Litosfer sebagai habitat mikroba. Oleh: Siti K. Chaerun

“Litosfer

sebagai

habitat

mikroba

”

Oleh:

BATUAN DAN MINERAL

•

Batuan: materi

anorganik

yang padat

dan

komposisi

yang homogen

yang terdiri

dari

2 atau

lebih

mineral.

1. Batuan beku (igneous

):

2. Batuan sedimen (sedimentary)

3. Batuan metamorf (metamorphic)

Batuan

Beku

• Hasil dari pendinginan magma (materi batuan yang meleleh) dari kerak dan/atau asthenosphere.

• Proses pendinginan bisa cepat bisa lambat.

• Pada pendinginan lambat, bermacam mineral akan mengkristalisasi pada waktu yang berbeda-beda disebabkan oleh titik leleh yang berbeda-beda.

• Pada proses kristalisasi, meneral-mineral tsb tumbuh dan berkembang membentuk batuan yang dengan jelas kristalnya dapat dibedakan (e.g., granite)

• Pada pendinginan cepat, proses kristalisasi berjalan

cepat pula dan batuan yang terbentuk mempunyai kristal yang sangat kecil yang tidak bisa dilihat dg mata

Granite, Mont Blancmassif, Walis, Switzerland. This granite has large (white feldspatic phenocrysts. Coin of 1

euro (about 2,3 cm diameter) for scale.

Vesicular basalt at Sunset Crater, AZ. US quarter for scale.

Batuan

sedimen

• Hasil akumulasi dan kompaksi sedimen yang

terutama mengandung materi mineral yang

berasal dari batuan lain.

• Mungkin juga hasil sementasi sedimen

anorganik yang terakumulasi oleh karbonat,

silikat, aluminum oksida dan besi (II) oksida. Zat sementasi mungkin berasal dari aktivitas

mikroba. Transformasi sedimen ini menjadi

batuan sedimen disebut “lithification”.

• Contoh batuan sedimen: limestone (CaCO3),

sandstone (quartz, clay) dan shale (claylike, fine-grained sediment)

Batuan

metamorf

•

Hasil

dari

perubahan

baatuan

beku

atau

batuan

sedimen

disebabkan

oleh

panas

dan

tekanan

•

Contoh: marble/marmer

(dari

limestone),

slate (dari

shale), quartzite (dari

Mineral

• Biasanya merupakan senyawa anorganik yang biasanya kristal dan kadang-kadang amorphous (tidak berbentuk dan tidak kristal). Contoh. Sulfur (S0_{), quartz (SiO2),}

biotite ([K(Mg.Fe.Mn)₃AlSi₃O₁₀(OH)₂].

• Bisa juga digunakan untuk senyawa organik tertentu di alam (e.g., asphalt dan coal)

• Mineral primer (igneous mineral) adalah mineral hasil kristalisasi selama proses pendinginan magma, dan

mineral sekunder adalah mineral hasil perubahan kimia (weathering atau diagenesis). Mikroba berperan penting dalam perubahan mineral primer ke sekunder. Mineral “authigenic” adalah mineral ynag terbentuk dari

True soil

lapisan material tanaman yang tdk terdekomposisi

Parent material dimana tanah terbentuk. “Soil Base” (dasar tanah).

Aktivitas mikroba umumnya sangat rendah. Zona aktif secara biologi. “surface soil”, senyawa organik tinggi, warna gelap, digarap untuk pertanian, tanaman dan mikroba tumbuh, aktivitas mikroba tinggi.

“subsoil” (lapisan tanah sebelah bawah): mineral, humus dll yang berasal (leached) dari “soil

surface” dan terakumulasi di lapisan ini. Sedikit senyawa organik, aktivitas mikroba lebih rendah dibanding dengan A-horizon.

SOIL MATRIX

•

5 komponen

utama

tanah:

– Mineral (komponen struktur, > 50% vol total)

– Udara dan air (penyusun vol pori, 25-50% vol

total)

– Material organik (3-6 % vol total)

SOIL SEBAGAI HABITAT MIKROBA Quartz Udara Senyawa Organik Mikro-koloni Quartz Quartz Clay particle Clay Particle Udara Air

“SOIL AGGREGATE” yang tersusun dari komponen organik dan mineral yang

Memperlihatkan lokasi mikroba tanah. Sebagian besar mikroba tanah terjadi sebagai “ mikro-koloni” yang melekat pada partikel tanah.

TIPE TANAH

Variasi iklim, vegetasi, batuan induk, topografi dan usia tanah menyebabkan jenis tanah juga bervariasi.

Lima tipe tanah yang sangat umum adalah :

Spodosol : terdapat di daerah beriklim dingin, biasanya membentuk lapisan pada hutan

berdaun jarum, tanah jenis ini kurang baik untuk pertanian karena terlalu asam dan miskin nutrisi.

Alfisol : hutan temperata pada umumnya tumbuh di atas lapisan tanah ini.

Mollisol : pada umumnya dapat ditemui di daerah temperata, padang rumput dan merupakan

tanah yang sangat subur, jenis tanah ini memiliki horison A (yang sangat kaya akan humus) sangat tebal. Sebagian besar pertanian bahan pangan di dunia tumbuh di tanah ini.

