Ion Hidrogen dan elektron (e-) adalah dua variabel yang penting dalam aturan-aturan kimia.  Ketersediaan H+ dan e, sendiri maupun secara bersama, sering menentukan secara langsung, kelajuan dan produk akhir reaksi-reaksi organik maupun anorganik.

Semua elemen kimia dapat bertindak sebagai akseptor maupun donor elektron pada reaksi oksidasi-reduksi dalam kondisi yang sesuai.  Oksidasi adalah kehilangan elektron dari suatu zat, sementara reduksi adalah pengambilan elektron.  Peristiwa oksidasi-reduksi selalu terjadi secara bersamaan,  sebab suatu zat hanya dapat melakukan donasi elektron jika zat lain menerima elektronnya.  Kondisi dan sifat kimia tanah akan membatasi jumlah elemen yang terlibat pertukaran elektron secara alami.  Jumlah yang relatif  kecil dari elemen-elemen yang mengalami pertukaran elektron-elektron adalah sangat penting, didalamnya termasuk karbon, nitrogen dan sulfur yang terlibat dalam reaksi-reaksi.

Banyak reaksi-reaksi kimia tanah anorganik yang sebenarnya adalah reaksi-reaksi biologis yang melibatkan karbon, nitrogen dan sulfur dan semuanya tergolong reaksi oksidasi-reduksi.   Sebagian dari reaksi redok adalah transfer H+,  arti yang sebenarnya dari H+ versus e dalam reaksi kimia tanah sebagian besar adalah bergantung atas keahadiran atau adanya oksigen.  Oksigen sebagai akseptor elektron utama, yaitu sebagai agen pengoksidasi utama oleh karena itu dialam oksigen adalah sebagai penyangga elektron.  Ketersediaan elektron (e) adalah agak tetap pada kondisi aerobik tanah,  dimana kehadiran oksigen selanjutnya menjadikan e tidak begitu signifikan dibandingkan dengan pentingnya H+ (donor elektron).

Oksigen secara umum menyediakan untuk pertumbuhan akar tanaman, mikroba tanah, dan zat-zat anorganik dalam drainase tanah.  Oksigen berdifusi kebawah dari permukaan tanah melalui pori-pori tanah.  Sampai tanah menjadi sangat basah,  laju oksigen biasanya cepat.  Air mengisi pori-pori kecil pertama, meninggalkan pori-pori yang lebih besar dan terbuka untuk transfer gas.  Jika pori-pori besar merata diseluruh permukaan tanah,  difusi oksigen hanya memerlukan jarak yang pendek melalui larutan tanah ke akar dan mikroorganisme.  Jarak ini sangat berpengaruh dan dianggap penting, meskipun difusi melalui fase gas 10.000 kali lebih cepat dibandingkan dengan fase cair.

Jika jalur difusi yang melalui besarnya larutan tanah sangat panjang, ini akan menyebabkan akar dan mikroba akan kekurangan suplai oksigen.  Bahkan lapisan tipis (thin film) pada air dapat menghalangi difusi oksigen,  terutama ketika mikroorganisme secara aktif mengkonsumsi oksigen.  Mikroba dan akar mengkonsumsi oksigen untuk metabolisme, atau memperoleh energi dari molekul organik dalam tanah dan pada akar.  Kondisi anaerobik, tidak tersedianya oksigen dalam bentuk bebas akan memperlambat tingkat metabolisme akar dan serapan ion.  Melemahkan akar terhadap pathogen tanah, dan meningkatkan konsentrasi ion,  mengurangi reduksi dalam tanah dalam larutan tanah.

Karbondioksida (CO2) terebentuk ketika oksigen menerima elektron dari tanaman dan mikroorganisme.  CO2 berdifusi dengan cara yang sama sepertihalnya oksigen menuju ke tempat reaksi.  Jika difusi lambat, konsentrasi CO2 dan H2CO3 akan meningkat, bersama dengan peningkatan keasaman organik tanah,  dan kisaran pH akan menjadi sempit.

