Kesuburan Tanah biologi93 (4) NITROGEN Semester Genap 2006/2007 PS 46/4: Senin 10.50-12.30; R. Tanah Bawah (4) NITROGEN biologi93

SOIL “I am soil; look at me, smell me, touch me, feel me, walk on me with your bare feet, sing and dance on me, observe me closely as a living, changing, vital link, in a vast ancient web, intricate and delicate, of which you are part, I am soil; nurture me, plant in me, shelter me with trees, rescue me where, I am thin and worn, but above all, teach your children to know me, and to value me” Sheilla Weaver-Cambridge

NITROGEN (N): 1-5% Digunakan dalam jumlah besar, melebihi unsur lainnya Fungsi dalam tanaman Komponen molekul klorofil Komponen asam nukleat (DNA dan RNA) Terus menerus digunakan karena penggunaan protein Bentuk diserap tanaman Nitrat (NO3-) dan Amonium (NH4 +) Dalam tanaman bersifat mobil (mudah bergerak)

Defisiensi / Kekahatan Gejala Tanaman menjadi kerdil dan/atau menjadi kuning pada daun yang tua N bersifat mobil dalam tanaman, jadi daun baru dapat tetap hijau Kelebihan N menghambat pemasakan, tanaman sukulen dan mudah terserang hama-penyakit

Kehilangan N tanah Pencucian NO3- -- penting pada tanah berpasir di Indonesia. Denitrifikasi – kehilangan N pada kondisi tergenang (tdak ada O2) NO3- => NO2- => N2 Disebabkan oleh mikroorganisme anaerobik Volatilisasi – N hilang dalam bentuk gas, masalah tanah berpasir Urea

Siklus Nitrogen Nitrogen berada dalam bentuk gas dinitrogen (N2), nitrogen organik (dalam tanaman, hewan, biomasa mikroba, dan bahan organik tanah), ion amonium (NH4+) dan nitrat (NO3-) Pool Kisaran ukuran (g N/m2) N2 (dinitrogen) 1.150 (230-27,500) N organik 725 (100-,3000) N tanaman 25 (1-240) NH4+ (amonium) 1 (0,1-10) NO3- (Nitrat) 5 (0,1-30)

Diagram siklus nitrogen yang menggambarkan ‘pool’ utama (dalam lingkaran) dan proses transformasi (garis)

N Organik Tanah Bentuk Nitrogen Keterangan Kisaran (% N tanah) N –tidak larut asam Sebagian besar N aromatik. 10-20 N-amonia NH4+ dapat ditukar plus N amida. 20-35 N-asam amino N protein, N peptida, dan N amino bebas. 30-45 N- gula amino Dinding sel mkroba. 5-10 N-tidak dikenal yang dapat dihidrolisis Tidak diketahui tetapi mengandung N -amino N dari arginine, tryptophan, lusine dan proline.

Nitrogen Anorganik Tanah Senyawa Formula Bentuk dalam tanah Ciri utama Amonium NH 4+ Dijerap liat, larut, NH3 Kation, agak tidak mobil, menguap dalam bentuk NH3 pada pH tinggi Hidroksilamina NH2OH Tidak diketahui Hasil antara dalam oksidasi NH3 Dinitrogen N2 Gas Pool N terbesar, tidak larut, susbtrat untuk fiksasi N2, produk akhir nitrifikasi Nitro Oksida N2O Gas, terlarut Gas rumah kaca, sangat larut, hasil antara denitrifikasi, hasil samping nitrifikasi Nitrik Oksida NO Reaktif secara kimia, hasil antara denitrifikasi, hasil samping nitrifikasi Nitrit NO2- Terlarut Biasanya dijumpai pada konsentrasi rendah, beracun, hasil oksidasi NH3 , substrat oksidasi NO2-, hasil antara denitrifikasi Nitrat NO3 - Anion, mobil, mudah tercuci, diasimilasi tanaman dan mikroba. Hasil akhir nitrifikasi, susbtrat denitrifikasi

