ALIRAN KARBON dan OKSIGEN O2 CO2 O2 CO2 CO2 CO2 O2 O2 CO2 CO2 CO2 CO2

. Oksigen

Aliran energi di dalam tanah terkait dengan proses dekomposisi bahan organik atau mineralisasi karbon Hanya dapat dipergunakan oleh organisme AUTOTROPH Tanaman Green non dan sulfur bacteria, purple non dansulfur bacteria, Cyanobacter, alga Bakteri Hydrogen sulfur, iron dan nitrifying

The Carbon Cycle

Bagaimana keterikatan antara karbon dan oksigen ? ALIRAN KARBON ALIRAN OKSIGEN Bagaimana keterikatan antara karbon dan oksigen ?

CO2 Fotosintesis khemosintesis O2 C-Organik Dekomposisi

CO2 + H2O (CH2O) + O2 (CO2) + H2O (CH2O) + O 2 FOTOSINTESIS RESPIRASI Tersimpan sebagai POLYSACCHARiDA RESPIRASI (CO2) + H2O (CH2O) + O 2

Karbon reservoir Reservoir Karbon (Gigaton) % total C di dalam bumi Ocean 38 x 103 (> 95% dalam bentuk C inorganik) 0.05 Rocks dan sedimen 75x108 (>80% dalam bentuk C inorganik) > 99.5 Teresterial biosphere 2x103 0.003 Aquatic biosphere 1-2 0.000002 Fossil fuels 4,2x 103 0.006 Methane hydrates 104 0.014 Science 290:291-295 (2000)

C pada Teresterial biosphere Bahan organik bukan makhluk hidup Termasuk HUMUS Makhluk hidup (tanaman pada hutan, padang rumput HUMUS : Bahan organik kompleks yang berasal dari bahan protoplasmik mikroorganisme tanah yang susah melapuk serta berasal dari tumbuhan yang susah melapuk

Decomposition

SYNTROPHY DAN METHANOGENESIS Methane, aliran karbon yang penting pada habitat ANOXIC Diproduksi dari proses METHANOGENESIS Dijalankan oleh mikroorganisme The Methanogens; domain Archaea CO2 + 4H2 ─── > CH4 +2H2O

Methanogens menggunakan CO2 sebagai terminal elektron akseptor pada kondisi anaerob, dan mereduksinya menjadi methane dengan H2 Hanya sedikit substrat lain yang seperti asetat yang dapat langsung diubah menjadi methane oleh methanogen. Untuk mengkonversi senyawa organik, methanogens harus bekerja sama dengan organisme lain sehingga dapat memperoleh substrat yang mereka perlukan. Kejadian ini disebut SYNTROPHY

KONSEP SYNTROPHY adalah Proses dimana 2 organisme atau lebih bekerja sama dalam merombak beberapa senyawa, untuk mendapatkan energi Senyawa BM besar (polysacharida, protein, lemak) Menjadi CH4 dan CO2, oleh berbagai organisme Contoh : sellulotik dimulai oleh bakteri sellulotik memecah ikatan molekul sellulosa dengan BM besar menjadi cellobiose (glukosa-glukosa) dan menjadi glukosa bebas. Kemudian Glukosa akan difermentasi oleh penfermentasi primer dan menghasilkan produk fermentasi seperti asetat, propionate, butirat, succinat, alkohol, H2 dan CO2.. Setiap H2 yang diproduksi akan langsung dikonsumsi oleh konsumen H2 seperti methanogens, homoacetogens, atau bakteri pereduksi S. Acetat akan diubah menjadi methane

PERANAN dari SYNTROPH Organisme yang menghasilkan bahan organik menjadi methane adalah penfermenter sekunder terutama pada fermentasi H2 menghasilkan asam lemak oleh bakteri syntrophik pengoksidasi Contoh : Syntrophomonas wolfei mengoksidasi C4 - asam lemak C8 menghasilkan asetat, CO2 dan H2. Spesies Syntrophomonas lainnya dapat menggunakan asam lemak – C18,termasuk beberapa asam lemak tak jenuh. Syntrophomonas wolinii mampu mengoksidasi propionat dan menghasilkan asetat, CO2 dan H2. Syntrophomonas gentiane mampu mendegradasi senyawa aromatik benzoat menjadi asetat, CO2 dan H2.

