TINJAUAN PUSTAKA Abu Vulkanik Abu vulkanik atau pasir vulkanik adalah bahan material vulkanik jatuhan yang disemburkan ke udara saat terjadi suatu letusan. Abu maupun pasir vulkanik terdiri dari batuan berukuran besar sampai berukuran halus, yang berukuran besar biasanya jatuh disekitar sampai radius 5-7 km dari kawah, sedangkan yang berukuran halus dapat jatuh pada jarak mencapai ratusan kilometer bahkan ribuan kilometer dari kawah disebabkan oleh adanya hembusan angin (Sudaryo dan Sucipto, 2009). Dalam suatu aktivitas vulkanisme, material-material yang dikeluarkan berupa gas, cair, dan padat. Gas-gas yang keluar antara lain uap air, O 2, N 2, CO 2, CO, SO 2, H 2 S, NH 3, H 2 SO 4, dan sebagainya. Materi cair yang dikeluarkan adalah magma yang keluar melalui pipa gunung yang disebut lava sedangkan materi padat yang disemburkan ketika gunung api meletus berupa bom (batu-batu besar), kerikil, lapilli, pasir, abu serta debu halus (Munir, 1996). Menurut Sudaryo dan Sucipto (2009) karakteristik abu vulkanik yang terdapat pada Gunung Merapi memiliki kandungan P dalam abu volkan berkisar antara rendah sampai tinggi (8-232 ppm P2O5). KTK (1,77-7,10 me/100g) dan kandungan Mg (0,13-2,40 me/100g), yang tergolong rendah, namun kadar Ca cukup tinggi (2,13-15,47 me/100g). Abu yang jatuh dan menutupi lahan pertanian memberikan dampak positif dan negatif bagi tanah dan tanaman. Dampak positif bagi tanah, secara tidak langsung adalah memperkaya dan meremajakan tanah yang juga meningkatkan
pertumbuhan tanaman, sedangkan dampak negatifnya adalah abu tersebut menutupi permukaan daun sehingga menghambat proses fotosintesa dan tanaman tersebut lambat laun akan mati. Hal ini mengakibatkan penurunan produksi tanaman. Dampak negatif lainnya adalah kemungkinan terkandungnya logamlogam berat dalam abu vulkanik tersebut. Abu vulkanik gunung Sinabung menurut kajian yang dilakukan oleh Balitbangtan (2014) mengandung unsur logam berat berupa S sebesar 0,05% hingga 0,32%, Fe sebesar 0,58% hingga 1,51%, Pb sebesar 1,5% hingga 5,3% dan unsur-unsur lain seperti Cd, As, Ag ataupun Ni dalam jumlah yang sedikit dan tidak terdeteksi. Penelitian kandungan abu vulkanik gunung sinabung oleh Balitbangtan (2014) menunjukkan hasil analisis terhadap abu vulkanik berupa komposisi mineral abu-pasir volkan berupa fragmen batuan (28-37%), gelas volkan (22-26%), augsit (8-13%), Heperstin (10-18%), labradorit (7-10%), bintonit (2-5%) dan opak (3-5%). Bahan-bahan mineral ini bila melapuk akan menjadi sumber unsur hara esensial terutama Ca, Mg, K, Na, P, S, Fe dan Mn. Tanah Andisol Andisol adalah tanah yang berkembang dari bahan abu vulkanik yang mempunyai potensi kesuburan tanah yang tinggi. Potensi kesuburan tanah yang tinggi pada Andisol sering tidak berbanding lurus dengan peningkatan produksi tanaman, karena sebagian besar unsur hara makro berada dalam keadaan terfiksasi di dalam tanah (Yunus, 2012). Andisol merupakan tanah dengan epipedon molitik atau umbrik atau ochrik atau kambik, bulk density (kerapatan lindak) kurang dari 0,85 gr/cm 3,
banyak mengandung bahan amorf, atau lebih dari 60% terdiri dari abu vulkanik vitrik, cindes atau bahan pyroklastik lain (Hardjowigeno, 2003). Andisol merupakan salah satu jenis tanah didaerah tropika yang memiliki sifat khas yang tidak dimiliki oleh jenis tanah yang lain. Tanah ini dicirikan oleh bobot isi yang rendah dan memilki kompleks pertukaran yang didominasi oleh bahan amorf yang bermuatan variabel serta retensi fosfat yang tinggi. Tanah yang terbentuk dari abu volkan ini umumnya ditemukan di daerah dataran tinggi (>400m di atas pemukaan laut) (Darmawidjaya, 1990). Tanah Andisol dicirikan oleh warna yang hitam, sangat porous, mengandung bahan organik dan liat amorf terutama alofan serta sedikit silika aluminia. Luas tanah kurang lebih 6,5 juta ha atau 3,4 % seluruh daratan Indonesia yang tersebar di daerah-daerah volkan dan merupakan tanah pertanian yang penting, terutama bagi tanaman hortikultura seperti tanaman bunga, sayur-sayuran dan buah-buahan yang mendukung pertumbuhan ekonomi (Rahayu, 2003). Pusat Penelitian dan Pengembangan Tanah dan Agroklimat (2005) dalam (Ketaren, 2008) mengatakan bahwa data analisis tanah Andisol dari berbagai wilayah menunjukkan bahwa Andisol memiliki tekstur yang bervariasi dari berliat (30-65% liat) sampai berlempung kasar (10-20%). Reaksi tanah umumnya agak masam (5,6-6,5). Kandungan bahan organik lapisan atas sedang sampai tinggi dan lapisan bawahnya umumnya rendah, dengan nisbah C/N terolong rendah. Kandungan P dan K potensial bervariasi sedang sampai tinggi, umumnya kandungan lapisan atas lebih tinggi daripada lapisan bawahnya.
