Penambatan
nitrogen adalah proses yang menyebabkan nitrogen bebas digabungkan secara kimia
dengan unsur lain. Dalam atmosfer dengan satuan luas satu acre (0,46 ha) tanah
diperkirakan ada 35.000 ton nitrogen bebas. Walaupun esensial mutlak bagi
kehidupan, tidak satu molekulpun dapat digunakan begitu saja oleh tumbuhan,
hewan atau manusia tanpa campur tangan jazad mikro penambat nitrogen.
Sejumlah
jazad mikro tanah dan air mampu menggunakan molekul nitrogen dalam atmosfer
sebagai sumber N. Jazad mikro ini dibagi menjadi dua kelompok menurut cara penambatan
N yang dilakukan yaitu :
Penambatan N secara non-simbiotik, yaitu
jazad mikro yang mampu mengubah
molekulNmenjadi nitrogen sel secara bebas tanpa tergantung pada
organisme hidup lainnya.
Jazad mikro penambat N itu secara enzimatis menggabungkan
N atmosfer dengan unsur-unsur lain untuk membentuk senyawa N-organik dalam sel
hidup. Dalam bentuk organik ini kemudian N dilepaskan kedalam bentuk terlambat,
tersedia bagi tanaman baik secara langsung maupun melalui aktifitas jasad
mikro.
Penambatan N
non-simbiotik dapat juga terjadi di atmosfer akibat halilintar dan nitrogen
oksida yan terbentuk oleh pembakaran mesin dapat mengalami fotokimia dan
nitrogen yang terikat dengan cara ini jatuh ke tanah bersama air hujan.
v Penambatan Nitrogen Secara Simbiotik
Dalam sistem ini penambatan molekul nitrogen adalah
hasil kerja sama mutualisme antara tumbuhan (leun dan tumbuhan lain) dengan
sejenis bakteri. Masing-masin simbion secara sendiri-sendiri tidak dapat
menambat nitrogen. Simbiosis antara bakteri dengan tumbuhan, misalnya antara
species Rhizobium dengan legum adalah endosimbiosis, karena berlangsung didalam
tumbuhan. Bakteri hidup dalam sel dan jaringan tumbuhan.
Di dalam tanah, bakteri Rhizobium bersifat
organotrof, aerob, bentuk batang pleomorfi, gram negatif, tidak berspora dan
berflagella (1-6). Bakteri ini mudah tumbuh dalam media biakan khususnya yang
mengandung ragi atau kentang. Suhu optimum antara 25-300C dengan pH
optimum 7,0.
Bakteri Rhizobium bila masuk ke dalam sistem
perakaran legum menyebabkan pembentukan bintil akar. Dalam bintil akar bakteri
berubah bentuk menjadi bakteroid (bentul L,V,Y,T,X). Bakteri dalam bentuk
bakteroid dapat menambat nitrogen dari udara dengan bantuan enzim nitrogenase
yan dibentuk bakteri. Rhizobium yang tumbuh dalam bintil akar legum mengambil
langsun nitrogen dari udara. Dengan aktivitas sselam abersama sel tanaman dan
bakteri, nitrogen itu disusun menjadi senyawa nitrogen organik seperti asam
amino dan polipeptida yang ditemukan dalam tumbuhan, bakteri dan tanah di
sekitarnya. Penyediaan hara nitrogen oleh Rhizobium dapat mencapai 60-75 % dari
jumlah yang dibutuhkan tumbuhan.
