V. OKSIGEN (O₂) DAN KARBONDIOKSIDA (CO₂)

5.1 OKSIGEN (O₂)

• Sebagai gas yang penting dalam kimia dan biokimia.
• Secara kontinyu dikonsumsi oleh hewan dan tumbuhan, serta diserap untuk proses dekomposisi bahan organik.
• Diproduksi oleh tumbuhan melalui fotosintesis jika cahaya dan nutrien cukup.

   Air yang sangat dingin mengandung kurang dari 5 % oksigen, akan menurun jika suhu air bertambah dan akan berkurang jika dimanfaatkan untuk respirasi dan dekomposisi kimia didalam air. Perairan dengan kadar O₂ tinggi, akan menyebabkan keragaman organisme juga tinggi. Jika O₂ menurun, hanya organisme yang toleran saja yang dapat hidup di tempat tersebut.

Variasi harian O₂ danau oligotroph biasanya rendah, sebaliknya danau eutroph (subur) tinggi. Kadar oksigen diperairan yang eutroph pada siang hari akan tinggi karena banyaknya fitoplankton dan tumbuhan yang berfotosintesis. Sebaliknya pada malam hari semua organisme yang ada didalam air termasuk fitoplankton akan memanfaatkan oksigen yang ada didalam air untuk respirasi. Hal inilah yang menyebabkan fluktuasi kadar oksigen di perairan tersebut.

5.1.1 Sumber-sumber O₂

1. Atmosfir : difusi dan  angin
2. Fotosintesi Tiap liter udara mengandung 300 mg O₂ atau setara dengan  ± 21 %. Di dalam air dengan tekanan 1 atmosfir dan ketinggian 0 m diatas permukaan laut, dapat mengandung O₂ ± 14,6 m/l dan dapat terdifusi pelan. Difusi akan berjalan lebih cepat jika ada pemecahan lapisan permukaan air (film air) yaitu gelombang dan arus. Tekanan parsial O₂ adalah 0,21 atmosfir. Kelarutan udara di dalam air menunjukkan banyaknya gas yang dapat diikat oleh air.

5.1.2 Tekanan Parsial

   Merupakan konsentrasi larutan gas yang seimbang di udara dan di air. Tekanan dari tiap komponen gas akan proporsional dengan konsentrasi campuran gas, sehingga total tekanan akan seimbang dengan semua komponen. Kelarutan O₂ ± 2 kali Nitrogen dan tekanan parsial N₂ adalah 4 kali Oksigen. Sedangkan kelarutan CO₂ ± 30 kali lebih besar dari O₂ dengan tekanan parsial ± 1/700 kali O₂. Sungai yang berarus kuat tanpa polusi dan gelombang yang pecah di tepi pantai (laut, danau, dll) secara alami terus menerus mengalami aerasi sehingga selalu jenuh O₂.

5.1.3 Fotosintesis

            Hanya terjadi pada wilayah danau yang masih mendapat  cahaya yaitu euphotic dan photic zone. Hasil samping dari proses fotosintesis adalah oksigen. Untuk fitoplankton dan tanaman yang hidup tenggelam didalam air oksigen hasil fotosintesis tersebut akan langsung masuk kedalam air. Tetapi untuk tanaman yang posisi daunnya berada diatas air, oksigen tersebut tidak dapat langsung masuk kedalam air.

Penetrasi cahaya mempengaruhi distribusi O₂dan CO₂ dalam air. Jika aktivitas fotosintesis tinggi, produksi O₂ banyak, air akan mengalami kelarutan oksigen yang berlebihan sehingga oksigen menjadi gelembung-gelembung gas. Alga berfilamen akan memanfaatkan gelembung gas ini sebagai daya apung membentuk “Scum like”. Jika produksi ini sangat tinggi, akan terjadi pengaruh negatif di malam hari yaitu O₂ mungkin berkurang (menurun).

   Kelarutan oksigen dipengaruhi suhu. Air dingin mengandung oksigen terlarut lebih banyak daripada air panas. Pada masa air yang panas, danau atau sungai tidak terpolusi akan kehilangan sejumlah besar O₂ dapat mencapai 50 % dibandingkan pada masa air yang dingin.

5.1.4 Respirasi

            Konsentrasi O₂ dan CO₂ didalam air tergantung dari arah reaksi keseimbangan oksigen dan karbondioksida, ke kanan atau ke kiri. Tingkat respirasi juga tergantung pada suhu, jika suhu rendah maka proses respirasi juga berkurang.                   

CO₂ + H₂O    < ::::::::>(CH₂O) n + O₂

            n : selalu 3,6 atau 12 piruvat glucose atau sucrose

Hasil proses dekomposisi di dasar air juga akan menghasilakn gelembung gas (udara). Biasanya gas metan atau sulfur, tergantung mareri yang diuraikan. Konsentrasi gas terbentuk di dalam air tersebut, akan diseimbangkan dari bawah ke atas. Jika gas hasil dekomposisi bersifat aktif mengkikat oksigen,  maka O₂ dalam air akan sangat menurun bahkan mungkin menjadi tidak tersedia bagi organisme.

