BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Tumbuhan tingkat tinggi merupakan organisme autotrof dapat mensintesa komponen molekular organik yang dibutuhkannya, selain juga membutuhkan hara dalam bentuk anorganik dari lingkungan sekitarnya. Hara mineral diabsorpsi dari tanah oleh akar dan akan bergabung dengan senyawa organik yang esensial untuk pertumbuhan dan perkembangan. Penggabungan hara mineral dengan senyawa organik membentuk pigmen, kofaktor enzim, lipid, asam nukleat dan asam amino. Proses inilah yang disebut dengan asimilasi hara mineral. Asimilasi nitrogen dan sulfur membutuhkan serangkaian reaksi biokimia yang komplek yang membutuhkan energi. Asimilasi kation melibatkan pembentukkan komplek dengan senyawa organik. Pada makalah ini diulas mengenai reaksi primer untuk asimilasi dua unsur hara utama nitrogen dan sulfur. Nitrogen merupakan elemen yang sangat esensial, menyusun bermacam-macam persenyawaan penting, baik organik maupun anorganik. Nitrogen menempati porsi 1-2 % dari berat kering tanaman. Ketersediaan nitrogen dialam berada dalam beberapa bentuk persenyawaan, yaitu berupa N2 (72 % volume udara), N2O, NO, NO2, NO3 dan NH4+. Di dalam atanah, lebih dari 90% nitrogen adalah dalam bentuk N-organik. Belerang atau sulfur adalah unsur kimia Bentuknya adalah non-metal yang tak berasa, tak berbau danmultivalent. Belerang, dalam bentuk aslinya, adalah sebuah zat padat kristalin kuning. Di alam, belerang dapat ditemukan sebagai unsur murni atau sebagai mineralmineralsulfide dan sulfate. Ia adalah unsur penting untuk kehidupan dan ditemukan dalam dua asam amino. Penggunaan komersilnya terutama dalam fertilizer namun juga dalam bubuk mesiu, korek api, insektisida dan fungisida.
1
1.2 Rumusan Masalah 1. Apa itu metabolisme nitrogen? 2. Apa yang dimaksud dengan siklus nitrogen ? 3. Bagaimana proses yang terjadi pada siklus nitrogen ? 4. Apa yang dimaksud dengan asimilasi sulfat ? 5. Apa peranan dari nitrogen dan sulfur pada tumbuhan? 1.3 Tujuan Makalah 1. Untuk dapat mengetahui pengertian metabolisme nitrogen. 2. Untuk dapat menjelaskan siklus nitrogen. 3. Untuk dapat menjelaskan proses-proses yang terjadi pada siklus nitrogen. 4. Untuk dapat menjelaskan pengertian asimilasi sulfat. 5. Untuk dapat mengetahui peranan nitrogen dan sulfur pada tumbuhan.
2
BAB II PEMBAHASAN
2.1 Metabolisme Nitrogen (N2) Berbagai bentuk nitrogen dijumpai di lingkungan kita. Perubahan berkesinambungan berbagai bentuk nitrogen oleh proses fisika dan biologi merupakan daur nitrogen .Gas nitrogen banyak terdapat di atmosfer, yaitu sekitar 78% dari udara. Nitrogen merupakan unsur makro yang penting, tetapi unsur ini terdapat dalam jumlah yang sedikit didalam tanah sedangkan yang diangkat tanaman cukup banyak. Sumber nitrogen untuk tanaman adalah N2 atmosfer. Dalam bentuk N2 nitrogen tidak dapat langsung dimanfaatkan tanaman dan terlebih dahulu dirubah menjadi nitrat atau amonium melalui proses tertentu sehingga tersedia bagi tanaman. Nitrogen bebas dapat ditambat/difiksasi terutama oleh tumbuhan yang berbintil akar (misalnya jenis polongan) dan beberapa jenis ganggang. Nitrogen bebas juga dapat bereaksi dengan hidrogen atau oksigen dengan bantuan kilat/ petir. Sebagian besar nitrogen yang terdapat di dalam organisme hidup berasal dari penambatan (reduksi) oleh mikro organisme prokariot. Sebagian diantaranya terdapat di akar tumbuhan tertentu atau dari pupuk hasil penambatan secara industry. Sejumlah kecil nitrogen pindah dari atmosfer ke tanah sebagai NH4+ dan NO3- bersama air hujan dan diserap oleh akar. NH4+ ini berasala dari pembakaran industry, aktivitas gunung berapi dan kebakaran hutan sedangkan NO3- berasal dari oksidasi N2 oleh O2 atau ozon dengan bantuan kilat atau radiasi ultraviolet, sumber lain NO3- adalah samudera. Penyerapan NO3- dan NH4+ oleh tumbuhan memungkinkan tumbuhan untuk membentuk berbagai senyawa nitrogen terutama protein. Pupuk, tumbuhan mati, mikroorganisme, serta hewan merupakan sumber penting nitrogen yang dikembalikan ke tanah tapi sebagaian besar nitrogen tersebut tidak larut dan tidak segera tersedia bagi tumbuhan.
