Peran Mikroba Penambat N Terhadap Pertumbuhan Tanaman

Nitrogen (N) merupakan hara makro utama yang sangat penting untuk pertumbuhan tanaman. Nitrogen diserap oleh tanaman dalam bentuk ion NO3- atau NH4+ dari tanah. kadar nitrogen rata-rata dalam jaringan tanaman adalah 2%-4% berat kering. Dalam tanah, kadar nitrogen sagat bervariasi tergantung pada pengelolaan dan penggunaan tanah tersebut (Rosmarkam dan Yuwono, 2002). Menurut Mengel dan Kirkby (1987) dalam Rosmarkam dan Yuwono (2002) pada pH rendah, nitrat diserap lebih cepat dibandingkan dengan amonium; sedangkan pada pH netral, kemungkinan penyerapan kedaunya seimbang.

Selain di dalam tanah nitrogen (N) tersedia sangat melimpah di atmosfer dalam bentuk gas (Yuwono, 2008). unsur N yang ada di atmosfer merupakan unsur dominan karena merupakan 80% dari gas yang ada, tetapi bentuk gas ini tidak dapat dimanfaatkan secara langsung oleh tanaman. pemanfaatanya hanya dapat dilakukan dengan bantuan mikrobia pengikatnya (fiksasi), yang mengubah N2 menjadi ammonium (NH4+) yang tersedia bagi tanaman (Hanafiah, 2013).

Fenomena penambatan N dari atmosfer tersebut dikenal sebagai diazotrofi (diazotrophy) atau penambatan nitrogen secara biologis (biological nitrogen fixation) sehingga mikroba yang mampu melakukan penambatan nitrogen disebut diazotrof (diazotroph) atau penambat nitrogen. Mikrobia yang fungsi utamanya sebagai penyedia unsur nitrogen melalui penambatan nitrogen atmosfer dapat dibedakan menjadi dua kelompok, yaitu: (1) mikrobia yang hidup bebas (free-living microbes), artinya tidak mempunyai asosiasi spesifik dengan tanaman tertentu, dan (2) mikroba yang melakukan hubungan simbiotik dengan tanaman (Yuwono, 2008). oleh karena itu dikenal ada dua sistem atau mekanisme penambatan nitrogen secara biologis dari atmosfer, yaitu penambatan nitrogen secara non-simbiotik dan penambatan neitrogen secara simbiotik. (Hanafiah;2013 dan Suwono;2008)

Peranan N dalam tanaman

Di dalam tanaman unsur nitrogen (N) sangat menentukan pertumbuhan tanaman, karena menurut Mengel dan Kirkby (1978) unsur N berkorelasi sangat erat dengan perkembangan jaringan meristem. Unsur N di dalam tanaman ditemui dalam bentuk anorganik atau organic yang bergabung dengan C, H, O dan kadangkala dengan S untuk membentuk asam-asam amino, enzim-enzim amino, asam nukleat, klorofil, alkaloid dan basa purin. Meskipun N-an-organik dapat berakumulasi membentuk nitrat, N-organik dominan dalam bentuk protein berbobot molekul tinggi. (Jones et al.; 1991 dalam Hanafiah; 2013)

Tanaman menyerap kedua bentuk N-amonium maupun N-nitrat, tetapi tanaman lebih banyak menyerap N-amonium dibanding N-nitrat. Hal ini karena menurut Paul dan Clark (1978) penyerapan N-amonium lebih efisien dalam penggunaan ATP dari pada penyerapan N-nitrat. N-amonium yang diserap oleh tanaman dapat langsung diubah kedalam bentuk N-organik penyusun organ-organ tanaman sementara N-nitrat terlebih dahulu mengalami serangkaian proses denitrfikasi ke bentuk amonium yang membutuhkan lebih banyak energi kimia ATP. Unsur N berperan sebagai penyusun semua protein, klorofil dan asam-asam nukleat, serta berperan penting dalam pembentukan koenzim. Ion ammonium dan amonia (golongan N-ammonia) dihasilkan dalam sel-sel tanaman melalui proses-proses fotorespirasi dalam siklus oksidasi karbon atau dari proses degradasi metabolic terhadap cadangan protein selama perkecambahan biji. Asimilasi ammonia ini terjadi dengan cepat dan hasilnya segera digunakan dalam proses metabolism lain (Hanafiah, 2013). Dengan demikian dapat dinyatakan bahwa unsur N berperan sebagai penyusun organ-organ tanaman dan digunakan dalam berbagai proses metabolism dalam tanaman.

