TRANSFORMASI BESI DAN MANGAN Besi dan mangan merupakan unsur mikro esensial untuk tumbuhan tetapi toksik pada konsentrasi tinggi. Besi dan mangan merupakan logam-logam transisi pertama dan ketiga terbanyak di kerak bumi yaitu 5,6 10 4 ppm dan 9.5 10 2 ppm berturut-turut. Fe dan Mn tidak larut di tanah Bagaimana mengkonversinya menjadi bentuk yang larut? 1
Besi Tanah Besi merupakan bagian penting dari reaksireaksi yang menghasilkan energi Banyak Fe berasosiasi dengan kloroplas Kelarutan sangat rendah Sulit untuk mempertahankan Fe larut agar dapat diabsorpsi oleh tanaman Dibutuhkan sangat sedikit oleh tanaman Fe tanah Fe di Larutan Tanah ph merupakan pengaruh utama kelarutan besi Sangat larut pada ph < 3 Kelarutannya menurun dengan meningkatnya ph Pada ph normal kelarutan besi sangat rendah Fe terutama terdapat pada bahan organik 2
Defisiensi P umumnya dijumpai pada kalkareous Kadar P yang tinggi juga bersifat antagonis dengan Fe Transformasi Besi Di alam, siklus besi terutama terjadi antara bentuk fero dan feri Reduksi Fe 3+ terjadi secara kimia dan sebagai bentuk respirasi anaerob Oksidasi Fe 2+ terjadi secara kimia dan sebagai bentuk metabolisme kemolitotropik 3
Besi berlimpah di habitat teresterial, tetapi konsentrasi Fe larut sangat rendah pada lingkungan aerob termasuk sistem akuatik. Besi sering dalam bentuk tidak tersedia bagi tanaman dan defisiensi yang serius kadangkadang terjadi. Besi merupakan unsur yang dengan cepat mengalami transformasi melalui aktivitas mikroba. Siklus Fe dicirikan dengan oksidasi dan reduksi senyawa Fe pada tanah dan sedimen. 4
Transformasi Besi Oksidasi dan reduksi mineral-mineral besi, Presipitasi mineral-mineral Fe 2+ dan Fe 3+, Kelarutan mineral-mineral besi menjadi bentuk-bentuk tersedia bagi tanaman, dan Mineralisasi besi yang terikat secara organik Transformasi Fe 5
Pengaruh mikroorganisme dalam transformasi besi 1. Bakteri tertentu mampu mengoksidasi besi fero menjadi bentuk feri, feri dipresipitasi sebagai feri hidroksida 2. Banyak spesies heterotrof menyebabkan presipitasi garam besi anorganik yang terdapat di dalam larutan tanah. 3. Mikroorganisme mengubah potensial oksidasi-reduksi lingkungannya. Penurunan potensial oksidasi reduksi menyebabkan mikroba membentuk fero yang lebih larut daripada ion feri yang sangat tidak larut 4. Bakteri dan fungi menghasilkan asam seperti asam-asam karbonat, asam nitrat, asam sulfur, dan asam-asam organik sehingga menyebabkan besi larut ke dalam larutan tanah akibat meningkatnya kemasaman. 6
5. Pada kondisi anaerob, sulfida dibentuk dari sulfat dan senyawa-senyawa S organik membentuk fero sulfida 6. Pembebasan asam-asam organik tertentu oleh mikroorganisme dan produk-produk berkarbon lain dari metabolisme sering mengakibatkan pembentukan kompleks besi organik yang larut. 1. Oksidasi Besi Pada kondisi beraerasi baik, bakteri memperoleh energi dari oksidasi Fe 2+. 2Fe 2+ ½ O 2 + 2H + 2Fe 3+ + H 2 O 7
Beberapa Mikroorganisme Pengoksidasi Besi Bakteri pengoksidasi besi asidofil Ferrobacillus sulfoooxidans Leptospirillum Ferrobacillus ferrooxidans Metallogenium Bakteri pengoksidasi besi ph netral 1. deposisi secara langsung pada permukaan sel Siderococcus Planctomyces Peloploca Hyphomicrobium Actinomyces sp. Acholeplasma Caueococcus Naumaniella 2. deposisi pada lapisan-lapisan polimer Arthrobacter Leptothrix Thiopedia Sphaerotilus 3. Deposisi pada tangkai Planctomycesd Gallionella Toxothrix Sulfolobus Thiobacillus ferooxidans Ochrobium tactum Pedomicrobium Metallogenium Clonothrix Crenothrix Pengaruh Oksidasi Besi Mikroorganisme memperoleh energi Fe 3+ berfungsi sebagai agen penyemen untuk menstabilkan koloni mikro pada permukaan padatan Pembentukan kondisi masam pada lingkungan 8
