Dasar Ilmu Tanahsemester ganjil 2011/2012 (EHN & SIN)

Materi 11: Sifat Biologi Tanah (2):

Proses Biologi Tanah

Proses Biologi Tanah

Trasformasi Karbon

Transformasi Nitrogen

Fiksasi Nitrogen

TRANSFORMASI KARBON

Bagian 1

Siklus C

Sebagian besar kabon di bumi ini dalam

bentuk terikat (terutama dalam bentuk

karbonat), baik dalam batuan induk maupun

karbon fosil.

bahan organik tanah (BOT) merupakan

cadangan karbon global yang jumlahnya bisa

mencapai 2 kali di atmosfer.

perubahan pada pool BOT akan sangat

mempengaruhi kadar CO2 global.

Siklus C: fotosintesis menyebabkan asimilasi CO2 atmosfer yang diimbangi oleh dekomposisi sisa tanaman dan seresah, dan bahan organik tanah

Sumber C dalam Tanah

Sumber utama: CO2 atmosfer yang difiksasi oleh tanaman dan organisme fotoautotrof lainnya. CO2 atmosfer difiksasi menjadi bentuk karbon organik

penyusun jaringan tanaman melalui reaksi: CO2+H2O CH2O+O2.

Jaringan tanaman kemudian dikonsumsi oleh herbivora.

Sisa tanaman merupakan sumber karbon langsung untuk tanah, sedangkan tubuh hewan herbivora dan limbahnya merupakan sumber karbon yang tidak langsung.

Sumber C dalam Tanah

Sumber lain: bentuk hidrokarbon aromatik polisiklik dari pembakaran

bahan bakar fosil

bentuk produk industri seperti pestisida.

Pada ekosistem yang produktif, pergantian (turnover) karbon umumnya berjalan cepat. Misalnya, hutan tropika basah mempunyai poolkarbon tanah lima kali lebih besar daripada ekosistem pertanian.

Semakin tidak produktif suatu ekosistem semakin rendah kecepatan turnover karbon dalam tanah.

Bentuk Karbon Organik dalam Tanah

50% karbon organik dalam tanah berada dalam bentuk aromatik

20% berasosiasi dengan nitrogen

sekitar 30% berada dalam bentuk karbon karbohidrat, asam lemak, dan karbon alkan.

Secara sederhana karbon organik tanah dapat dikelompokkan menjadi 3 pool, karbon tidak larut (insoluble),

karbon larut (soluble),

karbon biomasa.

Dekomposisi Berbagai Bentuk Karbon

Organik dalam Tanah

tiga proses yang berkaitan

Pencucian / pelindian (leaching) senyawa mudah

larut

katabolisme (catabolisms) organisme perombak

pelumatan (comminution) bahan oleh fauna

tanah.

Faktor-faktor yang Mempengaruhi

Dekomposisi

Kualitas Bahan Organik

Komposisi kimia: N, C/N, P, C/P, Lignin, Polifenol,

Asam organik (fulvat, humat)

Fisik: kekerasan, kelenturan

Kondisi lingkungan

Iklim: curah hujan & kelembaban

Organisme perombak (decomposers)

Jenis, diversitas

Asesibilitas

Bahan Organik Tanah

BOT merupakan salah satu komponen tanah

yang sangat penting bagi ekosistem tanah

BOT merupakan sumber (source) dan

pengikat (sink) hara dan sebagai substrat

bagi mikroba tanah.

Bahan Organik Tanah

BOT kunci keberhasilan sistim pertanian berkelanjutan

Idealnya 2% BOT, tetapi umumnya < 2% (karena cepatnya proses dekomposisi).

