TUGAS KULIAH MATA KULIAH MANAJEMEN KESUBURAN TANAH DAUR NITROGEN Disusun oleh : Fanita Widyah Alviana (115040200111044) Kelas G PROGRAM STUDI AGROEKOTEKNOLOGI FAKULTAS PERTANIAN UNIVERSITAS BRAWIJAYA MALANG 2013
DAUR NITROGEN NITROGEN Nitrogen (N) merupakan unsur penyusun senyawa organik dalam tubuh, khususnya protein. N memenuhi 80% dari volume udara. Walaupun jumlahnya melimpah, hewan dan manusia tidak dapat menggunakannya secara langsung. Hewan dan manusia mendapatkan N dari tumbuhan melalui rantai makanan. Daur N setidaknya melewati 4 tahap berikut. Nitrogen adalah unsur kimia yang memiliki lambang N, nomor atom dari 7 dan massa atom 14,00674 u. Elemental nitrogen tidak berwarna, tidak berbau, tawar dan kebanyakan lembam diatomik gas pada kondisi standar, merupakan 78% dari volume atmosfer bumi. Banyak senyawa penting industri, seperti amonia, asam nitrat, nitrat organik (propellants dan bahan peledak), dan sianida, mengandung nitrogen. Ikatan yang sangat kuat dalam unsur kimia nitrogen mendominasi, menyebabkan kesulitan untuk kedua organisme danindustri dalam mematahkan ikatan untuk mengubah N 2 menjadi senyawa yang berguna, tetapi melepaskan sejumlah besar energi sering berguna, ketika senyawa tersebut terbakar, meledak, atau pembusukan kembali menjadi gas nitrogen. Unsur nitrogen ditemukan oleh dokter Skotlandia Daniel Rutherford pada tahun 1772. Nitrogen terjadi di semua organisme hidup. Ini adalah elemen konstituen asam amino dan dengan demikian protein, dan asam nukleat (DNA dan RNA). Ini terletak pada struktur kimia dari hampir semua neurotransmiter, dan merupakan komponen yang menentukan alkaloid, molekul biologis yang dihasilkan oleh banyak organisme. Dibawah ini adalah agen-agen yang berperan dalam siklus nitrogen. Fiksasi nitrogen oleh bakteri dapat memperbaiki atmosfer gas nitrogen (N 2) untuk amonia (NH 3) dalam reaksi pengurangan. Persamaan untuk reaksi ini adalah: N 2 + 3H 2 - > 2NH 3 Beberapa bakteri pengikat nitrogen yang hidup bebas di tanah misalnya Azotobacter Beberapa, misalnya Rhizobium, membentuk mutualistic (simbiotik) hubungan dengan legum (kacang polong, kacang-kacangan, semanggi dll, Ini adalah anggota Papilionaceae) di mana bakteri hidup di nodul pada akar tanaman. Bakteri menyediakan tanaman dengan tetap nitrogen, tanaman memberikan bakteri dengan karbohidrat. Gambar di bawah ini menunjukkan nodul akar dalam anggota Papilionaceae Decomposer adalah bakteri dan jamur yang membusuk bangkai binatang dan tanaman dan, dalam proses mengkonversi nitrogen organik mereka (yang ditemukan dalam protein dan asam nukleat) menjadi anorganik, amonium (NH 4 +). Bakteri nitrifikasi adalah bakteri yang interconvert molekul nitrogen anorganik: Nitrosomonas mengubah amonium (NH 4 +) ke nitrit (NO 2 -),Nitrobacter mengubah nitrit (NO 2 -) menjadi nitrat (NO 3 -).Secara bersama proses-proses ini dikenal sebagai nitrification.nitrification hanya terjadi bila kondisi tanah tidak sesuai yaitu berawa, terlalu dingin atau terlalu asam. Jika kondisi tanah yang tidak sesuai terakumulasi amonium
