Metabolisme Nitrogen Pada Tumbuhan

Siklus Nitrogen

Siklus nitrogen merupakan sebuah proses masuk dan keluarnya Nitrogen dalam suatu ekosistem secara berkesinambungan. Nitrogen akan bergerak baik dari komponen biotik maupun abiotik dari suatu ekosistem dengan cara merubah bentuknya. Di atmosfer, nitrogen tersedia dalam bentuk gas (N₂). Di tanah, nitrogen tersedia dalam bentuk nitrogen oksida (NO) ataupun nitrogen dioksida (NO₂). Terdapat lima tahapan dalam siklus nitrogen, yakni fiksasi, mineralisasi, nitrifikasi, immobilisasi dan denitrifikasi.

Fiksasi Nitrogen

Sebagaimana yang telah disebutkan sebelumnya, meskipun 78% kandungan gas di atmosfer adalah Nitrogen, tumbuhan tidak dapat memanfaatkannya secara langsung. Nitrogen atmosfer hanya dapat digunakan setelah unsur ini diikat atau dikombinasikan dengan elemen lain. Pertama sekali, nitrogen di atmosfer harus mengalami proses fiksasi untuk kemudian dapat diproses menjadi bentuk selanjutnya. Secara garis besar, proses fiksasi nitrogen dapar berlangsung melalui 3 proses, yaitu fiksasi nitrogen non-simbiotik, fiksasi nitrogen simbiotik dan fiksasi nitrogen atmosferik.

Fiksasi Nitrogen Non-simbiotik. Fiksasi nitrogen dalam tanah sebagian besar terjadi sebagai akibat aktivitas bakteri saprofit dari genus Azotobacter dan Clostridium. Bakteri ini sebagian besar hidup bebas di tanah tetapi beberapa spesies telah ditemukan terdapat pada rizosfer tumbuhan tertentu. Beberapa spesies ganggang hijau-biru (terutama Anabaena, Nostoc, Lyngbia, dan Calothrix) juga memfiksasi N pada habitat yang ekstrim. Meskipun beberapa spesies tergolong aerobik (misalnya, Azotobacter), sebagian besar akan memfiksasi dinitrogen hanya dalam kondisi anaerobik atau ketika adanya tekanan parsial oksigen yang sangat rendah (kondisi yang dikenal sebagai mikroaerob).

Fiksasi Nitrogen Simbiotik pada Tumbuhan Leguminosae. Beberapa jenis simbiosis antara dua makhluk hidup dalam proses fiksasi Nitrogen telah diketahui, termasuk simbiosis terkenal antara berbagai spesies bakteri dengan tumbuhan polong-polongan. Dalam proses simbiosis, tumbuhan disebut sebagai inang dan mikroba dikenal sebagai mikrosimbion. Bentuk paling umum dari simbiosis ini menghasilkan pembentukan struktur multiseluler yang membesar, yang disebut nodul (bintil), pada akar (atau kadang-kadang batang) tumbuhan inang. Pada polong-polongan, mikrosimbion adalah bakteri dari salah satu dari tiga genera: Rhizobium, Bradyrhizobium, atau Azorhizobium. Secara kolektif, organisme ini disebut sebagai rhizobia. Rhizobia dibagi lagi menjadi spesies dan subkelompok yang disebut biovars (varietas biologis) menurut kisaran inangnya.

Berikut ini dijelaskan mekanisme penginfeksian sel akar oleh rhizobia dalam proses pembentukan nodul akar. (A) Rhizobia berkumpul di tanah di sekitar rambut akar sebagai respons terhadap sinyal yang dikirim dari akar inang. Rhizobia merangsang rambut akar untuk menggulung sementara, dan pada saat yang sama, mengirimkan sinyal mitogenik yang merangsang pembelahan sel.di korteks akar. (B) Rhizobia menginfeksi akar dengan mencerna dinding sel rambut akar dan membentuk benang infeksi. Rhizobia terus berkembang biak sebagai benang infeksi yang memanjang ke arah korteks akar. (C) Benang infeksi membentuk cabang untuk menembus sel kortikal lebih dalam lagi sebagai nodul (yang terlihat jelas berkembang di akar). Tahap terakhir (tidak diperlihatkan) adalah pelepasan rhizobia ke dalam sel inang dan berlangsugnya aktivitas fiksasi oksigen oleh asosiasi kedua makhluk hidup ini.

