BIOTEK PERTANIAN II - Pupuk Hayati Dan PGPR + Biotransformasi C, N, P, K, S, Fe Dan Mn

PUPUK HAYATI (BIOFERTILIZERS) DAN PGPR (PLAN GROWTH PROMOTING RHIZOBACTERIA)

Prof. Dr. Tualar Simaramata, Ir. MS Lab. Biologi dan Bioteknologi Fakultas Pertanian Unpad

DEFINITION ??? •

•

•

•

•

• •

Biofertilizer is a substance which contains living microorganisms which, when applied to seed, plant surfaces, or soil, colonizes the rhizosphere or the interior of the plant and promotes growth by increasing the supply or availability of primary nutrients to the host plant(Vessey, 2003) (Vessey, J.K. 2003. Bio-Fertilizers are natural fertilizers which are microbial inoculants of bacteria, algae, fungi alone or in combination and they augment the availability of nutrients to the plants. Biofertilizer is a material containing microorganism(s) added to a soil to directly or indirectly make certain essential elements available to plants for their nutrition. Biofertilizer is defined as inoculant containing active material of living microorganisms which functions to fix a particular nutrient and facilitate the availability of soil nutrients to plants The Gazette of India (2006) defines biofertilizer as a product containing carrier based (solid or liquid) living micro-organisms which are agriculturally useful in terms of nitrogen fixation, phosphorus solubilization or nutrient mobilization, so as to increase the productivity of the soil and/or the crop. Biofertilizers are low cost, renewable sources of plant nutrients which supplement chemical fertilizers. The use of bio-fertilizers, in preference to chemical fertilizers, offers economic and ecological benefits by way of soil health and fertility to farmers

PUPUK ORGANIK DAN PUPUK HAYATI??? • Organic fertilizer is defined as fertilizer containing a large part or all of the materials which is of plant and or animal origin through decomposition. • Organic matter is used to supply organic fertilizer to improve chemical, physical as well as biological characteristics of the soil. • The most important characteristic of organic fertilizer is indicated by its content of organic carbon, rather than its nutrient composition. PUPUK ORGANIK ADALAH NAMA KOLEKTIF UNTUK SEMUA JENIS BAHAN ORGANIK ASAL TANAMAN DAN HEWAN YANG DAPAT DIROMBAK MENJADI HARA TERSEDIA BAGI TANAMAN PUPUK HAYATI ADALAH INOKULAN BERBAHAN AKTIF ORGANISME HIDUP YANG BERFUNGSI UNTUK MENAMBAT HARA TERTENTU ATAU MEMFASILITASI TERSEDIANYA HARA DALAM TANAH BAGI TANAMAN. BIOFERTILISASI ADALAH PEMANFAATAN PUPUK HAYATI (BIOFERTILIZERS) UNTUK MENINGKATKAN KETERSEDIAAN HARA, MENINGKATKAN PRODUKTIVTAS TANAMAN DAN KESEHATAN TANAH (SOIL QUALITY AND SOILS HEALTH).

KEUNTUNGAN PENGGUNAAN BIOFERTILIZERS ??? • Meningkatkan pertumbuhan dan hasil tanaman (hingga sekitar 25%) • Mensubstitusi pupuk anorganik (Terutama N hingga 50 % dan P hingga sekitar 25%) • Meningkatkan produksi dan mengurangi biaya pemupukan – Pupuk anorganik semakin mahal dan berdampak negatif terhadap lingkungan dan tanah (Pemborosan energi fosil dan Penurunan kualitas dan kesehatan tanah) • Restorasi kesuburan tanah secara alami dan menekan patagen tanah • Dapat diperbaharui (renewable) dan Relatif Murah • Penerapkan pertanian Ramah lingkungan

PENYEBAB KEGAGALAN PENGGUNAAN PUPUK HAYATI • Populasi mikroba dalam inokulan kurang dari standar • Inokulan tidak mampu berkompetisi dengan mikroba indigenous • Inokulan sudah tidak effektif – Populasi rendah dan viabiltas rendah – Banyak kontaminan – Penyimpanan dan kemasan tidak baik

• Kondisi lingkungan tidak sesuai dengan inokulan – pH masam dan alkalinitas/Salinitas – Bahan organik sangat rendah

PERKEMBANGAN PUPUK HAYATI SEJARAH : Secara Tradisinil sudah dkenal sejak > 5000 thn yg lalu (Mesir, China) Rhizobia

- Pupuk hayati Rizobia di dunia yg dikenal & dimanfaatkan utk menginokulasi Kacang-kacangan (Riegel & Wilfarth, 1908; Jerman) - dikomersialkan & dipatenkan dgn nama “nitragin” di AS (Nobbe & Hiltner, Jerman)

Azotobacter : - diformulasikan berbentuk inokulan & disebut Azotobacterin”. - thn 1930-an & 1940-an bjuta2 lhn di Uni Sovyet diinokulasi dgn bakteri ini

Fosfobacterin : di Eropa Timur & m’kandung Bacillus megaterium Mikorhiza : Penggunaan sbg ppk hayati sejak Moose 1957 (hara P) Di Indonesia : 

P’buatan inokulan rhizobia dlm btk biakan murni pd medium agar, hanya ut penelitian (Plantkundinge Institute & Lab. Treub Bogor, 1938)



Ut komersial (Lab. Mikrobiologi UGM, 1981) ut petani transmigran dlm btk inokulan bintil akar ut m’inokulasi kedelai dlm skala besar.

MEKANISME KERJA PUPUK HAYATI (HOW BIOFERTILIZERS WORK?) 1.

2.

3. 4. 5. 6.

