Karbon organik terlarut

DOC (Dissolved Organic Carbon) melimpah di sistem perairan laut dan air tawar dan merupakan salah satu reservoir bahan organik terbesar di Bumi, menyumbang jumlah karbon yang sama dengan di atmosfer hingga 20% dari seluruh karbon organik. Secara umum, senyawa karbon organik adalah hasil dari proses dekomposisi bahan organik yang mati, termasuk tanaman dan hewan. DOC dapat berasal dari dalam atau luar suatu badan air tertentu. DOC yang berasal dari dalam badan air dikenal sebagai DOC autochthonous dan biasanya berasal dari tanaman air atau alga, sedangkan DOC yang berasal dari luar badan air dikenal sebagai allochthonous dan biasanya berasal dari tanah atau tanaman darat. Ketika air berasal dari daerah daratan dengan proporsi tanah organik yang tinggi, komponen-komponen ini dapat mengalir ke sungai dan danau sebagai DOC.

Cadangan DOC (Dissolved Organic Carbon) di laut memiliki peran penting dalam fungsi ekosistem laut karena berada di antarmuka antara dunia kimia dan biologi. DOC menyuplai makanan dalam jaring pangan laut dan merupakan komponen utama dalam siklus karbon Bumi. Dengan kata lain, DOC ini membantu menggerakkan dan memelihara berbagai proses kehidupan di ekosistem laut.

 Ringkasan 
Dissolved Organic Carbon (DOC) adalah nutrisi dasar yang mendukung pertumbuhan mikroorganisme dan memainkan peran penting dalam siklus karbon global melalui loop mikroba. Beberapa organisme atau tahap perkembangan organisme tertentu yang tidak memperoleh makanan secara tradisional, seperti dengan mengonsumsi partikel padat. Bagi organisme ini, zat yang larut dalam air dapat menjadi satu-satunya sumber makanan eksternal yang mereka gunakan. Selain itu, DOC merupakan indikator muatan organik di sungai, serta mendukung pengolahan bahan organik di darat (misalnya, di dalam tanah, hutan, dan lahan basah). Karbon organik terlarut memiliki proporsi karbon organik terlarut biodegradable (BDOC) yang tinggi pada aliran orde pertama dibandingkan dengan aliran orde lebih tinggi. Dengan tidak adanya lahan basah, rawa terbuka, atau rawa hutan, konsentrasi DOC di daerah aliran sungai yang tidak terganggu umumnya berkisar antara 1 hingga 20 mg/L karbon. Konsentrasi karbon sangat bervariasi antar ekosistem. Misalnya, Everglades mungkin berada di dekat puncak pegunungan dan bagian tengah lautan mungkin berada di dekat dasar. Kadang-kadang, konsentrasi karbon organik yang tinggi menunjukkan pengaruh antropogenik, tetapi sebagian besar DOC berasal dari alam.

Fraksi BDOC (Biodegradable Dissolved Organic Carbon) terdiri dari molekul-molekul organik yang dapat digunakan oleh bakteri heterotrof sebagai sumber energi dan karbon. Sebagian dari DOC juga merupakan prekursor dari produk samping disinfeksi untuk air minum. BDOC dapat berkontribusi pada pertumbuhan biologis yang tidak diinginkan dalam sistem distribusi air.

Selanjutnya, fraksi terlarut dari total organic carbon (TOC) merupakan klasifikasi operasional. Banyak peneliti menggunakan istilah "terlarut" untuk senyawa-senyawa yang dapat melewati filter 0,45 μm, tetapi filter 0,22 μm juga digunakan untuk menghilangkan konsentrasi koloid yang lebih tinggi.

Definisi praktis dari "terlarut" yang umum digunakan dalam kimia laut adalah semua zat yang dapat melewati filter GF/F, yang memiliki ukuran pori nominal sekitar 0,7 μm (filter serat kaca Whatman, retensi partikel 0,6–0,8 μm). Prosedur yang direkomendasikan adalah teknik HTCO, yang melibatkan penyaringan melalui filter serat kaca pra-terbakar, biasanya dengan klasifikasi GF/F.

 Labil dan rekalsitran 
Materi organik terlarut dapat diklasifikasikan sebagai labil atau rekalsitran tergantung pada reaktifitasnya. DOC rekalsitran juga disebut sebagai DOC refraktori. Istilah-istilah ini digunakan secara bergantian dalam konteks DOC. Bergantung pada asal dan komposisi DOC, perilaku dan sirkulasinya berbeda; fraksi labil dari DOC terurai dengan cepat melalui proses yang dimediasi oleh mikroba atau fotokimia, sedangkan DOC refraktori tahan terhadap degradasi dan dapat bertahan di lautan selama ribuan tahun. 