Aridisol : dapat ditemukan di daerah kering di Amerika Utara , Amerika Selatan dan Afrika.

Iklim yang kering dan jarangnya pohon yang tumbuh subur (menyebabkan tidak ada

akumulasi bahan organik) menyebabkan tanah ini tidak memiliki lapisan yang jelas. Pertanian dapat dilakukan di daerah ini dengan bantuan irigasi

Oxisol : tanah yang terdapat di daerah tropis dan subtropis ini kandungan nutrisinya rendah.

Bahan organik yang terdapat pada horison A sangat tipis karena humus terurai dengan cepat. Horison B yang bersifat asam dan miskin nutrisi sangat tebal. Anehnya hutan hujan tropis

dengan pohon yang tumbuh subur dapat hidup di atas tanah ini. Sebagian besar mineral di daerah hutan hujan tropis tertahan pada pohon itu sendiri daripada dalam tanah.

• Sifat fisika-kimia tanah mempengaruhi: aerasi,

ketersediaan nutrient, water retention (penyimpanan air), dan aktivitas biologi (YAITU):

– Particle size (pengaruhi struktur kima tanah dan ukuran pori/lubang tanah) – Porositas – Moisture content – Aeration status – Komposisi kimia – Clay fraction

– Cation-exchange capacity (CEC)

– Organic fraction

• Jumlah “pore space” tergantung pada:

– Texture tanah

– struktur tanah

1. MINERAL SOIL

•

Jumlah

dominant dan

banyak: SiO

₂

, Al, Fe

•

Jumlah

sedikit: Ca, Mg, K, Ti, Mn, Na, N,

P, S

•

Nutrient yang dibutuhkan

oleh

mikroba:

– N, P, K, Mg, S, Fe, Ca, Mn, Zn, Cu, Mo

•

Tanah diklasifikasikan

berdasarkan

“particle size”

dengan

3 komponen

utama:

– sand

– Silt

%

c

lay

%

sil

_t

% sand

U.S. Department of Agriculture triangular of soil classification chart

Clay 0 10 100 90 Silty Clay Silty Clay loam Clay loam

Loam: the soils that are not dominated by any one of the particle sizes or types

100 0 0 10 100 10 Sandy clay Sandy clay loam Loam Silt Loam Silt Sandy Loam Loamy sandy Sandy “SOIL TEXTURE” Cohesive Water-holding capacity permeability

SURFACE AREA

•

Surface area dari

jenis

partikel

mempengaruhi

sifat

fisika, kimia

dan

biologi

tanah.

•

Clay sangat

mempengaruhi

sifat

tanah:

– High surface activity

– Partikelnya berbentuk kolloidal di alam

– Negative surface charge

Klasifikasi

Partikel

tanah

Jenis partikel Diameter, mm Surface area,

m2_/kg Pasir Kerikil halus _{1.0 - 2.0 1.1} Pasir kasar _{0.5 - 1.0 2.3} Pasir medium _{0.25 – 0.5 4.5} Pasir halus _{0.1 – 0.25 9.1} Pasir sangat halus _{0.05 – 0.1 22.7}

Silt 0.002 – 0.05 45.4

• Tersusun dari sisa-sisa tanaman dan hewan, sel

mikroba dan produk metabolisme mikroba (“HUMUS”)

• Humus: senyawa organik yang telah mengalami

degradasi dan transformasi yang cukup untuk membuat material asal yang “unrecognizable”.

• Humus tersusun dari senyawa polimer:

– Aromatik, polisakarida, asam amino, uronic acid polimers dan senyawa yang mengandung fosfor.

• Humus: umumnya 10% dari berat mineral soil dan bisa 90% dari berat tanah (e.g. peat)

• Humus: berat molekul 700 – 300,000, sedikit soluble dalam air dan agak resisten thd biodegradasi

• Humus berdasarkan “karakteristik solubilitasnya” dibagi:

• Humic acid (extractable with alkali but precipitated with acid)

• Fulvic acid (extractable with alkali but soluble in acid)

• Humin (not extractable with alkali)

SOIL STRUCTURE and AGGREATION

•

Definisi

“Struktur

tanah”: penyusunan

dan

organisasi

partikel

yang berbeda

di

tanah

•

Merupakan

sifat

kualitatif

tanah

yang

berhubungan

dengan

– Porositas total dalam volume tanah

– Bentuk pori

– Distribusi “overall pore-size”

•

Mempengaruhi

sifat

mekanis

tanah:

– Pergerakan fluida (infiltrasi, penyimpanan air

• Ada 3 jenis struktur tanah

– Tanah dengan struktur partikel single atau tidak mempunyai struktur (tidak melekat antara satu dengan lainnya): contoh tanah gurun

– Tanah dengan struktur partikel “massive”

yang melekat kuat antara satu dengan

lainnya: contoh clay

– Tanah dengan struktur antara (tanah

aggregate)