Tanah Andisol adalah tanah yang memiliki bahan andik dengan ketebalan sebesar 60% atau lebih bila: 1) terdapat dalam 60 cm dari permukaan mineral atau pada permukaan bahan organik dengan sifat andik yang lebih dangkal, jika tidak terdapat kontak densik, litik, atau paralitik, horizon duripan atau horizon petrokalsik pada kedalaman tersebut, atau 2) diantara permukaan tanah mineral atau lapisan organik dengan sifat andik, yang lebih dangkal dan kontak densik, litik, atau paralitik, horizon duripan atau horizon petroklasik (Soil Survey Staff, 2010). Menurut Sanchez (1976), tanah yang mengandung alofan seperti Andosol merupakan pengerap fofat tertinggi, dengan besar erapan lebih dari 1000 ppm P. Kekahatan P merupakan kendala terpenting pada sebagian besar tanah mineral masam di Indonesia, kekahatan P tersebut berkaitan dengan daya erapan ion P yang mengakibatkan P menjadi tidak larut dan relatif tidak tersedia bagi tanaman. Pada tanah Andosol, ketersediaan fosfat terlarut untuk tanaman yang diberikan dalam bentuk pupuk berkurang dengan cepat dan hanya sekitar 10% saja yang dapat diserap tanaman (Tan, 1984). Secara umum faktor-faktor yang mempengaruhi erapan P dalam tanah menurut Tisdale et al, (1990) ialah sebagai berikut: 1) sifat dan jumlah komponen-komponen tanah yang terdiri atas hidrus oksida logam dari besi dan aluminium, tipe liat, kadar liat, koloid-koloid amorf, dan kalsium karbonat, 2) PH, 3) kation, 4) anion, 5) kejenuhan kompleks jerapan, 6) bahan organik, 7) suhu, dan 8) waktu reaksi. Unsur Hara Fosfat (P) Ketersediaan hara P tanah untuk tanaman sangat dipengaruhi oleh sifat dan ciri tanahnya sendiri. Unsur hara P menjadi tidak tersedia dan tidak larut
disebabkan oleh fiksasi mineral-mineral liat dan ion-ion logam seperti Al, Fe, maupun Ca yang banyak larut (Nyakpa dkk, 1988). Unsur hara P di dalam tanah terdapat dalam bentuk fosfat anorganik dan fosfat organik. Senyawa P-organik dalam tanah antara lain fosfolipida, asam suksinat, fitin dan inositol fosfat yang dapat didekomposisi dengan baik oleh mikroba tanah. Unsur P-anorganik mudah bersenyawa dengan berbagai ikatan seperti Al, Fe, Ca, dan Mn. Senyawa P-anorganik dapat diklasifikasikan menjadi 4 bagian yaitu besi fosfat (FePO 4 ), aluminium fosfat (AlPO 4 ), kalsium fosfat (Ca 3 (PO 4 ) 2 ) dan reductant soluble. Bentuk FePO 4 dan AlPO 4 dominan ditemukan pada tanah masam (Rosmarkam dan Yuwono, 2002). Awalnya P dalam senyawa larut dalam air, seperti fosfat monocalcium dalam superfosfat, dan masuk ke dalam larutan tanah sebagai ion fosfat. P ini kemudian diambil oleh akar atau terserap cepat ke partikel mineral atau bahan organik yang membentuk sebagian besar tanah. P ini akan terikat pada permukaan senyawa aluminium, besi atau kalsium. Jenis dan proporsi dari senyawa ini relatif terutama tergantung pada sifat dan ukuran partikel liat dan keasaman tanah. Pada awalnya reaksi adsorpsi berlangsung lambat untuk menghasilkan senyawa kalsium besi dan aluminium kurang mudah larut. Kecepatan yang teradsorpsi dengan P dilepaskan kembali ke larutan tanah untuk mengisi P diambil oleh akar tanaman tergantung pada kekuatan ikatan memegang P pada permukaan yang berbeda (Johnston, 2000). Tanaman menyerap hara fosfor dalam bentuk ion orthofosfat yakni : H 2 PO4 -, HPO4 2-, dan PO4 3- dimana jumlah dari masing-masing bentuk sangat tergantung pada ph tanah. Pada tanah-tanah yang bereaksi masam lebih banyak