Siklus dan penyerapan nitrogen Oleh tanaman

Sumber utama N berasal dari gas N2 dari atmosfir. Kadar nitrogen di atmosfer bumi berkisar 79%. Walaupun jumlahnya sangat besar, tetapi nitrogen tersebut belum dapat dimanfaatkan oleh tanaman tingkat tinggi, kecuali telah menjadi bentuk yang tersedia. Nitrogen tersedia bagi tanaman dalam bentuk N-amonium dan N-nitrat (Hanafiah, 2013). Samarkand dan Yuwono (2002) menyatakan bahwa persediaan nitrogen di alam pada dasarnya tidak ada habis-habisnya. Nitrogen ditambat dengan proses dan cara yang berbeda-beda, demikian juga sebaliknya pelepasan N ke atmosfir.

Siklus Nitrogen

Siklus N dimulai dari fiksasi N2-atmosfir dari udara secara fisik atau kimia yang menyuplai tanah bersama presipitasi (hujan), dan oleh mikrobia baik secara simbiotik maupun nonsimbiotik yang menyuplai tanah baik lewat tanaman inangnya maupun setelah mati. Sel-sel mati ini bersama dengan sisa-sisa tanaman ataupun hewan akan menjadi bahan organik yang siap didekomposisikan dan melalui serangkaian proses mineralisasi (aminisasi, amonifikasi, dan nitrifikasi) akan melepaskan N-mineral (NH4+ dan NO3) yang kemudian diimmobilisasikan oleh tanaman atau mikrobia. Gas amonia hasil proses aminisasi apabila tidak segera mengalami amonifikasi akan segera tervolatilisasi (menguap) ke udara, begitu pula dengan gas N2 hasil denitrifikasi nitrat, keduanya merupakan sumber utama N2-atmosfir. Kehilangan nitrat dan ammonium melalui mekanisme pelindian (leaching) merupakan salah satu penyebab penurunan kadar N dalam tanah.            

Dalam hal ini mikrobia memiliki peran yang cukup besar dalam proses fiksasi nitogen, dimana secara biologis terdapat dua mekanisme penambatan nitrogen oleh mikrobia, yaitu secara (1) simbiotik dan (2) nonsimbiotik (Rosmarkam dan Yuwono;2002, Yuwono;2008, dan Hanafiah;2013). Dan perlu diketahui bahwasanya fiksasi nitrogen secara biologis jumlahnya 3 sampai 4 kali jumlah N yang ditambat secara industri (Rosmarkam dan Yuwono, 2002).

Mekanisme Penambatan nitrogen

Konversi N2 dari udara menjadi amonia dimediasi (dibantu) oleh enzim nitrogenase. Banyaknya N2 yang dikonversi menjadi amonia sangat tergantung pada kondisi fisik, kimia, dan biologi tanah. Ketersediaan sumber energi (C-organik) di lingkungan rizosfir merupakan faktor utama yang menentukan banyaknya nitrogen yang dihasilkan (Alexander, 1977; Zuberer, 1998). Penambahan sisa-sisa tanaman (biomassa) sebagai sumber C ke dalam tanah memacu perkembangan populasi bakteri penambat N. Ini menjelaskan mengapa jumlah nitrogen yang ditambat oleh bakteri bervariasi di tiap tempat tergantung pada ketersediaan energi dan kemampuan bakteri penambat N bersaing dengan mikroba lain yang hidup dan perkembang-biakannya juga bergantung kepada sumber energi yang sama.

Mekanisme penambatan nitrogen secara biologis dapat digambar-kan melalui persamaan di bawah ini. Dua molekul amonia dihasilkan dari satu molekul gas nitrogen dengan menggunakan 16 molekul ATP dan pasokan elektron dan proton (ion hidrogen).

