasukkan ke dalam asam amino, asam nukleat, dan klorofil. Pada tanaman yang memiliki hubungan mutualistik dengan rhizobia, nitrogen dapat berasimilasi dalam bentuk ion amonium langsung dari nodul. Hewan, jamur, dan organisme heterotrof lain mendapatkan nitrogen sebagai asam amino, nukleotida dan molekul organik kecil.
3. Amonifikasi
Jika tumbuhan atau hewan mati, nitrogen organik diubah menjadi amonium (NH4+) oleh bakteri dan jamur.
4. Nitrifikasi
Konversi amonium menjadi nitrat dilakukan terutama oleh bakteri yang hidup di dalam tanah dan bakteri nitrifikasi lainnya. Tahap utama nitrifikasi, bakteri nitrifikasi seperti spesies Nitrosomonas mengoksidasi amonium (NH4 +) dan mengubah amonia menjadi nitrit (NO2-). Spesies bakteri lain, seperti Nitrobacter, bertanggung jawab untuk oksidasi nitrit menjadi dari nitrat (NO3-). Proses konversi nitrit menjadi nitrat sangat penting karena nitrit merupakan racun bagi kehidupan tanaman.
Proses nitrifikasi dapat ditulis dengan reaksi berikut ini :

1. NH₃ + CO₂ + 1.5 O₂ + Nitrosomonas → NO₂^- + H₂O + H⁺
2. NO₂^- + CO₂ + 0.5 O₂ + Nitrobacter → NO₃^-
3. NH₃ + O₂ → NO₂⁻ + 3H⁺ + 2e⁻
4. NO₂⁻ + H₂O → NO₃⁻ + 2H⁺ + 2e

Karena kelarutannya yang sangat tinggi, nitrat dapat memasukkan air tanah. Peningkatan nitrat dalam air tanah merupakan masalah bagi air minum, karena nitrat dapat mengganggu tingkat oksigen darah pada bayi dan menyebabkan sindrom methemoglobinemia atau bayi biru. Ketika air tanah mengisi aliran sungai, nitrat yang memperkaya air tanah dapat berkontribusi untuk eutrofikasi, sebuah proses dimana populasi alga meledak, terutama populasi alga biru-hijau. Hal ini juga dapat menyebabkan kematian kehidupan akuatik karena permintaan yang berlebihan untuk oksigen. Meskipun tidak secara langsung beracun untuk ikan hidup (seperti amonia), nitrat dapat memiliki efek tidak langsung pada ikan jika berkontribusi untuk eutrofikasi ini
5. Denitrifikasi
Denitrifikasi adalah proses reduksi nitrat untuk kembali menjadi gas nitrogen (N2), untuk menyelesaikan siklus nitrogen. Proses ini dilakukan oleh spesies bakteri seperti Pseudomonas dan Clostridium dalam kondisi anaerobik. Mereka menggunakan nitrat sebagai akseptor elektron di tempat oksigen selama respirasi. Fakultatif anaerob bakteri ini juga dapat hidup dalam kondisi aerobik.
Denitrifikasi umumnya berlangsung melalui beberapa kombinasi dari bentuk peralihan sebagai berikut:
NO₃⁻ → NO₂⁻ → NO + N₂O → N₂ (g)
Proses denitrifikasi lengkap dapat dinyatakan sebagai reaksi redoks:
2 NO₃⁻ + 10 e⁻ + 12 H⁺ → N₂ + 6 H₂O
6. Oksidasi Amonia Anaerobik
Dalam proses biologis, nitrit dan amonium dikonversi langsung ke elemen (N2) gas nitrogen. Proses ini membentuk sebagian besar dari konversi nitrogen unsur di lautan. Reduksi dalam kondisi anoxic juga dapat terjadi melalui proses yang disebut oksidasi amonia anaerobik
NH₄⁺ + NO₂⁻ → N₂ + 2 H₂O
STUDI KASUS
Kasus Kolam Baru
Pada kolam lama siklus nitrogen sudah berjalan dan berintegrasi ke dalam ekosistem kolam membangun keseimbangan. Tetapi kolam baru membutuhkan waktu untuk membangun siklus. Dengan bantuan filter biologi, siklus terbentuk secara bertahap dan membutuhkan waktu menemukan keseimbangannya.  Dengan asumsi setetes bakteri didalam kolam baru dan kemudian terjadi siklus reproduksi bakteri, diagram – diagram berikut menjelaskan kecepatan dimana kolam akan menjadi opimal untuk melakukan proses ammonia dan nitrit.
