ENERGI DAN DAUR HARA KEHIDUPAN. energi bagi kehidupan di bumi, o1. Menyebutkan sumber-sumbe. dalam mengalirkan. n energi idan materi.

Transkripsi

1 KULIA AH 6: ENERGI DAN DAUR HARA KEHIDUPAN otik: Setelah mengikuti kuliah ini mahasiswa dapat o1. Menyebutkan sumber-sumbe energi bagi kehidupan di bumi, menjelaskan proses fotosintesis, dan konsep kestabilan ekosistem dalam mengalirkan n energi idan materi. 2. Menjelaskan aliran energi beserta materi pada jejaring makanan yang terjadi pada ekosistem terestrial ti ldan perairan, konsekuensi k degradasi lingkungan hidup atau ekosistem terhadap aliran energi pada jejarinj ng makanan. 3. Menjelaskan peran pertanian dalam kehidupan manusia. 1

2 SUB POKOK BAHASAN 1: SUMBER-SUM MBER ENERGI Pandangan Kuno tentang Kosmos Firaun Akhnaton menyembah Aten (Dewa Matahari) Firaun Akhnaton menganggap semua hal berkenaan dengan kehidupan diatur oleh Sumber Tena aga Tunggal: Dewa Matahari, Aten Firaun Akhnaton 2

3 Cahaya: Gelombang Elektromagnetik dengan Berbagai Spektrum Gelombang 3

4 Energi Matahari Menjadi Energi Kimia yang Tersimpan pada a Bahan Organik Fotosintesis Glukosa Bahan Organik Lain Bagian Bagian Tumbuhan 4

5 Minyak, Batubara dan Gas Bumi sebagai Simpanan Energi di Bumi Karbohidrat adalah bahan dasar pembentukan bahan organik lain. Bahan organik ini tersimpan pada mahluk hidup hd dan sisa sisanya (termasuk bangkai). Setelah mengalami proses geologi (waktu yang lama, tekanan yang lama), berubah menjadi bahan organik fosil minyak bumi, gas alam, dan batubara. Fosil tersebut berasal ldari tumbuhan hijau dan hewan yang hidup dari tumbuhan juga. Bahan organik fosil tersebut t cadangan yang tersimpan di bumi dan tidak dapat pulih (non renewable). 5

6 Bahan Bakar Fosil Bahan bakar fosil mengandung energi (kimia), saat ini merupakan penggerak utama berbagai kegiatan manusia. Minyak bumi diolah menj adi bensin, minyak tanah, dan minyak diesel. Minyak diesel digunakan untuk mengoperasikan pembangkit listrik ik energi listrik. ik Listrik digunakan untuk menggerakan mesin industri, peralatan perkan ntoran Apakah danhanya rumah tangga dan sebagainya energi dari bahan bakar fosil saja? 6

7 Sumber Energi Selain Bahan Bakar Fosil Biogas Limbah pertanian Angin Energi panas mataha ari Energi potensial Energi panas bumi / Energi gravitasi Energi Nuklir geotermal 7

8 Biogas Bahan: Gas yang dihasilkan dari limbah industri pengolahan dan sisa metabolisma hewan (peternakan) Biogas: Methan CO 2 H 2 S NH 3 Amoniak 60-70% bahan bakar 20-25% 7% 3% 8

9 Energi dari Limbah Pertanian Kompor Sekam 9

10 Angin sebagai Sumber Energi 10

11 Angin dipakai untuk menggerakkan propeler p (baling baling) pembangkit listrik 11

12 Energi Surya sebagai Sumber Energi Listrik Solar cell 12

13 Energi Potensial (Akibat Posisi yang Lebih Tinggi) Contoh: PLTA Air yang terbendung : untuk suplai air (irigasi) sekaligus penggerak turbin pembangkit listrik 13

14 Energi Panas Matahari Dalam proses pengeringan hasil panen pertanian: energi elektromagnetik menjadi energi panas (thermal energy) Kompor bertenaga matahari 14

15 Energi Geotermal (Panas Bumi) Energi yang berasal dari dalam bumi memanaskan air b umi menjadi uap bertekanan tinggi, digunakan untuk menggerakan turb in pembangkit listrik ik tenaga panas bumi. Banyak dimanfaatkan di Selandia Baru, PLTP Kamojang : 116,7 juta ton uap panas, pemakaian 110 juta ton uap 15

