Fiksasi Nitrogen oleh Bakteri


Sumber utama nitrogen adalah nitrogen bebas (N2) yang terdapat di atmosfir, yang takarannya mencapai 78 %volume, dan sumber lainnya yang ada di kulit bumi dan perairan. Nitrogen juga terdapat dalam bentuk yang kompleks, tetapi hal ini tidak begitu besar sebab sifatnya yang mudah larut dalam air.

Pada umumnya derivat nitrogen sangat penting bagi kebutuhan dasar nutrisi, tetapi dalam kenyataannya substansi nitrogen adalah hal yang menarik sebagai polutan di lingkungan. Terjadinya perubahan global di lingkungan oleh adanya interaksi antara nitrogen oksida dengan ozon di zona atmosfir. Juga adanya perlakuan pemupukan (fertilization treatment) yang berlebihan dapat mempengaruhi air tanah (soil water), sehingga dapat mempengaruhi kondisi air minum bagi manusia.

Bentuk atau komponen N di atmosfir dapat berbentuk ammonia (NH3), molekul nitrogen (N2), dinitrit oksida (N2O), nitrogen oksida (NO), nitrogen dioksida (NO2), asam nitrit (HNO2), asam nitrat (HNO3), basa amino (R3-N) dan lain-lain dalam bentuk proksisilnitri (Soderlund dan Rosswall, 1980). Dalam telaah kesuburan tanah proses pengubahan nitrogen dapat dilakukan dengan berbagai cara, yaitu mineralisasi senyawa nitrogen komplek, amonifikasi, nitrifikasi, denitrifikasi, dan volatilisasi ammonium (Mas’ud, 1992).

Sejumlah organisme mampu melakukan fiksasi N dan N-bebas akan berasosiasi dengan tumbuhan. Senyawa N-amonium dan N-nitrat yang dimanfaatkan oleh tumbuhan akan diteruskan ke hewan dan manusia dan kembali memasuki sistem lingkungan melalui sisa-sisa jasad renik. Proses fiksasi memerlukan energi yang besar, dan enzim (nitrogenase) bekerja dan didukung oleh oksigen yang cukup. Kedua faktor ini sangat penting dalam memindahkan N-bebas dan sedikit simbiosis oleh organisme (Rompas, 1998).

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 (Mas’ud, 1993).

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) (Rompas,1998).

Menurut Maier , dkk (2000) bakteri dalam genus Rhizobium merupakan bakteri gram negatif, berbentuk bulat memanjang, yang secara normal mampu memfiksasi nitrogen dari atmosfer. Umumnya bakteri ini ditemukan pada nodul akar tanaman leguminosae.

Rhizobium berasal dari dua kata yaitu Rhizo yang artinya akar dan bios yang berarti hidup. Rhizobium adalah bakteri yang bersifat aerob, bentuk batang, koloninya berwarna putih berbentuk sirkular, merupakan penambat nitrogen yang hidup di dalam tanah dan berasosiasi simbiotik dengan sel akar legume, bersifat host spesifik satu spesies Rhizobium cenderung membentuk nodul akar pada satu spesies tanaman legume saja. Bakteri Rhizobium adalah organotrof, aerob, tidak berspora, pleomorf, gram negatif dan berbentuk batang. Bakteri rhizobium mudah tumbuh dalam medium pembiakan organik khususnya yang mengandung ragi atau kentang. Pada suhu kamar dan pH 7,0 – 7,2.

Morfologi Rhizobium dikenal sebagai bakteroid. Rhizobium menginfeksi akar leguminoceae melalui ujung-ujung bulu akar yang tidak berselulose, karena bakteri Rhizobium tidak dapat menghidrolisis selulose.

Rhizobium yang tumbuh dalam bintil akar leguminoceae mengambil nitrogen langsung dari udara dengan aktifitas bersama sel tanaman dan bakteri, nitrogen itu disusun menjadi senyawaan nitrogen seperti asam-asam amino dan polipeptida yang ditemukan dalam tumbuh-tumbuhan, bakteri dan tanak disekitarnya. Baik bakteri maupun legum tidak dapat menambat nitrogen swcara mandiri, bila Rhizobium tidak ada dan nitrogen tidak terdapat dalam tanah legum tersebut akan mati.

Bakteri Rhizobium hidup dengan menginfeksi akar tanaman legum dan berasosiasi dengan tanaman tersebut, dengan menambat nitrogen. Suatu sistem berdasar pada infeksi spesifik pada jenis inang Legum digunakan untuk menggolongkan Rhizobium secara tepat lebih dari 50 tahun. Kekhususan infeksi mempunyai banyak atraksi praktis yang memperhatikan aplikasi Teknologi Rhizobium, sungguhpun tidak sempurna sebab banyak strains rhizobia bisa menginfeksi ke kelompok spesifik lain dan sebab ada bukti persamaan baru dari taxonomic kimia dan data taxonomic kwantitatip. Tinggal suatu ukuran penting untuk spesiasi genus pada Manual Bergey Systematic Bacteriology, dengan modifikasi bersama data taxonomic baru (Jordan 1984).

