Kajian Kinetika Reaksi dalam Proses Fotosintesis: Faktor Laju Reaksi dan Efek Krisis Iklim

Konsep dasar laju reaksi dan faktor yang mempengaruhinya

Kinetika reaksi merupakan bagian dari ilmu kimia yang berkaitan dengan kecepatan atau laju pada suatu reaksi kimia. Dimana suatu reaksi kimia dapat berlangsung dengan laju yang bervariasi, seperti sangat cepat, cepat ataupun memerlukan waktu tertentu. Laju reaksi didefinisikan sebagai laju berkurangnya konsentrasi zat (reaktan) atau laju bertambahnya zat hasil reaksi (produk) tiap satuan waktu. 

Reaksi kimia dapat terjadi karena adanya tumbukan efektif antar partikel-partikel zat yang bereaksi. Sebelum tumbukan efektif antar partikel terjadi, setiap partikel reaktan memerlukan suatu energi minimum atau energi aktivasi (Ea). Jika pada suatu reaksi terjadi, Ea dari reaktan sangat besar maka laju reaksinya lambat, tetapi jika Ea sangat kecil maka laju reaksinya berjalan dengan cepat. Perbedaan nilai Ea pada suatu reaksi kimia dapat mempengaruhi cepat atau lambatnya laju reaksi. Perbedaan tersebut disebabkan oleh faktor laju reaksi, seperti; konsentrasi zat, luas permukaan zat, suhu dan tekanan sistem serta katalis yang digunakan.

Fotosintesis: Proses biologi yang berbasis penyerapan radiasi elektromagnetik

Berbagai proses kimia dan biologi dapat terjadi karena penyerapan radiasi elektromagnetik, termasuk fotosintesis. Radiasi elektromagnetik yang dimaksudkan adalah sinar matahari atau sinar ultra violet – tampak dengan panjang gelombang bekisar 400 – 700 nm. Tanaman menggunakan sinar matahari untuk melakukan reduksi CO₂ menjadi glukosa dan oksidasi H₂O menjadi O₂, melalui persamaan reaksi berikut (Gambar 1), dan berlangsung secara endotermis. Pada tumbuhan hijau, fotosintesis berlangsung pada organel kloroplas pada sel tumbuhan. Dalam kloroplas terdapat kompleks pemanen cahaya yang terdiri dari klorofil a, b dan ꞵ-karoten. Komplek pemanen cahaya tersebut akan menangkap energi sinar matahari berupa photon yang diubah menjadi elektron yang menginduksi terjadinya fotosintesis.

Klorofil adalah pigmen utama yang memungkinkan tumbuhan menangkap energi cahaya untuk mengubahnya menjadi energi kimia. Klorofil menyerap cahaya pada panjang gelombang biru (sekitar 430-450 nm) dan merah (sekitar 640-680 nm), sementara panjang gelombang hijau dipantulkan sehingga tumbuhan tampak hijau oleh mata. Molekul klorofil terdiri dari cincin porfirin dan logam pusat Mg, keduanya berfungsi sebagai eksitasi elektron dan transfer energi pada proses fotosintesis. Adanya eksitasi elektron dan transfer energi pada klorofil diaktivasi oleh cahaya matahari dalam hal ini energi photon.

Fotosintesis: Bagian dari siklus karbon Bumi

Proses fotosintesis tentunya sangat penting dalam memelihara keseimbangan kehidupan di Bumi. Dimana, fotosintesis masuk ke dalam siklus karbon Bumi, sehingga menjaga keberadaan karbon Bumi. Secara tidak langsung, tumbuhan dapat disebut sebagai reservoir karbon dan paru-paru Bumi. Tumbuhan sebagai penyimpan karbon dan pertukaran CO₂ dan O₂ bagi Bumi. Tumbuhan, melalui proses fotosintesis disebut sebagai organisme autotrof. Autotrof adalah organisme yang mampu menghasilkan senyawa organik kompleks seperti karbohidrat, lemak dan protein sebagai sumber makanan untuk organisme lain. Autotrof mampu mengubah sumber energi abiotik seperti cahaya menjadi energi lain yang tersimpan dalam senyawa organik kompleks.

Pada reaksi fotosintesis, CO₂ direduksi menjadi glukosa, selanjutnya disintesis menjadi karbohidrat pati dan serat. Pati disimpan pada organel vakuola, sebagai cadangan makanan dan sumber karbohidrat bagi hewan dan manusia. Selama metabolisme aerobik, O₂ yang dilepaskan dari fotosintesis digunakan untuk mengoksidasi karbohidrat menjadi CO₂, mengemudi proses biosintesis biomolekul, kontraksi otot, pembelahan sel dan saraf konduksi. Jika proses fotosintesis berhenti!, maka akan terjadi kelangkaan pada bahan makanan dan sumber oksigen di Bumi. Akibatnya banyak organisme punah dan Bumi hanya berupa batuan kering.