Baktei denitrifikasi adalah bakteri yang mengubah nitrat (NO 3 -) untuk nitrit (NO 2 -) dan kemudian ke gas nitrogen (N 2).Bakteri ini mengkonversi nitrogen anorganik ke dalam atmosfer nitrogen; suatu proses yang dikenal sebagai denitrifikasi. Contoh bakteri ini adalah Pseudomonas, Thiobacillus dll. Ini adalah denitrifikasi bakteri anaerob sehingga hanya terjadi dalam kondisi anaerob (misalnya ketika tanah berawa Fiksasi nitrogen oleh energi yang tinggi yang tersedia dari petir yang cukup untuk memperbaiki atmosfer nitrogen nitrat Haber-Bosch ini adalah sepenuhnya proses buatan yang digunakan dalam pembuatan pupuk amonium tetapi karena kontribusi terhadap total fiksasi nitrogen atmosfer sering termasuk Pencucian hilangnya nitrat dari tanah sebagai akibat dari hujan lebat turun. Nitrat larut ke dalam tubuh air (misalnya danau) memperkaya mereka dan membuat mereka lebih subur. Proses ini dikenal sebagai eutrofikasi. N- TERSEDIA BAGI TANAMAN Nitrogen yang dapat di manfaatkan oleh tanaman tinggkat tingggi khususnya tanaman budidaya dapat di bedakan atas empat kelompok utama yaitu: Nitrogen nitrat (NO3-), Nitrogen ammonia (NH4+), Nitrogen molekuler (N2) dan Nitrogen organic. Namun tidak semua dari bentuk bentuk nitrogen ini dapat tersedia bagi tanaman. Umumnya tanaman pertanian memanfaatkan nitrat dan ammonium kecuali pada beberapa tanaman legume yang mampu memanfaatkan N bebas melalui proses fiksasi N dengan bersimbiosis dengan bakteri Rhizobium. N organic kadang kadang dapat dimanfaatkan oleh tanaman tinggi akan tetapi tidak mampu mencukupi kebutuhan N tanaman dan umumnya dimanfaatkan lewat daun melalui pemupukan lewat daun. Bagi tanaman pertanian terutama manfaat N dalam bentuk ion nitra, akan tetapi dalam kondisi tertentu khususnya pada tanah tanah masam dan kondisi an aerobic tanaman akan memanfaatkan N dalam bentuk ion ammonium (NH4+). Pada tanaman tanaman yang tumbuh aktif dengan cepat nitrat yang terabsopsi oleh akar tanaman akan terangkut dengan cepat ke daun mengikuti alur transpirasi. Oleh karena itu metabolisme nitrat pada kebanyakan tanaman budidaya umumnya terjadi didaun walaupun metabolisme nitrogen juga terjadi pada akar tanaman.
PERANAN N BAGI PERTUMBUHAN TANAMAN Nitrogen adalah unsur yang sangat penting bagi petrumbuhan tanaman. Nitrogen merupakan bagian dari protein, bagian penting konstituen dari protoplasma, enzim, agen katalis biologis yang mempercepat proses kehidupan. Nitrogen juga hadir sebagai bagian dari nukleoprotein, asam amino, amina, asam gula, polipeptida dan senyawa organik dalam tumbuhan. Dalam rangka untuk menyiapkan makanan untuk tanaman, tanaman diperlukan klorofil, energi sinar matahari untuk membentuk karbohidrat dan lemak dari C air dan senyawa nitrogen. Adapun peranan N yang lain bagi tanaman adalah : Berperan dalam pertumbuhan vegetatif tanaman Memberikan warna pada tanaman Panjang umur tanaman Penggunaan karbohidrat GEJALA KEKURANGAN DAN KELEBIHAN UNSUR N TERHADAP TANAMAN Kekurangan salah satu atau beberapa unsur hara akan mengakibatkan pertumbuhan tanaman tidak sebagaimana mestinya yaitu ada kelainan atau penyimpangan-penyimpangan dan banyak pula tanaman yang mati muda yang sebelumnya tampak layu dan mengering. Adapun gejala yang ditimbulkan akibat dari kekurangan dan kelebihan unsure N bagi tnaman adalah sebagai berikut : 1. Efek kekurangan unsur N bagi Tanaman Pertumbuhan kerdil Warna daun menguning Produksi menurun Fase pertumbuhan terhenti Kematian 2. Efek dari kelebihan unsur N bagi tanaman Kualitas buah menurun Menyebabkan rasa pahit (spt pada buah timun) Produksi menurun Daun lebat dan pertumbuhan vegetative yang cepat Menyebabkan keracunan pada tanaman
