Contoh Fiksasi Nitrogen, pengertian dan organisme yang berperan

Fiksasi nitrogen merupakan konversi nitrogen di atmosfer (N2) menjadi bentuk yang lebih dapat digunakan dengan cara alami, seperti dengan konversi gas nitrogen menjadi amonium (NH4 +) dengan aksi diazotrof.

Pengertian

Fiksasi nitrogen adalah rangkaian proses biologis dan non-biologis yang menghasilkan bentuk kimiawi nitrogen yang tersedia untuk makhluk hidup. Kontrol ketersediaan nitrogen dalam cara yang penting dalam berfungsinya ekosistem dan biogeokimia global, karena nitrogen merupakan faktor yang membatasi produktivitas primer bersih di ekosistem darat dan perairan.

Di dalam jaringan organisme hidup, nitrogen merupakan bagian dari asam amino, satuan protein struktural dan fungsional seperti enzim. Ini juga merupakan unsur kimia penting dalam pembentukan asam nukleat dan klorofil.

Selain itu, reaksi biogeokimia dari reduksi karbon (fotosintesis) dan oksidasi karbon (respirasi), terjadi melalui mediasi enzim yang mengandung nitrogen, karena mereka adalah protein.

Beberapa mikroorganisme memanfaatkan energi yang dihasilkan dalam reaksi reduksi nitrogen oksida ini dan menggunakannya dalam proses metabolisme mereka. Reaksi mikroba inilah yang secara kolektif mendorong siklus nitrogen global.

Bentuk kimia nitrogen yang paling melimpah di planet ini adalah nitrogen diatomik molekul gas N2, yang merupakan 79% dari atmosfer bumi.

Ia juga merupakan spesies kimia nitrogen yang paling tidak reaktif, praktis inert, sangat stabil, karena ikatan rangkap tiga yang menghubungkan kedua atom. Karena alasan ini, nitrogen yang melimpah di atmosfer tidak tersedia untuk sebagian besar makhluk hidup.

Nitrogen dalam bentuk kimiawi yang tersedia bagi makhluk hidup diperoleh melalui “fiksasi nitrogen”. Fiksasi nitrogen dapat terjadi melalui dua cara utama: bentuk fiksasi abiotik dan bentuk fiksasi biotik.

Contoh

Nitrogen di atmosfer adalah salah satu unsur kimia yang paling melimpah dan merupakan bagian terbesar dari atmosfer bumi. Namun, sifatnya relatif inert, yang berarti tidak mudah bereaksi dengan bahan kimia lain dan menghasilkan senyawa yang lebih mudah tersedia untuk digunakan oleh tumbuhan, hewan, dan organisme lain. Hanya organisme tertentu yang mampu menggunakan gas nitrogen secara langsung. Contoh organisme ini adalah spesies bakteri dan archaea tertentu. Mereka disebut sebagai diazotrof. Bakteri ini mampu berasimilasi dan kemudian memfiksasi gas nitrogen menjadi senyawa baru yang mengandung nitrogen (misalnya amonia) yang dapat digunakan lebih mudah oleh organisme lain seperti tumbuhan. Rhizobia, Azospirillum, Klebsiella penumoniae, Clostridium dan Azotobacter vinelandii adalah beberapa mikroorganisme yang mampu melakukan fiksasi nitrogen. Spesies Rhizobium hanya dapat melakukan fiksasi nitrogen jika mereka bersimbiosis dengan tanaman polongan. Bakteri Rhizobium ditemukan di dalam bintil akar tanaman polongan di mana mereka memasok amonia ke tanaman dan tanaman menyediakan asam organik (terutama asam dikarboksilat malat dan suksinat) sebagai karbon dan sumber energi.

Pembentuka fiksasi nitrogen Abiotik

Badai listrik.

Petir atau “kilat” yang dihasilkan selama badai petir bukan hanya kebisingan dan cahaya; mereka adalah reaktor kimia yang kuat. Karena aksi petir, nitrogen oksida NO dan NO2 diproduksi selama badai, yang secara umum disebut NOx.

Pelepasan listrik ini, diamati sebagai kilat, menghasilkan kondisi suhu tinggi (30.000oC) dan tekanan tinggi, yang mendorong kombinasi kimiawi oksigen O2 dan nitrogen N2 dari atmosfer, menghasilkan nitrogen oksida NOx.