Fungsi BOT penyedia unsur hara (via dekomposisi dan mineralisasi),

pemacu aktivitas organisme tanah memperbaiki agregasi tanah dan mengurangi resiko erosi,

pengikat unsur beracun pada tanah masam ( misal Al) meningkatkan kapasitas penyangga tanah; kaitannya dengan efisiensi penggunaan unsur hara (termasuk pupuk)

functional pool BOT

bahan organik tanah mudah dilapuk/labil (decomposable or labile),

bahan organik tanah sukar dilapuk (resistant),

decomposable BOT

bahan organik tanah mudah dilapuk/labil (decomposable or labile), bahan yang paling labil: sel tanaman seperti

karbohidrat, asam amino, peptida, gula amino, dan lipida,

bahan yang agak lambat didekomposisi: malam (waxes), lemak, resin, lignin dan hemiselulosa

biomass dan bahan metabolis dari mikroba (microbial biomass ) dan bahan rekalsitran lainnya.

Resistant BOT

bahan organik tanah sukar dilapuk (resistant),

„pool aktif‟ (waktu turnover <1 tahun)

„pool rekalsitran‟ yang dicirikan dengan sangat lambat waktu turnover nya.

„pool lambat‟ (slow pool) dengan waktu turnover 8-50 tahun,

„pool pasif‟ (passive pool) yang dapat tinggal dalam tanah selama ribuan tahun.

Pool fungsi Waktuturnover (th.)

Komposisi Nama lain

metabolic litter

0.1 – 0.5 • isi sel (cellular contents), selulose

• sisa tanaman atau hewan

structural litter

0.3 – 2.1 • lignin, polifenolik • sisa tanaman

Active pool 0.2 – 1.4 • biomass microbia, karbohidrat dapat larut, enzim eksoselular

• fraksi labil

Slow pool 8 – 50 • BO berukuranpartikel (Particulate organic matter, berukuran 50 m -2.0 mm)

Passive pool 400 – 2200 • asam-asam humik, fulvik, kompleks organo-mineral

• substansihumus

Klasifikasi bahan organik tanah berdasarkan pool fungsi, waktu

turnover dan komposisinya

Kualitas Bahan Organik

Parameter Kualitas (mudah terdekomposisi)

C/N < 20

N > 1,6%

Lignin < 9%

Polifenol < 4%

Protein binding capacity

Kompartemen BO

Cepat terdekomposisi

(a) penyedia hara tanaman, segera

(b) kontribusi ke BOT kurang

Lambat terdekomposisi

(a) Kontribusi BOT

(b) Cadangan hara jangka panjang

Karakterisasi BOT

Karakterisasi bahan organik tanah dapat dilakukan melalui berbagai cara, di antaranya

analisis kimia: total C dan total N (metode termudah),

fraksionasi fisik: berdasar ukuran dan berat jenis,

penggunaan isotop: 13C (isotop stabil, bukan radioaktif) dan 14C (radioaktif).

Karakterisasi BOT: Metode Kimia

dapat mendeteksi asam humik dan fulvik, tetapi kurang akurat.

analisis secara kimia, kandungan aromatik dalam humat dinyatakan sekitar 50%,

NMR (nuclear magnetic resonance) dan pirolisis gas kromatografi-spektroskopi masa, kandungan aromatik tersebut < 50%.

bahan organik tanah harus dipisahkan dari matrik koloid mineral (liat) dan seskuioksida, serta didispersi dalam larutan (dengan NaOH atau Na4P2O7).

Bahan yang terdispersi dipresipitasi pada nilai pH masam disebut asam humik, sedangkan bahan yang tetap dalam larutan disebut asam fulvik.

Karakterisasi BOT: Metode Fisik

(fraksionasi fisik) Pada prinsipnya pemisahan bahan organik dengan

partikel tanah.

berdasarkan berat jenis partikel: dilakukan dengan menggunakan bahan suspensi silikat LUDOX yang mempunyai berat jenis (BJ) 1,8 g/cm3 dan dapat dibedakan menjadi: fraksi ringan, merupakan bahan yang telah atau hanya sebagian

terdekomposisi, BJ <1,13 g/cm3

fraksi sedang: sebagian terdiri dari humus, BJ 1,13-1,37 g/cm3

fraksi berat: bahan organik yang terjerap oleh partikel liat dalam bentuk organo mineral, bersifat amorf, BJ >1,37 g/cm3.