Agar mendapatkan keuntungan yang maksimum dari
kegiatan Rhizobium, kita tidak dapat semata-mata tergantung pada infeksi
spontan oleh mikroflora tanah. Banyak tampat yang mengandung Rhizobium yang
tidak efektif. Jadi inokulasi dengan galur bakteri Rhizobium terpilih yang
sesuai dengan tanaman inangnya dan mempunyai daya saing yang tingi terhadap
mikroflora asli pada tanah setempat akan memberikan respons yang sangat nyata.
v Penambatan Nitrogen Non-
Penambatan nitrogen secara hayati yang non sinbiotik
dilakukan oleh jasad mikro yang hidup bebas. Menurut Tedja Imas dkk. (1989),
beberapa jasad mikro yang dapat menambat N2 secara non simbiotik
adalah Azotobacter. Bakteri ini bersifat mesofilik dan aerob obligat dengan
laju respirasi yang sangat tinggi. Efisiensi penambatan nitrogen rendah sehinga
kurang berarti di alam Species lain adalah Beijerinckia dan Derxia, bersifat
aerobik dan tumbuh baik pada keadaan asam (sampai pH 3). Bakteri ini umum
dijumpai di tanah-tanah trofis.
Ada dua cara yang baik untuk mengukur perubahan
nitrogen/penambatan nitrogen adalah :
1.
Penggunaan isotop 15N2 dengan
cara ini jazad mikro yang diteliti ditumbuhkan dengan diberi 15N2
maka akan tergabung ke dalam protoplasma. Tehnik ini cukup sensitif dan
tepat, tapi 15N2 sangat mahal harganya dan diperlukan
alat canggih spektrotometer yang mahal.
2.
Dengan uji redaksi asetilin, metode ini
berdasarkan pada prinsip bahwa jazad mikro yang dapat mereduksi N2 (berikatan
3) juga dapat mereduksi asetilin (juga berikatan 3).
N
= N ------reduksià 2NH3
HC
= CH ------reduksià H2N = CH3
Gas estilen yang merupakan hasil
reduksi asetelin dapat ditentukan dengan mudah dengan menggunakan gas
kromatografi. Cara ini termasuk sensitif, memerlukan substrat (asetelin) yang
tidak mahal, dan gas kromatografi merupakan alat yang umum dipakai di banyak
lab.
Faktor-faktor yang mempengaruhi
penambatan nitrogen non simbiotik adalah faktor lingkungan, terutama ciri kimia
dan fisika habitatnya (Tedja Imas,1989). Faktor-faktor tersebut meliputi
ketersediaan senyawa nitrogen, kesediaan nutrigen anorganik, macam sumber
energi yang tersedia, pH, kelembab,dan suhu.
Jazad mikropenambat N2
pada umumnya juga mampu menggunakan amonium, nitrat, dan senyawa nitroge
organik. Amonium lebih disukai dan bersama-sama dengan senyawa-senyawa yang
dapat diubah menjadi amonium (seperti urea dan nitrat) merupakan penghambat
penambatan nitrogfen yang paling efektif.
Bila jazad mikro penambatan
nitrogen ditumbuhkan pada media yang mengandung garam-garam amonium dan senyawa
nitrogen lainnya, beberapa nutrien anorganik diperlukan dalam jumlah lebih
sedikit daipada medium tersebut bebas dari nitrogen. Dalam penambatan nutrigen diperlukan
molibdenum, besi, calsium dan kobalt dalam jumlah yang cukup.
Bagi jazad heterotrof, tersedianya
sumber energi merupakan faktor utama yang membatasi laju dan besarnya asimilasi
N2. Penambatan gula sederhana, selulosa, jerami, atau sisa-sisa
tanaman dengan nisbah C/N yang tinggi seringsekali meningkatkan dengan nyata
transformasi N.
pH mempunyai pengaruh yang nyata,
Azotobacter dan Sianobakteri tergolong sangat peka pada tanah-tanah dengan pH
kurang dari 6,0 sedangkan Beijerinckia tidak peka dan dapat tumbuh dan menambat
N2 pada pH 3-9.
Kelembab tanah sering kali
menentukan laju penambatan nitrogen dan kandungan air optimum tergantung pada
tanah yang bersangkutan dan jumlah bahan organik yang tersedia. Bila kelembaban
terlalu tinggi maka keadaan aerobik berubah menjadi anaerobik.
