FIKSASI NITROGEN
1. Pengertian Nitrogen
Nitrogen adalah unsur yang paling berlimpah di atmosfer (78%
gas di atmosfer adalah nitrogen). Meskipun demikian, penggunaan nitrogen pada bidang biologis sangatlah terbatas. Nitrogen merupakan unsur yang tidak reaktif (sulit bereaksi dengan unsur lain) sehingga dalam penggunaan nitrogen pada makhluk hidup diperlukan berbagai proses, yaitu diantaranya: fiksasi nitrogen, mineralisasi, nitrifikasi, denitrifikasi.Siklus nitrogen sendiri adalah suatu proses konversi senyawa yang mengandung unsur nitrogen menjadi berbagai macam bentuk kimiawi yang lain. Transformasi ini dapat terjadi secara biologis maupun non-biologis. Siklus nitrogen secara khusus sangat dibutuhkan dalam ekologi karena ketersediaan nitrogen dapat mempengaruhi tingkat proses ekosistem kunci, termasuk produksi primer dan dekomposisi.
Aktivitas manusia seperti pembakaran bahan bakar fosil, penggunaan pupuk nitrogen buatan, dan pelepasan nitrogen dalam air limbah telah secara dramatis mengubah siklus nitrogen global.
Di alam, Nitrogen terdapat dalam bentuk senyawa organik seperti urea, protein, dan asam nukleat atau sebagai senyawa anorganik seperti ammonia, nitrit, dan nitrat. Daur nitrogen adalah transfer nitrogen dari atmosfir ke dalam tanah. Selain air hujan yang membawa sejumlah nitrogen, penambahan nitrogen ke dalam tanah terjadi melalui proses fiksasi nitrogen.
Fiksasi nitrogen secara biologis dapat dilakukan oleh bakteri Rhizobium yang bersimbiosis dengan polong-polongan, bakteri Azotobacter dan Clostridium.
Selain itu ganggang hijau biru dalam air juga memiliki kemampuan memfiksasi nitrogen. Nitrat yang di hasilkan oleh fiksasi biologis digunakan oleh produsen (tumbuhan) diubah menjadi molekul protein. Selanjutnya jika tumbuhan atau hewan mati, mahluk pengurai merombaknya menjadi gas amoniak (NH3) dan garam ammonium yang larut dalam air (NH4+). Proses ini disebut dengan amonifikasi. Bakteri Nitrosomonas mengubah amoniak dan senyawa ammonium menjadi nitrat oleh Nitrobacter. Apabila oksigen dalam tanah terbatas, nitrat dengan cepat ditransformasikan menjadi gas nitrogen atau oksida nitrogen.
Fiksasi nitrogen adalah proses biologis, abiotik, atau sintetis
dimana nitrogen (N 2) di atmosfer diubah menjadi amonia (NH 3). nitrogen Atmosfer atau nitrogen unsur (N 2)adalah relatif inert: itu tidak mudah bereaksi dengan bahan kimia lain untuk membentuk senyawa baru. Proses fiksasi membebaskan atom nitrogen dari bentuk diatomik mereka (N2) yang akan digunakan dengan cara lain.
Fiksasi nitrogen, alami dan sintetis, sangat penting bagi semua bentuk kehidupan karena nitrogen diperlukan untuk biosynthesize blok bangunan dasar dari tanaman, hewan dan bentuk kehidupan lain, misalnya, nukleotida untuk DNA dan RNA dan asam amino untuk protein . Oleh karena fiksasi nitrogen adalah penting untuk pertanian dan pembuatan pupuk. Ini juga merupakan proses penting dalam pembuatan bahan peledak (misalnya mesiu, dinamit, TNT, dll) fiksasi nitrogen terjadi secara alami di udara dengan cara kilat.