Kompleks polimer Monomer H2 + CO2 Asetat Asetat H2 + CO2 Asetat Selulosa, polisakarida lain, protein Bakteri selulotik dan bakteri hidrolitik hidrolisis Monomer Gula, asam amino H2 + CO2 Propionate Butyrate Succinate Alcohols Asetat Homo acetogens Acetogenesis Bakteri pengoksidasi fermentasi Asetat H2 + CO2 Asetat Methano gens H2 + CO2 PROSES DEKOMPOSISI ANOXIC

HABITAT dari METHANOGENS / ACETOGENIK Pada habitat yang anaerob, seperti rawa, lumpur, rumen hewan. Namun terdapat juga pada kondisi habitat aerob seperti tanah hutan dan tanah padangrumput (ingat ada microenvironment dalam tanah) sumber Emisi CH4 (1012/tahun) Biogenik Ruminansia 80-100 Rayap 25-150 Sawah 70-120 Lahan tergenang 120-200 Landfills 5-70 Danau dan lautan 1-20 tundra 1-5 Lahan tergenang > sawah > rayap > ruminansia

sumber Emisi CH4 (1012/tahun) ABiogenik Tambang batubara 10-35 Gas alam 10-30 Industri 15-45 Pembakaran 10-40 Methane hydrates 2-4 Gunung berapi 0,5 kendaraan TOTAL 350-820 Total biogenic 305-665 Total abiogenik 48-155 Data dari Tyler, S.C. 1991. Am.Soc.of microb.

Methanogens dapat hidup sebagai endosymbiont pada protozoa tertentu, termasuk pada amebas akuatik hidup bebas dan flagellata dalam usus ruminan. Mikroba simbiotik dalam rumen seperti Bacteriodes succinogenes & Ruminococcus albus salah satu bakteri sellulotik yang penting dalam rumen.  Methanobacterium ruminantium dan methanogens lainnya memproduksi CO2 & CH4

Pada rayap, methanogen berada dalam sel trichomonal protozoa yang mendiami hindgut dari rayap. Endosimbiotik ini bermanfaat bagi inangnya protozoa karena mampu mengkonsumsi H2 yang berasal dari fermentasi glukosa yang dilakukan oleh protozoa selulotik Methanogen yang bersimbiose dengan protozoa menyerupai sp berbentuk batang dari genus Methanobacterium atau Methanobrevibacter

Digestion of cellulose--Gut symbionts Termites Trichonymph digesting wood

Proses Methanogenesis vs Proses Acetogenesis Pada habitat seperti rumen, maka homoacetogens merupakan kompetitor yang lemah dengan methanogens sehingga methanogenesis yang dominan mengkonsumsi H2. Pada habitat seperti di hindgut dari rayap, acetogenesis merupakan proses yang diperhitungkan. Berdasarkan perhitungan energi, proses methanogenesis lebih menguntungkan daripada acetogenesis.

Proses Methanogenesis vs Proses Sulfidogenesis Acetogenesis ada disebabkan : i. Homoacetogens ada di usus dekat produksi H2 ii. Homoacetogens dapat hidup secara khemoorganotroph iii.Makanan alami rayap adalah kayu, kayu mengandung lignin dan selulosa. Hasil degradasi bahan ini menguntungkan bagi acetogenesis Proses Methanogenesis vs Proses Sulfidogenesis Methanogenesis dan Acetogenesis, dominan pada kondisi anoxic air tawar dan lingkungan teresterial daripada pada sedimen laut. Sehingga bakteri pereduksi S dominan pada sedimen laut yang kaya

Siklus karbon pada hewan ruminansia

Bahan makanan polisakarida tidak larut seperti sellulosa Mamalia sedikit memiliki enzim merombak sellulosa Mamalia hidup dari rumput dan dedaun Ukuran rumen sapi 100-150L, kambing 6L Kondisi rumen temp 390C dengan pH 6,5 Makanan dapat berada dalam rumen selama 9-12 hari, selama periode ini selulotik protozoa dan seluloti bakteri menghidrolisa selulosa menjadi disakarida sellobiose dan melepaskan glukosa. Glukosa yang dilepaskan akan difermentasi dan menghasilkan volatile fatty acids (VFAs), asetat, propionat,butirat dan gas CO2 dan CH4.

Asam lemak ini akan melewati dinding rumen masuk ke dalam aliran darah dan dioksidasi oleh hewan itu menjadi sumber energi Dalam rumen terdapat sekitar 1011-1012 bakteri/g cairan rumen Kebanyakan bakteri ini berasal dari bakteri yang melekat pada makanannya. Di dalam Abomasum bakteri ini terombak dan memberikan protein dan vitamin untuk tanaman Rumen bakteri (lihat tabel 19.6 hal 661 pada buku microbiology an introduction)

Protozoa dan Jamur dalam Rumen Rumen memiliki protozoa 106/mL Kebanyakan anaerob obligatif Protozoa tidak berperan langsung pada fermentasi di rumen, Namun beberapa mampu menghidrolisa selulosa dan zat tepung dan mefermentasi glukosa dengan produk asam organik yang sama seperti pada bakteri rumen Bakteri rumen juga dicerna dalam rumen protozoa sebagai sumber makanan serta mengontrol populasi bakteri dalam rumen Jamur juga memainkan peranan dalam rumen terutama dalam mendegradasi polisakarida selain selulosa seperti lignin, hemisellulosa,dan pektin