Mekanisme ini memiliki tingkat kontribusi yang sangat rendah terhadap laju total fiksasi nitrogen, tetapi mekanisme ini paling penting dalam bentuk abiotik.

Pembakaran bahan bakar fosil.

Ada kontribusi antropogenik dalam produksi nitrogen oksida. Kami telah mengatakan bahwa ikatan rangkap tiga yang kuat dari molekul nitrogen N2 hanya dapat diputuskan dalam kondisi ekstrim.

Pembakaran bahan bakar fosil yang berasal dari minyak bumi (dalam industri dan transportasi komersial dan pribadi, laut, udara dan darat), menghasilkan emisi NOx yang sangat besar ke atmosfer.

N2O yang dipancarkan dalam pembakaran bahan bakar fosil adalah gas rumah kaca yang sangat kuat yang berkontribusi pada pemanasan global planet ini.

Pembakaran biomassa.

Ada juga kontribusi nitrogen oksida NOx dengan membakar biomassa di area dengan suhu nyala api tertinggi, misalnya pada kebakaran hutan, penggunaan kayu bakar untuk pemanas dan memasak, pembakaran sampah organik, dan penggunaan biomassa sebagai sumber energi. kalori.

Nitrogen oksida NOx yang diemisikan ke atmosfer dengan cara antropogenik menyebabkan masalah pencemaran lingkungan yang serius, seperti kabut fotokimia di lingkungan perkotaan dan industri, dan kontribusi penting terhadap hujan asam.

Emisi nitrogen dari erosi tanah dan pelapukan batuan.

Erosi tanah dan pelapukan batuan dasar yang kaya nitrogen memaparkan mineral ke elemen yang dapat melepaskan nitrogen oksida. Pelapukan batuan dasar terjadi karena paparan faktor lingkungan, yang disebabkan oleh mekanisme fisik dan kimiawi yang bekerja bersama.

Pergerakan tektonik secara fisik dapat mengekspos batuan kaya nitrogen ke elemen. Selanjutnya, secara kimiawi, pengendapan hujan asam menyebabkan reaksi kimia yang melepaskan NOx, baik dari batuan jenis ini maupun dari tanah.

Ada penelitian terbaru yang menetapkan 26% dari total nitrogen yang tersedia secara hayati di planet ini pada mekanisme erosi tanah dan pelapukan batuan ini.

Pembentukan fiksasi nitrogen biotik

Beberapa mikroorganisme bakteri memiliki mekanisme yang mampu memutus ikatan rangkap tiga N2 dan menghasilkan amonia NH3, yang dengan mudah diubah menjadi ion amonium NH4 + yang dapat dimetabolisme.

Mikroorganisme yang hidup bebas atau simbiosis.

Bentuk fiksasi nitrogen oleh mikroorganisme dapat terjadi melalui organisme yang hidup bebas atau melalui organisme yang hidup dalam asosiasi simbiosis dengan tumbuhan.

Meskipun terdapat perbedaan morfologi dan fisiologis yang besar antara mikroorganisme pengikat nitrogen, proses fiksasi dan sistem enzim nitrogenase yang digunakan oleh semua ini sangat mirip.

Secara kuantitatif, fiksasi nitrogen biotik melalui dua mekanisme ini (kehidupan bebas dan simbiosis) adalah yang paling penting secara global.

Mekanisme untuk menjaga sistem nitrogenase tetap aktif.

Mikroorganisme pengikat nitrogen memiliki mekanisme strategis untuk menjaga agar sistem enzimatik nitrogenase mereka tetap aktif.

Mekanisme ini termasuk perlindungan pernapasan, perlindungan kimiawi konformasi, penghambatan aktivitas enzim yang dapat dibalik, sintesis tambahan nitrogenase alternatif dengan vanadium dan besi sebagai kofaktor, pembuatan penghalang difusi untuk oksigen, dan pemisahan spasial nitrogenase.

Beberapa mikroaerofilia hadir, seperti bakteri kemotrofik dari genera Azospirilium, Aquaspirillum, Azotobacter, Beijerinkia, Azomonas, Derxia, Crynebacterium, Rhizobium, Agrobacterium, Thiobacillus dan fototrof dari genera Gleocapsaina, Anabaena, Spirululatoria, Spirulin, Spirulina, Spirulin, Spirulina

Yang lain menunjukkan anaerobiosis fakultatif, seperti genera chemotrophic: Klebsiella, Citrobacter, Erwinia, Bacillus, Propionibacterium dan phototrophs dari Rhodospirillum, genera Rhodopsuedomonas.