Faktor laju reaksi pada fotosintesis

Laju reaksi pada fotosintesis dapat didefinisikan sebagai laju berkurangnya konsentrasi CO₂ dan H₂O dan laju bertambahnya konsentrasi glukosa dan O₂ yang diproduksi. Reaksi fotosintesis yang melibatkan cahaya atau fotokimia menunjukkan adanya laju reaksi. Tentunya terdapat faktor yang mempengaruhi cepat atau lambatnya fotosintesis, yang dikenal sebagai “limiting factor” atau faktor pembatas.

Adapun faktor yang mempengaruhi laju reaksi fotosintesis yaitu; 

1. Konsentrasi reaktan CO₂ dan H₂O

Karbon dioksida (CO₂) digunakan sebagai sumber karbon dalam membentuk molekul organik glukosa pada fotosintesis. Semakin meningkatnya kadar CO₂, umumnya menyebabkan peningkatan laju fotosintesis. Namun, jika berlebihan maka akan mencapai titik jenuh (saturation point) atau laju reaksi menjadi konstan (Gambar 3). 

Kekurangan air (H₂O) atau kekeringan pada tumbuhan menyebabkan stomata daun tertutup. Akibatnya terhambat penyerapan CO₂ sehingga mengurangi laju fotosintesis. 

2. Intensitas cahaya

Intensitas cahaya secara langsung mempengaruhi laju fotosintesis dengan menyediakan energi untuk berjalannya proses. Tingkat cahaya yang lebih tinggi umumnya menyebabkan peningkatan laju fotosintesis mencapai mencapai titik jenuh atau konstan (Gambar 3).

3. Suhu

Suhu mempengaruhi laju fotosintesis melalui aktivitas enzim. Enzim-enzim yang bekerja dalam proses fotosintesis hanya dapat bekerja pada suhu optimal (Gambar 3). Umumnya laju fotosintesis meningkat seiring dengan meningkatnya suhu hingga batas toleransi enzim.

Pengaruh krisis iklim pada laju reaksi fotosintesis

Saat ini Bumi mengalami krisis iklim yang ditandai dengan, hujan yang berkepanjangan dan suhu yang semakin meningkat. Terjadinya perubahan iklim disebabkan oleh pemanasan global yang sudah tidak dapat dinetralisir hingga masuk ke tahapan krisis. Pemanasan global terjadi akibat konsentrasi gas rumah kaca yang terus meningkat dan terjebak di atmosfer. Gas rumah kaca diantaranya adalah CO₂, H₂O, CH₄, CCl₄, NO₂, SO₂ dan lainnya. Panas matahari yang masuk Bumi tidak dapat dikeluarkan karena terabsorbsi oleh CO₂ di atmosfer, sehingga terjadi pemantulan panas pada ozon.

Krisis iklim memiliki dampak signifikan pada proses fotosintesis seperti kenaikan suhu, kekurangan air, dan peningkatan CO₂. Dampak ini sangat mengkhawatirkan karena fotosintesis adalah proses penting dalam menjaga keseimbangan ekosistem dan mengurangi pemanasan global. Adapun beberapa alasan mengapa krisis iklim mempengaruhi fotosintesis diantaranya seperti: 

1. Peningkatan kadar CO₂

Meskipun laju fotosintesis meningkat, peningkatan kadar CO₂ dapat menurunkan konsentrasi nutrisi penting seperti protein (N), zinc (Zn), magnesium (Mg), Kalium (K) dan zat besi (Fe) pada tanaman pangan. Hal ini berisiko mempengaruhi kualitas gizi global. Banyaknya sumber karbon menyebabkan tumbuhan mengalami kelebihan pembentukan glukosa. Akibatnya terdapat kelebihan cadangan makanan dan terjadi penurunan konsentrasi nutrisi lainnya.

Selain itu semakin banyak kadar CO₂, ditambah dengan menurunnya jumlah tumbuhan dapat terjadi ketidak seimbangan pada reservoir karbon. Reservoir karbon merupakan istilah pada sistem lingkungan yang bertindak sebagai penyimpan karbon. Tumbuhan, terutama pohon atau hutan dapat menyimpan karbon dalam jumlah besar. Dimana karbon tersimpan dalam bentuk karbohidrat pati dan serat. Namun, semakin banyak kadar CO₂ di lingkungan menyebabkan fungsi fisiologis pada stomata daun tidak berfungsi, akibatnya tidak terjadi fotosintesis. 