Thiobacillus ferrooxidans mengoksidasi Fe 2+ menjadi Fe 3+ Dengan membentuk hidroksida besi berwarna kuning-oranye 9
2. Reduksi Besi Reduksi besi feri oleh mikroba menjadi besi fero merupakan cara utama pelarutan besi. FeCO 3 + CO 2 + H 2 O Fe 2+ + 2HCO 3 - Mikroorganisme pereduksi besi Fungi Alternaria dan Fusarium, Bakteri Bacillus, Clostridium, Klebsiella, Pseudomonas, dan Serratia. 10
Dampak Reduksi Besi Reduksi Fe 3+ pada mineral fosfat dapat menimbulkan pelepasan fosfat menimbulkan korosi baja Oksidasi dan reduksi besi memainkan peranan utama dalam proses pembentukan tanah yang dikenal sebagai gleisasi. Gley menunjukkan suatu kondisi dimana Fe di dalam tanah direduksi berwarna hijau keabu-abuan menunjukkan masalah drainase. 11
Status reduksi-oksdasi Reduksi oksigen dideplesi dari tanah Bercak/Gley Oksidasi oksigen terdapat di tanah, tanah bersifat aerob, leaching menyebabkan warna tanah terang. 23 3. Kelarutan Besi Besi feri umumnya tidak larut, tetapi dapat dilarutkan dengan pemasaman dan kompleksasi dengan bahan organik. 12
Proses pemasaman ini di tanah disebut podsolisasi. Besi feri berkombinasi dengan asam-asam organik pada tanah-tanah hutan, menjadi lebih larut, dan berperkolasi ke dalam profil tanah. Akhirnya Fe 3+ berpresipitasi pada horizon B dengan membentuk lapisan yang jelas. Podsolisasi 13
TRANSFORMASI MANGAN Mangan Tanah Seperti halnya besi, mangan juga lebih larut pada tanah masam hingga mencapai kondisi toksik Dekomposisi bahan organik membantu kelarutan Mn Konsentrasi toksik lebih umum dijumpai daripada unsur mikro lainnya Tanah mungkin secara alami memiliki kadar Mn yang tinggi Kondisi tersebut memudahkan terjadinya toksisitas mangan. 14
Mangan Tanah Toksisitas Mn pada tanah dengan kandungan Mn terjadi pada ph sedikit di bawah 6, kelebihan air, atau bahkan pada ph tinggi. Gejala defisiensi mangan klorosis daun muda Beberapa bentuk anorganik Mn oksida/hidroksida seperti manganit (MnOOH) dan pirolusit (MnO 2 ), karbonat (MnCO 3 ), dan sulfida (MnS). Bentuk Mn paling tersedia bagi pertumbuhan tanaman adalah ion Mn 2+ tereduksi. 15
Mn 2+ dilepaskan melalui pelapukan batuan beku dan batuan metamorf Bentuk Mn ini dioksidasi menjadi Mn 3+ dengan adanya oksigen. Siklus Redoks Mn Mangan di tanah terdapat dalam tiga bentuk oksidasi: Mn(II), Mn(III) and Mn(IV). Tanpa adanya oksigen Mn(II) dijumpai lebih banyak Adanya oksigen, Mn(IV) lebih banyak dan diikuti oleh Mn(III). 16
Siklus Redoks Mn Oksidasi Mangan Oksidasi Mn oleh mikroba dan secara kimia membentuk oksida-oksida mangan yang relatif tidak larut. Oksidasi Mn oleh bakteri terjadi pada tanah dan sedimen 17
Pada dasar laut, adanya aktivitas mikroba menyebabkan pembentukan nodul-nodul feromangan. Oksidasi Mn di lingkungan dengan ph netral atau asam diperantarai oleh mikroba. Oksidasi Mn 2+ secara kimia terjadi hanya pada ph >8. Oksidasi Mn yang diperantarai oleh mikroorganisme berlangsung pada tanah berph>5. Kecepatan oksidasi Mn + meningkat dengan meningkatnya alkalinitas hingga kira-kira ph 8. Mn 2+ + 2OH - MnO 2 + H 2 O MnO 2 yang dibentuk sangat tidak larut. 18
Mangan dioksidasi oleh berbagai bakteri tanah dan akuatik. Contoh: Arthrobacter, Leptothrix, Bacillus, Cladosporium, Corynebacterium, Curvularia, Gallionella, Klebsiella, Metallogenium, Pedomicrobium, Pseudomonas, dan Sphaerotilus. Bakteri pengoksidasi Mn dapat menyebabkan gejala defisiensi Mn pada tumbuhan. Konkresi mangan, atau nodul-nodul sering ditemukan di dalam tanah yang mengalami proses siklus oksidasi dan reduksi 19
Konkresi mangan 20