dijumpai bentuk H 2 PO 4 - dan pada tanah alkalis adalah bentuk PO 4 3- (Damanik dkk, 2011). Indranuda (1994) menjelaskan bahwa fosfor merupakan bagian integral tanaman di bagian penyimpanan (storage) dan pemindahan (transfer) energi. Fosfor terlibat pada penangkapan cahaya dari sebuah molekul klorofil. Begitu energi tersebut sudah tersimpan dalam ADP (adenosine diphosphate) atau ATP (adenosine triphosphate), maka akan digunakan untuk menjalankan reaksi-reaksi yang memerlukan energi, seperti pembentukan sukrosa, tepung dan protein. Pada tanaman, fosfor berperanan dalam transfer energi, bagian dari ATP (adenosin trifosfat), ADP (adenosin difosfat), penyusun protein, koenzim, asam nukleat dan senyawa-senyawa metabolik yang lain. Karena keterlibatan unsur P yang begitu banyak, maka ketersediaannya bagi tanaman menjadi sangat penting (Anas dan Premono, 1993). Ada hubungan yang erat antara konsentrasi fosfor di dalam larutan tanah dengan pertumbuhan tanaman yang baik. Defisiensi fosfor selalu timbul akibat dari terlalu rendahnya konsentrasi H 2 PO 4 - dan HPO 4 2- di dalam larutan tanah. Senyawa fosfor dalam bentuk larut yang dimasukkan ke dalam tanah untuk mengatasi defisiensi fosfor cepat sekali mengendap dan terikat oleh matriks tanah (Indranuda, 1994). Jamur Pelarut Posfat Mikroba pelarut fosfat hidup di sekitar perakaran tanaman, mulai permukaan tanah sampai kedalaman 25cm. Keberadaannya berkaitan dengan jumlah bahan organik yang akan mempengaruhi populasi serta aktivitasnya dalam tanah. Mikroba yang hidup dekat daerah perakaran secara fisiologis lebih aktif
dibanding mikroba yang hidup jauh dari daerah perakaran. Keberadaan mikroba pelarut fosfat beragam dari satu tempat ke tempat lainnya karena perbedaan sifat biologis mikroba itu sendiri. Terdapat mikroba yang hidup pada kondisi masam dan ada pula yang hidup pada kondisi netral dan basa, ada yang hipofilik, mesofilik dan termofilik ada yang hidup aerob maupun anaerob (Ginting, 2006). Jamur pelarut fosfat merupakan salah satu anggota mikroba tanah yang dapat meningkatkan ketersediaan dan pengambilan P oleh tumbuhan. Bentuk ikatan P yang umum ditemui pada kondisi masam adalah AlPO 4 dan FePO 4. Jamur pelarut fosfat mampu melarutkan P dalam bentuk AlPO 4 lebih baik dibanding BPF pada kondisi masam. Penelitian Lestari dan Saraswati (1997) melaporkan bahwa jamur pelarut P mampu meningkatkan kadar fosfat terlarut sebesar 27% - 47% di tanah masam. Penelitian Goenadi (1994), menunjukkan JPF mampu melarutkan fosfat 12-162 ppm di media Pikovskaya dengan sumber P dari AlPO 4 (Premono, 1998). Aktivitas mikroba tanah berpengaruh langsung terhadap ketersediaan fosfat di dalam larutan tanah. Sebagian aktivitas mikroba tanah dapat melarutkan fosfat dari ikatan fosfat tak larut (melalui sekresi asam-asam organik) atau mineralisasi fosfat dari bentuk ikatan fosfat-organik menjadi fosfat-anorganik. Selain tanaman, fosfat anorganik terlarut juga digunakan oleh mikroba untuk aktivitas dan pembentukan sel-sel baru, sehingga terjadi pengikatan (immobilisasi) fosfat (Santosa, 2007). Pertumbuhan mikroorganisme pelarut fosfat sangat dipengaruhi oleh kemasaman tanah. Pada tanah masam, aktivitas mikrooganisme dipengaruhi oleh kelompok fungi sebab pertumbuhan fungi optimum pada ph 5-5.5. Pertumbuhan