N2+ 8 H++8 e-+ 16 ATP = 2 NH3+ H2+ 16 ADP + 16 Pi

Reaksi ini hanya dilakukan oleh bakteri prokariot, menggunakan suatu kompleks enzim nitrogenase. Enzim ini mengandung dua molekul protein yaitu satu molekul protein besi dan satu molekul protein molibden-besi. Reaksi ini berlangsung ketika molekul N2 terikat pada kompleks enzim nitrogenase. Protein Fe mula-mula direduksi oleh elektron yang diberikan oleh ferredoksin. Kemudian protein Fe reduksi mengikat ATP dan mereduksi protein molibden-besi, yang memberikan elektron kepada N2, sehingga menghasilkan NH=NH. Pada dua daur berikutnya proses ini (masing-masing membutuhkan elektron yang disumbangkan oleh ferredoksin) NH=NH direduksi menjadi H2N-NH2, dan selanjutnya direduksi menjadi NH3. Tergantung pada jenis mikrobanya, ferredoksin reduksi yang memasok elektron untuk proses ini diperoleh melalui fotosintesis, respirasi atau fermentasi. (Simanungkalit et al., Tanpa tahun)

Penambatan Nitrogen Oleh Mikrobia

Penambatan nitrogen oleh mikrobia merupakan fiksasi nitrogen melalui proses biologi untuk mengubah N2 menjadi NH4+ dan NO3 yang tersedia bagi tanaman. Proses fiksasi ini dilakukan oleh mikrobia yang hidup secara simbiosis dengan tanaman legume ataupun nonlegum contohnya bakteri Rhyzobium dan ada juga mikrobia yang hidup bebas didalam tanah atau yang hidup pada permukaan organ tanaman yang berperan dalam penambatan N yang ada di udara (N-atmosfer) seperti Azospirillum, azotobacter dan Rhodospirillum.

Mikrobia penambat nitrogen secara non-simbiotik

Penambatan nitrogen secara nonsimbiotik hanya dilakukan oleh kelompok mikrobia yang terbatas yang umumnya termasuk kelompok bakteri dan alga biru hijau (Blue Green Algae atau sering disebut Cyanbacteria). Bakteri penambat N secara nonosimbiotik diklasifikasikan menjadi beberapa kelompok, yaitu (1) aerob, (2) anaerob dan (3) fakultatif anaerob.

Spesies bakteri aerob penambat nitrogen nonsimbitik antara lain termasuk dalam genus Azotobacter, Azotomonas, Beijerinckia, Derxia, Mycobacterium, dan Azospirillum. Sedangkan yang bersifat anaerob antara lain adalah Clostridium, Desulfovibrio, Chlorobium, dan Chromatium. Sementara yang termasuk dalam kelompok bakteri penambat nitrogen nonsimiotik yang bersifat fakultatif anata lain adalah Klebsiella, Rhodopseudomonas, Bacillus, Enterobacter, Rhodospirillum. Selain itu, juga terdapat kelompok bakteri penambat nitrogen non-simbiotik yang dikelompokan sebagai jasad fotosintetik, misalnya Rhodomicrobium, Rhodopseudomonas, dan Rhodospirillum.

Sianobakteria yang mampu menambat nitrogen umum dijumpai di daerah penanaman padi, baik yang heterocyst, antara lain adalah Anabaena, Anabaenopsis, Aulosira, Calothrix, Cylindrospermum, Gleocapsa, Nostoc, Scytonema, Stegonema, dan Tolypotrhrix, maupun non-heterocyst, yaitu Lyngbya, Trichodesmium, Oscillatoria, dan Plectonema. Heterocyst merupakan sel khusus yang terdapat di antara sel-sel berpigmen pada filament alga, yang berfungsi sebagai tempat berlangsungnya penambatan nitrogen pada sianobakteria.

Pada dinding heterocyst terdapat senyawa glikolopid yang dapat menangkap O2 sehingga dapat membuat kondisi didalamnya menjadi anaerob yang diperlukan dalam proses penambatan nitrogen. Sementara pada sianobakteria yang tidak memiliki heterocyst penambatan nitrogen berlangsung didalam sel yang terorganisasi sedemikian rupa sehungga mempunyai kodisi tereduksi (anaerob).

Diantara jasad penambat nitrogen tersebut, banyak yang bersifat heterotrofik yaitu jasad yang memperoleh energy dari hasil perombakan sisa-sisa tanaman, misalnya Azotobacter. Bakteri Azotobacter merupakan salah satu kelompok yang paling banyak dipelajari. Bakteri ini mempunyai laju respirasi yang paling tinggi, anggota genus ini bersifat mesofilik, artinya tumbuh pada suhu sekitar 300C.