Karakterisasi BOT: Metode Fisik

(fraksionasi fisik)

berdasarkan ukuran partikel

menentukan jumlah absolut dan proporsi relatif C dan

N dari partikel organik dalam tanah.

Fraksi bahan organik tanah berukuran pasir (50 m-

2,0 mm) biasanya lebih labil daripada bahan organik

tanah berukuran liat atau debu

Bahan organik tanah yang mempunyai ukuran pasir

disebut dengan bahan organik berukuran partikel

(Particulate Organic Matter = POM).

Karakterisasi BOT:Teknik radioisotop

dengan radioisotop 14C, dapat merunut (tracing)

umur bahan organik tanah

dengan isotop stabil 13C dapat membedakan

asal bahan organik tanah, dari tanaman bertipe

C3 atau C4 (rantai fotosintesis):

contoh tipe C3 adalah tanaman hutan, pohon

leguminosa; tipe C4: tebu, jagung.

Tranformasi Nitrogen

penyusun utama asam amino yang digunakan untuk sintesa peptida dan protein, serta berbagai komponen biologi seperti khitin dan mokupeptida.

merupakan bagian integral dari bahan genetik sel yaitu asam nukleat unsur esensial bagi semua bentuk kehidupan.

Pada sistem pertanian, pemahaman siklus nitrogen sangat diperlukan jika diinginkan penggunaan pupuk dan kandungan N tanah yang maksimum untuk produksi tanaman

Peran Nitrogen

Ukuran pool Nitrogen tanah pada

kedalaman 1 mPool Kisaran ukuran

(g N/m2)Keterangan

N2 (dinitrogen) 1.150 (230-27.500) • Minimum berdasarkan 0,25 m3 ruang pori yang terisi udara; maksimum berdasarkan udara tanah ditambah silinder udara 30 m di atas permukaan tanah

N organik 725 (100-3.000) • Nilai rata-rata kandungan N

N tanaman 25 (1-240) • Minimum berdasarkan daerah padang pasir; maksimum berdasarkan tanaman pertanian dan sistem hutan

NH4+ (amonium) 1 (0,1-10) • Asumsi 1 m3 tanah pada BJI

1,25g/cm3, dan konsentrasi amonium pada ekstrak tanah

NO3- (Nitrat) 5 (0,1-30) • Asumsi 1 m3 tanah pada BJI

1,25g/cm3, dan konsentrasi nitrat padaekstrak tanah

Bentuk Nitrogen: N Organik

Bentuk Nitrogen Definisi dan Metode Kisaran (% N tanah)

N –tidak larut asam • Sebagian besar N aromatik. N yang tertinggal dalam tanah setelah hidrolisa asam (6 M HCl)

10-20

N-amonia • NH4+ dapat ditukar plus N amida. Amonia

yang ada dalam hidrolisat melalui destilasi uap dengan MgO

20-35

N-asam amino • N protein, N peptida, dan N amino bebas. Ditetapkan melalui reaksi ninhidrin pada hidrolisat

30-45

N- gula amino • Dinding sel mkroba. Amonia yang diperolehdari hidrolisat dengan destilasi uapmenggunakan fosfat-borat pada pH 11.2 dikurangi fraksi N amonia

5-10

N-tidak dikenal yang dapat dihidrolisa

• Tidak diketahui tetapi mengandung N -amino N dari arginine, tryptophan, lusin dan prolin. N yang dapat dihidrolisa yang bukan amonia, asam amino atau gula amino

10-20

Bentuk Nitrogen: N Anorganik

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, diasimilasi tanaman dan mikroba, substrat untuk nitrifikasi autotrof (oksidasi NH3 )

Hidroksilamina NH2OH Tidak diketahui • Hasil antara dalam oksidasi NH3

Dinitrogen N2 Gas • Pool N terbesar, tidak larut, substrat untuk penamabatan N2, produk akhir nitrifikasi

Nitro Oksida N2O Gas, terlarut • Gas rumah kaca dan menyebabkan kerusakan ozon, sangat larut, hasil antara denitrifikasi, hasil samping nitrifikasi

Nitrik Oksida NO Gas • 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 antaradenitrifikasi

Nitrat NO3 - Terlarut • Anion, mobil, mudah tercuci, diasimilasi

tanaman dan mikroba. Hasil akhirnitrifikasi, substrat denitrifikasi

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-)

Organisme tanah merubah satu bentuk nitrogen ke bentuk nitrogen lainnya melalui berbagai proses.