Biofertilizers fix atmospheric nitrogen in the soil and root nodules of legume crops and make it available to the plant. They solubilize the insoluble forms of phosphates like tricalcium, iron, and aluminium phosphates into available forms. They scavenge phosphate from soil layers. They produce hormones and anti metabolites which promote root growth. They decompose organic matter and help in mineralization in soil. When applied to seed or soil, biofertilizers increase the availability of nutrients and improve the yields by 10 to 25% without adversely affecting the soil and environment.

KELOMPOK PUPUK HAYATI • PENAMBAT N (NITROGEN FIXERS BIOFERTILIZERS) – Symbiotik • Rhizobium sp, Bradyrhizobiu sp. • Anabaena azolla (Azolla) (Cyanobacteria) – Nonsimbiotik • Azotobacter, Azospirillum, dst • MIKROBA PELARUT FOSFAT (PHOSPHATE SOLUBILIZING MICROBES) – Bacteria Pelarut Fosfat (BPF) = Phospahate solubilizing bacteria (PSB) : Bacillus sp,Pseudomonas sp – Fungi Pelarut Fosfat (FPF) : Aspergillus • PHOSPHATE MOBILIZING BIOFERTILIZER: Cendawan/Fungi Mikoriza (CMA, FMA) • PLANT GROWTH PROMOTING RHIZOBACTERIA (PGPR) = BAKTERI AKAR PEMACU TUMBUH

PUPUK HAYATI PENAMBAT N (BIOLOGICAL NITROGEN FIXATION) • Atmofir merupakan sumber utama N2 (78%) , dapat tersedia dengan bantuan bakteri penambat N (NITROGEN FIXERS) • Penambatan nitrogen secara biologis merupakan poin kunci masuknya molekul nitrogen kedalam siklus biogeokimia nitrogen

   

KEMAMPUAN FIKSASI Jenis dan Strain, Tanaman Inang (umur dan Kecocokan) Lingkungan Tumbuh (pH, Kelembaban, Temperatur) Ketersediaan Sumber Energi dan Nutrisi.

PENAMBATAN N DAN DAUR N

GBR. MASUKNYA N KEDALAM EKOISISTEM TANAH

FIKSASI NITROGEN SECARA BIOLOGIS • Fiksasi nitrogen secara biologis (Biological Nitrogen Fixation/BNF) mengubah gas nitrogen diubah menjadi amonia oleh bakteri dengan bantuan enzim nitrogenase. Reaksi dari BNF adalah : N2 + 8 H+ + 8 e + 16 ATP 2NH3 + H2 + 16 ADP + 16 Pi

PERSAYARATAN DAN MEKANISME FIKSASI NITROGEN  Adanya enzim nitrogense;  Ketersediaan sumber energi (carbon)  Adanya sistem perlindungan enzim nitrogenase dari inaktivasi oleh oksigen; dan  Pemindahan yang cepat nitrogen hasil tambatan dari tempat penambatan nitrogen untuk mencegah terhambatanya enzim nitrogenase

• •

•

Very energetically expensive Needs: – Large supply of energy – Nitrogenase enzyme – Anoxic site Legumes, Cyanobacteria

MEKANISME BIOKIMIA DARI PROSES FIKSASI N2

Enzim nitrogenase

Untuk memproduksi 2 NH3 dan H2 dibutuhkan setara 8 pereduksi. Untuk transfer dari setiap elektron ke inti Mo-Fe memerlukan satu siklus dissosiasi ikatan oleh sub unit reduktase, dengan hidrolisis 2 molekul ATP setiap siklus. Secara keseluruhan proses reduksi molekul N2 memerlukan hidrolisis 16 molekul ATP, dan 8 siklus dissosiasi reductase dari nitrogenase

N 2  8H   8e  energy  2NH 3  H 2

BEBERAPA REAKSI YANG DIKATALISIS ENZIM NITROGENASE

N2 = N=N (79%)

ENZIM NITROGENASE • Terdiri dua komponen – The Fe protein – The MoFe protein

• Tidak dapat aktif sebagai katalis dengan sendirinya

PERANAN FERREDOXIN DAN FE-MO DALAM ENZIM NITROGENASE • Ferredoxin mereduksi Fe protein – Mengikat dan menghidrolisis ATP pada Fe protein menyebabkan perubahan protein Fe yang memberikan fasilitas terjadinya reaksi • Fe protein mereduksi MoFe protein, dan MoFe protein mereduksi N2

PROSES PEMBENTUKAN NODULA

Gambar 3. (Kanan) Akar dengan nodula dibentuk oleh bakteri (Rhizobium). (Kiri) Nodula Akar berkembang sebagai hasil dari simbiosis antara bakteri Rhizobium dengan rambut akar pada tanaman. (A) Bakteria mengenal rambut akar dan mulai membelah, (B) Masuknya rhizobia ke akar melalui infeksi sehingga bakteria masuk ke dalam sel akar (C) membelah/membagi menjadi bentuk nodula

METODA UNTUK MEMPRODUKSI DAN MENGGUNAKAN PUPUK HAYATI

TEKNIK KULTUR RHIZOBIUM 1. Indentifikasi Lokasi 1. ISOLASI STRAINS RHIZOBIA 2. ISOLASI DARI NODULA SEGAR