fungi menurun dengan meningkatnya ph. Sebaliknya pertumbuhan kelompok bakteri optimum pada ph sekitar netral dan meningkat seiring dengan meningkatnya ph tanah (Ginting, 2006). Kemampuan MPF dalam melarutkan fosfat berbeda-beda, antara lain tergantung dari macam dan jumlah asam organik yang dihasilkan serta sumber fosfat yang digunakan (Santosa, 2007). Kemampuan mikroba pelarut fosfat dalam melarutkan fosfat yang terikat dapat diketahui dengan membiakkan biakan murninya pada media agar Pikovskaya atau media agar ekstrak tanah yang berwarna putih keruh karena mengandung P tidak terlarut seperti kalsium fosfat (Ca 3 (PO 4 ) 2 ). Pertumbuhan mikroba pelarut fosfat dicirikan dengan adanya zona bening di sekitar koloni mikroba yang tumbuh, sedangkan mikroba yang lain tidak menunjukkan ciri tersebut (Raharjo dkk, 2007). Beberapa jamur dan bakteri yang besar perannya dalam pembebasan senyawa-senyawa fosfat organik adalah Aspergillus, Penicillium, Bacillus dan Pseudomonas melalui sekresi sejumlah asam organik seperti asam format, asetat, propionate, laktat, glikolat, fumarat dan suksinat (Hanafiah dkk, 2009). Proses utama terhadap pelarutan senyawa fosfat sukar larut adalah produksi asam organik oleh jamur, seperti asam format, asetat, propionat, laktat, glikolat, fumarat, dan asam suksinat. Asam organik ini menyebabkan ph rendah, dan beberapa hidroksi berinteraksi dengan kalsium, besi, kemudian akan melarutkan fosfat. Asam organik seperti asam sitrat dan asam sulfat berperan dalam meningkatkan kelarutan fosfat dalam batuan fosfat (Rao, 1994). Prinsip dasar isolasi mikroba pelarut fosfat ialah menyeleksi mikroba dalam media pertumbuhan spesifik yang mengandung sumber P terikat.
Kemampuan mikroba pelarut fosfat dalam melarutkan fosfat terikat dapat diketahui dengan mengembangkan biakan murni pada media Pikovskaya yang berwarna putih keruh, karena mengandung P tidak larut air seperti kalsium fosfat Ca 3 (PO 4 ) 2. Pertumbuhan mikroba pelarut fosfat dicirikan dengan zona bening (holozone) di sekeliling koloni mikroba. Mikroba pelarut fosfat yang potensial dapat diseleksi dengan melihat luas zona bening paling besar pada media padat. Pengukuran potensi pelarutan fosfat secara kualitatif ini menggunakan nilai indeks pelarutan (dissolving index), yaitu nisbah antara diameter zona jernih terhadap diameter koloni. Kemampuan pelarut fosfat terikat secara kuantitatif dapat diukur dengan membiakkan mikroba pada media Pikovskaya cair. Kandungan P terlarut dalam media cair tersebut diukur setelah masa inkubasi (Setiawati, 1998). Keberhasilan inokulasi pelarut fosfat pada kondisi lapangan dipengaruhi oleh beberapa faktor biologi, diantaranya adalah kandungan bahan organik. Tanah dengan kandungan bahan organik rendah tidak dapat memberikan kondisi lingkungan yang sesuai untuk aktivitas mikroorganisme pelarut fosfat. Penambahan bahan organik dengan inokulasi mikroorganisme pelarut fosfat dapat meningkatkan aktivitas mikroorganisme pelarut fosfat dan ketersediaan P tanah, terutama bila dikombinasikan dengan batuan fosfat (Hanafiah, 1994). Mekanisme Pelarutan Fosfat Mekanisme kimia pelarutan fosfat dimulai saat mikroba pelarut fosfat mengekresikan sejumlah asam organik berbobot molekul rendah hasil metabolisme seperti asetat, propionat, glutamat, formiat, glikolat, fumarat,