Suhu optimum bagi penambatan
nitrogen adalah suhu sedang. Penambatan terhenti pada suhu beberapa derajat di
atas suhu optimum. Di beberapa daerah beriklim sedang bagian Utara didapati
bahwa penambatan nitrogen masih berlangsung sekalipun pada musim dingin. Jazad
mikro pelakunya diperkirakan algae atau lumut kerak.
Fiksasi Nitrogen
Fiksasi nitrogen adalah proses alam, biologis atau abiotik yang
mengubah nitrogen di udara
menjadi ammonia (NH3).
Mikroorganisme yang mem-fiksasi
nitrogen disebut diazotrof. Mikroorganisme ini memiliki enzim
nitrogenaze yang dapat menggabungkan hidrogen dan nitrogen.
Reaksi untuk fiksasi nitrogen biologis
ini dapat ditulis sebagai berikut :
N2 + 8 H+ +
8 e− → 2 NH3 + H2
Mikro
organisme 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
kacang-kacangan. Spesies ini diazotrophs. Sebuah contoh dari hidup bebas
bakteri Azotobacter.
b.
Industri fiksasi nitrogen
Di bawah tekanan besar, pada suhu 600 C, 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 (NOx).
d.
Proses lain
Selain itu, pembentukan NO dari N2 dan O2 karena foton
dan terutama petir, dapat memfiksasi nitrogen.
Asimilasi
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.
a. Asimilasi
Nitrogen
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.
Ada
beberapa sumber nitrogen yang dapat diambil tumbuhan yakni NO3, NH4+, N-organik
dan N2, terutama pada bakteri dan algae tertentu. Pada tumbuhan tinggi umumnya,
sumber nitrogen yang paling banyak diserab adalah NO3 dan NH4+ dan beberapa
N-organik.
Pada
tumbuhan tinggi umumnya, sumber terpenting nitrogen adalah ion nitrat (NO3=)
yang diambil dari larutan tanah. Di dalam tanah, spesiasi ion nitrat tidaklah
stabil. Dalam situasi aerobik, ion nitrogen lebih banyak dalam bentuk nitrat.
Sebaliknya, dalam suasana anarobik, nitrat akan tereduksi secara bertahap
menjadi ion amonia (NH4+). Bakteri nitrifikasi dan denitrifikasi berperan pada
proses konversi tersebut. Di alam dikenal ada banyak bakteri terlibat dalam
konversi nitrat menjadi amonia, atau sebaliknya. Proses-proses pengubahan dari
amonia menjadi nitrat disebut nitrifikasi.
Sebaliknya, terjadi peristiwa pengubahan nitrat , nitrit menjadi amonia atau N2
yang disebut denitrifikasi.
Proses nitrifikasi melibatkan bakteri nitrosomonas dan nitrobakter. Pada proses
pembusukan dari senyawa N-organik, akan dihasilkan ion-ion amonia, yang
prosesnya disebut amonifikasi.
Yang dibutuhkan dalam asimilasi nitrogen yaitu :
o Memerlukan cadangan sumber energi
o Energi berasal dari fotosintesis
o Reaksi terjadi pada jaringan dan kompartemen sel
yang berbeda.
o Berkaitan erat dengan metabolisme karbon.
Nitrat dan amonium merupakan sumber utama
nitrogen anorganik yang diambil oleh akar tanaman tinggi. Bentuk mana yang
disukai, jika itu terjadi, biasanya amonium dibutuhkan pada awal pertumbuhan
dan nitrat kemudian. Kombinasi kedua bentuk
tersebut umumnya akan dimanfaatkan tanaman secara optimal. Beberapa tanaman
dapat juga langsung menyerap urea (Harper, 1984), meskipun kebanyakan urea akan
dihidrolisis terlebih dulu menjadi amonium sebelum diserap tanaman. Proses
masuknya nitrat ke dalam akar tanaman bersama dengan air dan solut terlarut
lain secara aliran massa. Akibatnya, nitrat-N yang tercuci ke bawah perakaran
berpotensi untuk naik ke atas menuju daerah perakaran ketika horison permukaan
mengering dan tanaman memanfaatkan air dari lapisan yang lebih dalam. Akibat
yang lain adalah bahwa tanaman dapat menampakkan gejala defisiensi N meskipun
tanah cukup banyak mengandung N, jika kelembaban dan akibatnya aliran massa
nitrogen menjadi terbatas.