Mengumpulkan dan menyiapkan nodula akar di lapangan

2. Indentifikasi tanaman inang 3. Identifikasi Tanah

Akar legum segar dari lapangan dibersihkan dengan air untuk membuang semua tanah dan partikel organik. akar yang terinfeksi nodula dipotong hingga 2-3 mm setiap bagian dari nodula, utuh dan tidak rusak. Celupkan selama 10 detik ke dalam etanol 95% atau isopropanol dipindahkan ke larutan sodium hypoklorit 2.5 – 3% (v/v) atau clorox 1 : 1 (v/v) dan rendam selama 4-5 menit. Nodula dihancurkan dalam pipa steril dengan tangkai gelas steril (+)kan air & piring berisi lapisan pada permukaan YMA (Yeast Manitol Agar) berisi congo red. Cawan petri yang berisi inokulan diinkubasi pada suhu 25-28 0C selama 3 -10 hari, bergantung pada strain dan penampakan koloni yang spesifik. Koloni rhizobia adalah mucoid, bundar/bulat dan menunjukkan sedikit atau tidak ada absorpsi congo red. Isolat dari koloni rhizobia tunggal kemudian dimurnikan dan disebut sebagai Rhizobium

Produksi massal inokulan

Anabaena azollae • •

• •

Bersimbiosis dg paku air Azolla pinnata Anabaena menempati pori ventral dlm lobus dorsal daun Azolla. Sbg pupuk hijau untuk budidaya padi krn tumbuhnya cepat, menghasilkan 200-300 t ha/tahun. Lingkungan : media air, pH 7-8, mengandung P dg 4-8 kg P2O5/ha.

Inokulan Anabaena azollae • • • • • • •

Tumbuhkan 0,1 – 0,4 kg/m3 pada media (air 5-10 cm) + superfosfat 4-8 kg P2O5/ha selama 2-3 minggu. Aplikasikan di sawah10-20 t/ha dg cara dibenamkan. Tanam padi umur 7 hari. Azolla dpt dibudidayakan bersamaan tnm padi. Setelah terbentuk lapisan Anabaena, dibajak untuk dibenamkan. Proses pembajakan bisa berulang-ulang Manfaat : sumber N pada tanah tergenang (anaerob) 10 t/ha Azolla setara 25-30kg N/ha

PERMASALAHAN FOSFAT Masalah Utama Pemupukan P (Fosfat)

Proses pengikatan (Fiksasi P) oleh tanah

- Efisiensi rendah (10-30%); dimanfaatkan oleh tanaman - Tetap berada dalam tanah (70-90 %) Pada tanah masam : Fiksasi P dilakukan aluminium (Al) & besi (Fe) (pH rendah) terbtk ikatan Al-P & Fe-P Pada tanah basa : Fiksasi P dilakukan oleh kalsium (Ca) & terbtk (pH tinggi) ikatan Ca-P

MIKROBA PELARUT FOSFAT

PUPUK HAYATI PELARUT FOSFAT (Phosphate Biofertilizers) •

Lahan di Indonesia : Tanah masam dan P terfiksasi (Al–P atau Fe –P), pada tanah basa difiksasi oleh Kalsium (Ca-P) sehingga sukar larut dan tidak tersedia bagi tanaman). • MIKROBA PELARUT FOSFAT : Mampu mengubah fosfat sukar larut menjadi larut diperlukan bantuan Golongan bakteri (Pseudomonas, Bacillus, Escherichia, Brevibacterium, dan Serratia) Golongan cendawan atau Fungi • Aspergillus (fungi saprofit berkonidia) • Penicillium (fungi saprofit aerob) • Trichoderma (selulotik dan agen hayati). • Saccharomyces) (fungi bersel tunggal dengan diameter 5-10 um)

MIKROBA PELARUT FOSFAT

MEKANISME PELARUTAN FOSFAT • Mekanisme pelarutan P dari bahan yang sukar larut terkait erat dengan aktivitas mikroba bersangkutan dalam menghasilkan enzim fosfatase dan fitase dan asam-asam organik hasil metabolisme seperti asetat, propionat, glikolat, fumarat, oksalat, suksinat, dan tartrat (Banik and Dey 1982), sitrat, laktat, dan ketoglutarat (lllmer and Schinner 1992). • Kemampuan cendawan melarutkan P lebih besar dibanding bakteri. Cendawan dapat melarutkan P hingga dua kali dibandingkan kontrol pada pH 4,6-2,9, dan bakteri sekitar 1,5 kali pada pH 6,5-5,1

METODA INOKULASI BPF

1.

2.

inokulasi PSB harus berada pada akar yang berasosiasi dengan habitat tanahnya. Karenanya, direkomendasikan bahwa inokulasi PSB dipilih dari populasi PGPR yang ada untuk mengambil keuntungan dari kemampuannya untuk berkolonisais pada lingkungan mikro rhizosfer kemampuan inokulasi PSB untuk menyediakan P bagi tanaman bisa jadi terbatas, salah satunya akibat senyawa yang dilepaskan oleh PSB untuk melarutkan fosfat secara cepat menurun atau karena phosfat terlarut diikat kembali sebelum fosfat itu mencapai permukaan akar.

MIKORIZA ? • Mikoriza adalah asosiasi mutualistik antara cendawan tanah (jamur) dengan perakaran tumbuhan (Mycorrhizas are highly evolved, mutualistic associations between soil fungi and plant roots). – ENDOMIKRIZA – EKTOMIKORIZA – EKTENDO-MIKORIZA

Mikoriza

30

Simbiosis antara Mikorhiza & Sistem Perakaran Tanaman

Potensi biologis CMA :

 Perbaikan nutrisi tanaman (meningkatkan penyerapan berbagai unsur hara)  Sebagai pelindung hayati terhadap patogen tular tanah  Meningkatkan resistensi tanaman terhadap kekeringan  Sinergis dengan mikroorganisme lain yang menguntungkan

