Fiksasi Nitrogen

 Pengertian Fiksasi 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. Beberapa proses penting pada siklus nitrogen, antara lain fiksasi nitrogen, mineralisasi, nitrifikasi, denitrifikasi.

Fiksasi nitrogen merupakan reaksi yang mengikat nitrogen di atmosfer menjadi amonia yang dilakukan oleh Rhizobium di akar tumbuhan polonh-polongan atau oleh bakteri di alga dalam atmosfer anaerobik. Reaksi ini merupakan dasar kehidupan bagi makhluk hidup. Semua hewan, tumbuhan, termasuk manusia bergantung pada fiksasi nitrogen biologis dengan tujuan untuk mendapatkan nitrogen bagi penyusunan protein dan senyawa lain yang mengandung nitrogen sebelum ada proses Harber-Bosch.

Walaupun terdapat sangat banyak molekul nitrogen di dalam atmosfir, nitrogen dalam bentuk gas tidaklah reaktif.  Hanya beberapa organisme yang mampu untuk mengkonversinya menjadi senyawa organik dengan proses yang disebut fiksasi nitrogen.

Fiksasi nitrogen  sangat penting untuk lingkungan dan pertanian berkelanjutan (Sustainabele agriculture). Sebagian besar  tanaman mengasimilasi nitrogen hanya dari tanah melalui penambahan pupuk. Sumber alternatif lain adalah Rhizobia yang mampu   meyebabkan pembentukan nodula  pada akar dari tanaman legum sebagai tanaman inang. Organ tanaman khusus  diserang oleh bakteria yang memfiksasi nitrogen dalam keadaan bakteroid endosimbiotik  dalam sel tanaman. Proses ini melibatkan  pengenalan spesifik dan diferensiasi  berkembang baik  bakteri dan sel tanaman inang.  Rhizobia  berhadapan dengan bermacam-macam kondisi  lingkungan seperti bakteria yang hidup bebas dalam tanah, selama proses infeksi dan seperti diferensiasi bakteroid dalam sel tanaman. 

Fiksasi nitrogen yang lain terjadi karena proses geofisika, seperti terjadinya kilat. Kilat memiliki peran yang sangat penting dalam kehidupan, tanpanya tidak akan ada bentuk kehidupan di bumi. Walaupun demikian, sedikit sekali makhluk hidup yang dapat menyerap senyawa nitrogen yang terbentuk dari alam tersebut. Hampir seluruh makhluk hidup mendapatkan senyawa nitrogen dari makhluk hidup yang lain. Oleh sebab itu, reaksi fiksasi nitrogen sering disebut proses topping-up atau fungsi penambahan pada tersedianya cadangan senyawa nitrogen.

Fiksasi nitrogen  keahlian dari prokariotik yang luar biasa dimana gas nitogen atmosfer merupakan  (N2) dikombinasikan dengan  kedalam bentuk ammonia (NH3). Proses vital ini  mendekati proses nitrifikasi (pembentukan  amonia dari  pemecahan protein) menjadikan nitrogen tersedia untuk  tanaman autotrofik dan untuk semua anggota ekosistem. Meskipun Azolla dapat menyerap nitrat dari air, azolla juga dapat menyerap ammonia yang dikeluarkan anabaena dalam lubang/rongga daun.

Nitrogenase mengandung protein besi-belerang dan besi-molibdenum, dan mereduksi nitrogen dengan koordinasi dan transfer elektron dan proton secara kooperatif, dengan menggunakan MgATP sebagai sumber energi. Karena pentingnya reaksi ini, usaha-usaha untuk mengklarifikasi struktur nitrogenase dan mengembangkan katalis artifisial untuk fiksasi nitrogen telah dilakukan secara kontinyu selama beberapa tahun. Baru-baru ini, struktur pusat aktif nitrogenase yang disebut dengan kofaktor besi-molibdenum telah ditentukan dengan analisis kristal tunggal dengan sinar-X.

Nitrogen organic diubah menjadi mineral N-amonium oleh mikroorganisasi dan beberapa hewan yang dapat memproduksi mineral tersebut seperti : protozoa, nematoda, dan cacing tanah. Serangga tanah, cacing tanah, jamur, bakteri dan aktinbimesetes merupakan biang penting tahap pertama penguraian senyawa N-organik dalam bahan organic dan senyawa N-kompleks lainnya. Semua mikroorganisme mampu melakukan fiksasi nitrogen, dan berasosiasi dengan N-bebas yang berasal dari tumbuhan. Nitrogen dari proses fiksasi merupakan sesuatu yang penting dan ekonomis yang dilakukan oleh bakteri genus Rhizobium dengan tumbuhan Leguminosa termasuk Trifollum spp, Gylicene max (soybean), Viciafaba (brand bean), Vigna sinensis (cow-pea), Piscera sativam (chick-pea), dan Medicago sativa (lucerna).