Fiksasi nitrogen juga mengacu pada konversi biologis lainnya nitrogen, seperti konversi kepada nitrogen dioksida . Mikroorganisme yang memperbaiki nitrogen adalah bakteri yang disebut diazotrophs . Beberapa tanaman yang lebih tinggi, dan beberapa binatang ( rayap ), telah membentuk asosiasi ( simbiosis ) dengan diazotrophs. Fiksasi nitrogen biologis ditemukan oleh ahli agronomi Jerman Hermann Hellriegel dan Belanda mikrobiologi Martinus Beijerinck .
Pada umumnya derivat nitrogen sangat penting bagi kebutuhan dasar nutrisi, tetapi dalam kenyataannya substansi nitrogen adalah hal yang menarik sebagai polutan di lingkungan. Terjadinya perubahan global di lingkungan oleh adanya interaksi antara nitrogen oksida dengan ozon di zona atmosfir. Juga adanya perlakuan pemupukan (fertilization treatment) yang berlebihan dapat mempengaruhi air tanah (soil water), sehingga dapat mempengaruhi kondisi air minum bagi manusia.
Bentuk atau komponen N di atmosfir dapat berbentuk ammonia (NH3), molekul nitrogen (N2), dinitrit oksida (N2O), nitrogen oksida (NO), nitrogen dioksida (NO2), asam nitrit (HNO2), asam nitrat (HNO3), basa amino (R3-N) dan lain-lain dalam bentuk proksisilnitri (Soderlund dan Rosswall, 1980). Dalam telaah kesuburan tanah proses pengubahan nitrogen dapat dilakukan dengan berbagai cara, yaitu mineralisasi senyawa nitrogen komplek, amonifikasi, nitrifikasi, denitrifikasi, dan volatilisasi ammonium (Mas’ud, 1992).
Nitrogen organic diubah menjadi mineral N-amonium oleh mikroorganisasi dan beberapa hewan yang dapat memproduksi mineral tersebut seperti : protozoa, nematoda, dan cacing tanah. Serangga tanah, cacing tanah, jamur, bakteri dan aktinbimesetes merupakan biang penting tahap pertama penguraian senyawa N-organik dalam bahan organic dan senyawa N-kompleks lainnya (Mas’ud, 1993).
Semua mikroorganisme mampu melakukan fiksasi nitrogen, dan berasosiasi dengan N-bebas yang berasal dari tumbuhan. Nitrogen dari proses
fiksasi merupakan sesuatu yang penting dan ekonomis yang dilakukan oleh bakteri genus Rhizobium dengan tumbuhan Leguminosa termasukTrifollum spp, Gylicene max (soybean), Viciafaba (brand bean), Vigna sinensis (cow- pea), Piscera sativam (chick-pea), danMedicago sativa (lucerna) (Rompas,1998).
Menurut Maier , dkk (2000) bakteri dalam genus Rhizobium merupakan bakteri gram negatif, berbentuk bulat memanjang, yang secara normal mampu memfiksasi nitrogen dari atmosfer. Umumnya bakteri ini ditemukan pada nodul akar tanaman leguminosae. Morfologi Rhizobium dikenal sebagai bakteroid.
Rhizobium menginfeksi akar leguminoceae melalui ujung-ujung bulu akar yang tidak berselulose, karena bakteri Rhizobium tidak dapat menghidrolisis selulose.
Rhizobium yang tumbuh dalam bintil akar leguminoceae mengambil nitrogen langsung dari udara dengan aktifitas bersama sel tanaman dan bakteri, nitrogen itu disusun menjadi senyawaan nitrogen seperti asam-asam amino dan polipeptida yang ditemukan dalam tumbuh-tumbuhan, bakteri dan tanak disekitarnya. Baik bakteri maupun legum tidak dapat menambat nitrogen secara mandiri, bila Rhizobium tidak ada dan nitrogen tidak terdapat dalam tanah legum tersebut akan mati.