PENINGKATAN KEMAMPUAN TANAMAN BERMIKORIZA DALAM MENYERAP HARA, AIR DAN MEMANFAATKAN FAKTOR TUMBUH LAINNYA DALAM TANAH

Mikoriza

33

KONTRIBUSI MIKORIZA BAGI TANAMAN • • •

•

Meningkatkan zona eksploitasi perakaran hingga 10 kali sehingga suplai hara bagi tanaman meningkat dengan signifikan Memperluas bidang kontak perakaran dan meningkatkan kemampuan menyerap hara dan air di dalam tanah dengan signifikan Meningkatkan kelarutan dan ketersediaan hara, khususnya hara yang tidak atau sukar larut dalam tanah (P) sehingga tersedia bagi tanaman. Akar bermikoriza pada lahan masam mampu mensuplai hara tanaman dengan baik sehingga pertumbuhan tanaman lebih baik Kolonisasi mikoriza (CMA atau Ektomikoriza) pada akar berperan sebagai penghalang biologi terhadap infeksi patogen akar (jamur dan nematoda)

Mikoriza

34

Pertumbuhan Tanaman jagung yang dipengaruhi MPF dan MVA

kontrol

BPF

JPF

MPF +MVA

28 HST

Sumber : Fitriatin dkk., 2007

•

• •

• •

•

Meningkatkan ketahanan tanaman terhadap kekeringan dan kelembaban yang ekstrim (cekaman air). Hifa mikoriza mampu menembus pori mikro dan menggambil air walaupun dalam jumlah yang relatif sedikit Meningkatkan produksi phytohormon dan zat pengatur tumbuh lainnya seperti auxin, sitokinin dan giberelin di rhizosfir. Mikoriza dapat merubah arsitektur perakaran sehingga lebih efisien dalam memanfaatkan berbagai faktor tumbuh Jaringan hifa pada perakaran meningkatkan ketahanan tanaman dan adaptasi terhadap perubahan lingkungan tumbuh sehingga tanaman tumbuh lebih baik Meningkatkan toleransi tanaman terhadap senyawa atau unsur logam berat dalam tanah Berperan dalam transformasi unsur hara (proses biogeokemia) dalam tanah, yaitu melalui proses mineralisasi maupun dekomposisi berbagai senyawa organik.

Mikoriza

36

MIKORIZA DAN KUALITAS TANAH/KESEHATAN TANAH •

•

•

Perbaikan Struktur Tanah. Jaringan hifa eksternal dari mikoriza memperbaiki dan memantapkan struktur tanah. Sekresi senyawa-senyawa polisakarida, asam organik dan lendir yang dihasilkan mampu mengikat butir-butir primer menjadi agregat mikro. "Organic binding agent" (pembentukan agregat tanah) dan selanjutnya agregat mikro tersebut melalui proses "mechanical binding action" oleh hipa eksternal akan membentuk agregat makro yang mantap Jaringan hifa berperan penting dalam daur hara dalam tanah dan mencegah terjadinya kehilangan hara dari ekosistem tanah Hifa mikoriza berperan penting dalam mentransfer (relokasi) senyawa hidrokarbon (fotosintat) dari perakaran tanaman kepada organisme tanah (sumber energi dalam rantai makanan dalam tanah) Mikoriza

37

Tanpa CMA

Agregasi oleh CMA

Mikoriza

38

•

Sprocarps epigeous dan hypogeous sporocarps dari ektomikoriza dan CMAmerupakan sumber makanan bagi hewan placental danmarsupial.

•

Hifa mikoriza dan tubuh buah (fruits bodies dari ektomikoriza) merupakan sumber makanan bagi berbagai macam fauna tanah

•

Mikoriza memberikan pengaruh yang positif terhadap perkembangan dan pertumbuhan mikroba tanah yang menguntungkan (penambat N dan pelarut fosfat). Mikorisa juga diketahui berinteraksi sinergis dengan bakteri pelarut fosfat atau bakteri pengikat N

•

Mikoriza berperan penting dalam meningkatkan jumlah karbon yang sangat menentukan kualitas dan kesehatan tanah

•

Serapan Air dan Hara. Jaringan hipa ekternal dari mikoriza akan memperluas bidang serapan air dan hara. Disamping itu ukuran hipa yang lebih halus dari bulu-bulu akar memungkinkan hipa bisa menyusup ke pori-pori tanah yang paling kecil (mikro) sehingga hipa bisa menyerap air pada kondisi kadar air tanah yang sangat rendah.

•

Keaneka ragaman jamur dapat digunakan sebagai indikator kualitas ekosistem tanah

•

Agen hayati terhadap Patogen dan Unsur Toksis Mikoriza

39

MEKANISME PERLINDUNGAN BIOLOGIS (BIOPROTECTION) •

Selaput hipa (mantel) dapat berfungsi sebagai barier masuknya patogen.

•

Mikoriza menggunakan hampir semua kelebihan karbohidrat dan eksudat lainnya, sehingga tercipta lingkungan yang tidak cocok untuk patogen.

•

Cendawan mikoriza dapat mengeluarkan antibiotik yang dapat mematikan/menekan patogen (jamur dan nematoda).

•

Akar tanaman yang sudah diinfeksi cendawan mikoriza, tidak dapat diinfeksi oleh cendawan patogen yang menunjukkan adanya kompetisi

Mikoriza

40

EKTOMIKORIZA (ECTOMYCORRHIZAS = ECM) • Asosiasi cendawan dari Basiodiomycetes dan jamur lainnya yang membentuk akar lateral membengkak dan diselimuti oleh jaringan hifa seperti mantel pada akar lateral (hartig net). Jaringan hifa tidak sampai masuk kedalam sel tapi berkembang diantara sel kortek akar. Sangat banyak dijumpai pada tanaman-tanaman kehutanan (Angiospermae dan Gymonspermae). Tubuh buah (sporocarps) ECM banyak yang dapat dikomsumsi (edible) • Tanaman Inang (Sangat Banyak) – – – – – – –