• Tanah aggregate: stabilisasi “sand, silt dan

clay” melalui terbentuknya “CLAY-ORGANIC

SOIL AGGREGATE

•

Merupakan

unit struktur

sementara

•

Stabilitasnya

sangat

dipengaruhi

oleh:

– Aktivitas mikroba

– Perubahan iklim

– Teknik pengelolaan tanah (e.g. pembajakan

tanah)

•

Contoh

soil aggregate:

GAS-GAS TANAH

• Jumlah udara dan air di tanah sangat erat

hubungannya (tergantung pada pori tanah)

• Gas-gas di tanah: N₂, O₂ dan CO₂

• Konsentrasi O₂ dan CO₂ tergantung pada:

– aerasi

– aktivitas mikroba

• Tanah ter-aerasi dg baik: 18-20% O₂, 1-2% CO₂

• Tanah kurang ter-aerasi (e.g. clayed soil dg kandungan air and aktivitas respirasi mikroba tinggi): 10% CO₂

• Hukum “FICK”: q = -D (dC/dz)

– q= flux difusi (perubahan/ pengaliran difusi gas),

g/cm2_.s

– D= konstanta difusi, cm2_/s

– C= konsentrasi gas, g/cm3

– Z= kedalaman, cm

• Gas dapat bergerak/berpindah baik dalam fase

udara melalui pori tanah dan fase cair dalam bentuk terlarut.

• Kelarutan gas dalam air tergantung pada: sifat

gas, T dan P parsial dalam space pori

• Difusi gas dalam fase air 10,000 kali lebih lambat dari fase gas.

• Aerasi cukup bila udara mengisi ruang pori lebih

Konstanta Difusi untuk gas yang banyak terdapat di udara dan air dan kelarutannya dalam air pada T 20o_C

Gas Difusivitas (cm2_/s) Koefisien Hukum Henry Udara Air CO₂ 0.161 0.177 .10-4 _1.07 O₂ 0.205 0.180 .10-4 _30.7 N₂ 0.205 0.164 .10-4 _60.4

Faktor

yang mempengaruhi

aktivitas

mikroba

• Ketersediaan air (adsorpsi pada permukaan dan

free water sebagai film tipis diantara partikel tanah).

– Well-drained soil: udara masuk dengan mudah dan kons O₂ tinggi

– Waterlogged soil: O₂ hanya terlarut dalam air dan segera dikonsumsi oleh mikroba sehingga soil jadi anoxic.

• Ketersediaan nutrient (C, N, P)

• Aktivitas mikroba dipengaruhi paling besar:

– Surface soil: air

SOIL MOISTURE

• Kandungan air yang cukup sangat penting bagi pertumbuhan dan aktivitas mikroba

• Terlalu banyak air akan menghambat transfer gas dan pergerakan O₂ dalam tanah yang menyebabkan zona anaerob.

• Air dalam tanah dibagi 3:

– Air gravitasi (untuk mikroba dan akar tanaman dan berperan dalam transport polutan dan material lainnya)

– Air kapiler (untuk mikroba, yang ada dalam ruang pori)

– Air osmotik (yang adalam dalam partikel clay dan humus, dan kurang tersedia untuk mikroba dan akar tanaman).

• Field Capacity: kemampuan tanah untuk menyimpan air (18-30% dan fungsi dari kandungan clay)

Hubungan Massa dan Volume dalam Soil Air Water Solid Volume Massa Mt Ma Mw Ms Va Vw Vf Vs Vt f= void (pore)

Sifat Fisika tanah

•

Densitas

“solid”

(p

_s

): p

_s

= Ms/Vs

– Untuk tanah mineral : 2.6 – 2.7 g/cm3

•

Densitas

“bulk”

kering

(p

_b

):

– p_b = Ms/Vt = Ms / (Vs + Va + Vw)

– Clayed soil: 1.1 g/cm3 _{dan Sandy soil: 1.6 g/cm}3

•

Densitas

“bulk”

basah: (Ms+ Mw) /Vt

= (Ms +

Mw)/ (Vs + Va

+ Vw)

•

Porositas

Φ

= Vf/ Vt

= (Va+Vw)/(Va+Vw+Vs)

– Porositas soil: 0.3 – 0.6

– Porositas clay tergantung dari:

• Swelling, penyusutan, dispersi, kompaksi dan cracking

•

Soil moisture content:

– Berdasarkan massa ω = Mw / Ms

– Berdasarkan volume Ө = Vw / Vt

•

Tingkat saturasi

tanah

“

ƒs

= Vw

/ Vf

•

Nilai

ƒs:

– tanah kering = 0

– Tanah jenuh = 1

•

Ms = berat

kering

(103

o

_C)

•

Mw (mass moisture content): Mt –

Ms

Mikroba

per gram di

tanah

kebun

Kedalaman (cm) Bakteri Aktinomiset (=filamentous bacteria) Fungi Alga 3-8 9,750,000 2,080,000 119,000 25,000 20-25 2,179,000 245,000 50,000 5,000 35 - 40 570,000 49,000 14,000 500 65-75 11,000 5,000 6,000 100 135-145 1,400 - 3,000