Di laut pesisir, materi organik dari seresah tanaman terestrial atau tanah lebih tahan api sehingga sering kai memiliki perilaku konservatif. Selain itu, DOC refraktori dihasilkan di laut melalui transformasi bakteri dari DOC yang labil. Dengan kata lain, DOC labil cenderung terurai lebih cepat, sementara DOC refraktori cenderung lebih tahan terhadap degradasi dan dapat bertahan dalam lingkungan laut untuk waktu yang sangat lama. Proses ini memengaruhi sifat dan sirkulasi materi organik terlarut di dalam ekosistem laut.

Karena produksi dan degradasi yang berkelanjutan dalam sistem alami, DOC mengandung spektrum senyawa reaktif yang masing-masing memiliki reaktivitasnya sendiri.  Berdasarkan waktu pergantian, maka spektrum DOC dibagi menjadi fraksi dari labil hingga rekalsitran ditunjukkan pada tabel berikut.
Spektrum kumpulan DOC dari labil hingga bandel Fraksi DOCakronimwaktu pergantianjumlahlabilDOCLjam hingga hari< 200TgCsemi labilDOCSLberminggu-minggu hingga berbulan-bulan~600TgCsemi-bandelDOKSRdekade~1400Tg CbandelDOCRribuan tahun~63000TgCsangat tahanpuluhan ribu tahun
Siklus perputaran atau waktu degradasi bahan organik terlarut (DOC) memiliki variasi yang luas. Variasi degradasi bahan organik terlarut (DOC) dapat dipengaruhi oleh berbagai faktor, seperti komposisi kimia, struktur, dan ukuran molekuler DOC. Faktor-faktor lingkungan seperti kondisi nutrisi, keragaman prokariota, keadaan redoks, ketersediaan besi, asosiasi dengan partikel mineral, suhu, paparan sinar matahari, produksi biologis senyawa refraktori, serta efek dari pemberian rangsangan atau pelarutan molekul individu juga memainkan peran penting dalam proses degradasi ini.

Sebagai contoh, lignin, suatu komponen dalam tanaman, dapat terurai dengan mudah di tanah yang kaya oksigen (aerobik), tetapi menjadi lebih tahan terhadap degradasi di dalam sedimen laut yang tidak memiliki oksigen (anaerobik). Contoh ini mengilustrasikan bagaimana sifat-sifat ekosistem dan kondisi lingkungan dapat memengaruhi kemampuan biologis untuk mendegradasi atau mengurai berbagai jenis senyawa organik. Bahkan senyawa yang biasanya dianggap sulit terurai, seperti minyak bumi, dapat mengalami degradasi jika berada dalam lingkungan yang sesuai.

 Ekosistem darat 

 Tanah 
Bahan organik terlarut (DOM) adalah salah satu penyimpan karbon paling aktif dan mobile serta memiliki peran penting dalam siklus karbon global. Selain itu, karbon organik terlarut (DOC) memengaruhi proses denitrifikasi muatan listrik negatif tanah, reaksi asam basa dalam larutan tanah, retensi dan translokasi unsur hara (kation), dan imobilisasi logam berat dan xenobiotik. DOM tanah dapat diperoleh dari berbagai sumber (input), seperti karbon atmosfer yang terlarut dalam curah hujan, serasah dan sisa tanaman, pupuk kandang, eksudat akar, dan dekomposisi bahan organik tanah (SOM). Di dalam tanah, ketersediaan DOM bergantung pada interaksinya dengan komponen mineral (misalnya tanah liat, oksida Fe dan Al) yang dimodulasi oleh proses adsorpsi dan desorpsi. Hal ini juga bergantung pada fraksi SOM (misalnya, molekul organik yang distabilkan dan biomassa mikroba) melalui proses mineralisasi dan imobilisasi. Selain itu, intensitas interaksi ini berubah sesuai dengan sifat bawaan tanah,  penggunaan lahan, dan pengelolaan tanaman.

Selama penguraian bahan organik, sebagian besar karbon hilang sebagai CO2 atmosfer melalui oksidasi mikroba. Jenis tanah dan kemiringan lanskap, pencucian, dan limpasan juga merupakan proses penting yang terkait dengan hilangnya DOM di dalam tanah.  Di tanah yang memiliki drainase baik, DOC yang tercuci dapat mencapai permukaan air dan melepaskan unsur hara dan polutan yang dapat mencemari air tanah, sedangkan limpasan mengangkut DOM dan xenobiotik ke area lain, sungai, dan danau. 