3
2.2 Siklus Nitrogen Siklus nitrogen 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. Metabolisme Nitrogen 4 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. Sebagian besar nitrogen yang terdapat di dalam organisme hidup berasal dari penambatan (reduksi) oleh mikro organisme prokariot. Sebagian diantaranya terdapat di akar tumbuhan tertentu atau dari pupuk hasil penambatan secara industry. Sejumlah kecil nitrogen pindah dari atmosfer ke tanah sebagai NH4+ dan NO3- bersama air hujan dan diserap oleh akar. NH4+ ini berasala dari pembakaran industri, aktivitas gunung berapi dan kebakaran hutan sedangkan NO3- berasal dari oksidasi N2 oleh O2 atau ozon dengan bantuan kilat atau radiasi ultraviolet, sumber lain NO3- adalah samudera. Penyerapan NO3 dan NH4+ oleh tumbuhan memungkinkan tumbuhan untuk membentuk berbagai senyawa nitrogen terutama protein. Pupuk, tumbuhan mati, mikroorganisme, serta hewan merupakan sumber penting nitrogen yang dikembalikan ke tanah tapi sebagaian besar nitrogen tersebut tidak larut dan tidak segera tersedia bagi tumbuhan. Pengubahan nitrogen organic menjadi NH4+ oleh bakteri dan fungi tanah disebut Amonifikasi yang dapat berlangsung oleh berbagai macam mikroorganisme pada suhu dingin dan pada berbagai nilai pH. Selanjutnya pada tanah yang hangat dan lembab dan ph sekitar netral NH4+ akan dioksidasi menjadi nitrit (NO2) dan NO3- dalam beberapa hari setelah pembentukkannya atau penambahannya sebagai pupuk disebut dengan Nitrifikasi yang berguna dalam menyediakan energi bagi kelangsungan hidup dan perkembangan mikroba tersebut. Selain itu terdapat pula denitrifikasi yaitu suatu proses pembentukan N2, NO, N2O dan NO2 dari NO3- oleh bakteri aneorobik yang berlangsung di dalam tanah yang penetrasi O2- nya terbatas, tergenang, padat dan daerah dekat pemukiman tanah yang konsentrasi O2 nya rendah karena penggunaannya yang cepat dalam oksidasi bahan organik. Tumbuhan kehilangan sejumlah kecil nitrogen ke atmosfer sebagai NH3, N2O, NO2, dan NO terutama jika diberi pupuk nitrogen dengan baik.
4
Nitrat sangat mudah larut dlm tanah sehingga cepat hilang krn proses pembusukan. Taraf ketersediaan nitrogen dlm tanah tergantung pada banyaknya bahan organik, populasi jasad renik, tingkat pembasuhan. Dlm keadaan alami terjadi keseimbangan antara laju pertumbuhan dan gaya-gaya yg menentukan penyediaan nitrogen dlm tanah. Pemanenan menyebabkan terkurasnya nitrogen krn pengambilan bahan organik dan erosi. Hal ini 4 menyebabkan pertanian intensif sangat tergantung pada tambahan pupuk nitrogen. Awalnya nitrogen berasal dari sumber organik, terutama guano (kotoran burung). Saat ini nitrogen dibuat menurut proses Haber- Bosch: nitrogen + hidrogen amoniak. 2.3 Proses-Proses dalam Siklus Nitrogen
Gambar 2.1 Siklus nitrogen Nitrogen hadir di lingkungan dalam berbagai bentuk kimia termasuk nitrogen organik, amonium (NH4+), nitrit (NO2-), nitrat (NO3-), dan gas nitrogen (N2). Nitrogen organik dapat berupa organisme hidup, atau humus, dan dalam produk antara dekomposisi bahan organik atau humus dibangun. Proses siklus nitrogen mengubah nitrogen dari satu bentuk kimia lain. Banyak proses yang dilakukan oleh mikroba baik untuk menghasilkan energi atau menumpuk nitrogen dalam bentuk yang dibutuhkan untuk pertumbuhan. Diagram di atas menunjukkan bagaimana proses-proses cocok bersama untuk membentuk siklus nitrogen .
