Siklus Karbon biogeokimia dan Biologis

By On Saturday, February 25th, 2017 Categories : Sains

Karbon, unsur kedua yang paling berlimpah dalam organisme hidup, hadir dalam semua molekul organik. Perannya dalam struktur makromolekul adalah kepentingan utama bagi organisme hidup.

Senyawa karbon mengandung bentuk terutama tinggi energi, yang manusia gunakan sebagai bahan bakar. Sejak tahun 1800-an (awal Revolusi Industri), jumlah negara yang menggunakan sejumlah besar bahan bakar fosil meningkat, yang mengangkat tingkat karbon dioksida di atmosfer. Peningkatan karbon dioksida telah dikaitkan dengan perubahan iklim dan gangguan lain dari ekosistem bumi. Ini adalah kekhawatiran lingkungan utama di seluruh dunia. Siklus karbon paling mudah dipelajari sebagai dua sub-siklus yang saling berhubungan: satu berhubungan dengan pertukaran karbon cepat di antara organisme hidup dan yang lainnya berhubungan dengan siklus jangka panjang karbon melalui proses geologi (Gambar 1).

Siklus Karbon Biologis

Organisme hidup yang terhubung dalam banyak hal, bahkan antara ekosistem. Sebuah contoh yang baik dari hubungan ini adalah pertukaran karbon antara autotrof dan heterotrof. Karbon dioksida adalah blok bangunan dasar yang digunakan sebagian besar autotrof untuk membangun multi-karbon, senyawa energi tinggi, seperti glukosa.

Energi dimanfaatkan dari matahari digunakan oleh organisme ini untuk membentuk ikatan kovalen yang menghubungkan atom karbon bersama-sama. Ikatan kimia ini menyimpan energi ini untuk kemudian digunakan dalam proses respirasi. Kebanyakan autotrof terestrial memperoleh karbon dioksida secara langsung dari atmosfer, sedangkan autotrof laut memperolehnya dalam bentuk terlarut (asam karbonat, H23). Namun karbon dioksida diperoleh, merupakan produk sampingan dari proses ini adalah oksigen. Organisme fotosintetik bertanggung jawab untuk menyetorkan sekitar 21 persen dari kandungan oksigen di atmosfer yang kita amati sekarang.

Heterotrof memperoleh senyawa karbon energi tinggi dari autotrof dengan mengkonsumsi mereka dan menghancurkan mereka dengan respirasi untuk memperoleh energi sel, seperti ATP. Jenis yang paling efisien respirasi, respirasi aerobik, membutuhkan oksigen yang diperoleh dari atmosfer atau dilarutkan dalam air. Dengan demikian, ada pertukaran konstan oksigen dan karbon dioksida antara autotrof (yang membutuhkan karbon) dan heterotrof (yang membutuhkan oksigen). Pertukaran gas melalui atmosfer dan air adalah salah satu cara bahwa siklus karbon menghubungkan semua organisme hidup di Bumi.

Siklus Karbon biogeokimia

Pergerakan karbon melalui tanah, air, dan udara adalah kompleks dan, dalam banyak kasus, itu terjadi jauh lebih lambat dari siklus karbon biologis. Karbon disimpan untuk waktu yang lama dalam apa yang dikenal sebagai cadangan karbon, yang meliputi atmosfer, badan air cair (sebagian besar lautan), sedimen lautan, tanah, sedimen tanah (termasuk bahan bakar fosil), dan interior bumi.

Sebagaimana dinyatakan, atmosfer, reservoir utama karbon dalam bentuk karbon dioksida, sangat penting untuk proses fotosintesis. Tingkat karbon dioksida di atmosfer sangat dipengaruhi oleh reservoir karbon di lautan. Pertukaran karbon antara atmosfer dan penampungan air mempengaruhi berapa banyak karbon yang ditemukan di setiap lokasi, masing-masing mempengaruhi yang lain secara timbal balik. Karbon dioksida (CO2) dari atmosfer larut dalam air, menggabungkan dengan molekul air membentuk asam karbonat. Kemudian mengionisasi untuk karbonat dan ion bikarbonat (Gambar 2).

