Chapter II 2

BAB 2

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Pupuk

Pupuk didefinisikan sebagai material yang ditambahkan ke tanah atau tajuk tanaman dengan tujuan untuk melengkapi ketersediaan unsur hara. Bahan pupuk yang paling awal adalah kotoran hewan, sisa pelapukan tanaman dan arang kayu.

Dalam pemilihan pupuk perlu diketahui terlebih dahulu jumlah dan jenis unsur hara yang dikandungnya, serta manfaat dari berbagai unsur hara pembentuk pupuk tersebut. Setiap kemasan pupuk yang diberi label yang menunjukkan jenis dan unsur hara yang dikandungnya. Kadangkala petunjuk pemakaiannya juga dicantumkan pada kemasan.karena itu, sangat penting untuk membaca label kandungan pupuk sebelum memutuskan untuk membelinya. Selain menentukan jenis pupuk yang tepat, perlu diketahui juga cara aplikasinya yang benar, sehingga takaran pupuk yang diberikan dapat lebih efisien. Kesalahan dalam aplikasi pupuk akan berakibat pada terganggunya pertumbuhan tanaman. Bahkan unsur hara yang dikandung oleh pupuk tidak dapat dimanfaatkan tanaman (Novizan, 2005).

2.1.1. Penggolongan Pupuk

Pupuk dapat digolongkan menjadi tiga bagian, yaitu:

a. Pupuk Kimia (Anorganik)

Pupuk kimia adalah pupuk yang dibuat secara kimia atau juga sering disebut dengan pupuk buatan. Pupuk kimia bisa dibedakan menjadi pupuk kimia tunggal dan pupuk

Universitas Sumatera Utara

kimia majemuk. Pupuk kimia tunggal hanya memiliki satu macam hara, sedangkan pupuk kimia majemuk memiliki kandungan hara lengkap. Pupuk kimia yang sering digunakan antara lain Urea dan ZA untuk hara N; pupuk TSP, DSP, dan SP-26 untuk hara P, KCl atau MOP untuk hara K. Sedangkan pupuk majemuk biasanya dibuat dengan mencampurkan pupuk-pupuk tunggal. Komposisi haranya bermacam-macam, tergantung produsen dan komoditasnya (http://isroi.wordpress.com).

b. Pupuk Organik

Pupuk organik seperti namanya pupuk yang dibuat dari bahan-bahan organik atau alami. bahan-bahan yang termasuk pupuk organik antara lain adalah pupuk kandang, kompos, kascing, gambut, rumput laut dan guano. Berdasarkan bentuknya pupuk organik dapat dikelompokkan menjadi pupuk organik padat dan pupuk organik cair. Beberapa orang juga mengelompokkan pupuk-pupuk yang ditambang seperti dolomit, fosfat alam, kiserit, dan juga abu (yang kaya K) ke dalam golongan pupuk organik. Beberapa pupuk organik yang diolah dipabrik misalnya adalah tepung darah, tepung tulang, dan tepung ikan.

Pupuk organik cair antara lain adalah compost tea, ekstrak tumbuh-tumbuhan, cairan fermentasi limbah cair peternakan, fermentasi tumbuhan-tumbuhan, dan lainlain. Pupuk organik memiliki kandungan hara yang lengkap. Bahkan di dalam pupuk organik juga terdapat senyawa-senyawa organik lain yang bermanfaat bagi tanaman, seperti asam humik, asam fulvat, dan senyawa-senyawa organik lain

(http://isroi.wordpress.com).

c. Pupuk Hayati

Pupuk hayati (biofertilizer) adalah suatu bahan yang berasal dari jasad hidup, khususnya mikrobia, yang digunakan untuk meningkatkan kualitas dan kuantitas produksi suatu tanaman. Dalam hal ini yang dimaksud dengan berasal dari jasad hidup adalah mengacu pada hasil proses mikrobilogis. Oleh karena itu istilah pupuk hayati lebih tepat disebut sebagai inokulan mikrobia, seperti yang dikemukakan oleh


Rao (1982). Meskipun demikian istilah pupuk hayati sudah lebih dikenal dan sebagai alternatif bagi pupuk kimia buatan (artificial chemical fertilizer).

Pupuk hayati berbeda dari pupuk kimia buatan, misalnya urea, TSP dan lainlain, karena dalam pupuk hayati komponen utamanya adalah jasad hidup yang pada umumnya diperoleh dari alam tanpa ada penambahan bahan kimia, kecuali bahan kimia yang diperlukan untuk mendukung pertumbuhan jasad hidupnya selama dalam penyimpanan.

Dalam formulasi pupuk hayati, seringkali bahkan tidak diperlukan bahanbahan kimia buatan karena bahan-bahan tersebut dapat diganti dengan bahan alami, misalnya gambut, kapur alam. Pupuk hayati mempunyai kelebihan dibandingkan dengan pupuk kimia buatan karena bahan-bahannya berasal dari alam sehingga tidak menimbulkan persoalan pencemaran lingkungan seperti halnya dengan pupuk kimia buatan (Yuwono, 2006).

Pupuk hayati tidak mengandung N, P, dan K. Kandungan pupuk hayati adalah mikrooganisme yang memiliki peranan positif bagi tanaman. Kelompok mikroba yang sering digunakan adalah mikroba-mikroba yang menambat N dari udara, mikroba yang malarutkan hara (terutama P dan K), mikroba-mikroba yang merangsang pertumbuhan tanaman.

Kelompok mikroba penambat N sudah dikenal dan digunakan sejak lama. Mikroba penambat N ada yang bersimbiosis dengan tanaman dan ada juga yang bebas (tidak bersimbiosis). Contoh mikroba yang bersimbiosis dengan tanaman antara lain adalah Rhizobium sp Sedangkan contoh mikroba penambat N yang tidak bersimbiosis adalah Azosprillium sp dan Azotobacter sp.

Mikroba-mikroba bahan aktif pupuk hayati dikemas dalam bahan pembawa, bisa dalam bentuk cair atau padat. Pupuk hayati juga ada yang hanya terdiri dari satu atau beberapa mikroba saja, tetapi ada juga yang mengklaim terdiri dari bermacammacam mikroba. Pupuk hayati ini yang kemudian diaplikasikan ke tanaman.


