4 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Spektrum Elektromagnetik Spektrum gelombang elektromagnetik dapat dikelompokkan berdasarkan panjang gelombangnya atau frekuensinya. Semakin pendek panjang gelombangnya semakin tinggi frekuensinya atau semakin panjang gelombangnya, maka semakin rendah frekuensinya dan dapat dituliskan hubungannya sebagai berikut (Kenneth Krane, 1992): c (2.1) Keterangan: = frekuensi (Hz) c = kecepatan cahaya (3x10 8 m/s) λ = panjang gelombang (m) Bila dilihat energinya, maka pancaran gelombang elektromagnetik akan menghasilkan energi dengan persamaan: E = h = c h (2.2) Hubungan antara intensitas dengan energi dan panjang gelombang dapat dituliskan dalam bentuk persamaan berikut: I = E / t A E = At 4
5 I = hc At (2.3) Keterangan: E = energi (joule) h = konstanta Planck (6,625x10-34 Js) c = kecepatan cahaya (3x10 8 m/s) λ = panjang gelombang (m) I = intensitas (watt/m 2 ) A = luas permukaan (m 2 ) t = waktu (s) 2.2 Spektrofotometer Teknik spektroskopik adalah salah satu teknik analisis fisiko-kimia yang mengamati tentang interaksi antara atom atau molekul dengan radiasi elektromagnetik. Interaksi ini mengakibatkan terjadinya hamburan (scattering), serapan (absorpsi), dan emisi (emision). Hamburan radiasi melahirkan spektrofotometri Raman, serapan melahirkan spektrofotometri UV-Vis dan infra merah (IR), sedangkan absorpsi yang disertai dengan emisi melahirkan fotoluminesensi yang lebih dikenal sebagai fluoresensi dan fosforesensi. 2.3 Spektrofotometer UV-Vis Konfigurasi dasar spektrofotometer UV-Vis adalah (Mulya, 1995): SR M SC D A VD
6 Keterangan: SR M SC D A VD : Sumber Radiasi : Monokromator : Sample Compartement (tempat sampel) : Detektor : Amplifier atau penguat : Visual Display Sumber Radiasi Pada spektrofotometer UV-Vis ada beberapa macam sumber radiasi yang dipakai yaitu lampu deuterium, lampu tungsten, dan lampu merkuri. Monokromator Monokromator adalah alat yang berfungsi untuk menyeleksi cahaya monokromatis dengan energi (intensitas) tertentu. Sample Compartement (tempat sampel) Merupakan tempat (kuvet) sample yang akan dianalisis. Kuvet ada dua macam yaitu kuvet permanent yang terbuat dari bahan gelas atau leburan silika dan kuvet disposable untuk satu kali pemakaian yang terbuat dari teflon atau plastik. Detektor Detektor adalah alat yang berfungsi untuk mengubah sinyal radiasi yang diterima menjadi sinyal elektronik. Amplifier atau penguat Penguat dalam sistem spektrofotometer UV-Vis diperlukan karena sinyal radiasi yang diterima detektor sangat lemah.
7 Visual Display Visual display merupakan tampilan hasil pengukuran berupa nilai absorban (penyerapan) pada energi (intensitas) tertentu yang dapat langsung dicetak dengan printer. 2.4 Fotosintesis Fotosintesis adalah suatu proses biokimia yang dilakukan tumbuhan, alga, dan beberapa jenis bakteri untuk memproduksi makanan (nutrisi) dengan memanfaatkan energi cahaya. Hampir semua makhluk hidup bergantung dari energi yang dihasilkan dari fotosintesis. Akibatnya fotosintesis menjadi sangat penting bagi kehidupan di bumi. Fotosintesis juga berjasa menghasilkan sebagian besar oksigen yang terdapat di atmosfer bumi. Organisme yang menghasilkan energi melalui fotosintesis disebut sebagai fototrof. Fotosintesis merupakan salah satu cara asimilasi karbon karena dalam fotosintesis karbon bebas dari CO2 diikat (difiksasi) menjadi gula sebagai molekul penyimpan energi. Berikut persamaan reaksi fotosintesis yang menghasilkan glukosa (Jones dkk, 2003): 6H2O + 6CO2 + cahaya C6H12O6 (glukosa) + 6O2 Glukosa dapat digunakan untuk membentuk senyawa organik lain seperti selulosa dan dapat pula digunakan sebagai bahan bakar. Proses ini berlangsung melalui respirasi seluler yang terjadi baik pada hewan maupun tumbuhan. Pada respirasi, gula (glukosa) dan senyawa lain akan bereaksi dengan oksigen untuk menghasilkan karbondioksida, air, dan energi kimia.