5
1. Fiksasi Nitrogen Proses reduksi N2 menjadi NH4+ dinamakan penambatan nitrogen. Proses ini dilakukan oleh mikroorganisme prokariot. Penambat N2 yang penting mencakup bakteri tanah yan hidup bebas di permukaan tanah atau di dalam air, sianobakteri yang bersimbiosis dengan fungi pada lumut atau dengan pakis, lumut, dan lumut hati, dan bakteri mikroba lainnya yang berasosiasi secara simbiotik dengan akar, khususnya tumbuhan kacangan. Mereka berperan besar pada rantai makanan di hutan, gurun , lingkungan air tawar dan laut, bahkan di daerah kutub utara. Aktivitas akar tumbuhan, baik melalui pengeluaran nitrogen dari bintil akar dan bahkan seluruh tumbuhan oleh mikroba. Sumbangan ini penting dalam pertanian, misalnya campuran kacangan dan rumputan sering digunakan pada padang penggembalaan. Pada tumbuhan yang tidak mempunyai akar akan menyerap nitrogen dalam bentuk NO3- karena NH4+ akan dioksidasi menjdi NO3- oleh bakteri nitrifikasi. Fiksasi nitrogen simbiotik dilakukan oleh bakteri Rhizobium yang bersimbiosis dengan tanaman kacang-kacangan. Infeksi sistem perakaran berkaitan erat dengan pembentukan “benang infeksi” pada rambut-rambut akar tertentu oleh bakteri tersebut. Bakteri penambat nitrogen itu masuk ke dalam sel-sel tanaman inang melaui benang terinfeksi tersebut. Beberapa sel tanaman itu menjadi terinfeksi diikuti dengan pembelahan sel serta meningkatnya laju pembelahan sel, ini akan menghasilkan pembentukan nodul (bintil) pada sistem perakaran. Tahapan pembentukan bintil akar tersebut sebagai berikut: 1) Bakteri menginfeksi bulu akar. 2) Enzim dari bakteri merombak dinding sel sehingga bakteri dapat masuk ke bulu akar membentuk struktur lir- benang yang di sebut benang infeksi yang terdiri dari membran plasmalurus dan memenjang dari sel yang terserang. 3) Bakteri membelah dengan cepat di dalam benang yang menjalar , masuk dan menembus sel korteks. 4) Pada sel korteks sebelah dalam, bakteri dilepas ke sitoplasma dan merangsang sel (khususnya sel tetraploid) untuk membelah, yang menyebabkan proliferasi jaringan membentuk bintil akar dewasa.
6
Setiap bakteri yang membesar dan tidak bergerak disebut bakteroid. Bakteroid biasanya berada di sitoplasma secara berkelompok dan masing-masing dikeliingi oleh membran peribakteroid. Antara membran bakteroid dan kelompok bakteroid terdapat daerah yang disebut ruang peribakteroid. Di luar ruang peribakteroid, di sitoplasma terdapat protein yang dinamakan leghemoglobin, yang menyebabkan bintil kacangan warnanya merah muda. Dan diperkirakan leghemoglobin mengangkut O2 untuk bakteri. Penambatan Nitrogen di bintil akar terjadi secara langsung di dalam bakteroid. Tumbuhan inang menyediakan karbohidrat bagi bakteroid, yang akan dioksidasi sehingga diperoleh energi. Beberapa elektron dan ATP yang diperoleh selama oksidasi di bakteroid digunakan untuk mereduksi N2 menjadi NH4+. Reaksi penambatan nitrogen secara keseluruhan adalah sebagai berikut: N2+ 8e- + 16Mg ATP +16H2O→2NH3 + H2 + 16Mg ATP + 16 Pi + 8H+ Enzim yang diperlukan adalah enzim nitrogenase Tahapannya adalah sebagai berikut : 1. Respirasi karbohidrad pada bakteroid menyebabkan reduksi NAD menjadi NADH atau NADP menjadi NADPH. Oksidasi piruvat selama respirasi menyebabkan reduksi flavodoksin. 2. Kemudian
Flavoduksin,
feredoksin.Nitrogenase
NADH
menerima
atau
elektron
dari
NADPH
mereduksi
flavodoksin
tereduksi,
feredoksin atau bahan pereduksi efektif lainnya saat mengkatalisis penambatan N2. Netrogenase terdiri dari dua protein yang berlainan, yaitu protein Fe dan Protein Fe-Mo. Protein Fe mengandung 4 atom besi sementara protein Fe-Mo mempunyai atom molibdenum dan 28 atom besi. Baik molebdenun ataupun besi menjadi tereduksi, kemudian dioksidasi saat nitrogenase menerima elektron dari feredoksin dan mengangkutnya ke N2 untuk membentuk NH4. NH4 diangkut keluar dari bakteroid dan digunakan oleh tumbuhan inang. Di sitosol, yang mengandung bakteroid (bagian luar membran peribakteroid) NH4
7