Salah satu kelemahan mikroba adalah sangat tergantung dengan banyak hal. Mikroba sangat dipengaruhi oleh kondisi lingkungannya, baik lingkungan biotik maupun abiotik. Jadi biofertilizer yang cocok di daerah sub tropis belum tentu efektif di daerah tropis. Demikian juga biofertilizer yang efektif di Indonesia bagian barat, belum tentu efektif juga di wilayah Indonesia bagian timur. Mikroba yang bersimbiosis dengan tanaman lebih spesifik lagi. Misalnya Rhizobium sp yang bersimbiosis dengan kedelai varietas tertentu belum tentu cocok untuk tanaman kacang-kacangan yang lain. Umumnya mikroba yang bersimbiosis berspektrum sempit (http://isroi.wordpress.com).

2.2. Unsur Hara Tanaman

Bentuk senyawa organik kompleks dari tumbuhan adalah karbon dioksida (CO2) yang didapat dari udara, energi matahari, air, dan senyawa-senyawa anorganik dari tanah. Unsur-unsur hara ini harus dalam bentuk zat terlarut dalam tanah agar dapat dimanfaatkan oleh tumbuhan, dan senyawa-senyawa organik seperti kotoran hewan, sisa-sisa tumbuhan atau zat-zat organik tanah, harus dipecah dan dimineralisasi menjadi molekul-molekul sederhana sebelum senyawa organik ini digunakan. Tumbuhan tidak dapat membedakan antara unsur hara dari pupuk mineral, kotoran hewan atau zat organik tanah. Unsur hara tanaman dibagi menjadi 3 kelompok: 1. Unsur hara makro primer: N, P, K; 2. Unsur hara makro sekunder: kalsium (Ca), magnesium (Mg), Sulfur (S); 3. Unsur hara mikro: klor (Cl), besi (Fe), mangan (Mn), boron (B), seng (Zn), tembaga (Cu), molibdenum (Mo), nikel (Ni).

Unsur hara makro primer dan sekunder dibutuhkan tanaman dalam jumlah yang besar. Ada beberapa senyawa yang terdapat pada banyak tanaman termasuk protein, asam nukleat dan klorofil yang penting untuk berbagai macam proses seperti transfer energi, mendapatkan makanan dan fungsi enzim. Rata-rata, tumbuhan memiliki unsur-unsur N, P dan K dengan perbandingan N:P:K = 2:0,44:0,83 (N:P2O5:K2O = 2:1:1) (Laegreid et al, 1999).

Unsur hara yang diserap oleh tanaman berasal dari 3 sumber sebagai berikut:


1. Bahan Organik. Sebagian besar unsur hara terkandung dalam bahan organik. Sebagian dapat langsung digunakan oleh tanaman, sebagian lagi tersimpan untuk jangka waktu yang lebih lama. Bahan organik harus mengalami dekomposisi (pelapukan) terlebih dahulu sebelum tersedia bagi tanaman. 2. Mineral Alami. Setiap jenis batuan mineral yang membentuk tanah mengandung bermacam-macam unsur hara. Mineral alami ini berubah menjadi unsur hara yang tersedia bagi tanaman setelah mengalami penghancuran oleh cuaca. 3. Unsur hara yang terjerap atau terikat. Unsur hara ini terikat di permukaan atau di antara lapisan koloid tanah dan sebagai sumber utama dari unsur hara yang dapat diatur oleh manusia. Unsur hara yang terikat ini biasanya tidak dapat digunakan oleh tanaman, karena pH-nya terlalu ekstrem atau terdapat ketidakseimbangan jumlah unsur hara. Lewat pengaturan pH tanah, unsur hara ini dapat diubah menjadi unsur hara yang tersedia bagi tanaman (Novizan, 2005).

2.3. Nitrogen

Nitrogen merupakan unsur yang penting untuk seluruh proses dalam tumbuhan. Pengambilan N oleh tumbuhan telah dipelajari oleh Morot-Gaudry (1997); kekurangan N menyebabkan terhambatnya pertumbuhan tanaman baik secara alami maupun pada pertanian. Penggunaan pupuk N biasanya mempercepat pertumbuhan tanaman, dan penggunaan pupuk N sangat penting untuk meningkatkan produktivitas pertanian. Produksi pangan dunia meningkat dalam 50 tahun terakhir, karena meningkatnya penggunaan pupuk N. Ini menunjukkan bahwa pada hakikatnya lebih banyak N yang bersirkulasi melalui siklus N yang berhubungan dengan pertanian (Laegreid et al, 1999).

Nitrogen yang ada di dalam tanah dapat hilang karena terjadinya penguapan, pencucian oleh air, atau terbawa bersama tanaman pada saat panen. Tanah yang sangat basah atau sangat padat bisa menyebabkan kondisi anaerob (tidak terdapat cukup oksigen di dalam tanah). Akibatnya terjadi reaksi yang mengubah nitrat menjadi gas nitrogen (reaksi denitrifikasi). Jenis bakteri tertentu juga mampu mengubah nitrat menjadi gas nitrogen. Pencucian nitrat sering terjadi pada tanah berpasir atau tanah yang sangat gembur. Saat pencucian terjadi, air memindahkan nitrat menuju lapisan di


bawah daerah perakaran. Erosi pada permukaan tanah akan menghanyutkan nitrogen ke sungai yang akhirnya bermuara ke laut. Selanjutnya akan terjadi proses pengembalian nitrogen ke tanah. Proses ini terjadi secara berkesinambungan yang dikenal dengan siklus nitrogen (Novizan, 2005).

2.3.1. Nitrogen : Kimia dan Bentuk

Unsur N (N2) terdapat 99,8% dalam bentuk N bebas, dan 78% di atmosfer dalam bentuk N2. Gas yang terdapat di atmosfer merupakan sumber utama N, tetapi secara alamiah gas ini memiliki reaktivitas yang rendah dan hanya beberapa bakteri yang dapat memanfaatkannya. Untuk kebutuhan tumbuhan, N2 harus diubah menjadi ammonium atau nitrat, prosesnya disebut fiksasi N. Nitrogen terdapat dalam berbagai macam bentuk, yaitu: 1. Bentuk gas: dinitrogen oksida (N2O), oksida nitrogen (NOx), dan ammonia (NH3) 2. Bentuk ion: nitrat (NO3-) dan ammonium (NH4+) 3. Senyawa organik: urea [CO(NH2)2], protein, enzim, humus (Laegreid et al, 1999).