FIKSASI Nitrogen tersedia di udara dalam bentuk molekul yang stabil (dinitrogen : N2) sehingga membutuhkan energi besar untuk memecah ikatannya. Secara alami fiksasi seperti ini dibantu oleh petir. Di sisi lain, beberapa mikroorganisme mampu melakukan fiksasi N, yaitu mengikat N bebas dari udara dan memecahnya menjadi senyawa nitrat (NO3-), Gas nitrogen ini di atmosfer masuk ke dalam tanah melalui fiksasi nitrogen oleh bakteri seperti Rhizobium (bersimbiosis dengan akar kacang-kacangan membentuk bintil), Azotobacter, dan Clostridium. Ada juga dari kelompok alga biru seperti Anabaena (bersimbiosis dengan paku air dan pakis haji) dan Nostoc. Ada juga dari kelompok jamur (Mycorhiza). Fiksasi: mengikat N bebas dari udara. N2 di udara diikat dan di pecah menjadi NO3 Mikroorganisme berperan: bakteri (Rhizobium, Azotobacter, clostridium) Alga Biru (Anabaena, Nostoc) Jamur (Mycorhiza) AMONIFIKASI Proses amonifikasi dari senyawa N-organik pada prinsipnya merupakan reaksi peruraian protein oleh mikroba. Secara umum proses perombakan protein dimulai dari peran ensim protease yang dihasilkan mikroba sehingga dihasilkan asam amino. Selanjutnya tergantung macam asam aminonya dan jenis mikroba yang berperan maka asam-asam amino akan dapat terdeaminasi melalui berbagai reaksi dengan hasil akhirnya nitrogen dibebaskan sebagai ammonia. Reaksi umumnya adalah sebagai berikut:
Urea yang mengalami proses amonifikasi akan terhidrolisis oleh adanya ensim urease yang dihasilkan oleh mikroba tanah. Urea yang dimasukkan ke dalam tanah akan mengalami proses amonifikasi sebagai berikut: Dalam keadaan asam dan netral amonia berada sebagai ion amonium. Sebagian amonia hasil amonifikasi dibebaskan sebagai gas NH3 ke atmosfer, sehingga lepas dari sistem tanah. Amonia dan bentuk nitrogen lain di eko-atmosfer dapat mengalami perubahan kimia dan fotokimia, sehingga dapat kembali ke litosfer dan hidrosfer bersama-sama air hujan. Ion amonium dapat diasimilasi tanaman dan mikroba, selanjutnya diubah menjadi asam amino atau senyawa N lain. Di dalam sel, ammonia direaksikan oleh glutamat atau glutamin sintase atau mengalami proses aminasi langsung dengan asam-ketokarboksilat sehingga berubah menjadi asam amino. Nitrogen yang masuk ke tanah melalui fiksasi diubah menjadi amonia (NH3) oleh bakteri amonia. Proses penguraian nitrogen menjadi amonia disebut amonifikasi. Ketika tumbuhan dan hewan mati ataupun sisa hasil ekskresi hewan (urine) akan diuraikan oleh dekomposer menjadi amonium dan amonia. Amonifikasi: penguraian Nitrogen menjadi amonia NO3 dari denitrifikasi diubah menjadi NH3 Mikroorganisme berperan: bakteri amonia NITRIFIKASI DAN DENITRIFIKASI Nitrifikasi adalah suatu proses oksidasi enzimatik yakni perubahan senyawa ammonium menjadi senyawa nitrat yang dilakukan oleh bakteri-bakteri tertentu. Proses ini berlangsug dalam dua tahap dan masing-masing dilakukan oleh grup bakteri yang berbeda. Tahap pertama adalah proses oksidasi ammonium menjadi nitrit yang dilaksanakan oleh bakteri Nitrosomonas dan tahap kedua adalah proses oksidasi enzimatik nitrit menjadi nitrat yang dilaksanakan oleh bakteri Nitrobakter (Damanik, dkk, 2011). Ion ammonium dalam tanah dapat dioksidasi secara enzimatik oleh bakteri tanah, nitrit pertama menguntungkan dan nitrit selanjutnya. Bakteri itu dikelaskan sebagai autotrof karena mereka mendapatkan energinya dari oksidasi ammonium ion menjadi bahan organik.