2. Peningkatan curah hujan 

Curah hujan yang meningkat, tentunya menandakan semakin banyak air yang jatuh ke Bumi. Air yang semakin banyak terserap oleh tumbuhan dapat menyebabkan efek osmosis. Dimana konsentrat tinggi pada cairan sel tumbuhan keluar. Konsentrat tersebut tentunya mengandung banyak nutrien seperti mineral. Akibatnya tumbuhan kekurangan mineral. Saat tumbuhan mengandung banyak air di jaringannya, maka stomata akan terus terbuka guna mengurangi air tersebut. Hal ini memicu semakin banyaknya CO₂ masuk dalam tanaman dan terjadi penumpukkan karbon. Selain itu, juga menyebabkan pembusukan pada akar akibat lembabnya kondisi tanah. 

3. Peningkatan suhu dan intensitas cahaya

Krisis iklim diketahui disebabkan karena meningkatnya gas rumah kaca seperti CO₂, H₂O, CH₄ dan CCl₄. Keberadaan gas rumah kaca menyebabkan suhu bumi yang semakin panas. Peningkatan suhu lingkungan tentunya didasari dengan besarnya intensitas dari cahaya matahari. Enzim yang terlibat dalam proses fotosintesis bekerja optimal pada suhu tertentu, umumnya 25-35^oC. Kenaikan suhu (>40^oC) akibat perubahan iklim dapat mengganggu enzim-enzim ini, sehingga mengurangi efisiensi fotosintesis. 

Cahaya matahari yang masuk ke Bumi saat ini sudah tidak difilter. Hal ini disebabkan oleh rusaknya lapisan ozon. Cahaya matahari yang masuk ini tentunya menyebabkan intensitas cahaya yang semakin besar. Intensitas cahaya matahari umumnya mempengaruhi jumlah kloroplas yang aktif. Semakin banyak kloroplas yang aktif, maka proses fotosintesis dapat terjadi secara efisien. Namun, intensitas cahaya yang besar akan menyebabkan stomata terus terbuka. Akibatnya tumbuhan mengalami kekeringan dan kerusakan pada klorofil yang ditandai dengan daun berwarna kuning.

Fotosintesis atau reaksi fotokimia merupakan salah satu proses penting dalam siklus karbon Bumi. Laju fotosintesis ditentukan oleh konsentrasi reaktan, intensitas cahaya, dan suhu optimal enzim. Namun, adanya krisis iklim akibat pemanasan global memiliki dampak yang serius pada fotosintesis. Dampak tersebut yaitu peningkatan CO₂ yang menurunkan kualitas nutrisi tanaman, curah hujan berlebih dapat merusak akar, dan suhu tinggi yang mengganggu enzim fotosintesis. Jika proses fotosintesis terganggu, maka keseimbangan ekosistem dan ketersediaan makanan dan oksigen terancam sehingga memperburuk kondisi Bumi.

Referensi

Arohmawati, A., Sujarwo, S., dan Safitri, D., 2024, Krisis Iklim yang Menyebabkan Kerugian di Berbagai Negara, Triwikrama, 3(10), 1-7. 

Atkins, P., de Paula, J., and Keeler, J., 2010, Atkin’s Physical Chemistry, 9th edn, Oxford University Press, Oxford.

Bassham, J. Alan and Lambers,. Hans (2024, September 20^th). Photosynthesis. Encyclopedia Britannica. https://www.britannica.com/science/photosynthesis 

Purba, E., dan Khairunisa, A.C., 2012, Kajian Awal Laju Reaksi Fotosintesis untuk Penyerapan Gas CO₂ menggunakan Mikroalga Tetraselmis Chuii, Jurnal Rekayasa Proses, 6(1), 7-13.  

Sari, M.K., dan Purnamasari, R.A., (2024, September 20^th), Dua Sisi Sistem Pangan Indonesia: Penyebab atau Pencegah Krisis Iklim, labbelajaribu.org. https://labbelajaribu.org/2024/07/25/dua-sisi-sistem-pangan-indonesia-penyebab-atau-pencegah-krisis-iklim/ 

Sperry, J.S., Venturas, M.D., Todd, H.N., Trugman, A.T., Anderedd, W.R.L., Wang, Y., and Tai, X.,  2019. The Impact of Rising CO₂ and Acclimation on The Response of US Forests to Global Warming, Proc. Natl. Acad. Sci. USA., 116(51): 25734-25744. 

Urry, L.A., Cain, M.L., Wasserman, S.A., Minorsky, P.V., and Orr, R.B., 2021, Campbell Biology, 12th edn, Pearson, USA. 

Yustiningsih, M., 2019, Intensitas Cahaya dan Efisiensi Fotosintesis pada Tanaman Naungan dan Tanaman terpapar Cahaya Langsung, BIOEDU, 4(2), 43-48.

Ditulis oleh : Meidita Kemala Sari, Nia Amelya dan Firja Utami