2.3.2. Nitrogen dalam Tanah Pada dasarnya bentuk N dalam tanah adalah ammonium (NH4+), nitrat (NO3-), dan senyawa-senyawa organik. Kebanyakan nitrogen tanah terdapat dalam senyawa organik; senyawa organik ini diubah secara lambat oleh mikroba menjadi NH4+, kemudian mikroba yang lain mengubah NH4+ dengan cepat menjadi NO3-, yang merupakan bentuk mineral utama N dalam tanah. NO3- dan NH4+ secara langsung tersedia dalam tumbuhan. Tumbuhan juga dapat mengambil sejumlah kecil gas NH3 dan senyawa N organik terlarut seperti urea dan asam-asam amino. Nitrogen dalam bentuk senyawa organik yang lain tidak tersedia sampai senyawa organik ini diuraikan (Laegreid et al, 1999).

Nitrogen adalah komponen utama dari berbagai substansi penting di dalam tanaman. Sekitar 40-50% kandungan protoplasma yang merupakan substansi hidup dari sel tumbuhan terdiri dari senyawa nitrogen. Senyawa nitrogen digunakan oleh tanaman untuk membentuk asam amino yang akan diubah menjadi protein. Nitrogen


juga dibutuhkan untuk membentuk senyawa penting seperti klorofil, asam nukleat, dan enzim. Karena itu, nitrogen dibutuhkan dalam jumlah relatif besar pada setiap tahap pertumbuhan vegetatif, seperti pembentukan tunas atau perkembangan batang dan daun. Memasuki tahap pertumbuhan generatif, kebutuhan nitrogen mulai berkurang. Tanpa suplai nitrogen yang cukup, pertumbuhan tanaman yang baik tidak akan terjadi (Novizan, 2005).

2.3.3. Siklus Nitrogen

Nitrogen dibutuhkan oleh seluruh organisme untuk sintesis protein, asam-asam nukleat, dan senyawa-senyawa nitrogen lainnya. Molekul nitrogen (N2) terdapat hampir 80% di atmosfer bumi. Untuk proses asimilasi oleh tumbuhan, nitrogen harus difiksasi yang diambil dan digabungkan menjadi senyawa-senyawa organik. Aktivitas dari beberapa mikroorganisme yang khusus sangat penting dalam mengubah nitrogen menjadi bentuk-bentuk yang berguna (Tortora, 2001).

Gambar 2.1. Bagan Siklus Nitrogen Bagan siklus nitrogen terlihat pada gambar 2.1. Protein, asam nukleat, basa purin, pirimidin, dan asam amino (glukosamin dan galaktosamin) merupakan senyawa nitrogen oraganik yang berasal dari sisa tanaman atau hewan. Reaksi biokimia dalam siklus nitrogen meliputi : a. Proteolisis b. Amonifikasi (degradasi asam amino) c. Nitrifikasi


d. Reduksi nitrat menjadi ammonia e. Denitrifikasi f. Fiksasi Nitrogen (Budiyanto, 2004)

Penguraian protein dengan mikroorganisme dimulai dengan hidrolisis protein secara enzimatik menjadi asam amino masing-masing; selanjutnya, asam amino yang dibebaskan dimetabolisme lebih lanjut. Selama jalannya metabolisme ini gugus amino dibebaskan sebagai amoniak. R CHCOOH deaminase R C COOH + NH3

NH2 Asam amino

O Asam -keto

Ammonia

Karena tumbuhan dapat memanfaatkan ammonia yang dibebaskan ini sebagai sumber nitrogen, siklus ini dapat berhenti di sini karena menyangkut keseimbangan alam. Akan tetapi terdapat sejumlah besar bakteri autotrof yang memperoleh satusatunya sumber energi dari oksidasi ammonia menjadi nitrit. NH4+ + 2O2 Nitrosomonas NO2- + 2H2O

Pada tingkat ini kelompok bakteri autotrof lainnya mengambil alih; bakteri ini memperoleh energinya dengan oksidasi nitrit menjadi nitrat. Akibatnya, bentuk nitrogen utama dalam tanah ialah nitrat, yang dapat juga digunakan oleh tanaman sebagai sumber nitrogen. 2NO2- + O2 Nitrobacter (Volk, 1984) Nitrat oleh mikroorganisme dimanfaatkan untuk dua tujuan: 1. Seperti kebanyakan tumbuh-tumbuhan, banyak bakteri mampu mengolah nitrat sebagai sumber nitrogen untuk mensintesis komponen-komponen sel yang mengandung nitrogen. Reduksi nitrat secara asimilasi dapat berlangsung pada kondisi aerob. 2. Sebaliknya terjadi reduksi nitrat secara asimilasi atau respirasi nitrat; pada peristiwa ini nitrat bertindak sebagai akseptor hidrogen terminal pada kondisi anaerob. Pada kedua peristiwa ini pertama-tama nitrat direduksi menjadi nitrit oleh enzim yang mengandung molibden, yaitu nitrat reduktase. (Schlegel, 1999) 2NO3-


Spesies Pseudomonas merupakan kelompok bakteri yang paling penting dalam denitrifikasi tanah. Denitrifikasi terjadi pada tanah yang kekurangan air dimana ketersediaan oksigen sedikit. Ketiadaan oksigen sebagai akseptor elektron, bakteri pendenitrifikasi akan menggantikan nitrat untuk pupuk pertanian. Bakteri ini merubah sejumlah besar nitrat menjadi nitrogen yang masuk ke dalam atmosfer dan menyebabkan kerugian ekonomi yang sangat berarti. Proses denitrifikasi dapat dituliskan sebagai berikut : NO3(Tortora, 2001) NO2N2O N2

Gambar 2.2. Siklus Nitrogen


2.4. Fiksasi Nitrogen Secara Biologis

Fiksasi nitrogen merupakan proses biokimia yang paling mendasar setelah fotosintesis. Proses ini merupakan reduksi nitrogen atmosfer menjadi ammonia. Fiksasi nitrogen dapat dilakukan oleh ganggang biru-hijau, beberapa mikroorganisme khususnya bakteri. Reaksi reduksi nitrogen adalah sebagai berikut: N2 + 3H2 2NH3

Go = -33,5 kJ mol-1

Reaksi di atas merupakan reaksi eksergonik. Karena N2 tidak reaktif, proses ini secara industri dilakukan dengan menggunakan katalis, temperatur tinggi (600oC) dan tekanan (1000 atm). Proses biologi terjadi pada tekanan 1 atm dan suhu 25oC. Pada sistem bakteri, reaksi dikatalisis oleh enzim nitrogenase (Kuchel, 1998).