N2 dirubah menjadi NH4+ melalui proses penambatan

nitrogen, kemudian nitrogen yang ditambat tersebut diubah menjadi bentuk nitrogen lainnya melalui proses amonifikasi, imobilisasi, nitrifikasi dan denitrifikasi.

Siklus N

Siklus N- gas N2 menjadi NO3-

N di atmosfer = 79% Masalahnya adalah mendapatkan

N2 dalam bentuk yang dapat digunakan tanaman

Sebagian besar N dalam tanah digunakan untuk Pertanian atau sumber dari, N digunakan tanaman=

BO = 37%, Ppk Kandang = 19%, Difiksasi oleh org tanah= 19% Hujan = 8%, Pupuk = 13%, Limbah = 4%.

Mineralisasi Nitrogen

(Amonifikasi/imobilisasi) Mineralisasi = produksi nitrogen anorganik, baik

amonium dan nitrat, tetapi kadang-kadang dinyatakan untuk amonium saja.

Peningkatan (atau kadang penurunan) nitrogen anorganik seringkali disebut net nitrogen mineralizationkarena mencerminkan jumlah proses produksi dan konsumsi amonium.

Istilah yang lebih benar untuk menyatakan proses transformasi nitrogen organik menjadi amonium adalah amonifikasi atau gross nitrogen mineralization.

Imobilisasi menggambarkan konversi amonium menjadi nitrogen organik, sebagai akibat dari asimilasi amonium oleh biomasa mikroba. Imobilisasi kadang-kadang juga digunakan untuk menyatakan

asimilasi amonium dan nitrat

Enzim ekstraseluler yang terlibat dalam mineralisasi

nitrogen

Substrat Enzim Produk

Protein Proteinase, protease Peptida, asam amino

Peptida Peptidase Asam amino

Khitin Khitinase Chitobiose

Khitobiose Khitobiase N-acetylglucosamine

Peptidoglikan Lisozim N-acetylglucosamine dan N-asam acetylmuramic

DNA dan RNA Endonuklease danEksonuklease

Nukleotida

Urea Urease NH3 dan CO 2

Bakteri Nitrifikasi Khemoautotrof

Genus Spesies Genus Spesies

Pengoksidasi NH3 Pengoksidasi NO2-

Nitrosomonas europeae Nitrobacter urinogradskyi

eutropus bamburgensis

marina vulgaris

Nitrosococus nitrosus Nitrospina gracilis

mobilis Nitrococcus mobilis

oceanus Nitrospira marina

Nitrosospira briensis

Nitrosolabus multiformis

Nitrosovibro tenuis

Amonifikasi

Konversi senyawa nitrogen organik menjadi amonium dipacu oleh enzim yang dihasilkan oleh organisme tanah.

Produksi amonium melalui berberapa langkah.1. Enzim-enzim ekstraseluler memecah polimer nitrogen organik

menghasilkan monomer yang dapat lolos membran sel untuk kemudian dimetabolisme lebih lanjut dengan hasil akhir amonium yang dilepaskan ke larutan tanah.

2. Enzim ekstraseluler yang dihasilkan oleh mikroorganisme mendegradasi protein, aminopolisakarida (dinding sel mikroorganisme), dan asam nukleat serta menghidrolisa urea

Amonifikasi

Aminifikasi dalam tanah adalah konversi N organik (RNH2) menjadi amonia anorganik (NH3)

R-NH2 ---> NH3 + H+ ----> NH4+

Organ heterotrofik

Kemanakah NH4+ ?