Penerapan Fiksasi Nitrogen Terhadap Mikrobiologi Lingkungan

 

 

 

Reaksinya sbb:

N₂ + 6e                      2NH₃ (DG’0 = +150 kkal/mol = +630 kJ/mol)

• Fiksasi N dilakukan oleh beberapa bakteri yang hidup bebas maupun bersimbiosis dengan akar tanaman, misal:  Clostridium pasteuranium, Klebisella, Rhodobacter, Rhizobium
• Fiksasi N diatur oleh sistem operon gen yang rumit, termasuk gen nif . Fiksasi berlangsung apabila di lingkungan konsentrasi ammonia menurun/rendah.
• Pada habitat terrestrial, fiksasi N oleh simbiosis Rhizobium dg tanaman Leguminosae merupakan donor terbesar dari senyawa N.
• Penelitian tentang fiksasi N telah banyak dilakukan, misal oleh Hardy et al tahun 1968 ttg reduksi asetilen menjadi etilen oleh nitrogenase.
• Hasil penelitian ttg fiksasi N ini menunjukkan bahwa ada cukup banyak genera bakteri yang dapat mem-fiksasi N termasuk spesies dari Bacillus, Clostridium, dan Vibrio.
• Pada habitat perairan, cyanobacteria adalah kelompok utama yang melakukan fiksasi N (Anabaena, Nostoc, Gloeotrichia, Oscillatoria, Lyngbya, dll)
• Komponen yang berperan dalam fiksasi N di habitat perairan adalah heterocyst, tapi ada cyanobacteria yg tidak memiliki heterocyst yg juga dpt fiksasi N
• Fiksasi N memerlukan cukup banyak energi dalam bentuk ATP dan koenzim.

Dalam ayat Al- Baqaroh 164 di bawah ini juga menjelaskan :

Artinya : Sesungguhnya dalam penciptaan langit dan bumi, silih bergantinya malam dan siang, bahtera yang berlayar di laut membawa apa yang berguna bagi manusia, dan apa yang Allah turunkan dari langit berupa air, lalu dengan air itu Dia hidupkan bumi sesudah mati (kering)-nya dan Dia sebarkan di bumi itu segala jenis hewan, dan pengisaran angin dan awan yang dikendalikan antara langit dan bumi; sungguh (terdapat) tanda-tanda (keesaan dan kebesaran Allah) bagi kaum yang memikirkan.

Kandungan yang terdapat diatas menjelaskan bahwa bahwa semua jenis bakteri yang berasal dari mikrobiologi lingkungan, pertanian, maupun peternakan itu semua adalah ciptaan Allah Maha Kuasa. Dan juga dari penggalan bukti ayat-ayat Al-quran tersebut telah jelas bahwa kita sebagai orang yang beriman, yang yakin akan adanya sang Khalik harus percaya bahwa seluruh makhluk baik di langit dan di bumi, baik berukuran besar maupun kecil, bahkan sampai mikroorganisme (jasad renik) yang tidak dapat terlihat dengan mata telanjang adalah makhluk ciptaan Allah SWT, sehingga dengan mengetahui dengan adanya mikrobiologi lingkungan, pertanian maupun peternakan. Secara tidak langsung pengetahuan tentang aqidah kitapun semakin bertambah. Sesungguhnya manusia hanyalah sedikit pengetahuannya, jika dibandingkan dengan ilmu Allah SWT yang maha luas dan tak terbatas.

Peran Nitrogenase Dalam Proses Fiksasi Nitrogen

  Fiksasi Nitrogen dilakukan oleh bakteri. Bakteri ini menyelenggarakan fiksasi nitrogen yang terjadi baik oleh bakteri yang hidup bebas atau hidup bersimbiosis dalam akar tanaman legum seperti kedelai, clover, dan buncis. Fiksasi Nitrogen ini melibatkan penggunaan ATP dan proses reduksi ekivalen berasal dari metabolisme primer. Semua reaksi yang terjadi dikatalisis oleh nitrogenase.