Fiksasi nitrogen dikatalisis oleh suatu kompleks enzim, yaitu sistem nitrogenase, yang aktivitasnya masih belum dipahami sepenuhnya. Karena sistem nitrogenase bersifat tidak stabil dan segera mengalami inaktivasi oleh oksigen atmosfer, enzim ini sulit untuk diisolasi dalam bentuk aktif dan dimurnikan. Produk fiksasi nitrogen stabil yang pertama dikenali adalah ammonia (NH3); jadi proses keseluruhan dipandang terdiri dari reduksi satu molekul nitrogen (N2) menjadi dua molekul ammonia (Lehninger, 1982).

2.4.1. Organisme Pengikat Nitrogen

Hanya beberapa spesies mikroorganisme dan tanaman yang dapat melakukan fiksasi nitrogen atmosfer. Beberapa bakteri yang hidup bebas, seperti sianobakteri atau ganggang hijau-biru, yang terdapat tidak hanya di dalam air tawar dan air asin, tetapi juga pada tanah dan jenis-jenis bakteri lainnya, seperti Azotobacter, mampu melakukan fiksasi nitrogen atmosfer. Produk penting pertama dari fiksasi nitrogen pada organisme ini adalah ammonia (NH3), yang dapat dipergunakan oleh bentuk kehidupan lain, baik secara langsung atau setelah pengubahannya menjadi senyawa terlarut lainnya, seperti nitrit, nitrat, atau asam amino (Lehninger, 1982).


Fiksasi biologis nitrogen dilakukan baik oleh mikroorganisme nonsimbiotik yang dapat berdiri sendiri atau bakteri-bakteri tertentu yang hidup secara simbiosa dengan tanaman tingkat tinggi. Golongan yang pertama termasuklah organisme aerobik tanah (misalnya Azotobacter), organisme tanah anaerob (misalnya Clostridium sp), bakteri fotosintetik (misalnya Rhodospirillum rubrum) dan ganggang (misalnya Myxophyceae). Sistem simbiotik terdiri atas bakteri (Rhizobia) yang hidup dalam simbiosa dengan sejumlah Leguminoseae seperti kudzu, kacang polong dan kedelai. Leguminosa bukan satu-satunya tanaman yang dapat memfiksasi nitrogen secara simbiosis; lebih kurang 190 spesies semak dan pohon dapat memfiksasi nitrogen (Sulaiman, 1991).

Banyak bakteri yang tidak mampu mengikat nitrogen sendiri, tapi hidup bersimbiosa dengan tumbuhan tinggi. Ini terjadi, juga karena masalah energi. Ikatan serangkai tiga yang menghubungkan dua atom nitrogen dalam suatu molekul gas nitrogen, sulit diputuskan. Begitu besar biaya energi untuk menghasilkan ammonia secara kimia, sebegitu pula beban energi yang dipikul oleh bakteri pengikat nitrogen. Jika bakteri itu hidup bersama dengan tumbuhan hijau yang mengikat karbon, hasilnya adalah pertukaran bahan nutrisi yang saling menguntungkan. Tumbuhannya mendapat nitrogen yang telah difiksasi, sedangkan bakterinya menerima karbon yang telah terfiksasi pula, yang dipakai untuk menghasilkan energi (Marx, 1991).

2.4.2. Biokimia Nitrogenase

Semua spesies yang dapat mengikat nitrogen memiliki kompleks nitrogenase. Strukturnya, sama pada semua spesies yang telah diteliti sejauh ini, mengandung dua protein yang disebut nitrogenase dan nitrogenase reduktase. Dinitrogenase (240 kD), juga dikenal sebagai protein Fe-Mo, merupakan suatu 22-heterotetramer yang mengandung dua atom molybdenum (Mo) dan 30 atom besi. Protein ini mengkatalisis reaksi N2 + 8H+ + 8eidentik (McKee, 2003). 2NH3 + H2. Dinitrogenase reduktase (60 kD) juga

dikenal sebagai protein Fe merupakan suatu dimer yang mengandung subunit yang


Nitrogenase reduktase berberat molekul 60.000 dalton dan terdiri dari dua subunit protein yang identik. Cirinya berwarna coklat, karena mengandung untaian besi dan belerang. Dari namanya dapat diduga bahwa enzim itu mereduksi nitrogen, karena menambah lagi elektron yang dipakai untuk mereduksi N2. Nitrogenase reduktase menerima elektron yang dipindahkan protein lain dan sifatnya bervariasi pada berbagai bakteri pengikat nitrogen. Reduksi N2 banyak menggunakan energi. Ada 20 sampai 30 molekul adenosin trifosfat (ATP) yang diperlukan untuk menunjang reduksi satu molekul nitrogen menjadi ammonia. Lagi pula reaksi nitrogenase banyak menghasilkan residu, karena ia juga mereduksi ion hidrogen menjadi molekul hidrogen (H2) yang keluar berupa gas (Marx, 1991). Nitrogenase dengan cepat dinonaktifkan oleh O2, jadi enzim ini harus dilindungi dari oksigen yang reaktif ini. Sianobakteri memberikan perlindungan dengan cara mengikat nitrogen melalui sel-sel nonfotosintetik yang disebut heterocyst.

Pada bintil akar legume, perlindungan dapat dilakukan oleh sintesis leghemoglobin secara simbiosis. Bagian globin dari monomer oksigen ini akan mengikat protein yang disintesis oleh tumbuhan, dimana protein heme disintesis oleh Rhizobium. Leghemoglobin memiliki afinitas O2 yang sangat tinggi menjaga masuknya O2 cukup rendah untuk melindungi nitrogenase yang sedang melakukan transport pasif O2 untuk bakteri aerobik (Voet, 1998).