Dipterocarpaceae (Meranti ) Pinaceae (Pinus) Myrtaceae (Eucalyptus) Gnetaceae (Gnetum) Papilionaceae Euphobiaceae Casuarianacea Mikoriza

41

A

C

D B

Gambar Hartig Net (A), Irisan Melintang ECM (B), akar pendek (short roots) yang membengkak beserta hifa eksternal E. Globulus (C) dan mikoriza bercabang dikotom pada akar pendek (D) Mikoriza

42

INOKULAN MIKORIZA :  Spora CMA  Propagul CMA (spora, hifa, akar yang terinfeksi CMA)  Hifa dan akar terinfeksi CMA (Inokulan segar CMA)

TEKNIK APLIKASI ?? • INOKULASI BENIH (SEED INOCULATION), • PERSEMAIAN • LAPANGAN – Inokulan Murni – Inokulan alami (tanah bermikoriza)

STRATEGI MENINGKATKAN KEEFEKTIPAN CMA • • • • •

Inokulan: Jenis, Asal dan Campuran Tanaman Inang: Kecocokan dan Sistem perakaran Pengujian Biologis (Bioassay) Teknik Aplikasi: Benih, Persemaian, Lapangan Rekayasa Lingkungan Tumbuh

Mikoriza

44

PLANT GROWTHPROMOTING RHIZOBACTERIA=PGPR • Sejumlah bakteri penyedia hara yang hidup pada rhizosfir akar (rhizobakteri) disebut sebagai rhizobakteri pemacu tumbuh tanaman (plant growthpromoting rhizobacteria=PGPR). • Plant growth-promoting rhizobacteria (PGPR) pertama kali diteliti oleh Kloepper dan Scroth (1982) untuk menggambarkan bakteri tanah yang mendiami daerah perakaran tanaman yang dinokulasikan ke dalam benih dan ternyata meningkatkan pertumbuhan tanaman. • PGPR berperan Ganda. (1) menambat N2, juga; (2 menghasilkan hormon tumbuh (seperti IAA, giberelin, sitokinin, etilen, dan lain-lain); (3) menekan penyakit tanaman asal tanah dengan memproduksi siderofor glukanase, kitinase, sianida; dan 4) melarutkan P dan hara lainnya (Cattelan et al., 1999; Glick et al., 1995; Kloepper, 1993; Kloepper et al., 1991)

PENGELOMPOKAN PGPR 1) PGPR yang terlibat dalam siklus nutrisi/unsur hara dan phytostimulasi, 2) PGPR yang terlibat dalam biokontrol dari patogen tanaman (Bashan dan Holguin, 1998). Proses dalam PGPR melibatkan siklus nutrisi/unsur hara termsuk hubungannya dengan fiksasi nitrogen non simbiotik dan perannya untuk meningkatkan ketersediaan fosfat dan nutrisi/unsur hara lainnya di dalam tanah.

Banyak bakteria diazotroph asimbiotik telah banyak diketahui dan dicoba sebagai biofertilizer Kennedy et al.,2004).

MEKANISME AKSI DARI PGPR Tidak langsung yaitu meningkatkan pertumbuhan tanaman akibat tertekannya patogen tanah (Soil born diseases). Langsung. Mekanisme langsung dari plant growth promotion oleh PGPR dapat diperlihatkan dalam ketidakhadiran patogen tanaman. Atau mikroorganisme rhizosfer lainnya, PGPR meningkatkan pertumbuhan tanaman melalui bermacam-macam mekanisme , diantaranya fiksasi nitrogen bebas , produksi siderophore yang meng-khelat besi (Fe) dan membuatnya tersedia bagi akar tanaman, melarutkan mineral seperti fosfor dan sintesis phytohormon Peningkatan penyerapan hara karena keberadaan PGPR Manghasilkan atau mensintesis Fitohormon: auksin dan cytokinin atau berperan dalam dalam sintesis etylen tanaman telah diidentifikasi

MIKROBA PENGHASIL FITOHORMON • PRODUKSI FITOHORMON Bentuk dan fungsi tanaman tergantung pada komunikasi antar sel yang dimediasi oleh senyawa kimia yang disebut fitohormon. Di dalam sel, fitohormon berinteraksi dengan protein khusus yang disebut reseptor. Kompleks fitohormon-reseptor ini adalah bentuk fitohormon yang aktif dan efektif dalam jumlah yang sangat kecil, yaitu antara 10-6 sampai 10-8 M. • BEBERAPA SPESIES BAKTERI RIZOSFER (di sekitar perakaran) yang mampu meningkatkan pertumbuhan tanaman sering disebut Plant Growth Promoting Rhizobacteria (PGPR) atau Rhizobakteria Pemacu Pertumbuhan Tanaman (RPPT). RPPT terdiri atas genus Rhizobium, Azotobacter, Azospirillum, Bacillus, Arthrobacter, Bacterium, Mycobacterium, dan Pseudomonas

•

Azotobacter Kemampuan Azotobacter dalam memproduksi fitohormon sitokinin dan auksin dilaporkan pertama kali oleh Vancura dan Macura pada tahun 1960 (Vancura 1988). Sejumlah isolat Azotobacter yang dikulturkan pada suhu kamar maupun 30 0C selama 60 jam mengekskresikan fitohormon sitokinin, atau giberelin ke dalam media pertumbuhan bebas N. • Azospirillum Menurut Okon dan Labandera Gonzalez (1994), Azospirillum dapat memproduksi auksin, sitokinin dan giberellin. Strain Azospirillum Az15 dan Az44 memiliki kemampuan yang tinggi dalam memproduksi AIA, masing-masing sebesar 57,93 μg/ml pada umur 12 hari dan 40,42 μg/ml pada umur 7 hari. Bakteri Rhizobium yang terseleksi mampu menstimulasi pertumbuhan, baik pada tanaman Leguminoceae (tanaman kacang-kacangan) maupun yang bukan Legumonoceae pada skala lapangan. Bakteri tersebut terbukti mampu memproduksi fitohormon yaitu sitokinin dan auksin (Hoflich dalam Aryanta, 2009). Streptomyces griseoviridis juga mampu memprodukasi auksin yaitu IAA (indol-3-acetic acid) secara in vitro. Metabolit ini dapat berperan sebagai stimulator pertumbuhan tanaman, tetapi pada skala lapangan produksi IAA ini perlu dikaji lebih lanjut Pseudomonas fluorescens mampu merangsang pertumbuhan akar jagung pada kondisi hidroponik dengan menghasilkan IAA.