16 Energi Gravitasi Pasang-surut air laut Arus air digunakan untuk menggerakkan turbin pembangkit tenaga listrik Biasanya ditemp atkan di kanal atau muara. Problem lingkungan? 16

17 Energi Nuklir Bahan baku: Uranium Pertama kali oleh Enrico Fermi (Universitas Chicago, 1941) Bahaya radiasi: i Kasus Chernobyl dan Fukushima Dai-Ichi Badan Energi Atom Internasional (IAEA) Badan Tenaga Atom Nasional Foto: 17

18 Tumbuhan sebagai Sumber Energi Manfaat Energi bagi Tumbuhan Energi yang dihasilkan digunakan untuk proses oksidasi (Ingat tumbuhan juga perlu bernafas!). Karbon hasil fotosintesis adala ah karbon terikat dalam bentuk senyawa organik. Karbon terikat ini dapat diproses menjadi bermacam-macam senyawa organik untuk proses s metabolisme tumbuhan Karbon terikat disimpan sebagai polisakarida Selulosa: jenis polisakaridaa yang umum ada di tumbuhan; bahan organik berbentuk b serat pembentuk kekekaran k k batang dan daun tumbuhan Polisakarida lain yg berfungsi sebagai cadangan energi adalah amilum (pati), tersimpan dalam umbi, rhizoma, dan umbi batang. Selulosa dan pati merupakan sumber energi bagi herbivora. 18

19 Manfaat Bahan Org ganik pada Tumbuh-Tumbuhan bagi Manusia Pangan Kosmetik Obat Pakan Bahan bakar Bahan Organik Papan Serat Dan lain-lain Minyak Getah 19

20 Fotosintesis Tum mbuhan Hijau Tumbuhan hijau adalah penghasil utama energi kimia melalui sinar surya Energi surya pada klorofil 6CO H 2 O C 6 H 12 O 6 + 6O 2 + 6H 2 O Berapa banyak O 2 dihasi lkan dan berapa banyak CO 2 dan H 2 O yang diikat tumbuhan hijau setiap tahun? Tergantung pada jumlah tumbuhan dan lama penyinaran matahari 20

21 Sejarah Penemu uan Fotosintesis Julius von Sachs (1865): proses fotosintesis terjadi dalam zarah kecil dalam tumbuhan yang berwarna hijau (kloroplast) 21

22 Fotosintesis Fotosintesis melibatkan tumbuh tumbuhan yang ada di darat, perairan air tawar maupun lautan Pengantar Ilmu Pertanian 22 22

23 Proses di Dalam Klorof fil Fotosintesa pada daun berpusat di kloroplast, berbentuk elipsoid, panjangnya 3 x 10-5 mm. Di dalam kloroplast, terdapat lamella (dinding atau membran) yang memisahkan stroma Reaksi terang terjadi pada lamella: menggunakan cahaya Reaksi gelap terjadi pada stroma: tidak menggunakan cahaya 23

24 Fotosintesis Mengha asilkan Gas Oksigen dari Pemecahan Air 6CO H 2 O C 6 H 12O 6 + 6H 2 O + 6O 2 6CO H 2 O C 6 H 12OO 6 +6H 2 O+6O 2 6CO 2 12H 2 O O 2 berasal dari H 2 O C 6 H 12 O 6 6H 2 O 6O 2 24

25 Daur Calvin: Pro oses fotosintesis Dr. Melvin Calvin (penerima Nobel 1961) menjelaskan siklus pembentukan n karbohidrat H 2 O CO 2 Energi surya Reaksi terang ATP ADP NAD DPH + H + Reaksi gelap Glukosa: Karbohidrat berenergi tinggii NADP O 2 H 2 O Lamella Stroma 25

26 REAKSI TERANG: Air dipecah sebagai sumber elektron di sistem cahaya Elektron yang tereksitasi mentransfer energinya ke rangkaian pembawa elektron dengan tingka t energi yang lebih rendah untuk memompa proton (H + ) dari stroma ke ruang dalam tilakoid (matriks) Terjadi perbedaan konsentrasi ion H + antar dua permukaan membran (matriks dan stroma) Beda potensial ini digunakan ion H + kembali ke stroma melewati enzim ATP sintase untuk membentuk ATP dari ADP Elektron akhirnya diterima i oleh penerima elektron terakhir yaitu NADP + sehingga berubah menjadi NADPH 26