Bakteri Azospirillum atau spirillum adalah kelompok lain jasad penambat nitrogen yang hidup bebas. Keberadaan bakteri ini di dalam tanah tergantung pada pH tanah. Tanah yang mempunyai pH di bawah 5,7 umumnya tidak mengandung Azospirillum. Bakteri ini banyak di dapat di daerah perakaran padi, jagung, gandum, sorghum serta tanaman Digitaria decumbens, Panicum maximum, dan Melinis meltifora dan gulma yang berasosiasi dengan padi serta tumbuhan dikotil dan monokotil lainya. Bakteri ini bersifat aerobic dengan adanya ammonia dalam medium dan tidak mampu menammbat nitrogen dalam keadaan anaerob total. Bakteri Azospirillum diestimasi mempu menghemat penggunaan pupuk nitrogen ekuivalen dengan 20-40 kg/ha pada pertanaman serealia.

Proses penambatan nitrogen secara non-simbiotik pada mikrobia diazotrof dibantu oleh kompleks nitrogenase yaitu enzim yang berperan dalam proses pengubahan N2 atmosfer menjadi NH3. Enzim ini tersusun atas dua metalloprotein, yaitu protein molybdo-ferro (protein Mo-Fe) yang berperan sebagai nitrogenaseI dan protein ferro (protein Fe) yang berperan sebagai nitrogenase reductase. Nitrogenase berperan sebagai katalis dalam reaksi:

N2 + 8 H+ + 8 e→ 2 NH3 + H2

Dalam reaksi penambatan nitrogen diperlukan 16 molekul ATP untuk memindahkan 8 elektron dari nitrogenase reductase ke nitrogenase sehingga terjadi reduksi satu molekul N2 menjadi 2 molekul NH3 dan satu molekul H2. Namun kompleks enzim tersebut tidak akan aktif ketika ada oksigen sehingga penambatan nitrogen hanya dapat berlangsung dalam keadaan anaerob. (Yuwono, 2008)

Mikrobia penambat nitrogen secara simbiotik

Selain oleh mikrobia yang hidup bebas, penambatan nitrogen juga dapat terjadi ketika ada hubungan simbiosis antara tanaman inang dengan mikrobia. Beberapa mikrobia mempu melakukan penambatan nitrogen yang bebas di udara melalui simbiosis dengan beberapa jenis tanaman tertentu (Yuwono, 2008).   

Salah satu contoh yang paling familiar dalam simbiosis penambatan nitrogen adalah “the root nodules of legumes” atau bintil akar (Daecon, archive.bio.ed.ac.uk). Bintil akar ini merupakan struktur khusus yang terbentuk akibat hubungan simbiotik antara Rhizobium dengan tanaman legume (Yuwono, 2008). Rhizobium merupakan bakteri Gram negative, bersifat aerob, tidak membentuk spora, berbentuk berbentuk batang dengan ukuran sekitar 0,5-0,9 µm x 1,2-3 µm. Bakteri yang termasuk dalam family Rhizobiaceae ini banyak terdapat di daerah perakaran (rhizosfer) tanaman legume dan membentuk hubungan simbiotik dengan inang khusus yang dibedakan dalam beberapa kelompok inokulasi (cross-inoculation groups, Tabel 1.)

 Table Kelompok inokulasi Rhizobium

Rhizobium sp Genus tanaman inang Kelompok inokulasi
Bradyrhizobium japonicum Rhizobium leguminosarum R. lupine R. meliloti R. phaseolus R. trifolii Bradyrhizobium sp Glycine Pisun, Lathyrus, Vicia Lupinus, Ornithopus Melilotus, Medicago, Trigonella Phaseolus Trifolium Arachis, Vigna, Crotalaria Kedelai Pea Lupin Alfafa Bean Clover Cowpea

Bakteri pembentuk bintil akar atau Rhizobia diklasifikasikan berdasarkan kemampuanya membentuk bintil akar yang mengacu pada kelompok inokulasi silang dengan tanaman leguminose. Secara umum, menurut Saraswati (balittanah.litbang.pertanian.go.id), rizhobia dibedakan atas rhizobia tumbuh lambat (Bradyrhizobium) dan rhizobia tumbuh cepat (Sinorhizobium). Berdasarkan sequen 16S ribosomal RNA, rhizobia dikelompokkan ke dalam tiga genus, yaitu Rhizobium, Bradyrhizobium dan Azorhizobium (Young et al., 1991; Willems & Collins, 1993; Yanagi & Yamasato, 1993). Selanjutnya Young & Haukka (1996) mengelompokkan rhizobia menjadi lima genus, yaitu Rhizobium, Bradyrhizobium, Azorhizobium, Sinorhizobium dan Mesorhizobium. De Lajudie et al. (1998) menambah satu genus lagi, yaitu Allorhizobium, sehingga jumlahnya menjadi enam genus.