PAPER : TUGAS KELOMPOK 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

• • • •

Penambat N Symbiotik Rhizobium Penambat N sysmbiotik Anabaena azollae (BGA) Penambat N nonsimbiotik Bakteri Pelarut P Fungi Pelarut Fosfat PGPR (Plan growth promoting rhizobacteria) Endo - Mikoriza (FMA) Ekto Mikoriza • SISTIMATIKA PENDAHULUAN (PENGERTIAN/DEFINISI, PENGELOMPOKAN DAN JENISNYA, DST…. YANG RELEVAN PERANAN DALAM PERTANIAN ATAU EKOSISTEM TEKNIK PRODUKSI INOKULAN KESIMPULAN

TUGAS INDIVIDU 1. 2.

Uraikan dengan singkat perkembangan pupuk hayati (biofertilizers) Dalam era globalisasi dan pertanian ramah lingkungan penggunaan pupuk hayati semakin penting. (Sebutkan dan jelaskan keuntungan penggunaan pupuk hayati dan peneybab kegagalan penggunaan pupuk hayati 3. Terangkan dengan singkat apakah yang dimasud dengan pupuk hayati dan sebutkan kelompok mikroba yang dapat digolngkan kedalam pupuk hayati 4. Nitrogen merupakan hara esensil utama dan terdapat sekitar 78% di udara dalam bentuk gas (N2). 1. Sebutkan dan jelaskan mikroba kelompok mikroba yang mampu mengikat N2 tersebut dan berikan contohnya dan kontribusinya 2. Uraikan dengan Enzim apa yang berperan dalam proses tersebut 5. Uraikan dengan singkat klasifikasi bakteri penambat N . 6. Tanah tanah di Indonesia umumnya termasuk tanah masam (pH rendah) sehingga P tanah sering tidak tersedia (terfiksasi). Uraikan dengan singkat bagaimana pupuk hayati mampu meningkatkan ketersediaan P tersebut (Sebutkan dan jellaskan mikroba apa yang dapat digunakan) 7. Uraikan dengan singkat tentang mikroba pelarut fosfat (Definis, kelompok dan contohnya, mekanisme dan enzim yang terlibat, kontribusinya dalam meningkatkan hasil) 8. Apakah yang saudara ketahui tentang mikoriza dan apa peranannya dalam mendukung pertumbuhan tanaman, meningkatkan kualitas dan kesehatan tanah 9. Uraikan dengan singkat penggolangan mikoriza dan sebutkan jenis yang banyak digunakan sebagi inokulan. 10. Uraikan dengan singkatkan tentang PGPR (Definisi, Mekanisme kerja , Kelompok mikroba, peranannya dalam dalam ekosistem tanah dan tanaman, dan sebutkan jenis mikroba penghasil fitohormon????)

BIOTRANSFORMASI UNSUR N, P DAN S Staff Pengajar Mikrobiologi dan Bioteknologi Pertanian II Program Studi Agroteknologi Fakultas Pertanian Universitas Padjadjaran 2010

BIOTRANSFORMASI P

BIOTRANSFORMASI P

1. P terlarut dalam bentuk H2PO4PO43- (ortofosfat)

; HPO42-

;

2. P organik yang merupakan hasil pelapukan bahan organik dan m.o. tnh (Inositol fosfat, fosfolipid, asam nukleat, glukosa 1-fosfat, gliserofosfat, dan fosfoprotein 3. P anorganik yang terikat dengan Ca, Fe, Al dan unsur mikro lainnya, logam fosfat yang tidak larut

BIOTRANSFORMASI P

 -

Sumber P dalam tanah : hasil dekomposisi b.o. tnm mikoorganisme batuan fosfat

Bentuk P terlarut dlm tanah, berbeda tergantung pada pH tanah : • Pada pH 5 - 6  H2PO4• Pada pH 6 - 7  HPO42• Pada pH > 7  PO43

BIOTRANSFORMASI P

P Fixation in Soil

Insoluble Al Phosphates

Minimum Fixation = Maximum Availability

Soil pH is a critical factor

Insoluble Ca Phosphates

3

4

5

6

Soil pH

7

8

9

BIOTRANSFORMASI P

• diikat oleh ion-ion Al3+ atau Fe3+ yang larut dalam air Al3+ + H2PO4- + H2O Al(OH)2 H2PO4 + 2H+ Ion terlarut

mudah larut

sukar larut

• pengikatan oleh hidroksida Al atau Fe Al

OH OH + H2PO4OH

Al

OHOH + OHH2PO4

BIOTRANSFORMASI P

• Pengikatan oleh mineral liat tanah

• (Al)---+ H2PO4- + 2H2O 2H+ + Al(OH)2 H2PO4 Dalam kristal mudah larut Mineral liat

Sukar larut

BIOTRANSFORMASI P

• Ketersediaan P anorganik tanah ditentukan oleh faktor-faktor : 1. 2. 3. 4.

pH tanah Fe, Al, Ca, Mn, yang larut Tingkat dekomposisi bahan organik Kegiatan mikroorganisme

