Latar belakang FIKSASI NITROGEN Pembuatan pupuk N pada Industri (Haber Bosch) membutuhkan tekanan dan suhu tinggi ` CH 4 H 2 200 atm ; 450 o C N 2 + 3H 2 2 NH 3 Untuk menciptakan kondisi tekanan dan suhu yang tinggi diperlukan bahan bakar sehingga menyebabkan pupuk buatan pabrik menjadi mahal harganya Pemanfaatan potensi alami : Kandungan gas N 2 di atmosfer kurang lebih 78%. Pemanfaatan mikroorganisme pemfiksasi (penambat) Nitrogen (N 2 ) dari udara secara biologi sebagai alternatif permasalahan tsb. Fiksasi N 2 secara Biologi ~ adalah reduksi nitrogen bebas (N 2 ) bebas menjadi amonia (NH 3 ) oleh kegiatan jasad prokariotik, baik yang bersimbiotik maupun yang non simbiotik dengan fungi tertentu seperti lumut, gymnospermae, atau tumbuhan tingkat tinggi. Jasad prokariotik= jasad yang tidak mempunyai membran inti sel (bakteri) Sejarah pemanfaatan : Roma Legum China Azolla Rhizobium Simbiotik aerob (M. Beijerinck) Clostridium nonsimbiotik ; anaerob (S. Winogradsky) Bakteri pemfiksasi nitrogen Penambat Nitrogen non-simbiotik: Azotobacter, hidup di rhizosfer tanaman di lahan kering Clostridium, hidup di tanah tergenang/ tanah sawah Azospirillum, hidup di permukaan / dalam akar Cyanobacteria, BGA, hidup di tanah tergenang /tanah sawah Penambat Nitrogen simbiotik: Rhizobium- hidup dalam bintil akar leguminosae Anabaena azollae-hidup dalam daun Azolla pinnata 1
Fisiologi penambatan N Free living Pembentukan ATP Mg ATP Mg ADP Pi ATP N 2 Asosiatif Sumber energi Pembawa elektron (Reduktan) Kompleks enzim Nitrogenase Simbiotik karbohidrat Na 2 S 2 O 4 Donor non fisiologis C 2 H 2 H 3 O+ N 3 CN N 2 O Substrat C 2 H 4 H NH 3 + H 2 CH 4 + NH 3 N 2 + H 2 O Produk NH 3 enzim nitrogenase Mekanisme Fiksasi N Proses reduksi N 2 menjadi NH 3 melibatkan enzim nitrogenase yang dihasilkan oleh jasad prokariotik. Sifat enzim nitrogenase : Sensitif terhadap O 2 Komponen enzim terdiri dari 2 protein : Sub-unit protein yang mengandung Mo, Fe, S yang bersifat labil terhadap asam Sub-unit protein yang mengandung Fe (sensitif terhadap O 2 ) (Fe-protein) 2
Syarat yang harus dipenuhi agar aktivitas nitrogenase berjalan Penambatan Non Simbiotik Ada substrat : N 2, N 2 O, C 2 H 2, HCN, Ada sumber energi : ATP, Mg Ada Reduktan : Ferredoxin (Clostridium, Azotobacter) Flavoprotein (Azotobacter) Fe-S (bakteriod) Azotobacter Clostridium Azosprillium Derxia dan Beijerinckia Klebsiella danbacillus aerobik anaerobic Berasosiasi dengan rumput.paspalum notatum Tanah asam Phyllosphere kondisi yang harus dipenuhi agar terjadi fiksasi N Azotobacter Adanya populasi jasad penambat yang besar yang berkaitan dengan kecepatan fiksasi N Pembentukan selnya cepat yang menunjukkan bahwa fiksasi N berkaitan dengan pertumbuhan N atmosfer, dan bukan organik maupun anorganik. 3