Sebagian besar menganggap, bahwa ketidakhadiran oksigen akan menjadi tidak biasa, karena lingkungan manusia yang terbatas pada kondisi aerobik dan ketersediaan oksigen yang melimpah dilingkungan.  Manusia  membutuhkan oksigen sepertihalnya pada tanaman dan mereka selalu bergantung, kondisi aerobik   sebenarnya adalah kondisi yang kecil,  namun sekitar 70% dari permukaan bumi adalah air yang terttutup dan lingkungan yang relatif miskin oksigen.  Selain itu,  banyak dari permukaan tanah tergenang atau sangat basah pada musim-musin tertentu atau sepanjang tahun.  Banyak sub tanah telah membatasi drainase air dan konsentrasi oksigen yang rendah,  dan interior pori-pori agregat tanah dapat memiliki konsentrasi oksigen yang cukup rendah daripada di atmosfir.

Pertanian juga telah berpengaruh dalam perubahan kemampuan tanah untuk suplai oksigen.  Irigasi, budidaya, jenis tanaman,  populasi tanaman,  usia tanaman yang lebih pendek atau perubahan kadar air tanah.  Sebagai contoh adalah areal pertanian jagung di Midwest – Amerika Serikat,  yang melakukan (treatment) perlakuan dengan menghilangkan air yang terakumulasi selama musim pertumbuhan dan mengurangi ketersediaan oksigen. Tanaman yang dibudidayakan menjadi kurang padat, dan memiliki musim tumbuh yang yang lebih pendek dari tanaman pendamping (tanaman liar, rumput dan sebagainya).  Budidaya dalam bidang pertanian juga dapat menghancurkan pori-pori besar tanah dimana gas dan air cepat terbuang.

Oksidasi – Reduksi Tanah

Reaksi redoks dalam lingkungan tanah adalah hasil dari siklus yang dimulai dari fotosintesis.  Reaksi-reaksi dalam tanah melengkapi siklus tersebut, karena telah memanfaatkan energi yang disimpan oleh fotosintesis, membuang limbah organik, dan menghasilkan CO2 yang dibutuhkan untuk fotosintesis tambahan.  Peristiwa oksidasi tanah  sering terjadi secara tidak langsung,  bagaimanapun, telah banyak menyebabkan bagian-bagian reaksi hingga siklus selesai.  Didalam peristiwa fotosintesis karbon (C) dalam CO2 menerima elektron, yang selanjutnya terjadi perubahan bilangan oksidasi dari C4+ ke C0 dalam karbohidrat ((CH2O)n) ;

CO2 + 4e + 4H+ –>  CH2O + H2O                                                      (10.1)

Setengan reaksi digambarkan pada oksidasi oksigen dalam air (H2O), dimana O2- menjadi O0 dalam O2.

2H2O  –>  O2 + 4e + 4H+                                                                (10.2)

Oksigen dalam hal ini sebagai donor elektron, dan karbon sebagai akseptor elektron.  Dalam fotosintesis (persamaan reaksi 10.1 dan 10.2) masing-masing menggambarkan hanya setengah reaksi, atau disebut setengah reaksi.  Meskipun dalam persamaan tersebut menyiratkan adanya elektron bebas, konsentrasi elektron bebas sebenarnya makin kecil.  Persamaan setengah reaksi sebenarnya menyiratkan bahwa donor elektron tidak ditentukan oleh akseptor yang ada.  Keseluruhan reaksi fotosintesi digambarkan sebagai berikut ;

CO2 + H2O –>  CH2O +O2                                                                 (10.3)

Setengah reaksi lainnya dari siklus karbon adalah reaksi oksidasi karbohidrat (respirasi) dan banyak senyawa-senyawa organik disintesis dari peristiwa respirasi.  Oksidasi melepaskan energi dalam senyawa, oksidasi adalah peristiwa pembakaran, yang merupakan bagian penting juga yang terjadi pada hewan yang hidup pada tanaman.  Sisa tanaman dan residu hewan jatuh ke tanah yang selanjutnya dioksidasi oleh mikroorganisme tanah.  Setengah reaksi oksidasi karbohidrat ditunjukkan oleh reaksi berikut ini ;

CH2O  +  H2O  –>  CO2  + 4e + 4H+                                                  (10.4)

Dalam kegiatannya untuk memperoleh energi ini dan melaksanakan setengah reaksi,  organisme harus menemukan akseptor elektron untuk untuk mengambil elektron,  jika oksigen hadir maka setengah reaksi dari penerimaan elektron ini adalah ;

O2  +  4e + 4H+ –> 2H2O                                                                (10.5)

Peristiwa oksidasi yang ditunjukkan pada persamaan (10.4) sebenarnya dilakukan melalui langkah-langkah krebs atau siklus asam sitrat,  sedangkan persamaan (10.5) adalah penyederhanaan dari proses yang sesungguhnya.