2.4.3. Mekanisme Reduksi Nitrogen oleh Nitrogenase

Selama proses fiksasi nitrogen secara biologis, gas nitrogen (N2) direduksi menjadi ammonia (NH3) oleh enzim nitrogenase. Proses tersebut dapat dijelaskan sebagai berikut:

1.

Protein Fe (nitrogenase reduktase) menerima elektron dari feridoksin (NADPH) membentuk protein Fe tereduksi. Protein Fe + 6eProtein Fe tereduksi


2.

Protein Fe tereduksi bereaksi dengan 12 molekul MgATP membentuk suatu kompleks protein Fe tereduksi-MgATP (kompleks RFP-MA 1). Dalam hal ini ion Mg2+ akan mengaktifkan protein Fe. Protein Fe tereduksi + 12MgATP Kompleks RFP-MA

3.

Protein Fe-Mo (nitrogenase) bereaksi dengan satu molekul N2 membentuk kompleks nitrogen nitrogenase (NNC 2). Nitrogenase + N2 Kompleks nitrogen nitrogenase

Gambar 2.3. Struktur kofaktor Fe-Mo dalam nitrogenase 4. Dengan adanya ion Na+, kompleks RFP-MA akan mengikat kompleks nitrogen nitrogenase membentuk kompleks nitrogenase aktif. Elektron-elektron pada kompleks RFP-MA ditransfer ke dalam nitrogenase untuk mereduksi nitrogen. Selama proses transfer elektron ini, dua molekul ion H+ direduksi menjadi H2. Kompleks RFP-MA + NNCKompleks RFP-MA 6e-

Kompleks nitrogenaseKompleks nitrogen nitrogenase

2H+ 5.

H2

Nitrogenase tereduksi dalam kompleks nitrogenase menerima enam molekul ion H+ dari sitoplasma dan mereduksi N2 menjadi ammonia dengan menggunakan enam elektron. Elektron-elektron yang ada pada atom Fe dari nitrogenase digunakan untuk tujuan ini. Reduksi nitrogen melalui tiga tahap: i) Tahap pertama, nitrogen bereaksi dengan 2H+ menggunakan dua elektron menghasilkan diamida. NN + 2H+ HN=NH

1 2

RFP-MA: Reduced Fe Protein-MgATP NNC: Nitrogenase Nitrogen Complex


ii) Tahap kedua, diamida bereaksi dengan 2H+ menggunakan dua elektron menghasilkan hidrazin. HN=NH + 2H+ H2N-NH2 iii) Tahap ketiga, hidrazin bereaksi dengan 2H+ menggunakan dua elektron menghasilkan dua molekul ammonia. H2N-NH2 + 2H+ 6. 2NH3

Setelah reduksi N2 menjadi NH3, kompleks nitrogenase terurai menjadi protein Fe, nitrogenase, Mg2+, dan ADP. Begitu juga dengan NH3 yang dihasilkan, dilepaskan ke dalam sitoplasma. Dengan demikian enzim nitrogenase dapat mereduksi kembali molekul nitrogen yang lain (NIIR Board, 2004).

Reaksi reduksi nitrogen oleh nitrogenase menjadi ammonia dapat dituliskan sebagai berikut: N2 + 8H+ + 8e- + 16MgATP 2NH3 + H2 + 16MgADP + 16Pi.

2.5. Fiksasi Nitrogen Oleh Bakteri

Sejumlah mikroorganisme dapat menggunakan N2 dari udara sebagai sumber nitrogennya. Perubahan dari nitrogen ini menjadi ammonia disebut fiksasi nitrogen. Dua kelompok mikroorganisme yang terlibat dalam proses fiksasi nitrogen adalah mikroorganisme non simbiotik (termasuk dalam kelompok ini adalah mikroorganisme yang hidup bebas di dalam tanah) dan mikroorganisme simbiotik (Budiyanto, 2004).

Penambat nitrogen hidup bebas yang paling penting terdapat di antara sianobakteri dan dalam bakteri yang diklasifikasikan dalam marga Azotobacter. Banyak bakteri lain seperti klostridia dan bakteri fotosintesis, juga mampu menambat nitrogen atmosfer (Volk, 1984).

Bakteri pengikat nitrogen yang terpenting, baik untuk pertanian maupun ekologi adalah yang berinteraksi dengan tumbuhan dengan cara simbiosa. Simbiosa ada yang berbentuk sederhana, ada pula yang kompleks. Bentuk interaksi sederhana terdapat pada bakteri Azospirillum yang hidup sekitar permukaan akar rumputan. Pada interaksi yang berbentuk kompleks, seperti interaksi antara bakteri genus Rhizobium


dan kacang-kacangan atau antara bakteri Frankia dengan berbagai jenis tumbuhan pohon dan semak, seperti alder (Marx, 1991).

Tabel 2.1 Kontribusi nitrogen beberapa tanaman legume berbintil Sistem Fiksasi N2 Legume tanaman hijau: Sesbania acuelata - Rhizobium Leucaena leucocephala - Rhizobium Kacang-kacangan - Rhizobium Tanaman makanan ternak - Rhizobium 2 Legume tanaman biji-bijian: Lablab purpureus - Rhizobium Glycine jawanica - Rhizobium 3 Non legume: Casuarina equisitifolia - Frankia Alnus Frankia 4 Tanaman lain: Azolla Anabaena Rumput-rumputan - Azospirillium Sumber: Ghai dan Thomas (1989) No 1 Total kontribusi nitrogen (q/ha) 70-120 500-600 60-210 100-300 240 210 100 30-300 25-190 15-100

2.5.1. Fiksasi Nitrogen oleh Bakteri yang Hidup Bebas

Bakteri yang hidup bebas dan memiliki kemampuan untuk memfiksasi nitrogen molekular dapat dibedakan menjadi organisme aerob obligat, aerob fakultatif, dan anaerob. Bakteri aerob obligat termasuk dalam genus-genus Azotobacter, Beijerinckia, Derxia, Archromobacter, Mycobacterium, Arthrobacter dan Bacillus. Bakteri anerob fakultatif antara lain termasuk dalam genus-genus Aerobacter, Klebsiella dan Pseudomonas. Bakteri pemfiksasi nitrogen yang anaerob diwakili oleh genus-genus Clostridium, Chlorobium, Chromatium, Rhodomicrobium, Rhodopseudomonas,