1) di fiksasi mineral liat,

2) hilang oleh erosi tanah,

3) digunakan tanaman (NH4+),

4) volatilisasi

NH4+ ----> NH3

Tanah pH tinggi > 7.5

Dinamika Amonium dalam tanah

Selain siklus mineralisasi/imobilisasi, amonium juga dapat diikat pada kisi pertukaran kation dalam mineral liat seperti illit dan vermikulit.

Amonium juga dapat bereaksi dengan senyawa organik seperti quinon, atau dapat juga mengalami votalisisasi pada pH tinggi.

Dinamika biologi yang utama adalah serapan tanaman, asimilasi mikroba, atau oksidasi menjadi nitrat oleh mikroorganisme nitrifikasi

Nitrifikasi

Nitrifikasi adalah oksidasi senyawa nitrogen tereduksi yang dilakukan oleh organisme tanah.

Proses nitrifikasi berlangsung dalam dua tahap yang dilakukan oleh dua organisme tanah yang mengoksidasi amonium menjadi nitrat, dimana nitrogen anorganik berperan sebagai sumber energi untuk bakteri nitrifikasi.

Tahap pertama proses nitrifikasi adalah oksidasi amonium, konversi amoium menjadi nitrit dilakukan oleh bakteri pengoksidasi amoinum dari genus “Nitroso”

Kemudian nitrit dioksidasi menjadi nitrat oleh bakteri

pengoksidasi nitrit dari genus “Nitro”.

Nitrifikasi

Proses 2 - tahap1. 2NH4+ + 3O2 ---> 2NO2- + 4H+ + 2H20 + E

Nitrosomonas2. 2NO2- + O2 --> 2NO3- + E

Nitrobacter

Proses dalam kondisi asam karena pelepasan4 H+

Oksidasi Amonium

Bakteri pengoksidasi amonium yang terkenal

adalah Nitrosomonas; pada tanah masam

bakteri pengoksidasi amonium yang dominan

adalah Nitrosospira

reaksi konversi amonium menjadi nitrit adalah

NH3- + 1.5 O2 NO2

- + H+ + H2O

Oksidasi ini mentransfer 6e- yang menghasilkan 271

kj (65 kcal) /mol NH3.

Oksidasi Amonium

Langkah pertama dalam reaksi tersebut

adalah konversi NH3 menjadi NH2OH

(hidroksilamin) oleh enzim amonia

monooksigenase yang terikat pada

membran, yakni

NH3+O2+2H+ + 2 e- NH2OH + H2O

Hidroksilamin kemudian dikonversi menjadi

nitrit dengan reaksi,

NH2OH + H2O NO2 + 5H+ + 4 e-

Oksidasi Nitrit

Bakteri pengoksidasi nitrit yang terkenal adalah Nitrobacter spp.

Oksidasi nitrit menjadi nitrat merupakan reaksi satu langkah:

NO2- + 1,5O2 NO3

-

Nitrit dioksidasi menjadi nitrat oleh nitrit oksidoreduktase yang terikat pada membran, yang memindahkan oksigen dari air dan memindahkan sepasang elektron ke rantai transpor elektron untuk menghasilkan ATP melalui fosforilasi oksidatif,

NO2- +H2O NO3

- + 2H+ + 2 e-

Faktor yang mempengaruhi Nitrifikasi

Populasi Bakteri Nitrifikasi

Harus ada bakteri nitrifikasi autotrof atau heterotrof

Pada kondisi optimum, diperlukan 3 x 105 bakteri nitrifikasi per gram tanah untuk kecepatan nitrifikasi 1 mg N/kg tanah per hari

Aerasi tanah

nitrifikasi berjalan optimum jika tanah pada kondisi kapasitas lapangan atau 60% pori-pori terisi air

Ketersediaan substrat

ketersediaan substrat, terutama ketersediaan amonium

pH tanah

Nitrifikasi berjalan lambat pada pH di bawah 4,5, terutama pada tanah pertanian

Dinamika Nitrat dalam Tanah

Nitrat mudah tercuci dari tanah karena bermuatan negatif,

Jika nitrat tercuci, biasanya disertai dengan sejumlah kation kation basa seperti K+ dan Ca 2+ dan meningkatkan kemasaman tanah.