Tumbuhan tingkat tinggi dan hewan hanya dapat menggunakan oksigen (O2) sebagai akseptor elektron,  tetapi mikroba tanah juga dapat memanfaatkan keadaan teroksidasi nitrogen, belerang, besi, mangan, dan elemen lainnya.  Jumlah akseptor elektron dalam beberapa kondisi menjadikan peristiwa oksidasi adalah reaksi yang rumit dalam kimia tanah maupun dalam biokimia.

Reaksi rodoks yang melibatkan karbon, nitrogen, dan belerang ditentukan terutama oleh ketersediaan elektron dan biasanya dikatalisis oleh enzim.  Katalis diperlukan karena kebanyakan terjadi pertukaran elektron unsur.  Enzim menurunkan energi aktivasi transfer elektron dan meningkatkan laju reaksi.  Ini merupakan yang dihindari untuk mencapai keseimbangan, atau sebaliknya dalam menciptakan metastabilitas senyawa karbon.

Donor  Eleketron

Sebagian besar dari donor-donor elektron didalam tanah adalah material tanaman SOM (soil organic matter).   Tabel 10.1  menunjukkan perkiraan karbon, hydrogen, dan oksigen yang terkandung dalam dua komponen besar pada tanaman, yaitu lignin dan sellulosa, yang menunjukkan tipikal bahan organik (SOM).  Pada tabel tersebut, diabaikan besarnya kandungan untuk nitrogen, sulfur, dan dan elemen-eleman lainnya.  Anggapan bahwa material tanaman mengandung  1/3 lignin dan 2/3 selulosa,  rumus empiris material tanaman adalah sekitar C1.7H2.2O.  lebih lanjut, bahwa semua asumsi karbon dalam bahan ini mengoksidasi C4+ (bilangan oksidasi karbon dalam CO2).  Persamaan setengah reaksinya adalah ;

C1.7H2.2O  –> 1.7C4+ + H2O + 0.2H++7e                                            (10.6)

Tabel  10.1

Perkiraan kandungan unsur C, H dan O pada lignin, selulosa dan tanah bahan organik  (SOM).

  C (%) H (%) O (%) Rumus Empiris
Lignin 61-64 5-6 30 C2.8H2.9O
Selulosa 44.5 6.2 49.3 C1.2H2O
Bahan Organik Tanah (SOM) 58 5 36 C2.2H2.2O

Rumus empiris bahan organik tanah (SOM) pada tabel 10.1, menunjukkan adanya kandungan yang melimpah untuk karbon pada material tanaman.  Grup karbon yang terbentuk pada tanah bahan organik (SOM) (gambar 5.5) cenderung lebih aromatik, dan kurang kaya akan kandungan oksigen dari material tanaman.  Perkiraan setengah reaksi oksidasi pada tanah bahan organik (SOM) :

C2.2H2.2O  –>  2.2C4+ + H2O + 0.2H++9e                               (10.7)

Persamaan reaksi lengkap untuk oksidasi bahan organik tanah dari persamaan (10.6) dan (10.7) adalah ;

CH2O +  O2  –> CO2 + H2O + Energi                                       (10.8)

Energi yang dilepaskan adalah energi fotosintesis dari molekul karbohidrat.  Donor elektron lainnya dalam tanah disamping karbon-organik, termasuk juga nitrogen dan sulfur/belerang dalam asam amino (-NH3) dan grup sulfihydril (-SH),  serta ion ammonium dalam bahan organik.  Mikroorganisme tanah membuat donor elektron lain ketika tanah mengalami kekurangan oksigen.

Akseptor  Elektron

Peran tanah dalam reaksi oksidasi-reduksi adalah untuk menyediakan akseptor elektron untuk oksidasi senyawa organik.  Oksigen adalah akseptor elektron terkuat dialam sehingga menghasilkan energi yang besar dalam peristiwa oksidasi.  Oksigen juga merupakan akseptor elektron yang dimanfaatkan oleh akar tanaman.  Ketika oksigen tersedia (kondisi aerobik), ia menerima elektron seperti diperlihatkan pada persamaan  10.5.