Siklus 1 – 10 hari
Ammonia mulai cepat naik ke level mematikan dan menurun drastis pada hari ke sepuluh dan akhirnya mendekati titik nol. Proses replikasi bakteri yang menjelaskan fluktuasi kadar ammonia. Bakteri bereplikasi secara geometris. Satu bakteri membelah menjadi 2 dalam 8 jam, dan 4 dalam 16jam, dan 16 dalam 24 jam, dan 32 dalam 32 jam, dan begitu seterusnya. Proses ini membutuhkan waktu sekitar 10 hari pada kolam yang kondisinya ideal bagi bakteri untuk berkembang biak. Pada titik ini populasi bakteri cukup mengkonversikan semua ammonia menjadi nitrit. Gambar diatas menunjukan penurunan drastis ammonia setelah lewat pada hari ke sepuluh.
Siklus 10 – 20 hari
Pada hari ke 21 setelah ammonia turun ke level minimum, perlahan tapi pasti  kadar nitrit naik dan tingkatnya menjadi lebih tinggi dibanding ammonia bahkan mencapai dua kalinya. Nitrit meski merupakan racun tetapi tidak seganas ammonia sehingga pada tingkat nitrit setinggi itu tidak menyebabkan kematian koi.
Bersamaan dengan peningkatan kadar nitrit, populasi nitrobacter meningkat karena cukup tersedia nitrit untuk dikonsumsi. Seiring petambahan populasi nitrobacter, perlahan dan bertahap kadar nitrit menurun. Setelah 21 hari dari sejak peningkatan tertinggi, kadar nitrit menurun cepat ke tingkat aman (lihat diagram). Sebaliknya kadar nitrat yang justru meningkat.
Siklus  hari 21 – 31
Penjelasan siklus di atas sesungguhnya tidak sesederhana itu. Alam semesta juga ikut andil dalam proses nitrogen. Bakteri yang mengurai nitrit ke nitrat, nitrobacter, bisa hidup dgn kondisi air bebas kandungan ammonia. Itu sebabnya perlu menjaga populasi nitrobacter sampai pada hari ke 10 dimana kenaikan ammonia minimum. Ketika kandungan ammonia sudah tidak ada, nitrobacter mulai menggandakan diri. Seperti nitrosomonas, mereka membutuhkan oksigen, makanan, tempat yang bersih dan keras untuk hidup.
Siklus Setelah 31 hari
Begitu nitrit terurai, produk akhir dari siklus nitrogen adalah nitrat. Ini adalah senyawa yang tidak mudah diproses oleh bakteri aerobic. Oleh karena itu kadar nitrat akan mulai naik dan berlanjut mencapai tingkat tertinggi. Penurunan kadar nitrat bisa dilakukan dengan memperbanyak kadar oksigen dalam kolam yang mampu menguapkan nitrat ke udara bebas.
Cara lainnya adalah dengan pengembangan bakteri anaerobic, yang akan mengambil nitrat dan menjadi nitrogen dan gas – gas lain. Cara ini sangat berbahaya dan susah dikontrol. Jika prosedurnya salah, hydrogen sulfide ( H2S) dan gas – gas beracun lain akan terlepas ke air melalui gelembung2 udara.
Perlakuan pada kolam
Perlakuan terhadap kolam baru mesti ekstra hati – hati. Di kalangan penggemar koi dikenal istilah “New Pond Syndrome”, yaitu peningkatan jumlah ammonia dan nitrit yang tidak terkendali. Secara kasat mata bisa diamati dari fisik kolam, dimana lumut yang tumbuh cenderung kerdil dan tidak merata. Bila yang terjadi peningkatan ammonia dalam jumlah tidak wajar kecenderungannya koi – koi akan mati, tetapi bila yang meledak adalah jumlah nitrit biasanya koi akan terlihat memar – memar di sekujur tubuh.
Pada kolam baru perlu menambah perlakuan, seperti melakukan pergantian air secara rutin untuk membuang air yang kandungan ammonia, nitrat atau nitrit tinggi dan menggantikan dengan sumber air yang bebas dari senyawa – senyawa beracun tersebut. Bisa juga melakukan denitrifikasi melalui media baki shower, trickle tower yang efektif meningkatkan kadar oksigen terlarut