Fiksasi nitrogen adalah proses dimana unsur nitrogen dari atmosfer diubah menjadi amonium, bentuk ionik nitrogen yang tersedia bagi tumbuhan tingkat tinggi. Nitrogen adalah unsur yang paling berlimpah keempat dalam sebagian besar organisme, dapat mencapai sebanyak 4 persen dari berat kering tumbuhan itu.

Mayoritas nitrogen ini hadir sebagai penyusun struktur protein, tetapi juga merupakan komponen dari berbagai senyawa biologis lainnya, seperti klorofil dan asam nukleat. Dengan demikian, untuk pertumbuhan tumbuhan normal dan pengembangan, nitrogen harus dijaga pada tingkat yang cukup tinggi dalam tanah. Atmosfer bumi sekitar 79 persen adalah nitrogen, dan sebagian besar nitrogen atmosfer ada dalam keadaan unsur. Sayangnya, bentuk unsur nitrogen tidak ada harganya langsung untuk tumbuhan tingkat tinggi; mereka harus memperoleh nitrogen dalam bentuk baik amonium atau nitrat.

Kedua bentuk nitrogen dapat diberikan ke tanah sebagai pupuk oleh manusia atau alam, sebagai produk dari aksi mikroba. Ada tiga proses mikroba yang membuat nitrogen ke dalam bentuk yang dapat digunakan oleh tumbuhan tingkat tinggi. Ini adalah amonifikasi, nitrifikasi, dan fiksasi nitrogen. Amonifikasi adalah proses dimana berbagai bentuk nitrogen organik, seperti yang hadir dalam protein dalam tumbuhan dan hewan dan residu limbah hewan (pupuk), akan dikonversi ke amonium. Nitrifikasi adalah proses dimana amonium diubah menjadi nitrat. Kedua proses ini dilakukan oleh populasi mikroorganisme tanah yang hidup bebas.

Dalam proses fiksasi nitrogen, nitrogen atmosfer diubah menjadi amonium. Sementara beberapa mikroba memecah nitrogen yang hidup bebas, bakteri yang hidup secara simbiosis dalam akar dari sejumlah spesies tumbuhan juga bertanggung jawab untuk banyak konversi ini dalam ekosistem darat.

Bakteri pengikat Nitrogen

Bakteri pengikat nitrogen telah terbukti untuk hidup berdampingan dengan berbagai tumbuhan tingkat rendah, termasuk lumut daun, lumut hati, dan pakis. Di antara tumbuhan tingkat tinggi yang mengandung biji, masalah pemecahan nitrogen telah ditemukan terkait dengan beberapa rumput tropis dan sejumlah semak dan pohon, seperti alder. Dalam pertanian, kacang-kacangan adalah kelompok yang paling penting dari tumbuhan untuk hidup berdampingan dengan bakteri pengikat nitrogen.

Sekitar seribu lima ratus spesies kacang-kacangan, termasuk kacang polong, kacang-kacangan, semanggi, dan alfalfa, telah terbukti untuk hidup bersimbiosis dengan bakteri pengikat nitrogen yang disebut Rhizobium. Sebuah spesies yang berbeda dari Rhizobium menginfeksi setiap spesies yang berbeda dari kacang-kacangan.

Bakteri menembus akar dengan memasukkan proyeksi filamen sel epidermis disebut rambut akar. Sel-sel epidermis menanggapi invasi dengan menempelkan bakteri dalam struktur benang disebut sebagai benang infeksi.

Benang infeksi mulai tumbuh dan bercabang, dan, seperti halnya demikian, Rhizobia mereproduksi berkali-kali di dalam benang. Setelah menembus beberapa lapis sel, benang infeksi akhirnya mencapai korteks akar, di mana pecah dan melepaskan bakteri.

Pelepasan bakteri menginduksi sekresi hormon tumbuhan yang merangsang akar sel kortikal khusus untuk membagi beberapa kali. Saat sel-sel ini membelah, Rhizobia memendek, dan nodul terbentuk.

Dalam sitosol dari sel nodul, bakteri menjadi nonmotile, bertambah besar, dan menumpuk dalam kelompok 4-8 ​​bakteroid. Bakteroid ini bertanggung jawab untuk konversi biokimia dari unsur nitrogen menjadi ammonium.

fiksasi Nitrogen secara kimiawi

Secara kimia, fiksasi nitrogen mensyaratkan bahwa enam elektron dan delapan ion hidrogen ditransfer ke molekul nitrogen atmosfer. Reaksi ini adalah proses yang membutuhkan energi; Oleh karena itu, adenosin trifosfat (ATP), bentuk energi sel yang tersimpan, harus tersedia untuk reaksi berlangsung. Elektron, ion hidrogen, dan ATP disediakan oleh proses respirasi seluler yang terjadi dalam sel akar.