5.1.5        Potensial Redok (Eh)

            Potensial Redok adalah Voltage yang dihasilkan dari 2 elektrode yaitu hidrogen dengan materi lain yang bereaksi. Pada pH netral 25⁰C pada danau yang teroksigenasi dengan baik akan mempunyai nilai Eh ± + 500 mv (mili volt). Pada kondisi tersebut logam dan nutrien berada dalam thermodinamika yang stabil dan kebanyakan dalam bentuk teroksidasi. Conroh unsur yang teroksidasi adalah Sulfur dalam bentuk SO₄⁼ , Carbon dalam bentuk CO₃^- dan Fe dalam bentuk Fe³⁺. Nilai Eh di wilayah interfase sedimen dan air berpengaruh pada kecepatan kerja bakteri pengurai yang akan menguraikan bahan organik menjadi anorganik. Jika kadar oksidasi mencukupi maka materi anorganik hasil penguraian akan tersedia dalam bentuk yang teroksidasi, sehingga bahan kimia di perairan tersebut tidak mengganggu kehidupan organisme air karena kebituhan oksigen bagi organisme tidak terganggu  oleh pengambilan oksigen dari unsur kimia. Contoh nilai Eh di perairan sebesar :

1.      Eh + 450 s/d + 300 mv  akan banyak ditemukan amonia

2.      Eh + 300 s/d + 200 mv banyak di temukan Fe²⁺

Jika oksigen  ditambah sampai Eh naik kembali menjadi + 500 mv, reaksi dapat terjadi lebih banyak dan air dalam kondisi teroksigenasi. Jadi rendahnya oksigen dalam sedimen juga menghambat pelepasan PO₄^-3 ke dalam air karena P sebagai sumber nutrien.

5.2 KARBONDIOKSIDA (CO₂)

            Merupakan gas yang sangat diperlukan dalam proses fotosintesis, di udara kadarnya sangat sedikit hanya  ± 0,033 % tetapi di dalam air jumlahnya melimpah yaitu dapat mencapai 12 mg/l. Sumber CO₂ dalam air adalah difusi dari udara, proses dekomposisi bahan organik, air hujan dan air bawah tanah maupun hasil respirasi organisme yang ada didalam air. Karbondioksida didalam air :

• Merupakan hasil dari respirasi tanamanan dan hewan
• Bagian penting dari fotosintesis
• Komponen minor di udara, tetapi melimpah dalam air
• Kelarutan karbondioksida adalah 200 kali dari O₂

Jika CO₂ terlarut dalam air akan menjadi asam karbonat (H₂CO₃). Kemudian terdisosiasi menjadi beberapa fraksi seperti ion bikarbonat (HCO₃^- ) dan ion karbonat (CO₃^2-) tergantung pH air. Pada pH 6-8, HCO₃^- akan melimpahdan ion tersebut bersifat sebagai bufer didalam air.  Jika kebutuhan CO₂untuk fotosintesis meningkat, dan CO₂ tidak mencukupi maka akan terjadi penguraian CaCO₃ yang mengendap. Sebaliknya jika kadar CO₂ didalam air cukup banyak dan tersedia ion penyanggah pH yang cukup, maka CO₂ akan diubah menjadi ion CO₃= dan jika bertemu dengan ion posifit seperti Ca+ atau Mg+2 akan menjadi garam karbonat dan diendapkan. Endapan ini sekaligus sebagai cadangan apabila kadar CO₂ dalam air berkurang. Proses pengendapan ini terjadi khususnya pada perairan yang sadah.

Sifat-sifat gas CO₂ adalah :

1. Thermodinamikanya stabil dan tidak mudah teroksidasi
2. Mudah terdifusi dari dan ke atmosfir
3. Kelarutannya dalam air cukup tinggi

   Karbondioksida dalam air dapat dijumpai dalam empat bentuk yaitu :

1. CO₂ gas yang bebas
2. Asam karbonat H₂CO₃
3. Bikarbonat HCO^3-
4. Karbonat CO₃^2-

Perairan tawar yang dikelilingi batu kapur cenderung mengandung CO₂ yang lebih tinggi karena kapur lebih lunak daripada batu beku. Batu kapur dan tanah kapur kaya akan karbonat dan bikarbonat. Air yang melalui batuan tersebut akan cenderung mempunyai pH tinggi (lebih besar dari 7) sehingga kadar CO₂ bebas akan menjadi rendah.

5.2.1 Sumber CO₂

1. Atmosfer di udara ± 0,0 di air 0 meter dpl 1,1 mg/l

Tekanan parsial CO₂ = 0,00033 atm

Kelarutan dalam air ± 200 kali O₂

Danau dengan elevasi tinggi mengandung gas terlarut per unit volume lebih besar. Jadi ketinggian tempat menyebabkan konsentrasi gas terlarut lebih besar.

2. Respirasi (hewan dan tumbuhan air)

Kadar CO₂ akan menurun jika ada fotosintesis tetapi di dalam air ada pengendali yaitu sistem buffer CO₃^2- dan HCO₃^-.

Proses Fotosintesis puncaknya terjadi pada siang hari dan menurun pada sore hari, karena tergantung pada tersedianya cahaya. 

Sebagian besar tanaman menggunakan CO₂ untuk fotosintesis, didapat dari udara atau penguraian HCO^3- dan CO₃^2-. Tetapi ada juga tanaman yang menggunakan HCO^3- sebagai sumber CO₂ setelah diubah dengan enzim karbonik anhidrase.

5.2.2 pH

            Sebagian besar danau ber-pH 6-9. Danau sadah (soda lake) ber-pH 11,5. Danau asam dapat disebabkan karena hujan asam akibat populasi industri sehingga kapasistas buffer menghilang. Danau di padang pasir Afrika Tengah (Danau Utah) = air yang masuk lebih kecil dari jumlah air yang keluar, akibatnya menjadi danau yang alkali, sehingga variasi tanaman dan hewan juga rendah.