8H⁺ + N₂ + 8e + 16 ATP + 16 H₂O           2NH₃ + H₂ + 16ADP + 16 Pi + 16 H⁺

  Nitrogenase adalah dua protein  kompleks. Satu komponen, dinamakan nitrogenase reduktase (NR) adalah besi (Fe) berisi protein yang menerima elektron dari ferredoxin, reduktat kuat, dan kemudian mengirimkannya kekomponen lainnya dinamakan nitrogenase atau M0Fe protein (Iron-Molybdenum Protein).

Nitrogenase pertama kali menerima elektron dari NR dan proton dari larutan. Nitrogenase mengikat molekul dari molekul nitrogen (melepaskan H₂ pada waktu yang sama) , dan kemudian menerima elektron dan proton dari NR, menambahkannya ke dalam molekul N₂, akhirnya melepaskan dua molekul amoniak NH₃. Melepaskan molekul hidrogen, H₂, rupanya adalah bagian yang hakiki dari fiksasi nitrogen. Cukup banyak sistem fiksasi nitrogen berisi enzim, hydrogenase, yang memanen elektron dari molekul hidrogen dan mentransf ernya kembali ke dalam ferredo xin, kemudian menyimpan beberapa energi metabolik yang hilang selama reduksi nitrogen. 

Suatu enzim yang dinamakan nitrogenase mengkatalisis reaksi ini. Nitrogenase mengandung protein besi-belerang dan besi-molibdenum, dan mereduksi nitrogen dengan koordinasi dantransfer elektron dan proton secara kooperatif, dengan menggunakan MgATP sebagai sumberenergi. Karena pentingnya reaksi ini, usaha-usaha untuk mengklarifikasi struktur nitrogenase danmengembangkan katalis artifisial untuk fiksasi nitrogen telah dilakukan secara kontinyu selamabeberapa tahun. Baru-baru ini, struktur pusat aktif nitrogenase yang disebut dengan kofaktorbesi-molibdenum telah ditentukan dengan analisis kristal tunggal dengan sinar-X (Gambar 8.2).Menurut hasil analisis ini, strukturnya memiliki kluster

Fe3 MoS4 dan  Fe4S4 yang dihubungkan    melalui   S.

 

Struktur kofaktor Fe-Mo dalam nitrogenase.

  Bagian utama dari energi fotosintesis  dalam tanaman yang bernodula digunakan untuk fiksasi N₂. Paling tidak enam belas molekul ATP dihidrolisis selama reduksi oleh molekul nitrogen tunggal.  Pengeluaran energi dari fotosintesis sama sekali membatasi pertumbuhan tanaman yang memfiksasi nitrogen. Contohnya, hasil penggunaan energi (protein, karbohidrat, dan minyak) dari lahan jagung lebh banyak daripada dari lahan kedelai. 

  Nitrogen  sangat sensitif terhadap oksigen.   Akar bernodula dari tanaman pemfiksasi nitrogen berisi oksigen- mengikat protein, leghemoglobin, yang melindungi nitrogenase melalui pengikatan molekul oksigen. 

  Mekanisme serupa dilakukan dalam  nitrat reduktase dan nitrit reduktase. Kedua substansi ini dihasilkan dari  ammonia melalui proses oksidasi. Bakteri tanaman dan tanah dapat mereduksi  senyawa ini untuk menyediakan ammonia untuk metabolisme. Pupuk yang umum digunakan seperti  ammonium nitrat, NH₄NO₃, menyediakan reduksi nitrogen untuk pertumbuhan tanaman secara langsung, dan  menyediakan substrat untuk reduksi nitrat. NADH atau NADPH adalah donor elektron untuk nitrat reduktase, bergantug pada organismenya.  Langkah pertama adalah reduksi nitrat menjadi nitrit

NO₃^- + NADPH + H⁺                    NO₂^- + NADP + H₂O

Langkah kedua melibatkan nitrat reduktase yang mereduksi nitrit menjadi ammonia

NO₂^-  +  7H⁺ +  6e                      NH₃ + 2H₂O

NO^- (nitrit) dan NH₂OH (hydroxylamine)  lanjutan dalam reaksi tetapi tidak  berdisosiasi dengan nitrit reduktase. 