Rhodospirillum, Desulfovibrio dan Methanobacterium. Pada beberapa dari genusgenus ini, fiksasi nitrogen terjadi secara fotoautotrof yang ditunjukkan oleh adanya pigmen fotosintetik dalam sel-sel mereka seperti misalnya pada genus

Rhodopseudomonas yang cukup dikenal. Sedangkan genus Desulfovibrio memfiksasi nitrogen dalam proses mereduksi sulfat (Rao, 1994)

Kebanyakan bakteri pemfiksasi nitrogen yang hidup bebas mampu mengikat sejumlah besar nitrogen di bawah kondisi laboratorium. Bagaimanapun, di dalam


tanah biasanya terdapat kekurangan karbohidrat yang dapat dipakai sebagai persediaan energi yang dibutuhkan untuk reduksi nitrogen menjadi ammonia, yang kemudian menjadi protein. Oleh karena itu, bakteri pengikat nitrogen ini memiliki peranan yang penting dalam penyediaan nitrogen di tempat-tempat seperti padang rumput, hutan, dan daerah tundra (Tortora, 2001).

2.5.2. Fiksasi Nitrogen oleh Bakteri Simbiotik

Bakteri-bakteri simbiotik ini memegang peranan yang penting dalam pertumbuhan tanaman untuk menghasilkan buah. Anggota dari genus-genus Rhizobium,

Bradyrhizobium, dan genus-genus lainnya yang menginfeksi akar tanaman leguminosa seperti kacang kedelai, kacang tanah, kacang polong, kacang hijau, alfalfa, dan semanggi. Rhizobia khususnya beradaptasi dalam spesies tanaman leguminosa membentuk bintil-bintil akar. Nitrogen difiksasi melalui proses simbiosis antara tumbuhan dan bakteri. Tumbuhan melengkapi kondisi anaerob dan nutrisi pertumbuhan untuk bakteri, dan bakteri mengikat nitrogen untuk sintesis protein tumbuhan (Tortora, 2001)

Interaksi antara Rhizobium dan tanaman bersifat spesifik. Ini berarti bahwa Rhizobium yang efektif untuk satu tanaman leguminosa tertentu belumlah tentu efektif untuk tanaman leguminosa yang lainnya. Inokulasi dengan menggunakan Rhizobium sebelum biji ditanam sangat dianjurkan. Hal ini dikarenakan tidak semua lahan pertanian mengandung bakteri yang tepat untuk simbiosis yang optimum antara Rhizobium dengan tanaman leguminosa tersebut. Di pasaran galur bakteri yang terpilih disimpan dalam humus yang lembab. Bahan ini kemudian diperciki air sebelum menanam biji tanaman (Budiyanto, 2004).

Penambat nitrogen simbiotik agaknya jauh lebih penting daripada penambat nitrogen yang hidup bebas dalam keseluruhan penambatan nitrogen di seluruh dunia. Jadi, tanah yang miskin nitrogen dapat diisi kembali dengan ammonia dan nitrat untuk pertumbuhan tanaman dengan penanaman leguminosa, seperti alfalfa, selama 1 tahun. Inilah sebabnya mengapa para petani menggilir tanamannya dari tanaman yang menghabiskan nitrogen (seperti jagung) sampai tanaman yang mengisi kembali


nitrogen (seperti kedelai atau alfalfa). Diperkirakan bahwa satu akre alfalfa mungkin menambat 400 pon nitrogen dalam satu musim (Volk, 1984).

Ada contoh yang sama dari fiksasi nitrogen simbiotik pada tanaman-tanaman nonlegume, seperti pohon alder. Pohon alder diinfeksi secara simbiosis dengan suatu actinomycete (Frankia) dan membentuk bintil-bintil akar pengikat nitrogen. Sekitar 50 kg nitrogen dapat difiksasi setiap tahun oleh 1 akre pohon alder; sehingga pohon ini memiliki nilai tambah untuk ekonomi hutan (Tortora, 2001).

2.6. Bakteri

Bakteri adalah kelompok mikroorganisme yang sangat penting karena pengaruhnya yang membahayakan maupun menguntungkan. Mereka tersebar luas di lingkungan sekitar kita. Mereka dijumpai di udara, air dan tanah, dalam usus binatang, pada lapisan yang lembab pada mulut, hidung atau tenggorokan, pada permukaan tubuh atau tumbuhan.

Bakteri adalah organisme bersel tunggal terkecil, beberapa di antaranya hanya memiliki diameter 0,4 m (mikrometer). Sel berisi massa sitoplasma dan beberapa bahan inti. Sel dibungkus oleh dinding sel dan pada beberapa jenis bakteri, dinding sel ini dikelilingi oleh kapsula atau lapisan lendir. Kapsula terdiri atas campuran polisakarida dan polipeptida (Gaman, 1981).

2.6.1. Rhizobium dan Perbintilan Akar

Rhizobium adalah bakteri Gram negatif, bersifat aerob, tidak membentuk spora, berbentuk batang dengan ukuran sekitar 0,50,9 m x 1,23 m. Bakteri ini termasuk dalam family Rhizobiacecae. Bakteri ini banyak terdapat di dalam daerah perakaran (rhizosfer) tanaman legume dan membentuk hubungan simbiotik dengan inang khusus. Hubungan antara Rhizobium dengan tanaman inangnya dapat dibedakan menjadi beberapa kelompok inokulasi. Dalam hubungan simbiotik tersebut Rhizobium terbentuk struktur khusus pada tanaman yang disebut bintil akar (Yuwono, 2006).


Rhizobium merupakan kelompok bakteri berkemampuan sebagai penyedia hara bagi tanaman. Bila bersimbiosis dengan tanaman legum, kelompok bakteri ini menginfeksi akar tanaman dan membentuk bintil akar. Bintil akar berfungsi mengambil nitrogen di atmosfer dan menyalurkannya sebagai unsur hara yang diperlukan tanaman. Pigmen merah leghemoglobin yang berperan dalam mengambil N di atmosfer. Pigmen ini dijumpai dalam bintil akar antara bakteroid dan selubung membran yang mengelilinginya. Jumlah leghemoglobin di dalam bintil akar memiliki hubungan langsung dengan jumlah nitrogen yang difiksasi. Korelasinya positif, semakin banyak jumlah pigmen, semakin besar nitrogen yang diikat. Rhizobium mampu menghasilkan hormon pertumbuhan berupa IAA dan giberellin yang dapat memacu pertumbuhan rambut akar, percabangan akar yang memperluas jangkauan akar. Akhirnya, tanaman berpeluang besar menyerap hara lebih banyak yang dapat meningkatkan produktivitas tanaman. (http://sebarus.multiply.com/journal/item/4/RHIZOBIUM_BINTIL_AKAR).