8 Tumbuhan menangkap cahaya menggunakan pigmen yang disebut klorofil. Pigmen inilah yang memberi warna hijau pada tumbuhan. Klorofil terdapat pada organel yang disebut kloroplas. Klorofil menyerap cahaya yang akan digunakan dalam fotosintesis. Meskipun seluruh bagian tubuh tumbuhan yang berwarna hijau mengandung kloroplas, namun sebagian besar energi dihasilkan di daun. Di dalam daun terdapat lapisan sel yang disebut mesofil yang mengandung setengah juta kloroplas dalam setiap millimeter perseginya. Cahaya akan melewati lapisan epidermis menuju mesofil, tempat terjadinya sebagian besar proses fotosintesis. Permukaan daun biasanya dilapisi oleh kutikula dari lilin yang bersifat anti air yang berfungsi untuk mencegah terjadinya penyerapan sinar matahari ataupun penguapan air yang berlebihan. Pada tumbuhan, organ utama tempat berlangsungnya fotosintesis adalah daun, tepatnya pada bagian stroma. Tetapi secara umum, semua sel yang memiliki kloroplas berpotensi untuk melangsungkan reaksi fotosintesis. Klorofil mengandung beberapa pigmen seperti klorofil-a terutama menyerap cahaya biruviolet (400 nm-500 nm) dan merah (650 nm-700 nm) serta klorofil-b yang menyerap cahaya biru dan oranye (600 nm-650 nm). Klorofil-a berperan langsung dalam reaksi terang (reaksi yang memerlukan cahaya) sedangkan klorofil-b tidak secara langsung berperan dalam reaksi terang. Reaksi fotosintesis dapat dibagi menjadi dua bagian utama yaitu, reaksi terang (memerlukan cahaya) dan reaksi gelap (tidak memerlukan cahaya tetapi memerlukan karbondioksida). Reaksi terang adalah proses untuk menghasilkan ATP (adenosine triphosphate), satuan pertukaran energi dalam sel dan mereduksi
9 NADPH (nicotinamide adenine dinucleotide phosphate). Reaksi ini memerlukan molekul air. Proses diawali dengan penangkapan foton oleh pigmen sebagai antena. Pigmen klorofil menyerap lebih banyak cahaya pada warna biru (400-450 nm) dan merah (650-700 nm) dibandingkan hijau (500-600 nm). Cahaya hijau ini akan dipantulkan dan ditangkap oleh mata kita sehingga menimbulkan sensasi bahwa daun berwarna hijau. Sedangkan dalam reaksi gelap terjadi reaksi yang membentuk gula dari bahan dasar CO2 dan energi (ATP dan NADPH) yang disebut siklus Calvin. Energi yang digunakan dalam siklus Calvin berasal dari reaksi terang. Di dalam daun, cahaya akan diserap oleh molekul klorofil untuk dikumpulkan pada pusat-pusat reaksi. Tumbuhan memiliki dua jenis pigmen yang berfungsi aktif sebagai pusat reaksi (fotosistem) yaitu fotosistem II dan fotosistem I. Fotosistem II terdiri dari molekul-molekul klorofil yang menyerap cahaya dengan panjang gelombang 680 nm, sedangkan fotosistem I menyerap cahaya dengan panjang gelombang 700 nm. Kedua fotosistem ini akan bekerja secara simultan dalam fotosintesis. Fotosintesis dimulai ketika cahaya mengionisasi molekul klorofil pada fotosistem II yang menyebabkan molekul tersebut melepaskan elektron, yang akan ditransfer sepanjang rantai transport elektron. Energi dari elektron ini digunakan untuk fotofosforilasi yang menghasilkan ATP, satuan pertukaran energi dalam sel. Reaksi ini menyebabkan fotosistem II mengalami kekurangan elektron yang harus segera diganti. Pada tumbuhan dan alga, kekurangan elektron ini dipenuhi oleh elektron dari hasil ionisasi air yang terjadi bersamaan dengan
10 ionisasi klorofil. Hasil ionisasi air ini adalah elektron dan oksigen. Pada saat yang sama dengan ionisasi fotosistem II, cahaya juga mengionisasi fotosistem I, melepaskan elektron yang ditransfer sepanjang rantai transport elektron yang akhirnya mereduksi NADP menjadi NADPH Kebanyakan daun menyerap lebih dari 90% cahaya ungu dan biru, demikian juga untuk cahaya jingga dan merah. Grafik penyerapan cahaya untuk kisaran panjang gelombang tertentu disebut spektrum serapan. Spektrum serapan untuk klorofil-a,b dan korotenoid ditunjukkan pada Gambar 2.1. Laju fotosintesis pada kisaran panjang gelombang tertentu seperti pada Gambar 2.2 Gambar 2.1 Spektrum serapan klorofil-a, b dan karotenoid