BIOTRANSFORMASI P

1. Mineralisasi senyawa P organik 2. Mengubah kelarutan senyawa P anorganik 3. Oksidasi atau reduksi senyawa P anorganik 4. Immobilisasi P

BIOTRANSFORMASI P

1. MINERALISASI P-ORGANIK P organik

P anorganik

m.o. (enzim : fosfatase)

- Mikroorganisme yang berperan : Bakteri, Fungi, Aktinomisetes (Aspergillus, Penicillium, Arthrobacter, Streptomyces, Pseudomonas, Bacillus, Flavobacterium)

BIOTRANSFORMASI P

O ║ ROHPOH + H2O │ Fosfatase OH

O ║ ROH + HOPOH │ OH

BIOTRANSFORMASI P

2. -

KELARUTAN P-ANORGANIK

(Ca, Fe, Al) – fosfat : tidak untuk tanaman - sukar larut

tersedia

- Mekanisme mikroorganisme dalam melarutkan P tanah yang terikat, karena asam-asam organik yang dihasilkan akan bereaksi dengan AlPO4, dan FePO4, dari reaksi tersebut terbentuk khelat organik dengan Al dan Fe

BIOTRANSFORMASI P

OH

• Al

OH + asam organik H2PO4

OH

Al

OH

+ H2PO4-

asam organik

• Mikroorganisme yang berperan dalam proses pelarutan fosfor ini antara lain : dari kelompok bakteri : Pseudomonas, Bacillus, Mycobacterium, Micrococcus disebut “phosphobacteria “ dari kelompok fungi : Penicillium, Aspergillus, Fusarium, Sclerotium.

BIOTRANSFORMASI P

- as. Organik tsb adalah :

asam : Format, Asetat, propionat, laktat, glikolat, fumarat, suksinat, sitrat, tartat,  ketobutirat.

- asam anorganik yang dapat berperan dalam pelarutan P adalah : as. Nitrat, nitrit, sulfat. - P dalam tanah dalam bentuk anorganik yang relatif tidak larut adalah berupa Ca3(PO4)2 , garam ini dapat dilarutkan oleh as. nitrat, as. Sulfat atau oleh asam organik : as. Oksalat, fumarat, asetat

BIOTRANSFORMASI P

Pseudomonas pseudoalcaligen es

Bacillus subtilis

BIOTRANSFORMASI P

Aspergillus niger

BIOTRANSFORMASI P

Mekanisme Mineralisasi dan Pelarutan P

O H-

O

ROPOH

H2O

Fosfatase RO H

HOPOH

O H-

Al 3+

O H-

O HO HH2PO4-

Asam organik Al 3+

O H-

O H-

H2PO4-

BIOTRANSFORMASI P

3. OKSIDASI – REDUKSI P A. Oksidasi : HPO32-

HPO42-

(fosfit)

(fosfat)

- yang berperan : m.o. heterotrof : menggunakan fosfit sebagai sumber P

B. Reduksi : 2H

H3PO4

2H

H3PO3

H3PO2

BIOTRANSFORMASI P

-

m.o. yang berperan : anaerob, fakultatif

-

fosfat berfungsi sbg : aseptor elektron

-

Reduksi P dihambat oleh : Nitrat dan Sulfat , karena N & S akan lebih dulu digunakan sebagai aseptor elektron

m.o. : Clostridium, E. coli

BIOTRANSFORMASI P

4.

IMMOBOLISASI P

- Transformasi P-anorganik dalam sel -

seny. Kompleks P

Kandungan P dalam fungi : 0.5 - 1 % berat kering dalam Bakteri : 1 – 3 %

BIOTRANSFORMASI P

Sumber : Fitriatin dkk., 2006

BIOTRANSFORMASI N

• Nitrogen  untuk produksi asam amino, protein, dan asam nukleat. • Proses-proses utama yang terjadi dalam transformasi N: - Fiksasi nitrogen - Nitrifikasi - Denitrifikasi • N diserap tnm  NO3 -/ NH4+ • Dlm tanah N tersedia dalam bentuk organik sehingga harus diubah ke bentuk Amonium (Amonifikasi) kemudian ke bentuk nitrat (Nitrifikasi)

BIOTRANSFORMASI N

BIOTRANSFORMASI N

• Adalah proses pembentukkan NH3 (amonia) dari seny. Organik (asam amino) Senyawa organik

amonium

Bacillus, Clostridium, Pseudomonas

BIOTRANSFORMASI N

• Proses pembentukkan nitrat dari NH3

• Nitrifikasi terjadi melalui dua tahap : 1. Oksidasi amonia menjadi nitrit oleh : Nitrosomonas, Nitrosococcus 2NH3 + 3O2  2 HNO3 + 2 H2O  H+ + NO2Amonia

as. Nitrous

ionisasi

ion nitrit

2. Oksidasi nitrit menjadi nitrat oleh : Nitrobacter, Nitrococcus dan Nitrospina

NO2- + ½ O2 Ion nitrit



NO3ion nitrat

BIOTRANSFORMASI N

Bakteri Nitrifikasi NH4+ -----> NO2- -----> NO3Nitrosomonas Nitrosomonas

NItrobacter

Nitrobacter

BIOTRANSFORMASI N

• N2

ammonia nitrogenase

• N2 + 6H+ + 6e- + 12 ATP →

2 NH3 + 12 ADP + 12 Pi

BIOTRANSFORMASI N

Free living (non simbiotik) : Azotobacter sp., Azospirillum sp., Acetobacter diazotrophicus

Simbiotik : • Leguminose dan Rhizobia • Frankia dan Aktinomisetes • Azolla dan Cyanobacterium (Blue Green Algae)

BIOTRANSFORMASI N

Dari hubungan interaksi ini  NH3 Tanaman

Rhizobia

Fotosintat

BIOTRANSFORMASI N

Blue green algae (pemfiksasi N) simbion pada tanaman Azolla (Anabaena azollae)

BIOTRANSFORMASI N

• Proses reduksi NO3 (nitrat) menjadi N2 2NO3  2NO2  2NO  N2O  N2 • Dapat terjadi secara : - Biologis : oleh bakteri Bacillus, Pseudomonas, Achromobacter, Micrococcus.