diubah menjadi glutamin, asam glutamat, asparagin, dan ureida (alantoin dan asam alantoat). Mikroorganisme yang melakukan fiksasi nitrogen antara lain : Cyanobacteria, Azotobacteraceae, Rhizobia, Clostridium, dan Frankia. Selain itu ganggang hijau biru juga dapat memfiksasi nitrogen. Beberapa tanaman yang lebih tinggi, dan beberapa hewan (rayap), telah membentuk asosiasi (simbiosis) dengan diazotrof. Selain dilakukan oleh mikroorganisme, fiksasi nitrogen juga terjadi pada proses non-biologis, contohnya sambaran petir. Lebih jauh, ada empat cara yang dapat mengkonversi unsur nitrogen di atmosfer menjadi bentuk yang lebih reaktif : a. Fiksasi biologis: beberapa bakteri simbiotik (paling sering dikaitkan dengan tanaman polongan) dan beberapa bakteri yang hidup bebas dapat memperbaiki nitrogen sebagai nitrogen organik. Sebuah contoh dari bakteri pengikat nitrogen adalah bakteri Rhizobium mutualistik, yang hidup dalam nodul akar kacangkacangan. Spesies ini diazotrophs. Sebuah contoh dari hidup bebas bakteri Azotobacter. b. Industri fiksasi nitrogen : Di bawah tekanan besar, pada suhu 600oC, dan dengan penggunaan katalis besi, nitrogen atmosfer dan hidrogen (biasanya berasal dari gas alam atau minyak bumi) dapat dikombinasikan untuk membentuk amonia (NH3). Dalam proses Haber-Bosch, N2 adalah diubah bersamaan dengan gas hidrogen (H2) menjadi amonia (NH3), yang digunakan untuk membuat pupuk dan bahan peledak. c. Pembakaran bahan bakar fosil : mesin mobil dan pembangkit listrik termal, yang melepaskan berbagai nitrogen oksida. d. Proses lain: Selain itu, pembentukan NO dari N2 dan O2 karena foton dan terutama petir, dapat memfiksasi nitrogen. Faktor-faktor yang dapat meningkatkan penambatan nitrogen antara lain : a. Faktor Lingkungan Mencakup kelembaban yang cukup, suhu hangat, sinar matahari yang terang, konsentrasi CO2 yang tinggi. b. Faktor Genetik Mencakup proses pengenalan yang dikendalikan secara genetis antara spesies bakteri dan spesies atau varietasi tumbuhan kacangan dan kemampuan 8
nitrogenase dari semua organisme untuk mereduksi H+ dan persaingan dengan N2 serta tahap pertumbuhan, Pada dasarnya jumlah terbesar yang ditambah oleh tumbuhan asli tahunan dan tumbuhan kacangan pada pertumbuhan adalah saat perkembangan reproduksi. 2. Asimilasi Asimilasi nitrat merupakan perubahan nitrat menjadi amonium atau amonia. Tahapan pengubahan
ini
melibatkan
beberapa
enzima
sebagai
katalisatornya.
Tahapan perubahannya dapat dikatakan sebagai proses reduksi nitrat Tanaman mendapatkan nitrogen dari tanah melalui absorbsi akar baik dalam bentuk ion nitrat atau ion amonium. Sedangkan hewan memperoleh nitrogen dari tanaman yang mereka makan. Tanaman dapat menyerap ion nitrat atau amonium dari tanah melalui rambut akarnya. Jika nitrat diserap, pertama-tama direduksi menjadi ion nitrit dan kemudian ion amonium untuk dimasukkan ke dalam asam amino, asam nukleat, dan klorofil. Pada tanaman yang memiliki hubungan mutualistik dengan rhizobia, nitrogen dapat berasimilasi dalam bentuk ion amonium langsung dari nodul. Hewan, jamur, dan organisme heterotrof lain mendapatkan nitrogen sebagai asam amino, nukleotida dan molekul organik kecil. Asimilasi merupakan Penyerapan dan penggabungan dengan unsur lain membentuk zat baru dengan sifat baru. Senyawa Nitrat (NO3-) diserap oleh tumbuhan mengalami proses asimilasi menjadi bahan penyusun organ pada tumbuhan. 3. Amonifikasi Jika tumbuhan atau hewan mati, nitrogen organik diubah menjadi amonium (NH4+) oleh bakteri dan jamur. Proses reduksi nitrat adalah pengubahan nitrit menjadi NH4. Nitrit yang ada di sitosol diangkut ke dalam kloroplas di daun atau ke dalam proplastid di akar. Tahapan reduksi nitrit menjadi ammonium adalah sebagai berikut: Di daun, reduksi NO2 menjadi NH4 memerlukan enam elektron yang diambil dari H2O pada sistem pengangkutan elektron non siklik, pada kloroplas selama pengangkutan elektron ini, cahaya mendorong pengangkutan elektron dari H2O ke ferodksin (Fd).