 Air tanah (groundwater) 
Curah hujan dan air permukaan melepaskan karbon organik terlarut (DOC) dari vegetasi dan serasah tanaman dan meresap melalui kolom tanah ke zona jenuh. Konsentrasi, komposisi, dan ketersediaan hayati DOC diubah selama pengangkutan melalui kolom tanah melalui berbagai proses fisikokimia dan biologi, termasuk penyerapan, desorpsi, biodegradasi, dan biosintesis. Molekul hidrofobik lebih disukai terbagi menjadi mineral tanah dan memiliki waktu retensi yang lebih lama di dalam tanah dibandingkan molekul hidrofilik. Hidrofobisitas dan waktu retensi koloid dan molekul terlarut dalam tanah dikendalikan oleh ukuran, polaritas, muatan, dan ketersediaan hayati. DOM yang tersedia secara hayati mengalami dekomposisi mikroba, yang mengakibatkan pengurangan ukuran dan berat molekul. Molekul baru disintesis oleh mikroba tanah, dan beberapa metabolit ini memasuki reservoir DOC di air tanah.

 Ekosistem air tawar 
Karbon akuatik terdapat dalam berbagai bentuk. Pertama, dilakukan pembagian antara karbon organik dan anorganik. Karbon organik merupakan campuran senyawa organik yang berasal dari detritus atau produsen primer. Ini dapat dibagi menjadi POC (karbon organik partikulat; partikel > 0,45 μm) dan DOC (karbon organik terlarut; partikel <0,45 μm). DOC biasanya menyumbang 90% dari total jumlah karbon organik perairan. Konsentrasinya berkisar antara 0,1 hingga >300 mg/L.

Demikian pula karbon anorganik juga terdiri dari partikulat (PIC) dan fase terlarut (DIC). PIC terutama terdiri dari karbonat (misalnya CaCO3), DIC terdiri dari karbonat (CO32-), bikarbonat (HCO3−), CO2 dan sebagian kecil asam karbonat (H2CO3). Senyawa karbon anorganik berada dalam kesetimbangan yang bergantung pada pH air. Konsentrasi DIC di air tawar berkisar dari nol di perairan asam hingga 60 mg C/L di daerah dengan sedimen kaya karbonat.

POC dapat terdegradasi menjadi DOC; DOC dapat menjadi POC dengan cara flokulasi. Karbon anorganik dan organik dihubungkan melalui organisme akuatik. CO2 digunakan dalam fotosintesis (P) misalnya oleh makrofita, dihasilkan melalui respirasi (R), dan dipertukarkan dengan atmosfer. Karbon organik diproduksi oleh organisme dan dilepaskan selama dan setelah kehidupannya; misalnya di sungai, 1–20% dari jumlah total DOC dihasilkan oleh makrofita. Karbon dapat masuk ke sistem dari tangkapan dan diangkut ke lautan melalui sungai. Ada juga pertukaran dengan karbon di sedimen, misalnya, penguburan karbon organik, yang penting untuk penyerapan karbon di habitat perairan. 

Sistem perairan sangat penting dalam penyerapan karbon global; misalnya, ketika ekosistem Eropa yang berbeda dibandingkan, sistem perairan pedalaman merupakan penyerap karbon terbesar kedua (19–41 Tg C y−1); hanya hutan yang menyerap lebih banyak karbon (125–223 Tg C y−1)

 Ekosistem laut 

Dalam sistem kelautan, DOC berasal dari sumber asli atau sumber allochthonous. DOC autochthonous diproduksi di dalam sistem, terutama oleh organisme plankton dan di perairan pesisir juga oleh mikroalga bentik, fluks bentik, dan makrofita, sedangkan DOC allochthonous sebagian besar berasal dari daratan yang dilengkapi dengan masukan dari air tanah dan atmosfer.  Selain zat humat yang berasal dari tanah, DOC terestrial juga mencakup bahan yang tercuci dari tanaman yang dikeluarkan selama hujan, emisi bahan tanaman ke atmosfer dan pengendapan di lingkungan perairan (misalnya, karbon organik yang mudah menguap dan serbuk sari), dan juga ribuan bahan kimia organik sintetis buatan manusia yang dapat diukur di lautan dengan konsentrasi yang sangat kecil.

Karbon organik terlarut (DOC) merupakan salah satu penyimpan karbon terbesar di bumi. Ia mengandung jumlah karbon yang sama dengan atmosfer dan melebihi jumlah karbon yang terikat dalam biomassa laut sebanyak lebih dari dua ratus kali lipat. DOC terutama diproduksi di lapisan dekat permukaan selama produksi primer dan proses penggembalaan zooplankton. Sumber DOC laut lainnya adalah pelarutan dari partikel, masukan ventilasi terestrial dan hidrotermal, dan produksi mikroba. Prokariota (bakteri dan archaea) berkontribusi pada kumpulan DOC melalui pelepasan bahan kapsuler, eksopolimer, dan enzim hidrolitik, serta melalui kematian (misalnya pintasan virus). Prokariota juga merupakan pengurai utama DOC, meskipun untuk beberapa bentuk DOC yang paling bandel, degradasi abiotik yang sangat lambat dalam sistem hidrotermal   atau mungkin penyerapan pada partikel yang tenggelam  mungkin merupakan mekanisme penghilangan utama. Pengetahuan mekanistik tentang interaksi DOC-mikroba sangat penting untuk memahami siklus dan distribusi reservoir karbon aktif ini.