Fiksasi Nitrogen Oleh Alga Hijau-Biru

Ganggang biru hijau hidup pada berbagai keadaan lingkungan,  bahkan pada permukaan batu di lahan gurun pasir yang gersang. Dia bersifat auototrof sempurna dan hanya memerlukan sinar matahari, air, nitrogen bebas, karbon dioksida dan  garam-garam yang mengandung hara mineral penting. Karena ganggang memerlukan sinarmatahari maka diduga hanya sedikit pengaruhnya terhadap penambahan unsur N dalam tanah pertanian yang diusahakan di dataran tinggi. Manfaat lain yang diperoleh dari ganggang hijau-biru ini ialah terjadinya pelapukan secara biologis sehingga menjadi lebih terbukanya kehidupan lain pada permulaan genesa tanah.

Interaksi antara simbiosis  Anabaena-Azzola berbeda antara  berbeda dengan interaksi antara bakteri pembentuk nodula dari tanaman leguminosa.  Sangat sedikit yang diketahui cara bagaimana  Anabaena   dan  Azolla mengenal satu sama lain. Anabaena   masuk ke dalam jaringan  pakis/paku-pakuan melalui  ujung titik tumbuh.  Fiksasi nitrogen berlangsung dalam sel khusus, yaitu  heterocysts.  Sel penetrasi Anabaena sangat kecil, heterocysts tidak berkembang sebelum  Anabaena telah berkolonisasi dalam jaringan paku-pakuan dan diam dalam cistern  intraseluler(H. D. HILL, 1977). Azolla pada umumnya bayak ditemukan di sawah Asia Tenggara dimana sejumlah besar nitrogen diikat oleh jenis alga ini yang sangat bermanfaat bagi tanaman padi.

Simbiosis dan spesies Anabaena yang hidup bebas  - seperti alga hijau-biru, juga berhadapan dengan masalah melindungi dirinya melawa oksigen. Proses metabolisme merupakan proses pengambilan surplus oksigen yang ada, dengan kata lain, heterocysts dikelilingi baketria . Berbeda dengan sel vegetatif, heterocysts aktif tertutup oleh lapisan polisakarida yang nampaknya menyediakan nutrisi bagi bakteria. Aktivitas metabolisme baketria mengkonsumsi oksigen lagi, hingga tar af terendah oksigen disekitar heterocysts.

Di bawah kondisi yang terbatas, sel vegetatif berdiferensiasi menjadi heterocysts . heterocysts merupakan sel yang berada di bagian ujung (terminal) yang dikhususkan dalam proses fikasi nitrogen.   Interior dari sel ini berupa mikrooxic sebagai akibat dari peningkatan respirasi, tidak a ktifnya pembentukan O2 dalam fotosistem II, bentuk/formasi dari penebalan diluar dinding sel. Nitrogenase   mengubah dinitrogen menjadi ammonium  pada pengeluaran ATP dan keduanya merupakan reduktan yang dihasilkan melalui metabolisme karbohidrat, sebuah proses tambahan, dalam cahaya melalui aktivitas fotosistem (PS) I . Sebagai imbalannya, ni trogen difiksasi dalam heterocysts  bergerak ke dalam sel vegetatif , bagian akhir dalam paembentukan asam amino.

Fiksasi nitrogen  keahlian dari prokariotik yang luar biasa dimana gas nitogen atmosfer merupakan  (N2) dikombinasikan dengan  kedalam bentuk ammonia (NH3). Proses vital ini  mendekati proses nitrifikasi (pembentukan  amonia dari  pemecahan protein) menjadikan nitrogen tersedia untuk  tanaman autotrofik dan untuk semua anggota ekosistem. Meskipun Azolla dapat menyerap nitrat dari air, azolla juga dapat menyerap ammonia yang dikeluarkan anabaena dalam lubang/rongga daun.

DAFTAR PUSTAKA

Anonymous,2009.klasifikasi-mikroba-klasifikasi-dan-peranan-mikroba-dalam-kehidupan.  http://zaifbio.wordpress.com Diakses 20 September 2011

Anonymous. 2010. Mikrobiologi Lingkungan. http://www.angelfire.com. Diakses 20 September 2011

Waluyo, Lud. 2005. Mikrobiologi Umum. Malang: UMM

http://www.agrilands.net/read/full/agriwacana/2011/01/03/bintil-akar-dan-fiksasi-nitrogen-  pada-tanaman-kedelai.html

Hindersah, R., Setiawati, M.R. & Fitriatin, B.N.  2001. Pengaruh supernatan suspensi kultur cair  Azotobacter  terhadap pertumbuhan bibit tanaman tomat.  Laporan

Penelitian. Bandung: Lembaga Penelitian Universitas Padjadjaran.