27 REAKSI GELAP: Tidak berhubungan langsung g deng gan cahaya memanfaatkan ATP dan NADPH dari reaksi terang untuk mereduksi CO 2 menjadi gula Tetap terjadi pada saat ada cahaya/siang hari Jadi input reaksi gelap: ATP, NADPH, CO 2 27

28 Fotosinte esis Lain: Tidak Menggunakan H 2 O Bakteri merah membuat fotosintesis dengan mengikat H 2 S Energi surya 6CO H 2 S C 6 H 12 O S + 6H 2 O Foto-ototrofik: t t tumbu uhan dan bakteri merah 28

29 Energi Sintesis Kimia Tidak semua makhluk hidup mendapatkan energi dari fotosintesis; beberapa melakukan sintesis kimia Kemo-ototrofik: memanfaatkan energi dari reaksi kimia, seperti bakteri besi, bakteri belerang, bakteri nitrat dan bakteri nitrit Bakteri nitrit var. nitrosamine mengub bah amoniak menjadi nitrit selanjutnya nitrat dan mendapatkan energi nitrifikasi 2NH 3 + 3O 2 2HNO 2 + 2H 2 O kcal 2HNO 2 +O 2 2HNO kcal Bakteri pengoksidasi belerang mendapat energi dari: 2H 2 S + O 2 S 2 + 2H 2 O + energi Bakteri pengoksidasi besi mendapat energi dari: 4Fe H + + O2 4Fe H 2 O + energi 29

30 Berapa Banyak Energ gi Matahari yang Dimanfaatkan untuk Kehidupan? Hanya 1-2% digunakan untuk fotosintesis No 1 Matahari mengirim 2 Tumbuhan memanfaatkan aat a 3 Herbivora memanfaatkan 4 Karnivora tingkat 1 5 Karnivora tingkat 2 Jumlah (kal/tahun) 1.3 x Efisiensi 1 x % 5 x % 1 x % 3 x % 30

31 Apa yang Terjadi Jika Jumlah Tumbuhan Berkurang? Pemanasan global akibat efek rumah kaca dari CO 2 di atmosfir Radiasi cahaya yang terperangkap oleh CO 2 31

32 SUB-POKOK BAHASAN 2: ALIRAN ENERGI DAN MATERI DALAM KEHIDU PAN Rantai Maka anan (Foodchain) Energi Matahari Tumbuhan Herbivor : Pemakan tumbuhan Karnivor tingkat 1 : Pemakan hewan Karnivor tingkat 2 : Pemakan hewan 32

33 Contoh Rantai Makanan Di mana Posisi Manusia? 33

34 Contoh Jejaring Makanan di Laut (Marine Foodweb) 34

35 Contoh Jejaring Makanan di Darat 35

36 Pada Ekosistem yang Seimbang Terjadi Aliran Energi dan Aliran Materi yang Stabil 36

37 Apa yang Akan Terjadi Jika Salah Satu Hilang atau Musnah? Ekosistem Laut 37

38 Apa yang Akan Terjadi Jika Salah Satu Hilang atau Musnah? Predator Ekosistem Darat 38

39 Daur Materi Daur Karbon Karbon diambil dari gas CO 2 oleh tumbuhan utk fotosintesis; CO 2 juga dihasilkan oleh tumbuhan dan hewan sbg hasil pernafasan. Daur karbon melibatkan dua proses yang bersaingan: fotosintesis t i vs pernafasa n. Karbon pada bahan organik hasil fotosintesis memasuki rantai makana an kemudian mati/terdekomposisi; atau langsung terdekomposisi berakhir kembali menjadi CO 2. Persoalan: karbon pada penggunaan minyak fosil menjadi tambahan CO 2 pada daur karbon yang telah ada (sumber pemanasan global). 39

40 Daur Karbon 40

41 Daur Nitrogen Nitrogen merupakan unsur hara pembatas dlm hukum Justus Von Liebig Nitrogen menjadi penyusun utama protein, diperlukan oleh tumbuhan dan hewan dlm jumlah besar Sejumlah besar nitrogen hilang akibat tanah mengalami pembasuhan oleh gerak aliran air dan kegiatan jasad renik Atmosfer mengandung 80% nitrogen bebas Nitrogen dibutuhkan tumbuhan dalam bentuk terikat (dlm bentuk senyawa dengan unsur lain) Fiksasi nitrogen: pembentukan nitrogen dlm bentuk terikat, terjadi di dlm tanah oleh bakteri Jenis bakteri pengikat nitrogen terefisien bersifat simbiotik, dpt mengikat nitrogen jika bekerjasama dg akar tumbuhan polong dan rumpun tropik. 41