 Fitoplankton 
Fitoplankton menghasilkan DOC melalui pelepasan ekstraseluler yang umumnya berjumlah antara 5 dan 30% dari total produksi primernya,  meskipun jumlah ini bervariasi dari satu spesies ke spesies lainnya.  Meskipun demikian, pelepasan DOC ekstraseluler ini meningkat di bawah cahaya tinggi dan tingkat nutrisi rendah, dan dengan demikian akan meningkat secara relatif dari daerah eutrofik ke oligotrofik, mungkin sebagai mekanisme untuk menghilangkan energi seluler.  Fitoplankton juga dapat menghasilkan DOC melalui autolisis selama situasi stres fisiologis, misalnya keterbatasan nutrisi.  Penelitian lain menunjukkan produksi DOC berhubungan dengan zooplankton meso dan makro yang memakan fitoplankton dan bakteri.

 Zooplanton 
Pelepasan DOC yang dimediasi oleh zooplankton terjadi melalui pemberian makanan yang tidak tepat , ekskresi, dan buang air besar yang dapat menjadi sumber energi penting bagi mikroba. Produksi DOC tersebut paling besar pada periode dengan konsentrasi makanan tinggi dan dominasi spesies zooplankton besar. 

 Makrofit 
Makrofita laut (yaitu makroalga dan lamun ) sangat produktif dan tersebar di wilayah perairan pesisir yang luas, namun produksi DOC-nya belum mendapat banyak perhatian. Makrofit melepaskan DOC selama pertumbuhan dengan perkiraan konservatif (tidak termasuk pelepasan dari jaringan yang membusuk) yang menunjukkan bahwa makroalga melepaskan antara 1-39% dari produksi primer kotornya,  sedangkan lamun melepaskan kurang dari 5% DOC dari produksi primer kotornya. produksi.  DOC yang dilepaskan terbukti kaya akan karbohidrat, dengan kadar tergantung pada suhu dan ketersediaan cahaya. Secara global, komunitas makrofit diperkirakan memproduksi ~160 Tg C tahun−1 DOC, yaitu sekitar setengah dari masukan DOC sungai global tahunan (250 Tg C tahun−1). 

 Sedimen laut 
Sedimen laut mewakili lokasi utama degradasi dan penguburan OM di lautan, menampung mikroba dengan kepadatan hingga 1000 kali lebih tinggi daripada yang ditemukan di kolom air.  Konsentrasi DOC dalam sedimen sering kali lebih tinggi dibandingkan kolom air di atasnya.  Perbedaan konsentrasi ini menghasilkan fluks difusif yang berlanjut dan menunjukkan bahwa sedimen merupakan sumber utama DOC yang melepaskan 350 Tg C tahun−1, yang sebanding dengan masukan DOC dari sungai. Perkiraan ini didasarkan pada fluks difusif terhitung dan tidak termasuk peristiwa resuspensi yang juga melepaskan DOC. Oleh karena itu, perkiraan tersebut mungkin konservatif. Beberapa penelitian menunjukkan bahwa sistem panas bumi dan rembesan minyak bumi berkontribusi terhadap DOC yang sudah tua ke cekungan laut dalam. Perkiraan global yang konsisten mengenai keseluruhan masukan saat ini masih kurang. Secara global, air tanah merupakan bagian yang tidak diketahui dalam aliran DOC air tawar ke lautan. DOC dalam air tanah merupakan campuran bahan terestrial, laut yang diinfiltrasi, dan bahan yang diproduksi secara mikroba in situ. Fluktuasi DOC ke perairan pesisir mungkin penting, karena konsentrasi air tanah pada umumnya lebih tinggi dibandingkan air laut pesisir.

 Basin 
Faktor utama yang menghilangkan kehadiran DOC dalam basin adalah (1) Degradasi termal, misalnya sistem hidrotermal bawah laut; (2) koagulasi gelembung dan flokulasi abiotik menjadi mikropartikel atau penyerapan menjadi partikel; (3) degradasi abiotik melalui reaksi fotokimia; dan (4) degradasi biotik oleh prokariota laut heterotrofik. Telah dikemukakan bahwa efek gabungan dari degradasi fotokimia dan mikroba mewakili penyebab utama karbon organik terlarut.

 Referensi 

Kategori:Kimia air
Kategori:Indikator kualitas air
Kategori:Kimia lingkungan