o
Sebagian besar amonium
harus bergabung ke dalam senyawa organik dalam akar, sebaliknya nitrat bersifat
mobil dalam xilem dan dapat disimpan dalam vakuola akar, batang, organ-organ
penyimpan. Akumulasi
nitrat dalam vakuola penting artinya bagi keseimbangan kation-anion dan untuk
pengaturan secara osmotik, khususnya pada spesies “nitrophilik” seperti Chenopodium
album dan Urtica dioica (Smirnoff dan Stewart, 1985). Namun
demikian, agar supaya dapat digabungkan ke dalam struktur organik serta
memenuhi fungsi pentingnya sebagai unsur hara, maka nitrat harus direduksi
terlebih dahulu menjadi amonia. Reduksi dan assimiliasi nitrat bagi kehidupan tanaman
sama pentingnya dengan reduksi dan asimilasi CO2 dalam fotosíntesis.
v
Asimilasi Amonium
Sementara nitrat dapat disimpan dalam vakuola tanpa efek yang merugikan,
amonium dan khususnya amonia mitra keseimbangannya [NH3 (yang larut
dalam air) = NH4+ + OH-] adalah beracun pada
konsentrasi yang sangat rendah. Pembentukan asam amino, amida-amida dan
senyawa-senyawa yang terkait adalah jalan utama detoksifikasi baik ion-ion
amonium yang diambil oleh akar maupun amonia yang berasal dari hasil reduksi
nitrat atau fiksasi-N2.
Langkah-langkah prinsip dalam asimilasi ion-ion amonium (Gambar 7-3) yang
diberikan melalui akar adalah pengambilan ke dalam sel-sel akar dan bergabung
ke dalam asam amino dan amida-amida dengan suatu pelepasan proton-proton untuk
kompensasi muatan Perembesan amonia ke membran plasma, dengan pembebasan proton
yang terjadi sebelum perembesan, telah dibahas sebagai suatu model alternatif
(Mengel et al., 1976).
Dari
kedua-duanya penemuan bersifat percobaan (Martin, 1970) dan pertimbangan
teoritis (Raven dan Smith, 1976) nampak bahwa hampir semua (menyangkut) amonia
yang berasimilasi ditranslokasi ke tajuk sebagai asam amino, amida-amida, dan
senayawa-senyawa terkait untuk penggunaan lebih lanjut. Asimilasi amonium dalam
akar membutuhkan karbohidrat yang banyak oleh karena diperlukan untuk skeletons
karbon dalam sintesis asam-asam amino dan amida-amida. Dalam akar juga sama
mengenai asimilasi amonia dari reduksi nitrat atau fiksasi-N. Transport amonia
hasil assimilasi dari akar ke tajuk terjadi terutama secara eksklusif dalam
xilem.
Gambar 7-3. Model asimilasi amonium dalam akar
(Raven dan Smith, 1976)
Dalam rangka memperkecil kehilangan karbon
yang disebabkan oleh transport nitrogen, senyawa-senyawa yang kaya nitrogen
(N/C rasio > 0.4) mengangkut nitrogen hasil asimilasi meninggalkan akar
(Wallace dan Plate, 1965; Streeter, 1979). Satu, dan jarang dua atau lebih,
senyawa-senyawa berikut eksudat akar mendominasi dalam xilem: amida glutamin
(2N/5C) dan asparagin (2N/4C; asam amino arginin (4N/6C); dan ureida allantoin
(4N/4C). Sesuai juga dengan model ekonomi karbon ini, dalam transport phloem
menuju pembentukan buah, yang merupakan sink non-fotosintesis, asam-asam amino
dengan N/C rasio > 0.4 adalah bentuk transport nitrogen yang dominan (Pate,
1973).