Transformasi Nitrogen Mineralisasi: perubahan N organik menjadi nitrogen anorganik, baik amonium dan nitrat, tetapi kadang-kadang dinyatakan untuk produksi amonium saja: melalui 3 tahap Aminisasi, amonifikasi, nitrifikasi Imobilisasi:konversi amonium menjadi nitrogen organik, sebagai akibat dari asimilasi amonium oleh biomasa mikroba. Denitrifikasi: proses reduksi nitrat menjadi gas nitrogen, terutama dalam bentuk dinitrogen dan nitro oksida

Mineralisasi Nitrogen AMINISASI Protein R-NH2 CO2 Energi + AMONIFIKASI HOH NH3 NH4+ OH- mineralisasi terjadi dalam tiga tahap - aminisasi, amonifikasi dan nitrifikasi NITRIFIKASI 2NH4+ + 3O2 2NO2- Nitrosomonas 2H2O 4H+ Nitrobacter O2 2NO3-

Nitrifikasi Nitrifikasi adalah oksidasi amonium menjadi nitrat yang dilakukan oleh organisme tanah. Proses berlangsung dalam dua tahap: Tahap pertama: amonium dioksidasi menjadi nitrit dilakukan oleh bakteri pengoksidasi amonum dari genus “Nitroso” (a.l Nitrosomonas) Tahap pedua: nitrit dioksidasi menjadi nitrat oleh bakteri pengoksidasi nitrit dari genus “Nitro” (a.l Nitrobacter). 2NH4+ + 3O2 2NO2- Nitrosomonas 2H2O 4H+ Nitrobacter O2 2NO3-

Faktor yang mempengaruhi Nitrifikasi Populasi Bakteri Nitrifikasi: Pada kondisi optimum, diperlukan 3 x 105 bakteri/g tanah untuk kecepatan nitrifikasi 1 mg N/kg tanah per hari. Aerasi tanah: Pada beberapa jenis tanah, nitrifikasi berjalan optimum jika tanah pada kondisi kapasitas lapangan atau 60% pori terisi air. Ketersediaan substrat: Pada kondisi aerob, faktor yang paling mempengaruhi nitrifikasi adalah ketersediaan amonium. pH tanah: Nitrifikasi berjalan lambat pada pH dibawah 4,5. Pada pH tinggi, nitrit bisa terakumulasi

Dinamika Nitrat dalam Tanah Nitrat mudah tercuci dari tanah karena bermuatan negatif. Jika nitrat tercuci, biasanya disertai dengan sejumlah kation lainnya seperti K+ dan Ca2+. Nitrat yang tercuci akan memasuki air tanah dan air permukaan yang menyebabkan pencemaran lingkungan. Nitrat dapat diasimilasi (imobilisasi) oleh tanaman dan mikroorganisme. Nitrat dapat direduksi menjadi nitrit (denitrifikasi) pada kondisi anaerob

Reaksi N anorganik dalam tanah Amonium - NH4+ - kation yang dijerap olehj kompleks pertukaran dalam tanah (BO dan liat). Tahan pencucian selama dalam bentuk NH4+ . Tapi, pada kondisi tertentu amonium dikonversi menjadi nitrat. Nitrat - NO3- - anion dan tidak dijerap dan bergerak dalam air tanah; dapat tercuci menyebabkan kehilangan N tanah dan masalah pencemaran lingkungan air

Denitrifikasi proses reduksi nitrat menjadi gas nitrogen, terutama dalam bentuk dinitrogen dan nitro oksida 2NO3- + 5 H2 + 2 H+  N2 + 6 H2O dilakukan oleh bakteri denitrifikasi yang didominasi oleh genus Pseudomonas

Fiksasi Nitrogen Secara Biologi Secara Fisikokimia Fiksasi N simbiosis- mikroorganisme yang tumbuh berasosiasi dengan tanaman, keduanya memperoleh manfaat . Fiksasi N non-simbiosis- bakteri dan ganggang hijau biru yang hidup bebas dalam tanah Secara Fisikokimia Oksidasi alami – panas petir mengkombinasikan N2 dan O2. Dibawa ke tanah oleh hujan atau salju Industri – pabrik pupuk N2 + 3H+ ==> 2NH3 Nitrogen dari udara Hidrogen dari gas alam – harga minyak bumi mempengaruhi harga pupuk