Permintaan oksigen yang tinggi biasanya disebabkan oleh adanya senyawa organik yang mudah terdekomposisi dan kondisi pertumbuhan yang mendukung aktivitas mikroba.  Karena jumlah yang besar dari mereka dan aktivitas yang cukup,  mikroorganisme tanah biasanya mendapatkan perubahan pertama pada oksigen yang tersedia di tanah.  Ketika permintaan oksigen tinggi, relatif terhadap suplai oksigen hal ini bisa terjadi karena digunakan untuk dekomposisi sampah-sampah organik.  Karena difusi oksigen relatif lambat, fermentasi terjadi dan menghasilkan gas CO2, CH4, H2 serta bau busuk dari asam-asam organik volatile dan aldehida.  Kelarutan oksigen dalam air rendah (sekitar 10 mg L-1 pada 25oC).

Kebutuhan oksigen tanah dapat menguras oksigen yang terlarut dalam tanah yang tergenang air dalam waktu kurang dari 24 jam.  Jika oksigen tidak tersedia,  mikroorganisme tanah dapat menggunakan akseptor elektron lainnya.  Akseptor elektron sekunder pada tanah ditunjukkan oleh setengah reaksi berikut ini :

FeOOH + e + 3H+ –> Fe2+ + 2H2O                                                   (10.9)

2MnO1.75 + 3e + 7H+ –> 2Mn2+ +3.5H2O                                          (10.1)

Dimana MnO1.75 menandakan adanya kompleks oksida Mn(III-IV) dalam tanah.

SO42- + 8e + 8H+ –>S2-+4H2O                                                       (10.11)

NO3 + 5e + 6H+ –> ½ N2 +3H2O                                                    (10.12)

NO3 + 2e + 2H+ –> NO2+H2O                                                       (10.13)

N2O + 2e- + 2H+ –> N2 +H2O                                                          (10.14)

H+ + e –> ½H2                                                                            (10.15)

Selain dihasilkan energi yang kurang, akseptor elektron sekunder juga menghasilkan produk yang tidak menguntungkan untuk pertanian dan akuakultur.  Sering dinyatakan lebih beracun dari oksidasi yang stabil dengan adanya oksigen.  Sebagai contoh, ammonia dan nitrit lebih beracun daripada nitrat,  dan H2S adalah lebih beracun daripada sulfat.  Reduksi dari Fe(III) dan Mn(III-IV) dapat menyebabkan phytotoxic  Fe2+ dan konsentrasi Mn2+ yang terdapat dalam tanaman padi.  Reduksi dari NO3 ke gas N2 dan N2O adalah kondisi pertanian yang tidak diinginkan.  Karena  tanah akan kehilangan nitrogen.  Jika oksigen dan akseptor elektron sekunder tidak hadir,  mikroorganisme dalam tanah dan system lain masih dapat mengekstrak energi beberapa senyawa organik secara fermentasi. Fermentasi dari sudut pandang energi adalah penataan ulang molekul organik menjadi senyawa yang lebih stabil sehingga sebagian dari energi ikatan mereka dilepaskan.  Fermentasi karbohidrat menjadi etanol atau metana dan CO2, dan bahan tanaman untuk gambut,  melepaskan CO2 sekitar 10% dari energi.  Maka produk fermentasi (masing-masing etanol, metana, dan gambut)  mempertahankan sekitar 90% dari energi bahan asli.

Fermentasi dan reduksi akseptor elektron sekunder hanya expediencies sementara.  Produk yang dihasilkan tidak stabil dengan adanya oksigen dan akhirnya mengoksidasi lebih lanjut saat lebih banyak oksigen tersedia.  Bahan organik tanah adalah contoh akumulasi manfaat dari produk yang tidak stabil dari oksidasi lengkap atau fermentasi. Kandungan bahan organik tanah mencerminkan perbedaan antara tingkat penambahan bahan organik dan oksidasi.  Laju oksidasi diatur oleh suhu dan laju pasokan oksigen. (mahbub alwathoni, 2011 ; Henrich L. Bohn et al, 1985)