9
Reaksinya adalah sebagai berikut: 3H2O + 6Fd + cahaya ———— 15 O2 + 6H + 6Fd Kemudian ferodoksin tereduksi memberikan 6 elektron yang digunakan untuk mereduksi NO2 menjadi NH4, reaksinya sebagai berikut: NO2 + 6Fd (Fe) + 8H ——— NH4+ 6Fd (Fe) + H2O Sehingga keseluruhan proses reduksi nitrit menjadi amonia adalah sebagai berikut: NO2 + 3H2O + 2H + cahaya ——- NH4 + ½ O2 + 2H2O 4. Nitrifikasi Konversi amonium menjadi nitrat dilakukan terutama oleh bakteri yang hidup di dalam tanah dan bakteri nitrifikasi lainnya. Tahap utama nitrifikasi, bakteri nitrifikasi seperti spesies Nitrosomonas mengoksidasi amonium (NH4+) dan mengubah amonia menjadi nitrit (NO2-). Spesies bakteri lain, seperti Nitrobacter, bertanggung jawab untuk oksidasi nitrit menjadi dari nitrat (NO3-). Proses konversi nitrit menjadi nitrat sangat penting karena nitrit merupakan racun bagi kehidupan tanaman. Proses nitrifikasi dapat ditulis dengan reaksi berikut ini: 1. NH3 + CO2 + ½ O2 + Nitrosomonas → NO2- + H2O + H+ 2. NO2- + CO2 +½ O2 + Nitrobacter → NO33. NH3 + O2 → NO2− + 3H+ + 2e− 4. NO2− + H2O → NO3− + 2H+ + 2e note : "Karena kelarutannya yang sangat tinggi, nitrat dapat memasukkan air tanah. Peningkatan nitrat dalam air tanah merupakan masalah bagi air minum, karena nitrat dapat mengganggu tingkat oksigen darah pada bayi dan menyebabkan sindrom methemoglobinemia atau bayi biru. Ketika air tanah mengisi aliran sungai, nitrat yang memperkaya air tanah dapat berkontribusi untuk eutrofikasi, sebuah proses dimana populasi alga meledak, terutama populasi alga biru-hijau. Hal ini juga dapat menyebabkan kematian kehidupan akuatik karena permintaan yang berlebihan untuk oksigen. Meskipun tidak secara langsung beracun untuk ikan hidup (seperti amonia), 10
nitrat dapat memiliki efek tidak langsung pada ikan jika berkontribusi untuk eutrofikasi ini". 5. Denitrifikasi Denitrifikasi adalah proses reduksi nitrat untuk kembali menjadi gas nitrogen (N2), untuk menyelesaikan siklus nitrogen. Proses ini dilakukan oleh spesies bakteri seperti Pseudomonas dan Clostridium dalam kondisi anaerobik. Contohnya Pseudomonas denitrifikans.Mereka menggunakan nitrat sebagai akseptor elektron di tempat oksigen selama respirasi. Fakultatif anaerob bakteri ini juga dapat hidup dalam kondisi aerobik. Denitrifikasi umumnya berlangsung melalui beberapa kombinasi dari bentuk peralihan sebagai berikut: NO3− → NO2− → NO + N2O → N2 (g) Proses denitrifikasi lengkap dapat dinyatakan sebagai reaksi redoks: 2 NO3− + 10 e− + 12 H+ → N2 + 6 H2O 6. Oksidasi Amonia Anaerobik Dalam proses biologis, nitrit dan amonium dikonversi langsung ke elemen (N2) gas nitrogen. Proses ini membentuk sebagian besar dari konversi nitrogen unsur di lautan. Reduksi dalam kondisi anoxic juga dapat terjadi melalui proses yang disebut oksidasi amonia anaerobik NH4+ + NO2− → N2 + 2 H2O Tumbuhan membutuhkan nitrogen dalam jumlah yang banyak karena merupakan penyusun utama komponen sel tumbuhan yaitu asam amino. Tumbuhan yang sedang dalam pertumbuhan hanya mengandung sedikit nitrat atau ammonia. Tanaman mengabsorpsi nitrogen dalam bentuk nitrat (NO3‾), walaupun ternyata ammonium (NH4+) dapat juga langsung diabsorpsi tanaman. Efisiensi relatif absorpsi ammonium dan nitrat dipengaruhi oleh pH (keasaman) tanah atau mungkin sistem pengambilan haranya yang berbeda.