Legum berbintil menyumbang cukup banyak dalam hal jumlah nitrogen terfiksasi ke dalam biosfer. Misalnya, semanggi (Trifolium sp.) memfiksasi sekitar 130 kg/ha dan cowpea (Vigna sp.) sekitar 62128 kg/ha. Tumbuhan legume diklasifikasikan menjadi 3 subfamili besar dari famili Leguminoseae-Ceasalpinoideae, Mimosoideae dan Papilionoideae. Terdapat sekitar 700 genus dan 14.000 spesies tumbuhan legume dan di antaranya 500 genus dan sekitar 10.000 spesies termasuk subfamili Papilionoideae. Tidak semua legume memiliki bintil dalam sistem perakarannya dan diketahui pula bahwa beberapa bentuk pohon tidak memiliki bintil akar sama sekali. Hampir 10-12% Legumminoseae telah diperiksa hingga saat ini mengenai bintil akarnya; dari jumlah itu diketahui bahwa 10% dari Mimosoideae, 65% dari Ceasalpinoideae dan 6% dari Papilionoideae tidak memiliki bintil akar (Rao, 1994).

2.6.2. Klasifikasi Rhizobium

Beijerinck merupakan orang pertama yang memisahkan dan mengkultur suatu mikroorganisme dari bintil legume tahun 1888. Dinamakannya mikroorganisme tersebut Bacillus radicicola yang saat ini di dalam Manual Bergey mengenai


Bakteriologi Determinatif ditempatkan di bawah genus Rhizobium. Genus Rhizobium pernah dimasukkan dalam Manual Bergey mengenai Bakteriologi Determinatif ke dalam bermacam-macam famili seperti Azetobacteriaceae, Mycobacteriaceae, Myxobacteriaceae dan Pseudomonadaceae.

Spesiasi Rhizobium berdasarkan konsep Linnaeus terbukti sulit sekali dan karenanya, pengelompokan inokulasi-silang berdasarkan studi klasik oleh Fred, Baldwin dan McCoy-lah yang umumunya diikuti. Prinsip pengelompokan inokulasisilang didasarkan pada kemampuan suatu isolat Rhizobium untuk membentuk bintil pada genus-genus yang terbatas dari spesies legume yang satu sama lain berkerabat. Semua Rhizobium yang dapat membentuk bintil dalam perakaran tipe legume tertentu secara kolektif dimasukkan dalam satu spesies. Berdasarkan pola ini, umumnya dikenal tujuh spesies (Tabel 2.2).

Tabel 2.2 Kelompok inokulasi silang Rhizobium Rhizobium sp. R. leguminosarum R. phaseoli R. trifolii R. meliloti R. lupine R. japonicum R. sp. (Rao, 1994) Kelompok Inokulasi Silang Tipe Legum Kelompok ercis Pisum, Vicia, Lens Kelompok kacang Phaseolus Kelompok semanggi Trifolium Melilotus, Medicago, Kelompok alfalfa Trigonella Kelompok lupine Lupinus, Orinthopus Kelompok kedelai Glycine Kelompok cowpea Vigna, Arachis

2.6.3. Teknik Kultivasi dan Perbanyakan Rhizobium/Bradyrhizobium

Rhizobium pada umumnya dipelihara dengan menumbuhkannya dalam medium padat Yeast Extract Mannitol Agar (YEMA). Untuk menjaga kemampuan fisiologisnya agar tidak mengalami penurunan, maka Rhizobium harus diremajakan (disub-kultur) secara berkala. Kultur yang dipelihara inilah yang digunakan sebagai kultur induk yang digunakan sebagai inokulum untuk perbanyakan Rhizobium yang akan diformulasi sebagai pupuk hayati. Komposisi medium YEMA yang umum digunakan untuk pemeliharaan Rhizobium adalah sebagai berikut:


Tabel 2.3 Komposisi Medium YEMA (Sumber: Rao, 1982) Komponen K2HPO4 MgSO4 NaCl Mannitol *) Yeast extract Akuades Agar Berat/volume 0,5 g 0,2 g 0,1 g 10,0 g 1,0 g 1000 ml 20 g

*) Mannitol dapat diganti dengan sukrosa atau glukosa Selain medium dengan komposisi seperti di atas, beberapa peneliti atau produsen inokulan Rhizobium menggunakan medium dengan komposisi yang bervariasi.

Perbanyakan Rhizobium dilakukan dengan menumbuhkan bakteri dalam medium cair dalam skala volume yang disesuaikan dengan kapasitas produksi inokulan. Perbanyakan dilakukan dengan menggunakan fermentor besar dengan ragam alat pengaturan, misalnya pH, oksigen terlarut, suhu, dan penggojok. Selain itu, perbanyakan juga dapat dilakukan dengan menggunakan fermentor yang lebih sederhana yaitu menggunakan tabung Erlenmeyer meskipun tanpa peralatan pengaturan khusus.

Kultur cair Rhizobium yang sudah dibuat selanjutnya dicampur dengan bahan pembawa. Beberapa bahan pembawa yang dapat digunakan untuk formulasi inokulan rhizobia antara lain gambut, lignite, arang, vermiculite, zeolite dan lain-lain. Di antara beberapa bahan pembawa itu, gambut adalah bahan pembawa yang paling banyak digunakan untuk produksi inokulan rhizobia karena berkarakteristik ideal (Yuwono, 2006).

2.7. Kacang Hijau

Kacang hijau mempunyai nama lain mungo, mungbean, greengrain, golden grown. Kacang hijau tumbuh di daerah tropika dan subtropika pada suhu 30-35oC. Tanaman ini tergolong tahan terhadap kekeringan dan berhari netral atau berhari pendek dan


diduga berasal dari India. Kacang hijau peka terhadap frust, terendam, dan salinitas tinggi walaupun ada kultivar yang dilaporkan tahan basa dan salin (Mugnisyah, 1995).