11 Gambar 2.2 Spektrum aksi fotosintesis. Berdasarkan Gambar 2.1 dan 2.2 ditunjukkan bahwa klorofil-a akan menyerap cahaya paling besar pada panjang gelombang 470 nm dan 680 nm, sedangkan laju fotosintesis maksimum terjadi pada panjang gelombang sekitar 430 nm dan 650 nm. Berikut adalah beberapa faktor yang mempengaruhi atau menentukan laju fotosintesis: 1. Intensitas cahaya Laju fotosintesis maksimum ketika banyak cahaya yang diserap oleh tumbuhan. Pada batas-batas tertentu, semakin tinggi intensitas cahaya maka semakin banyak energi cahaya yang diserap oleh klorofil, sehingga laju fotosintesis meningkat. Tetapi, apabila intensitas cahaya terlalu tinggi fotosintesis akan menurun dan bahkan berhenti. Misalnya, tumbuhan di
12 bawah cahaya matahari yang terlalu terik, stomata menutup dan persediaan karbondioksida menurun. 2. Konsentrasi karbondioksida Semakin banyak karbondioksida di udara, makin banyak jumlah bahan yang dapat digunakan tumbuhan untuk melangsungkan fotosintesis. 3. Suhu Enzim-enzim yang bekerja dalam proses fotosintesis hanya dapat bekerja pada suhu optimalnya. Umumnya laju fotosintesis meningkat seiring dengan meningkatnya suhu hingga batas toleransi enzim. 4. Kadar air Kekurangan air atau kekeringan menyebabkan stomata menutup, menghambat penyerapan karbondioksida sehingga mangurangi laju fotosintesis. 5. Kadar fotosintat (hasil fotosintesis) Jika kadar fotosintat seperti karbohidrat berkurang, laju fotosintesis akan naik. Bila kadar fotosintat bertambah atau bahkan sampai jenuh, laju fotosintesis akan berkurang. 6. Tahap pertumbuhan Penelitian menunjukkan bahwa laju fotosintesis jauh lebih tinggi pada tumbuhan yang sedang berkecambah ketimbang tumbuhan dewasa. Hal ini mungkin dikarenakan tumbuhan berkecambah memerlukan lebih banyak energi dan makanan untuk tumbuh.
13 2.5 Klasifikasi dan Morfologi Tanaman Padi 2.5.1 Klasifikasi Tanaman padi termasuk keluarga/famili rumput-rumputan (gramineae) dengan daur hidup berkisar antara 110-210 hari. Klasifikasi tanaman padi adalah sebagai berikut (Trully, 2009): Divisi Anak divisi Kelas Ordo Famili Genus Spesies : Spermatophyta : Angiospermae : Monocotyledonae : Graminales : Gramineae : Oryza : Sativa Padi memiliki dua varietas yaitu: 1. Varietas padi unggul, seperti C4, IR50, dan IR64. 2. Varietas padi lokal, seperti cicih, ijo gading, bengawan, dll. 2.5.2 Morfologi Padi merupakan tanaman semusim. Tanaman padi terdiri dari dua bagian yaitu bagian vegetatif (akar, batang dan daun) dan bagian generatif yang berupa malai dan bunga (Trully,2009). Akar padi tergolong akar serabut. Akar ini berkembang pesat pada saat mulai bertunas (kira-kira umur 15 hari). Akar adalah bagian tanaman yang
14 berfungsi menyerap air dan hara dari dalam tanah, kemudian terus kebagian atas tanaman. Tanaman padi mempunyai batang yang beruas-ruas. Panjang batang tergantung pada jenisnya. Padi jenis unggul biasanya berbatang pendek atau lebih pendek dari padi jenis lokal yaitu antara 80 120 cm, sedangkan jenis padi yang tumbuh di tanah rawa ukuran batangnya bisa lebih panjang yaitu antara 2-6 meter. Daun padi terdiri dari helai daun, pelepah daun, dan lidah daun. Helai daun terletak pada batang padi, bentuknya tergantung pada varietas padi. Pelepah daun merupakan bagian daun yang menyelubungi batang. Lidah daun letaknya melekat pada batang, dengan demikian dapat mencegah masuknya air hujan di antara batang dan ujung daun. Keadaan ini