oksalat, suksinat, tartarat, sitrat, laktat, malat, fumarat dan α-ketoglutarat (Beauchamp dan Hume, 1997). Meningkatnya asam-asam organik tersebut diikuti dengan penurunan ph. Penurunan ph dapat pula disebabkan oleh pembebasan asam sulfat dan nitrat pada oksidasi kemoautotrofik sulfur dan amonium. Perubahan ph berperan penting dalam peningkatan kelarutan fosfat. Asam-asam organik tersebut akan bereaksi dengan bahan pengikat fosfat seperti Al 3+, Fe 3+, Ca 2+ atau Mg 2+ membentuk khelat organik yang stabil yang mampu membebaskan ion fosfat terikat sehingga dapat dimanfaatkan oleh tumbuhan (Setiawati, 1998). Jamur pelarut fosfat memiliki 3 mekanisme dalam meningkatkan penyerapan P yaitu: (1) secara fisik dimana infeksi jamur pada akar tanaman dapat membantu pengambilan fosfor dengan memperluas permukaan sampai akar; (2) secara kimia jamur diduga mendorong perubahan ph perakaran. Jamur juga menghasilkan asam sitrat dan asam oksalat yang menggantikan posisi ion fosfat yang terfikasasi; (3) secara fisiologi, jamur menghasilkan hormon auksin, sitokinin dan giberelin yang mampu memperlambat proses penuaan akar sehingga memperpanjang masa penyerapan unsur hara (Premono, 1998). Pelarutan fosfat secara biologis terjadi karena mikroorganisme tersebut menghasilkan enzim antara lain enzim fosfatase dan enzim fitase. Fosfatase merupakan enzim yang akan dihasilkan apabila ketersediaan fosfat rendah. Fosfatase diekskresikan oleh akar tanaman dan mikroorganisme, dan di dalam tanah yang lebih dominan adalah fosfatase yang dihasilkan oleh mikroorganisme (Joner et al, 2000).
Pada proses mineralisasi bahan organik, senyawa fosfat organik diuraikan menjadi bentuk fosfat anorganik yang tersedia bagi tanaman dengan bantuan enzim fosfatase. Enzim fosfatase dapat memutuskan fosfat yang terikat oleh senyawa-senyawa organik menjadi bentuk yang tersedia (Paul dan Clark, 1989). Asam-asam organik melarutkan P pada media dan dalam tanah melalui mekanisme antara lain: kompetisi anion ortofosfat pada tapak jerapan, perubahan ph media, pengikatan logam membentuk logam organik dan khelat oleh ligan organik. Terdapatnya asam-asam organik ini dalam tanah sangat penting artinya dalam mengurangi ikatan P oleh unsur penjerapannya dan mengurangi daya racun logam seperti aluminium pada tanah masam. Kecepatan pelarut P dari mineral P oleh asam organik ditentukan oleh: (1) kecepatan difusi asam organik dari larutan tanah, (2) waktu kontak antara asam organik dan permukaan mineral, (3) tingkat dissosiasi asam organik, (4) tipe dan letak gugus fungsi asam organik, (5) affinitas kimia agen pengkhelat terhadap logam dan (6) kadar asam organik dalam larutan tanah Urutan kemampuan asam organik dalam melarutkan fosfat adalah asam sitrat > asam oksalat = asam tartarat = asam malat > asam laktat = asam fumarat = asam asetat. Asam organik yang mampu membentuk komplek yang lebih mantap dengan kation logam lebih efektif dalam melepas Al dan Fe mineral tanah sehingga akan melepas P yang lebih besar. Urutan kemudahan fosfat terlepas mengikuti ukuran Ca 3 (PO 4 ) 2 > AlPO 4 > FePO 4 (Premono, 1994). Asam-asam organik sangat berperan dalam pelarutan fosfat karena asam organik tersebut relatif kaya akan gugus-gugus fungsional karboksil (-COO ) dan hidroksil (-O ) yang bermuatan negatif sehingga memungkinkan untuk membentuk senyawa komplek dengan ion (kation) logam yang biasa disebut
chelate. Asam-asam organik meng-chelate Al, Fe atau Ca, mengakibatkan fosfat terlepas dari ikatan AlPO 4.2H 2 O, FePO 4.2H 2 O, atau Ca 3 (PO 4 ) 2 sehingga meningkatkan kadar fosfat-terlarut dalam tanah. Keadaan ini akan meningkatkan ketersediaan fosfat dalam larutan tanah. Pelarutan fosfat dari Al-P atau Fe-P juga Ca-P oleh asam organik yang dihasilkan MPF menurut Santosa (2007) adalah sebagai berikut: Gambar 1. Reaksi pelarutan fosfat dari Al-P atau Fe-P pada tanah masam oleh asam organik Gambar 2. Reaksi pelarutan fosfat dari Ca-P pada tanah basa oleh asam organik