Kesuburan TanahSemester Genap 2006/2007

PS 46/4: Senin 10.50-12.30; R. Tanah Bawah

(4) NITROGEN

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

• 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)

NITROGEN (N): 1-5%

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)

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.

10-20

N Organik Tanah

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 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 antara denitrifikasi

Nitrat NO3 - Terlarut 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

AMINISASI

Protein R-NH2 CO2 Energi+ +

AMONIFIKASI

R-NH2 + HOH NH3 NH4+ + OH-

Mineralisasi Nitrogen

NITRIFIKASI

2NH4+ + 3O2 2NO2

-

Nitrosomonas

+ 2H2O + 4H+

Nitrobacter

+ O22NO3

-

•mineralisasi terjadi dalam tiga tahap - aminisasi, amonifikasi dan nitrifikasi

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

+ O22NO3

-

• 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

Faktor yang mempengaruhi Nitrifikasi

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

1. 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.

2. 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 Nitrogen1. Secara Biologi

– 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

2. 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)

Organisme Genus Bakteri Azotobacter• Aerob Azomonas

Beijerinckia

• Fakultatif KlebsiellaBacillus

Enterobacter

Citrobacter

• Mikroaerofil XantbobacterTbiobacillus

Azospirillum

• Anaerob ClostridiumDesulfovibrio

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

Pengamatan Fiksasi N2

1.Metode Perbedaan N (N-difference method)– membandingkan hasil dan kandungan nitrogen

tanaman yang ditumbuhkan dengan dan tanpa bakteri pemfiksasi N2.

2.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

Pengamatan Fiksasi N2

3. 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