Elektron dan ion hidrogen ditransfer ke atom nitrogen atmosfer oleh enzim yang disebut nitrogenase. Enzim ini terdiri dari dua subunit. Salah satu subunit mengambil elektron dan ion hidrogen dari produk pernapasan dan mentransfer mereka ke subunit lainnya. ATP mengikat dengan bagian II dari nitrogenase, dan hidrolisis ATP melepaskan energi yang tersimpan dalam molekul.

Energi ini mendorong reaksi dan membuatnya lebih mudah untuk meloloskan elektron dan ion hidrogen ke subunit kedua. Pada langkah terakhir, nitrogenase yang mentransfer elektron dan ion hidrogen pada atom nitrogen.

Transfer akhir ini menyebabkan produksi amonium. Amonium bergerak keluar dari bakteroid ke sitosol, di mana waktunya akan diubah ke bentuk organik nitrogen yang dapat diangkut keseluruh tumbuhan.

Laju Fiksasi

Tidak semua spesies nitrogen bergerak pada tingkat yang sama. Sejumlah faktor dapat menjelaskan perbedaan ini. Beberapa tumbuhan membentuk nodul jauh lebih berlimpah daripada yang lain. Karena pembentukan nodul lebih luas, tumbuhan ini akan memfiksasi lebih banyak nitrogen daripada mereka yang menghasilkan nodul lebih sedikit.

Nitrogenase dari semua spesies rhizobial memiliki kecenderungan untuk mentransfer elektron ke ion hidrogen daripada nitrogen. Akibatnya, gas hidrogen, yang lolos ke atmosfir, diproduksi. Ini merupakan kehilangan elektron yang bisa digunakan untuk memproduksi amonium.

Beberapa spesies Rhizobia, bagaimanapun, memiliki enzim kedua, yang disebut hydrogenase, yang menggunakan gas hidrogen untuk menghasilkan air. ATP diproduksi sebagai produk sampingan dari proses ini. Akibatnya, spesies rhizobial lebih efisien karena lebih sedikit energi yang terbuang.

Selain itu, tingkat fiksasi dan jumlah nitrogen tetap akan bervariasi dengan usia atau tahap perkembangan tumbuhan. Kasus terdalam, tingkat fiksasi tertinggi ketika buah-buahan dan biji sedang diproduksi.

Benih-benih berbagai tumbuhan, dan terutama kacang-kacangan, tinggi protein. Oleh karena itu, fiksasi nitrogen dan transportasi dari nodul harus lebih tinggi pada saat benih berkembang. Bahkan, lebih dari 85 persen dari total fiksasi nitrogen dalam kacang-kacangan terjadi pada saat seperti itu.

mutualisme Tumbuhan-Bakteri

Bakteri pengikat nitrogen yang ada dalam hubungan simbiosis dengan tumbuhan inang mereka. Bakteri memasok tumbuhan dengan nitrogen yang sangat dibutuhkan, sedangkan tumbuhan memasok bakteri dengan karbohidrat dan nutrisi lainnya.

Beberapa energi, berasal dari karbohidrat tumbuhan yang disediakan, digunakan dalam fiksasi nitrogen, tetapi ada banyak yang tersisa untuk memasok bakteri dengan semua energi yang diperlukan untuk kelangsungan hidup mereka.

Menyediakan Nitrogen

Produksi tumbuhan di seluruh dunia lebih dibatasi oleh kekurangan nitrogen daripada oleh nutrisi lainnya. Zona akar yang meliputi lapisan 15-sentimeter diatas tanah mengandung dari 100 sampai 6.000 kilogram nitrogen total per hektar. Ini termasuk semua bentuk nitrogen, banyak yang tidak tersedia bagi tumbuhan.

Kandungan nitrogen total ditentukan oleh sejumlah faktor, seperti mineral penyusun tanah, jenis vegetasi, dan sejauh mana faktor-faktor ini dipengaruhi dari waktu ke waktu oleh iklim, topografi, dan kehadiran orang-orang.

Amonium dan nitrat merupakan bentuk tersedia bagi tumbuhan. Kedua molekul, selain yang seperti senyawa nitrogen sebagai organik yang dapat dengan mudah dikonversi ke bentuk yang tersedia, adalah satu-satunya peran penting dari ekologi atau pertanian. Sayangnya, bentuk-bentuk nitrogen yang terus-menerus dikeluarkan dari tanah.

Penghapusan tumbuhan, pencucian (penghapusan mineral saat air merembes melalui tanah), denitrifikasi (proses dimana mikroba anaerobik mengkonversi nitrat untuk senyawa yang mengandung nitrogen gas yang melarikan diri tanah), dan erosi akan menyumbang total kerugian sekitar 125 kilogram per hektar per tahun.

Sementara beberapa hilang nitrogen dapat digantikan oleh bentuk-bentuk yang tersedia yang jatuh ke bumi dalam hujan, jumlah yang jauh terlalu rendahdi banding dengan nilai dalam pertumbuhan oleh tumbuhan. Fiksasi mikroba dan aplikasi pupuk adalah satu-satunya sumber yang menyediakan cukup nitrogen untuk pertumbuhan tumbuhan.