Genus Rhizobium sekarang meliputi fast-growing rhizobia yang menghasilkan asam pada ragi mannitol agar (YMA) dan paling sering berasal dari daerah temperate. Ada tiga jenis di dalam Genus ini: R. leguminosarum (biovars viceaea, trifolii dan phaseoliif), R. meliloti, dan R. loti. Ini jenis terakhir termasuk rhizobia yang mampu untuk nodulasi Leucaena dan Mimosa. Genus Bradyrhizobium terdiri dari bakteri slow-growing yang tidak menghasilkan asam pada YMA dan paling umum menginfeksi Legum tropis. Suatu strain Bradyrhizobium juga bertanggung jawab untuk nodulasi non-legume berkayu Paraspnia (Trinick dan Galbraith 1980). Bakteri nodul dalam genus ini adalah kelompok heterogen dalam hubungan taxonomic masih belum dipecahkan. Hanya satu jenis, B. japonicum yang dikenali (Jordan 1984).

Haruslah dicatat bahwa banyak Legum, terutama sekali jenis pohon, mempunyai rute epidermal infeksi dan menembus intercellularly kortex akar. (Sprent dan de Faria 1988).

Tumbuhan yang bersimbiosis dengan Rhizobium banyak digunakan sebagai pupuk hijau seperti Crotalaria, Tephrosia, dan Indigofera. Akar tanaman polong-polongan tersebut menyediakan karbohidrat dan senyawa lain bagi bakteri melalui kemampuannya mengikat nitrogen bagi akar. Jika bakteri dipisahkan dari inangnya (akar), maka tidak dapat mengikat nitrogen sama sekali atau hanya dapat mengikat nitrogen sedikit sekali. Bintil-bintil akar melepaskan senyawa nitrogen organik ke dalam tanah tempat tanaman polong hidup. Dengan demikian terjadi penambahan nitrogen yang dapat menambah kesuburan tanah.

Azotobacter di dalam tanah berperan dalam pengaturan siklus nitrogen, yaitu melakukan fiksasi nitrogen dan mengubahnya menjadi Ammonia (NH3). Dalam sel bakteri ini terdapat sebuah alat yang berperan dalam biokatalis, yaitu enzim nitrogenase. Enzim inilah yang berperan dalam mengubah N2 menjadi NH3.

Bakteri ini memiliki ciri-ciri yang berbeda dengan bakteri lain. Jika kita melihat bentuk koloninya, misalnya; bentuknya bulat, bening, keruh atau opaque, dan putih, permukaannya halus mengkilap, tepi rata,dan berlendir. Lihat gambar di atas tentang koloni Azotobacter .

Bentuk sel Azotobacter bermacam-macam, dari bentuk batang pendek, batang, dan oval serta bentuk yang bermacam-macam, sehingga bakteri ini dikenal sebagai bakteri dengan bentuk sel pleomorfik. Bakteri ini umumnya Gram negative, namun spesies tertentu dari bakteri ini Gram variabel. Artinya, pada saat berumur muda bakteri ini Gram negatif, namun setelah berumur tua akan berubah menjadi Gram positif.

Di samping ini adalah salah satu bentuk sel Azotobacter dan hasil pewarnaan Gram. Gambar tersebut memperlihatkan bahwa bentuk sel Azotobacter batang pendek sedikit oval. Sel ini memiliki banyak flagel yang tersebar diseluruh selongsong selnya, sehingga dinamakan bakteri yang memiliki flagel bertipe peritrik.Pada kondisi yang kurang baik bagi Azotobacter, maka ia akan membentuk kista, bentuk adapatasi pada lingkungan yang kurang menguntungkan.

Akhir-akhir ini ditemukan simbiosis asosiasi antara bakteri Azospirillum lipoferum dan akar tumbuhan termasuk rumput tropikal Digitaria decumbens, juga jenis rumput tropikal Paspalum notatum mampu melakukan fiksasi N bersama-sama bakteri Azotobacter paspalli di dalam akar (Dobereiner, 1978, dalam Rompas, 1998).

Azotobacter sangat sensitif pada alkalinitas, asiditas (Mishustin dan Shilnikova, 1971), dan optimum pada pH 7-8 (Sutedjo et al., 1991). Ion Aluminium bersifat toksik untuk Azotobacter. Hal ini merupakan hambatan utama bagi keberadaan Azotobacter yang berasal dari tanah podsolik (Mishustin dan Shilnikova, 1971).

Fiksasi nitrogen berlangsung dengan bantuan kompleks enzim nitrogenase. 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 tentang reduksi asetilen menjadi etilen oleh nitrogenase.

Hasil penelitian tentang 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.

12 thoughts on “Fiksasi Nitrogen oleh Bakteri

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s