Bakteri Rhizobium hidup dengan menginfeksi akar tanaman legum dan berasosiasi dengan tanaman tersebut, dengan menambat nitrogen. Suatu sistem berdasar pada infeksi spesifik pada jenis inang Legum digunakan untuk menggolongkan Rhizobium secara tepat lebih dari 50 tahun. Kekhususan infeksi mempunyai banyak atraksi praktis yang memperhatikan aplikasi Teknologi
Rhizobium, sungguhpun tidak sempurna sebab banyak strains rhizobia bisa menginfeksi ke kelompok spesifik lain dan sebab ada bukti persamaan baru dari taxonomic kimia dan data taxonomic kwantitatip. Tinggal suatu ukuran penting untuk spesiasi genus pada Manual Bergey Systematic Bacteriology, dengan modifikasi bersama data taxonomic baru (Jordan 1984).
Tidak hanya bakteri Rhizobium, Azotobacter di dalam tanah berperan dalam pengaturan siklus nitrogen, y baitu melakukan fiksasi nitrogen dan mengubahnya menjadi Ammonia (NH3). Dalam sel bakteri ini terdapat sebuah alat yang berperan dalam biokatalis, yaitu enzim nitrogenase. Enzim inilah yang berperan dalam mengubah N2 menjadi NH3.
Bakteri ini memiliki ciri-ciri yang berbeda dengan bakteri lain. Jika kita melihat bentuk koloninya, misalnya; bentuknya bulat, bening, keruh atau opaque, dan putih, permukaannya halus mengkilap, tepi rata,dan berlendir. Bentuk sel Azotobacter bermacam-macam, dari bentuk batang pendek, batang, dan oval serta bentuk yang bermacam-macam, sehingga bakteri ini dikenal sebagai bakteri dengan bentuk sel pleomorfik. Bakteri ini umumnya Gram negative, namun spesies tertentu dari bakteri ini Gram variabel. Artinya, pada saat berumur muda bakteri ini Gram negatif, namun setelah berumur tua akan berubah menjadi Gram positif.
Akhir-akhir ini ditemukan simbiosis asosiasi antara bakteri Azospirillum lipoferum dan akar tumbuhan termasuk rumput tropikal Digitaria decumbens, juga jenis rumput tropikalPaspalum notatum mampu melakukan
fiksasi N bersama-sama bakteri Azotobacter paspalli di dalam akar (Dobereiner, 1978, dalam Rompas, 1998).
Hasil penelitian tentang fiksasi N ini menunjukkan bahwa ada cukup banyak genera bakteri yang dapat mem-fiksasi N termasuk spesies dari Bacillus, Clostridium, dan Vibrio. Pada habitat perairan, cyanobacteria adalah kelompok utama yang melakukan fiksasi N (Anabaena, Nostoc, Gloeotrichia, Oscillatoria, Lyngbya, dll) Komponen yang berperan dalam fiksasi N di habitat perairan adalah heterocyst, tapi ada cyanobacteria yg tidak memiliki heterocyst yg juga dpt fiksasi N. Fiksasi N memerlukan cukup banyak energi dalam bentuk ATP dan koenzim.
2. Proses kerja fiksasi nitrogen
Fiksasi nitrogen merupakan pembentukan nitrogen dlm bentuk terikat, terjadi di dlm tanah oleh bakteri. Jenis bakteri pengikat nitrogen terefisien bersifat simbiotik, dpt mengikat protein jika bekerjasama dg akar tumbuhan polong dan rumpun tropik. Fiksasi nitrogen berlangsung dengan bantuan kompleks enzim nitrogenase. Reaksinya sbb:
N2 + 6e – → 2NH3 (DG’0 = +150 kkal/mol = +630 kJ/mol)
Fiksasi N dilakukan oleh beberapa bakteri yang hidup bebas maupun bersimbiosis dengan akar tanaman, misal: Clostridium pasteuranium, Klebisella, Rhodobacter, Rhizobium. Fiksasi N diatur oleh sistem operon gen yang rumit, termasuk gen nif . Fiksasi berlangsung apabila di lingkungan konsentrasi ammonia menurun/rendah.