- Kimia

: akibat adanya penambahan garam amonium

2HNo2 + CO(NH2)2

CO2 + 3H2O + N2

BIOTRANSFORMASI S

BIOTRANSFORMASI S

BIOTRANSFORMASI S

1 Mineral Tanah: a. berasal dari residu tanaman, limbah hewan pupuk kimia, dan hujan b. banyak pada tanah dengan curah hujan rendah (CaSO4. MgSO4. Na2SO4) c. lapisan bawah tanah dan tanah rawa (FeS, FeS2 (pyrit), H2S) d sulfida besi, sulfida tembaga, sulfat, elemen S. 2 Belerang dalam atmosfir (dalam bentuk SO, SO2) a. bentuk ini dapat langsung diserap tanah b. terdistribusi melalui aliran air hujan 3 Belerang yang terikat secara organik (ikatan C-O-S), misalnya chlorin sulfat

BIOTRANSFORMASI S

1. Mineralisasi S organik menjadi asam amino dan

ikatan S-H 2. Immobilisasi/Asimilasi

3. Oksidasi sulfur 4. Reduksi sulfat

BIOTRANSFORMASI S

• Mineralisasi merupakan kelanjutan dari proses dekomposisi molekul besar menjadi unit yang lebih kecil menjadi senyawa inorganik • Tanaman menggunakan sulfur dalam bentuk sulfat untuk membentuk asam amino yang merupakan komponen penting dari beberapa protein, ketika tanaman mati, mikroorganisme tanah mendegradasi protein menghasilkan asam amino. Enzim yang berperan dinamakan desulfurase. • Bahan baku sulfur yang dimineralisasi dalam bentuk sistein, metionin, taurin, vitamin B, biotin, asam lipoit, tiosulfat, dan tiosianat sehingga menghasilkan bentuk SO3 dan SO4 yang dapat diserap oleh tanaman.

BIOTRANSFORMASI S

a. Adanya oksigen (O2) dan keadaan aerob: reaksi lebih cepat. b. Temperatur : mesofil c. Kelembapan : relatif rendah dan tidak tergenang d. pH : netral, jika dalam keadaan asam pelepasan sulfat lambat e. Adanya asam amino: mineralisasi lebih cepat Jenis mikroba yang berperan : Penicillium, Aspergillus, Mikrosporus

BIOTRANSFORMASI S

• Senyawa sederhana S diimobilisasi ke dalam sel mikroba (bakteri, fungi, aktinomiset) sebanyak 0.11% berat kering. • Jika kandungan S pada bahan organik rendah, maka akan dimobilisasi untuk kebutuhan mo. Rasio C : S yang baik untuk terjadinya imobilisasi biasanya berkisar antara 200:1 sampai 400:1.

BIOTRANSFORMASI S

• Sulfida elemen S, tiosulfat dioksidasi menjadi sulfat inorganik. Sulfur dalam bentuk elemental tidak dapat digunakan oleh tanaman atau hewan, tetapi beberapa mo (bakteri dan fungi) dapat mengoksidasinya menjadi sulfat (SO42-)

BIOTRANSFORMASI S

Mikroba yang berperan : Bakteri : Thiobacillus (utama), Sulfolobus, Arthrobacter, Bacillus, Flavobacterium, Pseudomonas, Fungi : Streptomyces, Aspergillus, Penicillium, Microsporum. a. Thiobacillus thiooxidans: bakteri khemoautotrof, pada pH 8) pada kondisi aerobik, Mn2+ teroksidasi menjadi Mn4+ yang tidak tersedia karena tidak larut dalam air (terendapkan sebagai mangani oksida, MnO2). – Jika terjadi kenaikan 1 unit pH maka kelarutan kation Mn2+ akan menurun sebanyak 100 kali. Pada lingkungan marin endapan MnO2 dikenal sebagai nodul Mn (manganese nodule).

BIOTRANSFORMASI Mn

Peran Unsur Mn

Gejala defisiensi Mn pada tanaman Garden Bean (Phaseolus vulgaris L.)

• Mangan berperan dalam mengaktivasi sejumlah enzim dalam proses fotosintesis, metabolisme dan asimilasi N serta sebagai aktivator enzim-enzim (oksidase, peroksidase, dehidrogenase, dekarboksilase dan kinase). • Defisiensi Mn pada tanaman menyebabkan: – Terganggunya (inaktivasi) proses fotosintesis. – Perubahan proses metabolik di dalam tanaman.

Gejala defisiensi Mn pada tanaman Cucumber (Cucumis sativus L.)

BIOTRANSFORMASI Mn

Peranan Mikroba dalam Daur Mn • Berbagai bakteri berperan dalam mengkatalis reaksi pengubahan bentuk-bentuk Mn. – Corynebacterium sp. mengoksidasi kation Mn2+ menjadi Mn4+ (Mn2O3 dan MnO2). Mn2+ + ½O2 + H2O  MnO2 + 2H+

Corynebacterium sp.

– Bacillus pycocyaneus mereduksi Mn4+ (Mn2O3 dan MnO2) menjadi kation Mn2+ yang mudah larut dan lebih mobil pada suasana anaerob.

Sampai Jumpa dan Selamat Belajar