Azospirillium sp Mekanisme penciptaan microsite anaerob pada penambat N Terdapat beberapa mekanisme yang digunakan untuk membatasi O 2 untuk menciptakan kondisi anaerob sebagai syarat berlangsungnya proses penambatan N pada Azotobacter membatasi difusi dengan menghasilkan kotoran/lumpur yang berlebihan Mempercepat respirasi dan konsumsi O 2 Melakukan perubahan reversible enzim nitrogenase yang fungsional menjadi bentuk yang tidak sensitif terhadap O 2. Faktor yang mempengaruhi fiksasi N non simbiotik Bakteri Tanah dan Nitrogen tersedia 1. Reaksi tanah (ph) Azotobacter sensitif pada ph rendah Beijerinkia & Derxia mempunyai kisaran ph 3-9 2. Fosfor dan bahan organik (status nutrien) 3. Sumber energi tersedia 4. efisiensi 5. sekresi (eksudat) Azospirilium lipoferum 6. Inokulasi sengaja dengan kultur bakteri panambat nitrogen non simbiotik N 2 Soil N 2 Atmosphere N 2 Atmosphere Nitrogen-fixing bacteria NH 3 (ammonia) Soil H + (From soil) + NH 4 (ammonium) Nitrifying bacteria Denitrifying bacteria NO 3 (nitrate) Nitrate and nitrogenous organic compounds exported in xylem to shoot system + NH 4 Ammonifying bacteria Organic material (humus) Root 4
Cross inoculation group Rhizobium-Legum Rhizobium sp Cross inoculation group Cross inoculation group Rhizobium Tipe Legum R. leguminosorum Pea group Pisum, Vicia R. phaseoli Bean group Phaseolus R. trifolii Clover group Trifolium R. meliloti Alfa-alfa group Medicago, melilotus R. lupini Lupini group Lupinus lotus R. japonicum Soybean group Glycine R. sp Cowpea Group Vigns (cowpea) 5
Cyanobacteria Cyanobacter merupakan jasad bebas diazotrof yang memfiksasi hanya beberapa kg N/ha/tahun. Jasad ini peranannya tidak sebesar jasad yang dlm keadaan bersimbiotik pada daerah terestrial. Cyanobacter kebanyakan hadir pada lingkungan akutik dan air tawar Cyanobacter di ketemukan di dipermukaan tanah, kadang di bawah permukaan tanah. Secara morfologi bentuknya dibagi menjadi 3 yaitu: Uniseluler (Chroococcus, Gleocapsa dan Microcystis) Nonfilamentous (Plectonema) Filamen (Anabaena, Nostoc) Simbiosis Tanaman Azolla dan Anabaena azolae Simbiosis Tanaman Azolla dan Anabaena azolae Sel Heterosis BGA :Anabaena Sel Vegetatif 6
Fiksasi N pada Cyanobacter Nostoc N 2 NH 4 + Glutamat Glutamin NH 4 + Enzim nitrogenase Heterosis Sel vegetatif Bakteri Penambat Nitrogen Potong akar Jumlah elektron 6 e- 10% acetylene 0,5 ml gas disuntikan ke dalm GC pemisahan nodul 6 e- N 2 NH 3 2 e - C 2 H 2 C 2 H 4 Pengukuran fiksasi N pada nodul legum pada tanaman dan potongan Nisbah elektron yang diperlukan untuk akar dg mereduksi akar N 2 dan C 2 H 2 adalah 3 : 1 Cara pengukuran aktivitas Nitrogenase Tipe/Sifat Asimbiotik/Asosiasi: Bakteri Aerobik Bakteri Mikroaerofilik Bakteri Fakultatif Bakteri Anaerobik Blue Green Algae/fotosintetik Simbiotik: Bakteri Blue Green Algae Jenis Mikroorganisme Azotobacter, Beijerinckia Azospirillum, Thiobacillus, Spirillum Bacillus, Escherichia, Pseudomonas Clostridium, Desulfovibrio Nostoc, Anabaena, Rhodospirillum Rhizobium-Legum Anabaena azollae-azolla 7
Penghambat balik Fiksasi N (feedback inhibition) Fiksasi nitrogen tidak terjadi jika terdapat NH 4+, NO 3- dan Bahan organik tersedia. Karena menurut hipotesis: Adanya N tersedia mengalir langsung hilang dari nitrogenase (tidak ada elektron) sehingga tidak mereduksi. Pada sistem simbiotik bahwa reduksi nitrat pada nodul yang menyebabkan NO 2- berikatan dengan senyawa yang melindungi nitrogenase dari O 2. Akar Nodul 1. Pemilihan karbohidrat 2. Penghambatan nitrogenase 3. Penghambatan leghaemoglobin 4. Amonium feed back Bisakah saya menjelaskan gambar di samping ini?? 8