Nitrat yang tercuci akan memasuki air tanah dan air permukaan yang menyebabkan pencemaran lingkungan.

Konsentrasi nitrat yang tinggi pada air permukaan dapat menyebabkan ‟eutrofikasi‟ (pengkayaan air dengan hara yang berlebihan menyebabkan pertumbuhan gangang dan vegetasi lainnya).

Nitrat dapat diasimilasi oleh tanaman dan mikroorganisme.

Kemanakan Nitrat?

*Imobilisasi ---> Tanaman menyerap

NO3-

*NO3- tidak ditahan partikel tanah dan

mudah tercuci – jika kandungan NO3- >

10 ppm air dinyatakan sudah tercemar

* Denitrifikasi – terpacu karena kondisi anaerob

Denitrifikasi

Denitrifikasi adalah proses reduksi nitrat menjadi gas nitrogen, terutama dalam bentuk dinitrogen dan nitro oksida.

Reaksi denitrifikasi adalah,

2NO3- + 5 H2 + 2 H+

N2 + 6 H2O

Denitrifikasi dilakukan oleh bakteri denitrifikasi didominasi oleh genus Pseudomonas dengan spesies Alcaligenes, Flavobacterium, dan juga genus Bacillus, tetapi sulit untuk diketahui mana yang aktif.

Bakteri tersebut dapat juga berasosiasi dengan transformator nitrogen lainnya (misalnya Azospirillum, Nitrosomonas dan Rhizobium) pada kondisi tertentu

Denitrifikasi

Merupakan konversi NO3- menjadi gas N2C6H12O6 + 4NO3- --> 6CO2 + 6H2O +

2N2(gas) + NO + NO2

Bakteri = anaerobikSekitar 10 - 20 % yang ditambahkan dapat hilang melalui nitrifikasi dan denitrifikasi

Fiksasi Nitrogen

Fiksasi Nitrogen-konversi N2 menjadi NH3 atau R-NH2

A Fiksasi non-biologi-Air Pollution -The main oxides of nitrogen present in the atmosphere are nitric oxide (NO), nitrogen dioxide (NO2) and nitrous oxide – the result of fuel combustion from motor vehicle exhaust and stationary fuel combustion sources like electric utilities and industrial boilers--oxides of nitrogen may remain in the atmosphere for several days and during this time chemical processes may generate nitric acid, and nitrates and nitrites as particles. - Rainfall additions from electrical discharge (lightning) 2-5 lbs....../acre/yearN2 -----> NO3

-

Fikasi Nitrogen konversi N2 menjadi NH3 atau R-NH2

B Fiksasi Biologis

1. Non-Simbiotik (organisme bebas) -

Azotobacter (aerobik) & Clostridium

(anaerobik), sekitar 5-50 ton/ha/tahun

2. Simbiotik- mutualisme antara tanaman inang

& bakteri (interaksi komplek tanaman-bakteri

Fiksasi N simbiotik

Bakteri = RhizobiaTanaman = Legum (kedelai, kacang tanah, lamtoro dlsb)Kedelai - 100 ton/ha/tahun

Fiksasi N simbiotik

Bakteri menginvasi akar tanaman inang Akan tanaman inang membentuk nodul akar

untuk tempat hidup bakteri Bakteri mangambil N2 dari udara dan

mengkonversinya menjadi R-NH2 dam tubuh bakteri di nodul, dan sebagian dalam bentuk NH4+

Kemanakan N yang di fiksasi oleh Rhizobium? 1) digunakan oleh tanaman inang, 2) keluar dari akar sehingga tersedia untuk tanaman di

sekitarnya, 3) ketika akar dan tanaman terpotong, organisme

heterotrof me-imobilisasi N dan akhirnya menjadi bagian BOT

N-fiksasi

Fiksasi Nitrogen biasanya

direduksi oleh N eksternal

N Tanah

Total N

in the plant

N2 N2