Fiksasi N secara Biologi (FNB) merupakan proses biologi kedua terbesar setelah fotosintensis. dapat memberikan sumbangan nitrogen pada ekosistem sebesar 140 x 106 ton nitrogen; dari pupuk buatan yang hanya sebesar 40 x 106 ton. dilakukan oleh berbagai genus bakteri, sianobakteri, dan aktinomisetes. Organisme pemfiksasi nitrogen dapat hidup bebas (tidak bersimbiosis) dan dapat bersimbiosis dengan organisme, tanaman dan hewan.

Bintil (nodul) akar legum Bintil (nodul) Batang pada (a) Sebania rostrata, dan (b) Aeschynomene afraspera

Komplek Enzim Nitrogenase Fiksasi N secara biologi dilakukan oleh komplek enzim nitrogenase, yang terdiri dari dua komponen protein, protein molibdenum-besi (MoFe protein) yang disebut dinitrogenase, protein besi (Fe protein) yang disebut dinitrogen reduktase. komplek enzim nitrogenase memerlukan Mg2+ untuk bisa aktif mengkonversi ATP menjadi ADP, mereduksi N2 dan mereduksi H+ menjadi H2 meskipun ada N2. Komplek enzim nitrogenase dapat rusak oleh oksigen.

Komplek enzim nitrogenase

Beberapa Organisme Hidup Bebas Pemfiksasi N2 (non simbiotik) Genus Bakteri Azotobacter Aerob Azomonas Beijerinckia Fakultatif Klebsiella Bacillus Enterobacter Citrobacter Mikroaerofil Xantbobacter Tbiobacillus Azospirillum Anaerob Clostridium Desulfovibrio Sianobakteri Fototrof Anabaena (aerob) Nostoc

Beberapa Organisme Pemfiksasi N2 secara simbiosis Rhizobium R. leguminosarum R. loti R. tropici R. galegae R. huakuii R. mediterraneum Sinorhizobium S. meliloti S. fredii S. sabeli S. teranga Bradyrhizobium B.japonicum B. elkanii Azorhizobium A. cautinodans

Metode Perbedaan N (N-difference method) Pengamatan Fiksasi N2 Metode Perbedaan N (N-difference method) membandingkan hasil dan kandungan nitrogen tanaman yang ditumbuhkan dengan dan tanpa bakteri pemfiksasi N2. Metode Isotop Stabil 15N Metode terbaik untuk pengamatan fiksasi N2. Kultur bakteri atau jaringan tanaman diinkubasikan kondisi atmosfer yang diperkaya dengan 15N2. Setelah beberapa waktu N dalam bahan biologi dipurifikasi dengan digestion dan destilasi, dan proporsi atom 15N yang ada ditetapkan dengan menggunakan mass spectrometry

Acetylene Reduction Assay (ARA) Pengamatan Fiksasi N2 Acetylene Reduction Assay (ARA) Reaksi reduksi N2 menjadi amonia adalah: N2 + 8H++ 8e-  2NH3 + H2. Konversi acetylene menjadi ethylene terjadi melalui reaksi: C2H2 + 2H+ + 2e-  C2H4 Reduksi N2 memerlukan delepan elektron, sedangkan reduksi acetylene memerlukan dua elektron. Jadi, reduksi empat molekul acetylene sama dengan reduksi satu molekul N2

Fiksasi N2 secara simbiosis lainnya Frankia dan Simbiosis Aktinoriza Frankia adalah aktinomisetes yang membentuk aktinoriza, yaitu bintil fiksasi N2 pada berbagai jenis angiosperma Simbiosis Azolla / Anabaena Azolla dipertahankan pada aliran air yang lambat atau dalam petak persemaian tanaman padi yang kemudian dibenamkan sebelum tanaman bibit padi dipindahkan ke lahan penggunaannya memerlukan biaya tinggi untuk penyimpanan, propagasi dan penyebaran di lapangan, serta masalah hama dan penyakit