11
Reduksi nitrat menjadi nitrat pada proses asimilasi dalam tumbuhan dibantu dengan adanya enzim nitrat reduktase yang berupa flavoprotein yang diatur oleh komponen logamnya yakni molibdenum. Nitrogenase merubah gas N2 menjadi ammonia dalam mikroba pengikat N. Reduksi nitrat merupakan suatu proses enzimatik yang memerlukan energi. Ion hidrogen dan energi diperoleh dari respirasi aerobik. Nitrat direduksi di dalam akar (pada tanaman apel) dan di bagian pucuk yang terkena sinar (pada tanaman tomat). Nitrogen ammonium diharapkan lebih cepat terpakai dalam sintesis protein. Tanaman leguminosa baik herba maupun perdu/pohon mempunyai kemampuan mengikat N2 udara (bentuk N yang tidak tersedia bagi tanaman) dan mengubahnya menjadi bentuk N yang tersedia bila bersimbiose dengan bakteri Rhizobium. Jumlah N2 yang ditambat bervariasi tergantung spesies leguminosa dan lingkungan tempat tumbuhnya. Contohnya tanaman tomat yang dipakai dalam percobaan ini. Gejala defisiensi nitrogen antara lain daun berwarna kuning pucat, ruas lebih pendek, pertumbuhan daun semakin lambat, batang lebih pendek dan kurus, akar lebih panjang, tapi lebih kecil, jika defisiensi berkelanjutan, ujung daun dan daun yang terbawah menjadi nekrosis. Tanaman memerlukan suplai nitrogen pada semua tingkat pertumbuhan, terutama pada awal pertumbuhan. Tumbuhan menyerap unsur N dalam bentuk ion NO3- dan (NH4+). Peran unsur nitrogen, sebagai unsur utama adalah meningkatkan produksi dan kualitasnya, untuk pertumbuhan vegetatif (pertumbuhan tunas, daun, batang), pertumbuhan vegetatif berarti mempengaruhi produktivitas 2.4 N- Tersedia Bagi Tanaman Nitrogen yang dapat di manfaatkan oleh tanaman tinggkat tingggi khususnya tanaman budidaya dapat di bedakan atas empat kelompok utama yaitu: 1. Nitrogen nitrat (NO3-), 2. Nitrogen amonia (NH4+), 3. Nitrogen molekuler (N2) dan 4. 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 12
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. 2. 5 Metabolisme Sulfur Sulfur adalah komponen asam amino yang dibutuhkan untuk sintesis protein. Beberapa organisme dapat memperoleh sulfur melalui asimilasi reduksi sulfat, sebagian lagi memperoleh sulfur melalui reduksi senyawa sulfur seperti H. Sulfur adalah nutrisi utama bagi semua organisme. Tumbuhan memiliki keanekaragaman hayati yang tinggi, metabolization dan akumulasi sulfur sehingga ada potensi untuk menggunakan tanaman untuk fitoremediasi situs belerang-diperkaya. Sebuah survei tanah diperkaya dengan sulfur baik secara alami atau aktivitas manusia menunjukkan bahwa surplus sulfur sebagian besar disertai dengan surplus unsur kimia lainnya yang dapat membatasi fitoremediasi karena terjadi co-elemen lebih beracun untuk tanaman dari belerang. Selain itu, akumulasi unsur-unsur lain, membuat bahan tanaman (nabati ekstraksi) kurang cocok untuk digunakan sebagai pakan ternak dan untuk konsumsi manusia. Sulfur (S) asimilasi oleh tumbuhan memainkan peran penting dalam siklus S di alam, dan metabolisme S berasimilasi menyediakan berbagai senyawa yang bermanfaat bagi hewan, termasuk manusia. Sangat penting untuk memahami mekanisme yang terlibat dalam metabolisme S sistemik dalam rangka meningkatkan tanaman agronomi dan produksi tanaman makanan dan Studi-studi ini dapat dianggap sebagai studi kasus penting yang memberikan informasi mengenai mekanisme peraturan rumit yang terlibat dalam metabolisme tanaman. Tanaman mengandung berbagai macam senyawa sulfur organik yang memainkan peran penting dalam fisiologi dan perlindungan terhadap stres lingkungan dan hama. Senyawa sulfur juga sangat penting untuk kualitas makanan dan untuk produksi nabati. Sulfur 13
merupakan salah satu dari enam unsur hara makro yang diperlukan oleh tanaman dan ditemukan dalam bentuk asam amino Cys dan Met dalam berbagai metabolit. Sebagai bagian dari molekul Cys, kelompok belerang, yang disebut tiol, sangat nukleofilik (elektronmenyumbang), sehingga cocok untuk proses redoks biologis. Saat teroksidasi, dua molekul Cys dapat membentuk ikatan kovalen yang disebut ikatan disulfida, yang mudah rusak oleh reduksi untuk membentuk dua kelompok tiol. Sulfur tersedia bagi tanaman terutama dalam bentuk sulfat anionik (SO42-) hadir di tanah. Hal ini aktif diangkut ke dalam akar dan kemudian didistribusikan ke seluruh bagian tanaman. Sulfat dalam tanah terutama berasal dari pelapukan batuan. Sulfat yang ada di atmosfer berasal dari industri. Gas sulfur dioksida (SO2) ini mudah diserap dan diasimilasi oleh daun. a. Aliran Materi pada Siklus Sulfur Siklus sulfur merupakan contoh aliran materi tipe sedimenter. 1) Aliran materi pada siklus sulfur dimulai dari pembentukan sulfur pada kerak bumi dan atmosfer hingga melalui proses makan dan dimakan. 2) Tumbuhan menyerap unsur sulfur dalam bentuk Sulfat (SO4). 3) Aliran materi berkaitan erat dengan aliran energi. 4) Aliran materi juga terjadi di dalam sel makhluk hidup. 5) Aktivitas manusia juga dapat mempengaruhi aliran materi.