Pada habitat terrestrial, fiksasi N oleh simbiosis Rhizobium dg tanaman Leguminosae merupakan donor terbesar dari senyawa N. Penelitian tentang fiksasi N telah banyak dilakukan, misal oleh Hardy et al tahun 1968 tentang reduksi asetilen menjadi etilen oleh nitrogenase.
Hasil penelitian tentang fiksasi N ini menunjukkan bahwa ada cukup banyak genera bakteri yang dapat mem-fiksasi N termasuk spesies dari Bacillus, Clostridium, dan Vibrio. Pada habitat perairan, cyanobacteria adalah kelompok utama yang melakukan fiksasi N (Anabaena, Nostoc, Gloeotrichia, Oscillatoria, Lyngbya, dll) Komponen yang berperan dalam fiksasi N di habitat perairan adalah heterocyst, tapi ada cyanobacteria yg tidak memiliki heterocyst yg juga dpt fiksasi N. Fiksasi N memerlukan cukup banyak energi dalam bentuk ATP dan koenzim.
a. Simbiosis
Simbiosis berasal dari bahasa Yunani sym yang berarti dengan dan biosis yang berarti kehidupan. Simbiosis merupakan interaksi antara dua organisme yang hidup berdampingan. Simbiosis merupakan pola interaksi yang
sangat erat dan khusus antara dua makhluk hidup yang berlainan jenis.
b.Asimbiosis
Lawan kata dari simbiosis.
3. Siklus Nitrogen
Nitrogen suatu gas inert yang sangat sulit diikat langsung oleh mahkluk hidup tingkat tinggi , di udara Nitrogen sepertinya tak terbatas jumlahnya karena jumlahnya 78 % paling besar diatara gas gas lainnya seperti oksigen , sulfur , carbon dan lainnya.
Jumlahnya nitrogen yang 78 % itu dalam bentuk unsur bukan dalam senyawa.
padahal mahkluk hidup memerlukan niterogen dalam suatu persenyawaan misalnya nitrat , asam amino , protein dan sangat penting untuk
pertumbuhan .
Jadi Nitrogen udara itu harus di proses sehingga bisa membentuk senyawa yang penting untuk dapat memenuhi kebutuhan mahkluk hidup.
Proses itulah yang nanti kita pelajari dalam Daur BIOGEOKIMIA khususnya daur Nitrogen .
BIOGEOKIMIA , Bio = Mahkluk hidup , Geo = Bumi/Lingk, Kimia = zat /unsur kimia , jadi siklus zat kimia dari bio ke geo atau dari Geo ke bio ( memutar membentuk daur ) OK itu konsepnya
Misal siklus karbon gas CO2 ada di udara (Geo ) gas CO2 itu diperlukan oleh Mahkluk hidup ( bio) untuk apa ? tentu gas itu diikat hanya bisa untuk fotosintesis .
Di tubuh Mahkluk hidup CO2 sangat banyak akibat respirasi , gas itu akan dikembalikan ke udara ( Geo) pada peristiwa Respirasi
Jadi karena siklus itulah Zat kimia CO2 dan O2 itu selalu ada .
Nitrogen dialam diudara sekitar 78 % itu bagaimana bisa berada di daratan perairan sehingga bisa digunakan mahkluk hidup ?
Secara mudah kami berikan terlebih dahulu uraian bagaimana saja Senyawa nitrogen itu bisa berada di daratan / tanah sehingga bisa digunakan oleh mahklluk hidup
Ketika petir terbentuk diatmosfer menyebabkan nitrogen bersenyawa jadi nitrat.