2.7.1. Sistematika Tanaman Kacang Hijau Kingdom : Plantae

Subkingdom : Tracheobionta Super Divisi : Spermatophyta Divisi Kelas Sub Kelas Ordo Famili Genus Spesies Gambar 2.4. Kacang Hijau : Magnoliophyta : Magnoliopsida : Rosidae : Fabales : Fabaceae (suku polong-polongan) : Phaseolus : Phaseolus radiatus L

(www.plantamor.com)

2.7.2. Kandungan Gizi Kacang Hijau

Kacang hijau mempunyai nilai gizi yang cukup baik mengandung vitamin B1 cukup tinggi (150-400 i.u) dan vitamin A (9 i.u). Kacang hijau yang sudah menjadi

kecambah mengandung vitamin E (tokoferol) yang penting sebagai antioksidan.

Kandungan protein kacang hijau mencapai 24% dengan kandungan asam amino esensial seperti isoleusin, leusin, lisin, metionin, fenilalanin, treonin, triptofan, dan valin. Mengandung karbohidrat 58%. Pati kacang hijau terdiri dari amilosa 28,8%, dan amilopektin 71,2%. Kacang hijau merupakan sumber mineral penting, antara lain kalsium dan fosfor. Sedangkan kandungan lemaknya tersusun dari 73% asam lemak tak jenuh dan 27% asam lemak jenuh (www.indobiogen.or.id).

2.7.3. Manfaat Kacang Hijau

Kacang hijau mengandung protein tinggi, sebanyak 24%. Dalam menu masyarakat sehari-hari, kacang-kacangan adalah alternatif sumber protein nabati terbaik. Secara


tradisi, ibu-ibu hamil sering dianjurkan mengkonsumsi kacang hijau agar bayi yang dilahirkan mempunyai rambut lebat. Pertumbuhan sel-sel tubuh termasuk sel rambut memerlukan gizi yang baik terutama protein dan karena kacang hijau kaya akan protein, maka keinginan untuk mempunyai bayi berambut tebal akan terwujud.

Kandungan kalsium dan fosfor pada kacang hijau bermanfaat untuk memperkuat tulang. Kacang hijau juga mengandung rendah lemak yang sangat baik bagi mereka yang ingin menghindari konsumsi lemak tinggi. Kadar lemak yang rendah dalam kacang hijau menyebabkan bahan makanan atau minuman yang terbuat dari kacang hijau tidak mudah tengik.

Kacang hijau mengandung vitamin B1 yang berguna untuk pertumbuhan. Awalnya vitamin B1 dikenal sebagai anti beri-beri, selanjutnya dibuktikan bahwa vitamin B1 juga bermanfaat untuk membantu proses pertumbuhan. Defisiensi vitamin B1 dapat mengganggu proses pencernaan makanan dan selanjutnya dapat berdampak buruk bagi pertumbuhan. Dengan meningkatkan asupan bahan makanan yang banyak mengandung vitamin B1, seperti kacang hijau, hambatan pada pertumbuhan tubuh dapat diperbaiki. (http://www.poskota.co.id/berita-terkini/2009/11/15/manfaat-kacanghijau-untuk-kesehatan).


2.8. Pemanfaatan Inokulan Rhizobium di India

Peningkatan produksi dari berbagai tanaman dengan pemberian inokulan Rhizobium di beberapa daerah di India dengan kondisi agro-klimatik yang berbeda dapat dilihat pada tabel berikut ini (Dubey, 2006):

Tabel 2.4 Peningkatan Produksi Tanaman di India dengan Pemberian Pupuk Bio Respon tanaman* (%peningkatan dibandingkan kontrol yang tidak diinokulasi) 5-25 2-25 Hasil Panen (%peningkatan dibandingkan kontrol, pH tanah 7,3)** Tanaman %Peningkatan (q/ha) C

Tanaman

Lokasi

Hisar, Haryana Pantnagar, U.P. Arhar S.K. Nagar, UI-20,75 9-21 Gandum 16,4 (Cajanus Gujarat RI-24,15 cajan) Sehore, M.P. 13-29 Rehari 3-40 (Maharastra) Varanasi, U.P. 4-19 Dholi, Bihar 25-40 18-28 Chickpea Delhi UI-25,15 (Cicer Hisar 24-43 Padi 7,9 RI-24,15 aritinium) Dohad, Gujarat 33-67 Sehore 20-41 Maharastra 8-12 Lentil Pantnagar, U.P. 4-26 UI-22,57 (Lens Padi 13,2 Tidak ada RI-25,55 Ludhiana, Punjab culinaris) respon Kacang Pudukkotti, T.N. 4-21 Urd UI-20,75 Dholi, Bihar 11-29 Gandum 2,4 (Vigna RI-21,25 Pantnagar 17-21 munga) *Rewari (1984, 1985); **Subba Rao dan Tilak (1977); UI, Uninoculated control; RI, Inoculated with Rhizobium culture; C, control.


2.9. Produk Inokulan Mikroba

Beberapa jenis inokulan mikroba yang telah diproduksi secara komersial beberapa negara di dunia seperti India, Belgia, Prancis, Australia dapat dilihat pada tabel di bawah ini (Dubey, 2006): Tabel 2.5 Produk Inokulan Mikroba di India No 1 2 3 4 Bacfil Microbes India Rallis India Indian Organic Chemicals Ltd Perusahaan Produk Rhizoteeka Rhizoteeka Rhizoteeka Nodin, Natrin

Tabel 2.6 Produk Inokulan Mikroba di Luar India No 1 2 3 4 5 6 7 Perusahaan Union Chemique S.A., Belgia Phyluxia Allami, Hungaria Laboratorie de Microbiologie, Prancis Root Nodue Pvt. Ltd, Australia Agricultural Laboratories, Austria Radicin Institute, Jerman Abbot Laboratories, U.S.A. dan Institute for Mycorrhizal Research and Development, Produk Nodosit Rhizonit N-germ Nitrogerm Nodulud Radicin Impfsfoff Myco Rhiz

U.S.D.A., Athena 8 Interbec Australia Ltd Mycobedds


Chapter II 2

Documents

Transcript of Chapter II 2