Gambar 2.3 Aliran materi dalam Siklus Sulfur
14
Sulfur terdapat dalam bentuk sulfat anorganik. Sulfur direduksi oleh bakteri menjadi sulfida dan kadang-kadang terdapat dalam bentuk sulfur dioksida atau hidrogen sulfida. Hidrogen sulfida (H2S) ini seringkali mematikan mahluk hidup di perairan dan pada umumnya dihasilkan dari penguraian bahan organik yang mati. Tumbuhan menyerap sulfur dalam bentuk sulfat (SO4). Perpindahan sulfat terjadi melalui proses rantai makanan, lalu semua mahluk hidup mati danm akan diuraikan komponen organiknya oleh bakteri. Beberapa jenis bakteri terlibat. Dalam daur sulfur, antara lain Desulfomaculum dan Desulfibrio yang akan mereduksi sulfat menjadi sulfida dalam bentuk hidrogen sulfida (H2S). Kemudian H2S digunakan bakteri fotoautotrof anaerob seperti Chromatium dan melepaskan sulfur dan oksigen. Sulfur di oksidasi menjadi sulfat oleh bakteri kemolitotrof seperti Thiobacillus. Selain proses tadi, manusia juga berperan dalam siklus sulfur. Hasil pembakaran pabrik membawa sulfur ke atmosfer. Ketika hujan terjadi, turunlah hujan asam yang membawa H2SO4 kembali ke tanah. Hal ini dapat menyebabkan perusakan batuan juga tanaman. Dalam daur belerang, mikroorganisme yang bertanggung jawab dalam setiap trasformasi adalah sebagai berikut: 1. H2S → S → SO4 bakteri sulfur tak berwarna, hijau dan ungu. 2. SO4 → H2S (reduksi sulfat anaerobik), bakteri Desulfovibrio. 3. H2S → SO4 (Pengoksidasi sulfide aerobik); bakteri Thiobacilli. 4. S organik → SO4+ H2S, masing-masing mikroorganisme heterotrofik aerobik dan anaerobik.
2. 6 Peranan Nitrogen dan Sulfur a. Peranan Nitrogen Ada beberapa peranan nitrogen terhadap pertumbuhan tanaman diantaranya adalah memacu pertumbuhan tanaman secara umum terutama pada fase vegetative, berperan dalam pembentukan klorofil, dan merangsang perkembangbiakan mikroorganisme.
15
Peranan nitrogen dalam tanaman yaitu mensintesis karbohidrat menjadi protein dan protoplasma (melalui mekanisme respirasi) yang berperan dalam pembentukan jaringan vegetatif tanaman. Sedangkan peranan nitrogen dalam tanah yaitu nitrogen diserap tanaman dalam bentuk nitrat (NO3) dan ammonium (NH4), akan tetapi nitrat akan segera tereduksi menjadi amonium melalui enzim yang mengandung Mo. Amonium merupakan sumber nitrogen bagi tumbuhan yang hidup di tanah masam, terutama tanah humus, nitrat, merupakan sumber nitrogen bagi tumbuhan yang hidup di tanah netral atau basa selanjutnya organic. Nitrogen udara merupakan sumber nitrogen bagi tumbuhan yang bersimbiosis dengan organisme penambat nitrogen. b. Peranan Sulfur Pada umumnya belerang dibutuhkan tanaman dalam pembentukan asam-asam amino sistin, sistein, dan metionin. Disamping itu S juga merupakan bagian dari biotin, tiamin, ko-enzim A dan glutationin. Diperkirakan 90% S dalam tanaman ditemukan dalam bentuk asam amino, yang salah satu fungsi utamanya adalah penyususn protein yaitu dalam pembentukan ikatan disulfide antara rantai-rantai peptide. Belerang merupakan bagian (constituent) dari hasil metabolisme senyawa-senyawa kompleks. Belerang juga berfungsi sebagai activator, kofaktor atau regulator enzim dan berperan dalam proses fisiologi tanaman. Selain fungsi yang dikemukakan di atas, peranan S dalam pertumbuhan dan metabolisme tanaman sangat banyak dan penting, diantaranya (1) merupakan bagian penting dari ferodoksin, suatu complex Fe dan S yang terdapat dalam kloroplas dan terlibat dalam reaksi oksidoreduksi dengan transfer elektron serta dalam reduksi nitrat dalam proses fotosintesis, (2) S terdapat dalam senyawa-senyawa yang mudah menguap yang menyebabkan adanya rasa dan bau pada rumput-rumputan dan bawang-bawangan. Belerang dikaitkan pula dengan pembentukan klorofil yang erat hubungannya dengan proses fotosintesis dan ikut serta dalam beberapa reaksi metabolisme seperti karbohidrat, lemak, dan protein. Belerang juga dapat merangssang pembentukan akar.