42 Daur Nitrogen (lan njutan) Dalam tanah, nitrogen terdapat dala am bahan organik tanah di berbagai tahap pembusukan, namun blm dpt dimanfaatkan tumbuhan Nitrogen dimanfaatkan tumbuhan dlm bentuk ion amonium (NH 4+ ) atau ion nitrat (NO 3 ) Tahapan penguraian asam amino mjd nitrogen anorganik : Nitrogen dalam asam amino akan dibebaskan berupa NH 4+. NH + 4 dalam kondisi aerob (tanah dengan aerasi baik) diubah mjd NO 2 (nitrit), lalu mjd NO 3 (nitrat) oleh mikroorganisme (terutama bakteri) (proses nitrifikasi) Bakteri pengubah ion nitrit dan n itrat bersifat ototrof dan aerob (perlu oksigen), shg kehidupannya dipengaruhi oleh aerasi tanah, suhu dan kandungan air dlm tanah Nitrat dalam kondisi anaerob (tan nah tergenang) g) diambil oleh bakteri pengubah nitrat menjadi gas nitrogen (N 2 ) (proses denitrifikasi), menyebabkan nitrogen hilang ke udara. Proses perubahan nitrat mjd gas nitrogen bersifat anaerob (hanya berlangsung dlm kondisi i tanpa ok ksigen) 42

43 Daur Nitrogen Proses alamiah: melibatkan bakteri untuk fiksasi nitrogen dari udara Proses buatan: nitrogen dibuat menurut proses Haber Bosch nitrogen + hidrogen amoniak ik 43

44 Degradasi Ekosistem Terestrial dan Konsekuensinya Terhadap Aliran Energi dan Materi Foto: hendrichrist83.blogspot.com 44

45 Degradasi Ekosistem Perairan dan Konsekuensinya Terhadap Aliran Energi dan Materi Foto: COREMAP, KKP 45

46 Strategi untuk Men ncegah Dampak Degradasi Lingkungan Hidup Menerapkan prinsip-prinsip konservasi: Menetapkan kawasan konservasi atau kawasan lindung untuk menjaga keanekaragaman hayati dan memelihara fungsi-fungsi ekologi sehingga keseimbangan terjaga baik. Memanfaatkan alam secu ukupnya secara wajar dan memulihkan kerusakan alam menjadi kondisi semula Menerapkan konsep pembangunan bertanggungjawab, yaitu memastikan bahwa pembangu unan menghasilkan dampak serendah mungkin, sehingga pemanfaatan alam dapat berlangsung selama mungkin. Menggunakan green technolog gy, teknologi yang ramah lingkungan 46

47 SUB-POKOK BAHASAN 3: PERAN PERTANIAN Apa Peran Pertanian? Rekayasa Pertanian Mengarahkan arus energi dan zat hara melalui jalur-jalur yang meng guntungkan manusia 47

48 Tujuan Rekay yasa Pertanian Tujuan Rekayasa Pertanian: Menyalurkan arus zat hara yang lewat melalui daur pangan untuk sebesar-besarnya kepentingan rakyat Caranya: menggunakan varietas-varietas yang dibudidayakan (kultivar=cultivated variety y) Pendekatan budidaya diantaranya adalah ikan dan udang dari tambak, madu peternakan dari lebah, kayu jati dari hutan buatan, sapi dari peternakan, biji-bijian dari pertanian di ladang atau sawah, dan sebagainya. Kuliah 6 Pengantar Ilmu-Ilmu Pertanian 48

49 Ciri Utama Pertani ian Modern Meningkatkan produksi pangan dengan cara mempercepat arus zat hara melalui sistem biologi Mempercepat pengembalian zat hara dari tumbuhan dan hewan ke dalam tanah sehingga siap diserap kembali oleh ht tumbuhan baru Bagaimana caranya? Pengolahan tanah, pengawetan tanah, pengairan lahan kering, pengeringann lahan terendam dan pasang surut Penerapan manajemen yang efektif Kuliah 6 Pengantar Ilmu-Ilmu Pertanian 49

50 Apa yang Diperluk kan Tumbuhan untuk Pertumbu hannya? CO 2 dan H 2 Oserta sinar matahari Unsur hara: unsur-un nsur kimia, di tanah maupun di air Derajat keasaman (p H) tanah Untuk pernafasannya, tentu O 2 diperlukan. 50