Senyawa nitrogen organik yang rendah berat
molekulnya digunakan secara dominan untuk transport jarak jauh atau untuk
disimpan dalam sel individu berbeda-beda diantara famili tanaman (Tabel 7-3).
Pada kacang-kacangan umumnya dan pada kedelai khususnya, sebagian besar
transport nitrogen hasil fiksasi oleh nodul akar digabungkan ke dalam ureida
allantoin dan asam allantoin (Layzell dan LaRue, 1982).
Meskipun lokasi asimilasi amonia berbeda
(akar, nodul akar, dan daun) enzim kunci yang terlibat adalah glutamine
synthetase dan glutamate synthase (Gambar 7-4). Kedua enzim itu telah ditemukan
di dalam akar, dalam kloroplas, dan dalam mikrorganisma pemfiksasi-N, dan bukti
meyakinkan bahwa asimilasi amonia itu paling banyak jika tidak semua berasal
dari pengambilan amonium, fiksasi-N, reduksi nitrat, dan fotorespirasi yang
dimediasi oleh jalur glutamine synthetase-glutamate synthase.
Dalam jalur ini asam amino glutamate
bertindak sebagai akseptor untuk amonia, dan amida glutamine dibentuk.
Glutamine synthetase mempunyai suatu gaya affinitas sangat tinggi untuk amonia
(Nilai Km rendah) dan dengan begitu mampu untuk memasuki amonia sekalipun
konsentrasinya sangat rendah. Ini diaktifkan oleh pH tinggi dan konsentrasi ATP
dan magnesium yang tinggi, dan semua tiga factor itu ditingkatkan dalam stroma
kloroplas atas kekuatan cahaya..
Dalam kloroplas, reduksi
nitrat dengan rangsangan cahaya dan asimilasi amonia yang ditingkatkan kemudian
secara efisien dikoordinir untuk mencegah level amonia menjadi terlalu tinggi
sehingga mereka melepaskan fotofosforilasi (Krogmann et al., 1959).
Keracunan amonia mungkin berhubungan dengan perembesan amonia yang
cepatmelintasi biomembran. Sebagai contoh, amonia, tetapi bukan amonium ( NH4),
berhamburan dengan cepat melintasi membran terluar dari kloroplas (Heber et
al., 1974).
Enzim yang lain dalam
asimilasi amonia, glutamate synthase (GOGAT), mengkatalisasi perpindahan
kelompok amida (-NH2) dari glutamine ke 2-oxoglutarate, yang
belakangan adalah produk dari siklus asam trikarboksilik (Gambar 7-4). Untuk
reaksi ini baik ferredoxin yang direduksi (dari photosystem) atau NAD(P)H (dari
respirasi) diperlukan untuk pemeliharaan siklus asimilasi amonia dan yang selebihnya
dapat digunakan untuk biosynthesis protein, sebagai contoh. Sebagai suatu
alternatif, manakala pemberian amonia besar, kedua-duanya molekul glutamate
dapat bertindak sebagai suatu akseptor amonia, dan satu molekul glutamine
meninggalkan siklus itu.
v Jalur alternatif untuk asimilasi amoniuam
Glutamate dehydrogenase (GDH) mengkatalisis reaksi dua arah untuk membentuk
glutamat atau membuang gugus amina dari glutamat .
2-oxoglutarate + NH4+ + NAD(P)H «glutamate + H2O + NAD(P)+
Meskipun reaksi diatas nampak seperti asimilasi amonium menjadi glutamat,
namun berbagai bukti menunjukkan bahwa GDH bukanlah untuk menggantikan GS dan
GOGAT namun lebih banyak berperan sebagai mekanisme untuk memisahkan amina
(de-aminasi) dari glutamat.