16
2.7 Defisiensi Unsur Nitrogen dan Belerang a. Kekurangan unsur hara Nitrogen (N) 1. Warna daun hijau agak kekuning-kuningan dan pada tanaman padi warna ini mulai dari ujung daun menjalar ke tulang daun selanjutnya berubah menjadi kuning lengkap, sehingga seluruh tanaman berwarna pucat kekuning-kuningan. Jaringan daun mati dan inilah yang menyebabkan daun selanjutnya menjadi kering dan berwarna merah kecoklatan. 2. Pertumbuhan tanaman lambat dan kerdil. 3. Perkembangan buah tidak sempurna atau tidak baik, seringkali masak sebelum waktunya. 4. Dapat menimbulkan daun penuh dengan serat, hal ini dikarenakan menebalnya membran sel daun sedangkan selnya sendiri berukuran kecil-kecil. 5. Dalam keadaan kekurangan yang parah, daun menjadi kering, dimulai dari bagian bawah terus ke bagian atas. b. Kekurangan unsur hara Belerang (S) 1. Daun-daun muda mengalami klorosis (berubah menjadi kuning), perubahan warna umumnya terjadi pada seluruh daun muda, kadang mengkilap keputih-putihan dan kadang-kadang perubahannya tidak merata tetapi berlangsung pada bagian daun selengkapnya. 2. Perubahan warna daun dapat pula menjadi kuning sama sekali, sehingga tanaman tampak berdaun kuning dan hijau, seperti misalnya gejala-gejala yang tampak pada daun tanaman teh di beberapa tempat di Kenya yang terkenal dengan sebutan”Tea Yellow” atau”Yellow Disease”. 3. Tanaman tumbuh terlambat, kerdil, berbatang pendek dan kurus, batang tanaman berserat, berkayu dan berdiameter kecil. 4. Pada tanaman tebu yang menyebabkan rendemen gula rendah. 5. Jumlah anakan terbatas.
17
BAB III PENUTUP
3.1 Kesimpulan 1. Dalam penggunaan nitrogen pada makhluk hidup diperlukan berbagai proses, yaitu fiksasi nitrogen, asimilasi, nitrifikasi, denitrifikasi. 2. Perpindahan sulfat terjadi melalui proses rantai makanan, lalu semua mahluk hidup mati dan akan diuraikan komponen organiknya oleh bakteri. Beberapa jenis bakteri terlibat dalam daur sulfur, antara lain Desulfomaculum dan Desulfibrio yang akan mereduksi sulfat menjadi sulfida dalam bentuk hidrogen sulfida (H2S). Kemudian H2S digunakan bakteri fotoautotrof anaerob seperti Chromatium dan melepaskan sulfur dan oksigen. Sulfur di oksidasi menjadi sulfat oleh bakteri kemolitotrof seperti Thiobacillus. 3. Nitrogen merupakan salah satu unsur makro esensial yang dibutuhkan oleh tanaman. Tanaman menggunakan nitrogen dalam proses pembentukan DNA, RNA, maupun protein sebagai pembangun jaringan tubuh tumbuhan. Nitrogen dapat diserap tanaman dalam bentuk nitrat dan ammonium. 4. Sulfur berperan dalam penyimpanan dan pembebasan energi karena sulfur merupakan komponen penting asam-asam amino esensial penyusun protein tanaman maupun hewan, seperti methionin, sistein, dan sistin, juga dalam pembentukan polipeptida.
18
DAFTAR PUSTAKA
Asrun, Adji. 2012. Metabolisme nitrogen. (Online). (http://www. net/ajhieasrun/metabolisme-nitrogen-1, diakses 18 November 2017).
slideshare.
Azizah. 2011. PENGARUH TIGA INOKULAN BAKTERI RhizobIum TERHADAP PEMBENTUKAN BINTIL AKAR TANAMAN KEDELAI . (Online). (http:// repository. unand.ac.id/17557/1/PENGARUH_TIGA_INOKULAN_BAKTERI__ Rhizobium_TERHADAP_PEMBENTUKAN_BINTIL_AKAR_TANAMAN_KE DELAI. pdf, diakses pada 18 November 2017). Devita, Aprilia.2012.Metabolisme nitrogen. (Online). (http://blog.ub.ac.id /coretanku /2012/05/09/metabolisme-nitrogen/, diakses18 November 2017). Fandicka. 2011. Proses fiksasi nitrogen oleh bintil akar. (Online). (http://fandicka. wordpress. com/2011/04/04/proses-fiksasi-nitrogen-oleh-bintil-akar/, diakses 18 November 2017). Harahap Fauziyah. 2012. Fisiologi Tumbuhan, Suatu Pengantar. Medan: Unimed Press
19