51 Unsur Hara = Makanan n untuk Tumbuhan Unsur hara adalah bagian (dari tanah) yang diperlukan oleh tumbuhan untuk pertumbuhannya Unsur hara esensial adalah unsur yang sangat diperlukan bagi tanaman, fungsinya tidak dapat digantikan oleh unsur lain sehingga apabila jumlahnya tidak cukup maka tidak dapat tumbuh normal. Unsur makro (dibutuhkan banyak); unsur mikro (dibutuhkan sedikit) Sumber unsur hara yang umum adalah tanah. Kimia tanah sangat menentukan pertumbuhan tumbuhan. 51

52 HUKUM MINIMUM JUSTUS VON LIEBIG Justus von Leibig dan konsep kapasitas lahan sebagai tanah yang subur. Dalam contoh di atas Kalium adalah faktor penentu kesuburan tanah. Jika ada unsur lain yang lebih rendah kadarnya maka unsur lain tersebut menjadi faktor penentu kesuburan tanah. 52

53 Kebutuhan Hara Tum mbuhan dan Hewan TUMBUHAN Unsur kimia anorganik Unsur makro: Nitrogen (N) Kalsium (Ca) Kalium (K) Fosfor (P) Magnesium (Mg) Sulfur (belerang, S) HEWAN/MANUSIA Senyawa-senyawa organik Unsur makro: Nitrogen (asam amino) Kalsium Fosfor Magnesiumi Kalium Natrium Klor Sulfur (belerang) 53

54 Kebutuhan Hara Tum mbuhan dan Hewan TUMBUHAN Unsur mikro: Besi (Fe) Mangan (Mn) Tembaga (Cu) Seng (Zn) Molibden (Mo) Bor (B) Klor (Cl) HEWAN/MANUSIA Unsur mikro: Besi i( (Fe) Mangan (Mn) Tembaga (Cu) Seng (Zn) Molibden (Mo) Bor (B) Cobalt (Co) Yodium (I) Selenium (Se) 54

55 Unsur Hara Tumbuhan Fosfor: dalam asam nukleat,berperan sbg. pengangkut energi (ATP-ADP), diperlukan dalam jumlah kecil dalam bentuk superfosfat. Fosfor lebih tahan pembasuhan, ketersediaannya tergantung pada ph Htanah. Kalium: diperlukan dalam jumlah agak banyak, tersedia sebagai ion dapat-tukar t tererap pada permukaan koloid tanah. Humus kaya kalium, tetapi dalam bentuk yangtidak dapat dimanfaatkan langsung sehingga perlu pemupukan. Pupuk Kalium yg dibutuhkan da alam bentuk Kalium Klorida. 55

56 Unsur Hara Tumbuhan Kalsium: tinggi pada kacang-kacangan, rendah pada rumput-rumputan. Jarang sebagai unsur pembatas, berpengaruh pada kegiatan mikroba, ph dan ketersediaan unsur lain. Magnesium: penyusun mole ekul klorofil. Kekurangan menyebabkan klorosis. Belerang: penyusun sistin dan metionin (dua jenis asam amino), serta vitamin biotin dan tiamin. Selalu tersedia karena penghancuran mineral pirit. Mn, B, Mo, Fe, Zn, Cu dan Cl diperlukan tumbuhan dalam jumlah sedikit. Kekurangan unsur hara ini dapat menghambat produktivitas tumbuhan. 56

57 Perbandingan Kem ampuan Membuat Zat Organik: Tumbuhan vs Hewan Tumbuhan mampu membuat berbagai jenis zat organik sedangkan kemampuan hewan sangat terbatas. Hewan tidak dapat mencerna selolusa. Herbivora mencerna selulosa menjadi gula dengan bantuan bakteri di sistem pencernaannya. Kemampuan mencerna selulosa l inii tercermin pada sistem pencernaan yang dimiliki setiap hewan. Hewan bukan pemamah biak memerlukan vitamin A, D, E, K, asam askorbat, tiamin, riboflavin, niasin, vitamin B6, asam pantotenat, dan vitamin B12 Agar energi dapat tetap mengalir dalam jalur yang menguntungkan tersebut, maka unsur hara untuk tumbuhan dan hewan harus selalu dipulihkan. 57

58 Selamat Belajar. Sampai Bertemu Kembali pada Kuliah Minggu ke 7 58