dapat mencegah infeksi dari penyakit. Malai terdiri dari bulir yang timbul dari buku yang paling atas dan tiap-tiap bulir terdapat bunga padi. Panjang malai suatu varietas, tergantung pada banyaknya cabang tiap malai dan jumlah bulir tiap-tiap cabang tergantung dari varietas padi yang ditanam. Bunga padi merupakan bunga telanjang yang mempunyai satu bakal buah, enam buah benang sari dengan tangkai sari pendek. Ada dua kantong serbuk sari serta putik yang terdiri dari dua tangkai beserta kepala putik yang berwarna putih dan ungu. Biji padi sebenarnya bukan biji melainkan buah padi yang tertutup oleh lemma dan palea. Buah ini terjadi setelah terjadinya penyerbukan dan pembuahan. Dinding bakal buah terdiri dari tiga bagian yaitu: bagian paling luar disebut epicarpium, bagian tengah disebut mesocarpium, dan bagian dalam disebut
15 endocarpium. Biji sebagian besar ditempati oleh endosperm yang mengandung zat tepung, lemak, serta zat-zat anorganik dan sebagian lagi ditempati oleh embryo (lembaga) yang terletak dibagian lemma. Tanaman padi memerlukan penyinaran cahaya merah yang optimal, dimana pigmen klorofil lebih banyak menyerap cahaya merah dan biru. Kekurangan cahaya merah dapat menyebabkan tanaman padi mudah terserang penyakit. Intensitas cahaya merah sangat penting dalam pembentukan vitamin C dan karoten. Padi memiliki struktur biji sebagai berikut: Gambar 2.3 Struktur biji Keterangan : a = Kulit biji b = Endosperma c = Kotiledon (daun biji) d = hipokotil (batang embrio) Sebuah biji pada umumnya mempunyai tiga bagian dasar yaitu; embrio, endosperma, dan kulit biji. Proses perkembangan biji dimulai dengan fertilisasi ganda dan melibatkan fusi inti sel telur dan sperma menjadi zigot. Tepat setelah pembuahan endosperm primer membelah dengan cepat untuk membentuk jaringan endosperma. Endosperma merupakan tempat menyimpan makanan
16 cadangan yang akan digunakan untuk perkecambahan atau berkembang menjadi kulit biji yang keras. cahaya mempengaruhi perkecambahan dengan tiga cara, yaitu intensitas cahaya, kualitas cahaya (panjang gelombang cahaya) dan fotoperiodisitas (panjang hari). a. Intensitas cahaya: cahaya dengan intensitas tinggi dapat meningkatkan perkecambahan pada biji-biji yang positively photoblastic yaitu perkecambahan pada biji dipercepat oleh cahaya. b. Kualitas cahaya (panjang gelombang): cahaya yang menyebabkan terjadinya perkecambahan adalah daerah merah dari spektrum, yaitu 650-680 nm. Sedangkan sinar infra merah 730 nm menghambat perkecambahan. Biji mempunyai 2 pigmen yang photoreversible (dapat berada dalam kondisi alternatif) yaitu Phytochrome 680 dan Phytochrome 730. Phytochrome adalah suatu reseptor cahaya yang digunakan tumbuhan untuk mendeteksi cahaya. Phytocrome terangsang oleh cahaya merah dan infra merah. Jika biji diberikan cahaya merah 680 nm, maka pigmen P680 dirubah menjadi P730. P730 ini akan menjadi aktif dan memicu perkecambahan. Sebaliknya apabila biji diberikan cahaya infra merah 730 nm, maka pigmen P730 dirubah menjadi P680. P680 ini akan menjadi tidak aktif dan menghambat perkecambahan biji. c. Fotoperiodisitas: pemberian kebutuhan cahaya merah pada biji tanaman dengan intensitas tertentu atau waktu penyinaran yang berubah-ubah (Ildahshiro, 2009).
17 2.5.3 Syarat Tumbuh Padi memiliki beberapa syarat untuk tumbuh yaitu: Dapat tumbuh baik di daerah yang berhawa panas dan mengandung banyak uap air. Dapat tumbuh di dataran tinggi dan rendah. Waktu tanam yang baik adalah pada awal musim kemarau. Suhu yang baik untuk pertumbuhan tanaman padi yaitu 23 C 2.5.4 Fase-fase Kehidupan Tanaman Padi Fase pembibitan: tanaman berumur 0-15 hari. Fase vegetatif: tanaman berumur 15-30 hari. Fase generatif: tanaman berumur 30-80 hari.