Fiksasi Nitrogen Atmosferik. Sejumlah besar Nitrogen akan terkonsentrasi dalam tanah melalu hujan ataupun salju (pada habitat yang bersalju). Air hujan akan membawa ammonia dan nitrogen oksida dengan bantuan petir, aktivitas vulkanik ataupun aktivitas idustri.

Mineralisasi

Proses mineralisasi berlangsung di tanah. Proses mineralisasi terjadi ketika mikroba yang terdapa di dalam tanah mulai mengubah/mendekomposisi suatu material menjadi nitrogen inorganik yang dapat dimanfaatkan secara langsung oleh tumbuhan. Material yang didekomposisi ini dapat beragam, misalnya tubuh hewan yang telah mati, kotoran hewan, bagian tumbuhan yang telah mengering dan sebagainya. Bentuk utama nitrogen yang akan dihasilkan dari proses mineralisasi adalah ammonia (NH₃). Ammonia akan terakumulasi di dalam tanah dan tersedia sebagai sumber nutrisi siap pakai oleh tumbuhan yang tidak bersimbiosis dengan bakteri apapun (tumbuhan non-leguminosae).

Nitrifikasi

Proses nitrifikasi juga merupakan proses yang terjadi di dalam tanah. Selama proses nitrifikasi, ammonia yang terdapat di dalam tanah akan diubah menjadi nitrit (NO^-2) dan Nitrat (NO^-3). Nitrat dapat digunakan oleh tumbuhan ataupun hewan herbivora. Beberapa bakteri di tanah dapat mengubah amonia menjadi nitrit. Meskipun nitrit tidak dapat digunakan oleh tumbuhan dan hewan secara langsung, bakteri lain dapat mengubah nitrit menjadi nitrat—suatu bentuk yang dapat digunakan oleh tumbuhan dan hewan. Reaksi ini memberikan energi bagi bakteri yang terlibat dalam proses ini. Bakteri ini disebut nitrosomonas dan nitrobacter. Nitrobacter mengubah nitrit menjadi nitrat; nitrosomonas mengubah amonia menjadi nitrit. Kedua jenis bakteri tersebut hanya dapat bekerja dengan adanya oksigen. Proses nitrifikasi penting bagi tumbuhan, karena menghasilkan nitrogen cadangan yang dapat diserap oleh tumbuhan melalui sistem akarnya.

Immobilisasi

Immobilisasi sering disebut sebagai kebalikan dari mineralisasi. Kedua proses ini bersama-sama mengontrol jumlah nitrogen dalam tanah. Sama seperti tumbuhan, mikroorganisme yang hidup di dalam tanah membutuhkan nitrogen sebagai sumber energi. Mikroorganisme tanah ini menarik nitrogen dari tanah ketika sisa-sisa tumbuhan yang membusuk tidak mengandung cukup nitrogen. Ketika mikroorganisme mengambil amonium (NH⁺⁴) dan nitrat (NO^-3), bentuk nitrogen ini tidak lagi tersedia bagi tumbuhan dan dapat menyebabkan defisiensi nitrogen, atau kekurangan nitrogen. Imobilisasi kemudian akan mengikat nitrogen dalam mikroorganisme. Meskipun immobilisasi terlihat seperti sebuah proses yang mengurangi kandungan nitrogen di tanah, proses ini penting untuk membantu mengontrol dan menyeimbangkan jumlah nitrogen dalam tanah.

Denitrifikasi

Nitrogen dalam bentuk nitrat akan dikembalikan ke atmosfer sebagai gas (N2) oleh bantuan bakteri melalui sebuah proses yang disebut sebagai denitrifikasi. Hal ini mengakibatkan hilangnya keseluruhan nitrogen dari tanah. Namun kemudian, nitrogen yang terlepas ke atmosfer akan kembali memulai siklus ini lagi untuk memnuhi kebutuhan nitrogen oleh makhluk hidup di permukaan bumi. Selain itu, hilangnya amonia selama pembusukan residu tumbuhan dan hewan, kebakaran, serta proses peluruhan senyawa yang mengandung nitrogen dari tanah juga merupakan bentuk lain dari denitrifikasi.