Lebih dari 90 persen dari karbon di laut ditemukan sebagai ion bikarbonat kalsium. Beberapa ion ini menggabungkan dengan air laut untuk membentuk kalsium karbonat (CaCO3), komponen utama dari cangkang organisme laut. Organisme ini akhirnya membentuk sedimen di dasar laut. Seiring waktu geologi, kalsium karbonat membentuk batu kapur, yang terdiri dari reservoir karbon terbesar di bumi.

Di darat, karbon disimpan di dalam tanah sebagai akibat dari dekomposisi organisme hidup atau pelapukan batuan terestrial dan mineral. Karbon ini dapat tercuci ke dalam penampungan air dengan aliran permukaan. Lebih dalam di bawah tanah, di darat maupun di laut, adalah bahan bakar fosil: sisa-sisa anaerobik-membusuk tanaman yang mengambil jutaan tahun terbentuk. Bahan bakar fosil dianggap sebagai sumber daya yang tidak terbarukan karena penggunaannya jauh melebihi laju pembentukan. Sebuah sumber daya non-terbarukan baik diregenerasi sangat lambat atau tidak sama sekali. Cara lain untuk karbon memasuki atmosfer dari tanah akibat letusan gunung berapi dan sistem panas bumi lainnya. Sedimen Karbon dari dasar laut yang diambil jauh di dalam bumi dengan proses subduksi: pergerakan satu lempeng tektonik di bawah yang lain. Karbon dilepaskan sebagai karbon dioksida ketika gunung berapi meletus atau dari ventilasi hidrotermal gunung berapi.

Karbon dioksida juga ditambahkan ke atmosfer oleh peternakan dan pemeliharaan ternak. Sejumlah besar hasil hewan darat ditingkatkan untuk memberi pertumbuhan makanan penduduk bumi yang akan meningkatkan kadar karbon dioksida di atmosfer akibat praktek pertanian, respirasi, dan produksi metana. Ini adalah contoh lain bagaimana aktivitas manusia secara tidak langsung mempengaruhi siklus biogeokimia secara signifikan. Meskipun banyak perdebatan tentang dampak masa depan peningkatan karbon atmosfer pada perubahan iklim berfokus pada bahan bakar fosil, para ilmuwan mengambil proses alam, seperti gunung berapi dan respirasi, dan memprediksi dampak masa depan dari peningkatan tersebut.

Ringkasan Siklus Karbon

  1. Karbon hadir dalam semua molekul organik, senyawa karbon mengandung banyak energi, yang manusia gunakan sebagai bahan bakar.
  2. Dalam siklus karbon biologis adalah pertukaran cepat karbon antara makhluk hidup; autotrof menggunakan karbon dioksida yang dihasilkan oleh heterotrof untuk menghasilkan glukosa dan oksigen, yang kemudian dimanfaatkan oleh heterotrof.
  3. Siklus biogeokimia terjadi pada tingkat yang jauh lebih lambat dibandingkan dengan siklus biologis karena karbon disimpan dalam penampungan karbon untuk jangka waktu yang lama.
  4. Karbon dioksida dari atmosfer larut dalam air, menggabungkan dengan molekul air terbentuk asam karbonat, yang kemudian mengionisasi untuk karbonat dan ion bikarbonat.
  5. Sebagian besar karbon di laut adalah dalam bentuk ion bikarbonat, yang dapat menggabungkan dengan air laut kalsium terbentuk kalsium karbonat (CaCO3), komponen utama dari cangkang organisme laut.
  6. Karbon dapat memasuki tanah sebagai akibat dari dekomposisi organisme hidup, pelapukan batuan, letusan gunung berapi, dan sistem panas bumi lainnya.