Yuwono (2008) membagi kelompok bakteri pembentuk bintil akar menjadi empat kelompok besar, yaitu:

Genus I: Rhyzobium, yaitu suatu kelompok bakteri yang tumbuh cepat. Contohnya spesies R. Leguminosarum dan R. meliloti.

Genus II: Bradyrhizobium, yaitu kelompok bakteri yang tumbuh lambat. Spesiesnya adalah B. Japonicum, Bradyrhizobium sp.

Genus III: Sinorhizobium, yaitu kelompok bakteri yang tumbuh cepat yang membentuk bintil akar dengan kedelai. Bakteri ini juga dinamai Rhizobium fredii.

Genus IV: Azorhizobium, yaitu kelompok yang hanya mempunyai satu spesies yang disebut Azorhizobium caulinodans. Bakteri ini membentuk bintil batang pada tumbuhan Sesbania. Selain bakteri ini terdapat juga bakteri lain yang bersifat fotosintetik dan membentuk bintil batang pada tumbuhan Aeschynomene dan dinamakan bakteri Photorhizobium thompsonianum.

Selain tanaman legume, juga terdapat tanaman non-legum yang membentuk bintil akar melalui simbiosis dengan bakteri Frankia sp misalnya Alnus, Myrica, Causarina. Ada dua tipe bintil akar yang dihasilkan oleh hubungan simbiotik antara Frankia sp dan contoh tanaman-tanaman tersebut, yaitu: akar corraloid yaitu akar yang menunjukkan percabangan dan tipe Myrica/Causarina, yaitu bagian apex bintil akarnya membentuk akar geotropic.

Di dalam bintil akar yang sehat terdapat pigmen yang disebut leghaemaglobin (LHb) yang berperan dalam proses penambatan nitrogen. LHb berfungsi untuk mengatur konsentrasi oksigen karena bakteroid bersifat aerobic dan mengkonsumsi oksigen. Namun penambatan nitrogen sangat peka terhadap keberadaan oksigen karena dapat menon-aktifkan nitrogenase (oksigen >0,5 atm). Dalam hal ini, LHb berfungsi sebagai fasilitator pengambilan oksigen oleh enzim oksidase terminal (terminal oxidase) dan meningkatkan produksi ATP untuk aktivasi nitrogenase. Selain itu LHb juga berperan dalam menciptakan suasana anaerob di sekitar nitrogenase dengan cara bergaung dengan oksigen dan membentuk oxyhaemaglobin (OLHb). Dengan cara demikian LHb membantu proses respirasi bakteri denagan menydiakan oksigen di permukaan membrane bakteri dan menyediakan ATP untuk penambatan nitrogen sekaligus melindungi kompleks nitrogenase dari pengaruh oksigen. Secara umum reaksi penamabatan nitrogen pada bintil akar dapat dituliskan dalam persamaan berikut:

N2 + 16 ATP+ 8e +10H+ →2 NH4+ +H2+ + 16 ADP + 16 Pi

Ammonia adalah produk stabil pertama pada proses enambatan nitrogen. Setelah terbentu ammonia kemudian ditransfer melalui membrane bakteroid ke sel tanaman yang selanjutnya akan digunakan dalam metabolism tanaman.

Kesimpulan

Mikrobia penambat nitrogen memiliki peran yang sangat penting dalam pertumbuhan tanaman. Sebab berfungsi dalam menyediakan unsur hara nitrogen yang dapat digunkan oleh tanaman melalui proses penambatan N2 yang bebas di udara dan belum dapat digunkan secara langsung oleh tanaman menjadi NH4+  dan NO3 yang dapat digunkan oleh tanaman untuk proses metabolismenya. Secara umum mikrobia penambat N dibagi dalam dua kelompok, yaitu: (1) mikroba penambat N secara non-simbitik contohnya genus Azotobacter, Azotomonas, Beijerinckia, Derxia, Mycobacterium, dan Azospirillum dan (2) mikrobia penambat N secara simbiotik seperti rhizobia dan Frankia sp.

By : Kholqin Jadid

Artikel Terkait Potensi Tablet Biofertilizer Azotobacteria sp dan Trichordema sp Berbahan Limbah Batang Aren