Nitrat itu disentuhkan ke bumi , sehingga semakin daerah itu banyak petir tentu banyak nitrat terbentuk disana
Nitrat yang terbentuk di atmosfer tentu akan terbawa hujan sehingga terjadi perpindahan nitrat dari udara ke daratan yang menjadikan nitrogen dalam bentuk nitrat itu menjadi berguna
Tumbuhan menyerap nitrat dari tanah untuk dijadikan protein lalu tumbuhan dimakan oleh kosumer senyawa nitrogen pindah ke tubuh hewan dan manusia
Urin dan faeces sebagai Ekresta , bangkai hewan, dan tumbuhan mati , sisa kehidupan (ranting , daun tua) yang disebut Egesta akan diuraikan oleh pengurai jadi ammonium dan ammoniak.
Amoniak hasil pembusukan itu oleh bakteri Nitrifikans akan dirombak jadi Nitrat melalui Nitrifikasi
Nitrifikasi adala proses biokimia yang tergolong anabolisme mengubah senyawa sederhana anorganik berupa amoniak NH3 menjadi senyawa organik nitrat HNO3 dengan energi berasal dari energi hasil reaksi kimia /
khemosintesis yang dipunyai bakteri
Nitrifikasi diperlukan bakteri ( NS,NC dan NB) Bakteri Nitrosomonas dan Nitrococcus Nitrobacter mengubah amoniak jadi nitrat yang berjalan secara aerob ( butuh aerasi ditanah oleh karenanya tanah harus digemburkan agar terbentuk banyak nitrat)
proses berjalan dua kali yaitu nitritasi membentuk nitrit dan nitratasi membentuk nitrat
Nitrifikasi : nitritasi dan nitratasi
Amoniak NH3 dirubah menjadi nitrit HNO2 oleh NS dan NC disebut nitritasi lalu Nitrit diubah lagi Nitrat HNO3 oleh bakteri NB (Nitrobacter) Nitratasi
Kemudian nitrat diserap oleh tumbuhan. karena Nitrogen ditanah hanya bisa diserap dalam bentuk nitrat (Amoniak , Nitrit tidak bisa diserap )
Selain melalui petir juga melalui Fikasasi , Fikasasi itu berbeda dengan Nitrifikasi
Fikasasi itu pengikatan langsung Nitrogen di udara oleh mikroorganisme Fiksasi ( Rhizobium, Azotobacter , Clostridium pasteurianum , Nostoc , Anabaena )
Rhizobium bersimbiosis dengan kacang kacangan membentuk bintil akar yang sebenarnya bintil itu karena infeksi bakteri Rhizobium leguminosorum , yang berguna bagi kacang karena punya kemampuan membFIKSASI Nitrogen dari udara untuk dipersembahkan ke kacang dalam pertumbuhannya , sehingga petani nggak perlu lagi memberi pupuk (Urea atau NPK) karena ada free download nitrogendari udara hehe
Anabaena bersimbiosis dengan Paku air Azolla dan Pakis haji Cycas rumpii.
azotobacter, Clostridium dan Nostoc soliter hidupnya
Nitrogen juga bisa dari Air hujan , hujan asam ( Acid rain) , dari pupuk buatan Urea yang dilepaskan ke tanah
trat yang di hasilkan oleh fiksasi biologis digunakan oleh produsen (tumbuhan) diubah menjadi molekul protein.
Selanjutnya jika tumbuhan atau hewan yang mengandung protein itu mati, mikroorganisme pengurai akan merombak protein itu menjadi menjadi gas amoniak (NH3) dan garam ammonium yang larut dalam air (NH4+) ( Demineralisasi )Proses ini disebut dengan amonifikasi.
kemudian diteruskan ke proses Nitrifikasi oleh bakteri Nitrifikasn
Bakteri Nitrosomonas mengubah amoniak dan senyawa ammonium menjadi nitrat oleh Nitrobacter. Apabila oksigen dalam tanah terbatas, nitrat dengan cepat ditransformasikan menjadi gas nitrogen atau oksida nitrogen oleh proses yang disebut denitrifikasi.
Keseimbangan Nitrogen ini digambarkan pada Gambar
