10/22/2013

1

FIKSASI

NITROGEN

Latar belakang

Pembuatan pupuk N pada Industri (Haber Bosch) membutuhkan tekanan dan suhu tinggi

CH4 H2

200 atm ; 450 oC`

N2 + 3H2 2 NH3

Untuk menciptakan kondisi tekanan dan suhu yang tinggi diperlukan bahan bakar sehingga menyebabkan pupuk buatan pabrik menjadi mahal harganya

Pemanfaatan potensi alami : Kandungan gas N2 di atmosfer kurang lebih 78%.

Pemanfaatan mikroorganisme pemfiksasi (penambat) Nitrogen (N2) dari udara secara biologi sebagai alternatif permasalahan tsb.

Fiksasi N2 secara Biologi

~ adalah reduksi nitrogen bebas (N2) bebas menjadi amonia (NH3) 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

10/22/2013

2

Free living

Asosiatif

Simbiotik

Fisiologi penambatan N

Sumber

energi

Pembawa

elektron

(Reduktan)

Kompleks enzim

Nitrogenase

Pembentukan

ATP

Mg

ATP

Mg ADP

Pi

ATP

C2H2

H3O+

N3

CN

N2O

Substrat

C2H4

H

NH3 + H2

CH4 + NH3

N2 + H2O

Produk

N2

karbohidrat Na2S2O4

Donor non

fisiologis

NH3

enzim nitrogenase

Proses reduksi N2 menjadi NH3 melibatkan enzim nitrogenase yang dihasilkan oleh jasad prokariotik.

Sifat enzim nitrogenase :

Sensitif terhadap O2

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 O2) (Fe-protein)

Mekanisme Fiksasi N

10/22/2013

3

Syarat yang harus dipenuhi agar aktivitas nitrogenase berjalan

Ada substrat : N2, N2O, C2H2, HCN,

Ada sumber energi : ATP, Mg

Ada Reduktan : Ferredoxin (Clostridium, Azotobacter)

Flavoprotein (Azotobacter)

Fe-S (bakteriod)

Penambatan Non Simbiotik

Azotobacter aerobik

Clostridium anaerobic

Azosprillium Berasosiasi dengan rumput.Paspalum notatum

Derxia dan Beijerinckia Tanah asam

Klebsiella danBacillus Phyllosphere

kondisi yang harus dipenuhi agar terjadi fiksasi N

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.

Azotobacter

10/22/2013

4

Azospirillium spMekanisme penciptaan microsite anaerob

pada penambat N

Terdapat beberapa mekanisme yang digunakan untuk

membatasi O2 untuk menciptakan kondisi anaerob sebagai

syarat berlangsungnya proses penambatan N pada

Azotobacter

• membatasi difusi dengan menghasilkan kotoran/lumpur yang berlebihan

• Mempercepat respirasi dan konsumsi O2

• Melakukan perubahan reversible enzim nitrogenase yang fungsional menjadi bentuk yang tidak sensitif terhadap O2.

Faktor yang mempengaruhifiksasi N non simbiotik

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 tersedia4. efisiensi5. sekresi (eksudat) Azospirilium lipoferum6. Inokulasi sengaja dengan kultur bakteri panambat

nitrogen non simbiotik

Bakteri Tanah dan Nitrogen tersedia

Atmosphere

N2

Soil

N2 N2

Nitrogen-fixing

bacteria

Organic

material (humus)

NH3

(ammonia)

NH4+

(ammonium)

H+

(From soil)

NO3–

(nitrate)Nitrifying

bacteria

Denitrifying

bacteria

Root

NH4+

Soil

Atmosphere

Nitrate and

nitrogenous

organic

compounds

exported in

xylem to

shoot system

Ammonifying

bacteria

10/22/2013

5

Cross inoculation group

Cross inoculation group RhizobiumRhizobium spCross inoculation

groupTipe 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)

Rhizobium-Legum

10/22/2013

6

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

BGA

:Anabaena

Simbiosis Tanaman Azolla dan Anabaena azolae

Sel Heterosis

Sel Vegetatif

10/22/2013

7

Fiksasi N pada Cyanobacter

Heterosis Sel vegetatif

N2

NH4+

NH4+

Glutamat

Glutamin

Enzim

nitrogenase

Nostoc

Pengukuran fiksasi N pada nodul legum pada tanaman dan potongan

akar dg akar

10% acetylene

pemisahan nodul

Potong akar

0,5 ml gas disuntikan ke dalm GC

Jumlah elektron

6 e-

6 e-

N2 NH3

2 e-

C2H2 C2H4

Nisbah elektron yang diperlukan untuk mereduksi N2 dan C2H2 adalah 3 : 1

Cara pengukuran aktivitas Nitrogenase

Bakteri Penambat Nitrogen

Tipe/Sifat Jenis Mikroorganisme

Asimbiotik/Asosiasi:

Bakteri Aerobik

Bakteri Mikroaerofilik

Bakteri Fakultatif

Bakteri Anaerobik

Blue Green

Algae/fotosintetik

Azotobacter, Beijerinckia

Azospirillum, Thiobacillus, Spirillum

Bacillus, Escherichia, Pseudomonas

Clostridium, Desulfovibrio

Nostoc, Anabaena, Rhodospirillum

Simbiotik:

Bakteri

Blue Green Algae

Rhizobium-Legum

Anabaena azollae-Azolla

10/22/2013

8

Penghambat balik Fiksasi N

(feedback inhibition)

Fiksasi nitrogen tidak terjadi jika terdapat NH4+,

NO3- 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 NO2

- berikatan dengan senyawa yang melindungi nitrogenase dari O2.

Nodul

Akar

1. Pemilihan karbohidrat

2. Penghambatan nitrogenase

3. Penghambatan leghaemoglobin

4. Amonium feed back

Bisakah saya

menjelaskan

gambar di

samping ini??