Setelah terasimilasi menajdi glutamin dan glutamat, nitrogen kemudian
diinkorporasikan menjadi asam amino lain melalui reaksi transaminasi. Enzim
yang berperan dalam hal ini secara umum dikenal sebagai aminotransferase. Salah
satu contoh enzim ini adalah aspartate aminotransferase (AAT) yang
mengkatalis reaksi
Glutamate + oxaloacetate ®aspartate + 2-oxoglutarate
Dimana gugus amina dari glutamat ditransfer menuju atom C-2 asam keto
(Gambar 7-4 tengah bawah). Aspartate adalah asam amino yang berpartisipasi
dalam malate-aspartate shuttle dari mitokondria dan kloroplas menuju
sitoplasma, dan dalam transport karbon dari sel mesofil menuju sel seludang
pembuluh (bundle sheath) pada fiksasi karbon tanaman C4.
Gambar 7-4.
Struktur dan lintasan senyawa terkait dengan metabolisme amonium. Amonium dapat
diasimilasi melalui kombinasi dengan glutamat untuk membentuk glutamin
(Glutamin sintetase) atau dengan aminasi reduktis 2-oxoglurata yang
menghasilkan glutamat (glutamat dehidrogenase). Dua glutamat dihasilkan dari
glutamin dan 2-oxoglutarat (glutamat sintase). Donor elektron (kofaktor
tereduksi) diperlukan dalam reaksi tersebut: feredoksin pada daun hijau dan
NADH pada jaringan non-fotosintetik.
v Nitrogen ditransfer dari glutamin atau
glutamat menjadi asam amino lain melalui reaksi transaminasi
Semua reaksi transaminasi memerlukan kofaktor pyridoxal phosphate (vitamin
B6). Aminotransferase ditemukan dalam sitoplasma, kloroplas, mitokondria,
glioksisom, dan peroksisom. Enzim yang terdapat dalam klorplas kemungkinan
berperan penting dalam biosintesis asam amino karena daun tanaman atau
kloroplas yang diisolasi jika dipajankan pada CO2 diberi label
radiokatif akan segera menggabungkan C berlabel menjadi glutamat, asapartat,
alanin, serin, dan glisin.
v Peran asparagin dan glutamin sebagai
jembatan antara metabolisme N dan C
Asparagin, yang diisolasi
dari asparagus pada awal 1806, merupakan bentuk amida pertama yang
teridentifikasi. Fungsinya bukan sebagai prekursor protein, namun sebagi
senyawa kunci untuk transport dan penyimpanan nitrogen karena stabilitasnya dan
tingginya rasio nitrogen:karbon (2N:4C untuk asparagin vs. 2N:5C untuk glutamin
atau 1N:5C untuk glutamat). Jalur utama sintesis asparagin mencakup transfer
amida nitrogen dari glutamin ke aspartat (Gambar 7-4 bawah):
Glutamine + aspartate + ATP ®asparagine + glutamate + AMP +
PPi
Reaksi tersebut dikatalis oleh
asparagine synthetase (AS), yang banyak ditemukan pada sitoplasma daun
dan akar dan dalam nodul pemfiksasi N. Intensitas cahaya dan kandungan
karbohidrat yang tinggi, kondisi yang merangsang aktivitas glutamine synthetase
(GS) dan Fd-glutamate synthase (Fd-GOGAT), menghambat ekspresi gen dan
aktivitas asparagine synthetase (AS). Pengaturan yang berlawanan pada jalur
yang saling bersaing ini membantu keseimbangan antara metabolisme karbon dan
nitrogen dalam tanaman. Kondisi cukup energi (cahaya dan karbohidrat tinggi)
menstimulir GS dan GOGAT, menghambat AS, sehingga mendorong asimilasi N menjadi
glutamin dan glitamat, senyawa yang kaya akan karbon dan berpartisipasi dalam
sintesis bahan tanaman baru. Sebaliknya, keterbatasan energi menghambat GS dan
GOGAT, menstimulir AS, sehingga mendorong asimilasi N menuju asparagin, senyawa
yang kaya nitrogen dan cukup stabil untuk transport jarak jauh atau untuk
disimpan dalam jangka waktu lama (asparagine is stable for long-distance
transport or long-term storage).