Proses ini dapat berakhir dengan nitrifikasi yang memiliki dua tahap utama. Tahap pertama menghasilkan perubahan ammonium menjadi nitrat oleh sekelompok spesifik tertentu dari autotrof bakteri (Nitrosomonas). Nitrit lalu dibentuk dan kemudain secara spontan dilanjutkan oleh grup kedua, Nitrobacter. Hasilnya, ketika NH4+ dilarutkan dalam tanah, biasanya dikonversikan secara cepat dalam NO3-. Oksidasi enzimatik melarutkan energy dan dapat ditunjukkan sangat sederhana dengan : Step I NH4+ + 1 ½ O2 NO2- + 2 H+ + H2O + 275 kj energi Step II NO2- + 1/2 O2 NO3- + 76 kj energi (Brady and Weil, 2008). Bakteri nitrifikasi sangat sensitive terhadap lingkungan mereka, lebih dari heterotrof pada umumnya. Akibatnya kondisi tanah mempengaruhi vigor dari nitrifikasi yang membutuhkan perhatian tertentu. Diantaranya adalah (a) aerasi, sejak nitrifikasi dip roses oksidasi pada tiap prosedur, itu meningkatkan aerasi pada tanah per point, memperbesar jumlah ini (b) temperature, umumya untuk proses ini dibutuhkan antara 800 900 F. Pada 1250 F, nitrifikasi akan langsung berhenti (c) kelembaban, rataan hasil nitrifikasi dalam tanah dengan menandakan adanya kapasitas air, proses mulai melambat pada kondisi kelembaban yang sangat tinggi dan sangat rendah (d) kejenuhan basa. Nitrifikasi membutuhkan keadaan kejenuhan basa yang tinggi (e) pupuk (f) kadar C/N (Brady, 1974). Denitrifikasi adalah reduksi nitrat menjadi nitrogen gas dan lepas dari tanah. Sesungguhnya, dalam hutan klimaks dan padang rumput yang kandungan bahan organik tanahnya kira-kira tetap dari tahun ke tahun dan jumlah nitrogen yang didaurkan di dalam tanah, penambahan nitrogen melalui penambatan mengarah pada kehilangan nitrogen dari tanah melalui denitrifikasi. Dengan demikian, denitrifikasi merupakan salah satu prose yang palig nyata dalam daur nitrogen dan menjadi penyebab kehilangan nitrogen secara nyata dari tanah (Foth, 1994). Bila pupuk organik diberikan pada tanah, nitrogen yang terkandung didalamnya digunakan oleh jasad renik (mikroorganisme) untuk pertumbuhannya sendiri. Dengan bahan organik yang mempunyai kandungan nitrogen rendah (nisbah karbon terhadap nitrogen, atau C/N tinggi), seperti jerami padi atau brangkas jagung (mikroorganisme) jasad renik akan mengambil nitrogen yang diperlukan untuk memecah bahan itu, dari tanah dan dengan demikian menyebabkan kekurangan hara tanaman yang paling esensial ini untuk sementara waktu ( Williams, et al 1993). Nitrifikasi Oleh bakteri nitrit (contohnya Nitrosomonas), amonia akan diubah menjadi nitrit, proses ini disebut sebagai nitritasi. Kemudian, nitrit dengan bantuan bakteri nitrat (contohnya Nitrobacter) akan diubah menjadi nitrat, proses ini disebut sebagai proses nitratasi. Peristiwa
proses perubahan amonia menjadi nitrit dan nitrat dengan bantuan bakteri disebut sebagai proses nitrifikasi. Nitritasi: mengubah NH3 menjadi HNO2 2NH3 + 3O2 --> 2HNO2 + 2H2O + energy Mikroorganisme berperan: Nitrosomonas Nitratasi: mengubah HNO2 menjadi HNO3 2HNO2 + O2 --> 2HNO3 + energy Mikroorganisme berperan: Nitrobacter Nitrat yang diserap tumbuhan digunakan untuk menyusun asam amino dalam sintesa protein. Denitrifikasi Proses reduksi nitrat menjadi N bebas di udara Mikroorganisme: bakteri kemosistesis denitrifikasi. Proses denitrifikasi terjadi ketika tanah kekurangan oksigen (aerob) sehingga dengan segera nitrat ditransformasikan menjadi gas nitrogen atau nitrogen oksida. REFERENSI Brady, N. C. 1974. The Nature and Properties of Soils. 8th Edition. Mac Millan Publishing CO.Inc. New York. Damanik, M.M.B ; B.E. Hasibuan ; Fauzi ; Sarifuddin ; H. Hanum. 2011. Kesuburan Tanah dan Pemupukan. USU Press. Medan. Jones, U.S. 1982. Fertilizers and Soil Fertility. Reston Publishing Company. Prentice- Hall Company. Virginia. Suryadientina. 2009. Denitrifikasi. Diakses dari http://biogen.litbang.deptan.go.id. Pada tanggal 2 Oktober 2013.