Amonifikasi
Jika tumbuhan atau hewan mati, nitrogen organik diubah menjadi amonium (NH4+) oleh bakteri dan
jamur. Sebagian besar keberadaan N2 di
dalam tanah dalam bentuk molekul anorganik. Organisme yang sudah mati diuraikan
melalui proses hidrolisis yang menyebabkan protein terurai menjadi asam amino.
Proses ini disebut deaminasi. Proses selanjutnya, asam amino yang sudah
terbentuk dikonversi menjadi ammonia (NH3) dan proses ini disebut
amonifikasi. Amonifikasi dibantu oleh beberapa mikroorganisme seperti bakteri
dan jamur.
Amonia merupakan senyawa dalam bentuk gas, pada tanah yang kering
mudah menguap, sebaliknya pada tanah yang lembab/basah ammonia terlarut dalam
air dan membentuk ion ammonium (NH4+ ). Selanjutnya ion
amonium dapat digunakan oleh bakteri dan tumbuhan untuk sintesa asam amino.
Walaupun demikian, pemanfaatan nitrogen oleh kebanyakan tumbuhan
umumnya dalam bentuk NO3- karena NH4+
akan dioksidasi menjadi NO3- oleh bakteri nitrifikasi.
Disamping itu ammonium/ammonia ini bersifat racun bagi tumbuhan dan dapat
menghambat pembentukan ATP di kloroplas dan mitokondria.
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 + 1.5 O2 + Nitrosomonas → NO2- +
H2O + H+
2.NO2- +
CO2 + 0.5 O2 + Nitrobacter → NO3-
3.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), nitrat dapat memiliki efek tidak langsung pada
ikan jika berkontribusi untuk eutrofikasi ini."
Nitrifikasi merupakan proses oksidasi ion amonium menjadi nitrat
(NO3-). Proses ini dilakukan oleh bakteri autotrof yang
termasuk ke dalam genus Nitrosomonas dan Nitrobacter. Nitrosomonas
akan mengoksidasi ion ammonium menjadi nitrit (NO2-) dan
selanjutnya Nitrobacter akan mengoksidasi nitrit (NO2-)
menjadi nitrat (NO3-).
Tumbuhan cenderung menggunakan nitrat (NO3-)
sebagai sumber nitrogen untuk sintesa protein karena nitrat memiliki mobilitas
yang lebih tinggi di dalam tanah dan lebih mudah terikat dengan akar tanaman
daripada amonium. Meski sebenarnya ion amonium lebih efisien sebagai sumber
nitrogen karena memerlukan lebih sedikit energi untuk sintesa protein, tetapi
karena bermuatan positif maka lebih sulit dimanfaatkan karena sudah lebih dulu
terikat oleh tanah lempung yang bermuatan negatif.
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. 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 N O3− +
10 e− + 12 H+ → N2 + 6 H2O
Dalam beberapa tahap selama berlangsungnya siklus nitrogen,
terjadi pembebasan dan pengikatan N2 bebas (atmospheric nitrogen).
Terlepasnya N2 bebas akibat suatu proses yang terjadi dalam siklus
nitrogen disebut denitrifikasi, yang pada dasamya adalah konversi nitrat
menjadi gas nitrogen. Beberapa spesies dalam genus Pseudomonas merupakan
kelompok bakteri terpenting yang melaksanakan proses denitrifikasi dalam tanah.
Sejumlah jenis yang lain seperti Paracoccus, Thiobacillus,
dan Bacillus juga mampu melakukan proses denitrifikasi. Bakteri-bakteri
yang termasuk ke dalam kelompok ini adalah pada umumnya merupakan
mikroorganisme yang aerob, tetapi pada kondisi anaerob mereka juga mampu
menggunakan nitrat dalam situasi dimana oksigen berperan sebagai akseptor
elektron akhir (anaerobic respiration). Proses denitrifikasi tidak
menguntungkan bagi kesuburan tanah karena terjadi pembebasan N2 ke
atmosfer dari senyawa nitrat.
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
0 komentar:
Posting Komentar