Fiksasi nitrogen biotik oleh mikroorganisme yang hidup bebas.

Mikroorganisme pengikat nitrogen yang hidup di dalam tanah dalam bentuk bebas (asimbiotik) pada dasarnya adalah archaebacteria dan bakteri.

Ada beberapa jenis bakteri dan cyanobacteria yang dapat mengubah nitrogen atmosfer, N2, menjadi amonia, NH3. Menurut reaksi kimia:

N2+8H++8e+16 ATP→2 NH3+H2+16 ADP+16Pi

Reaksi ini membutuhkan mediasi sistem enzim nitrogenase dan kofaktor, vitamin B12. Selain itu, mekanisme fiksasi nitrogen ini memakan banyak energi, bersifat endotermik dan membutuhkan 226 Kkal / mol N2; Dengan kata lain, ia membawa biaya metabolisme yang tinggi, oleh karena itu ia harus digabungkan dengan sistem yang menghasilkan energi.

Energi yang dibutuhkan selama reaksi Fiksasi Nitrogen

Energi untuk proses ini diperoleh dari ATP, yang berasal dari fosforilasi oksidatif yang digabungkan ke rantai transpor elektron (yang menggunakan oksigen sebagai akseptor elektron terakhir).

Proses reduksi molekul nitrogen menjadi amonia juga mereduksi hidrogen dalam bentuk proton H + menjadi molekul hidrogen H2.

Banyak sistem nitrogenase yang menggabungkan sistem daur ulang hidrogen yang dimediasi oleh enzim hidrogenase. Pasangan cyanobacteria pengikat nitrogen fotosintesis menjadi fiksasi nitrogen.

Nitrogenase kompleks enzim dan oksigen

Kompleks enzim nitrogenase memiliki dua komponen yaitu komponen I, dinitrogenase dengan molibdenum dan besi sebagai kofaktor (yang akan kita sebut Mo-Fe-protein), dan komponen II, dinitrogenase reduktase dengan besi sebagai kofaktor (Fe-protein).

Elektron yang terlibat dalam reaksi disumbangkan terlebih dahulu ke komponen II dan kemudian ke komponen I, di mana terjadi reduksi nitrogen.

Agar transfer elektron dari II ke I terjadi, protein Fe diperlukan untuk mengikat Mg-ATP di dua situs aktif. Penyatuan ini menghasilkan perubahan konformasi pada Fe-protein. Kelebihan oksigen dapat menghasilkan perubahan konformasi lain yang tidak diinginkan pada Fe-protein, karena ia membatalkan kapasitas penerimaan elektronnya.

Inilah sebabnya mengapa kompleks enzim nitrogenase sangat rentan terhadap keberadaan oksigen di atas konsentrasi yang dapat ditoleransi dan bahwa beberapa bakteri mengembangkan bentuk kehidupan mikroaerofilik atau anaerobiosis fakultatif.

Di antara bakteri pengikat nitrogen yang hidup bebas, kemotrof yang termasuk dalam genera Clostridium, Desulfovibrio, Desulfotomaculum, Methanosarcina, dan fototrof dari genera Chromatium, Thiopedia, Ectothiordospira, antara lain, dapat disebutkan.

Fiksasi nitrogen biotik oleh mikroorganisme hidup simbiosis dengan tumbuhan

Terdapat mikroorganisme pengikat nitrogen lain yang mampu menjalin asosiasi simbiosis dengan tumbuhan, khususnya dengan legum dan rerumputan, baik dalam bentuk ektosimbiosis (dimana mikroorganisme berada di luar tumbuhan), atau endosimbiosis (dimana mikroorganisme berada hidup di dalam sel atau di ruang antar sel tumbuhan).

Sebagian besar nitrogen yang difiksasi di ekosistem darat berasal dari asosiasi simbiosis bakteri dari genera Rhizobium, Bradyrhizobium, Sinorhizobium, Azorhizobium, Allorhizoium dan Mesorhizobium, dengan tanaman legum.

Ada tiga jenis simbiosis pengikat nitrogen yang menarik: rhizocenosis asosiatif, sistem dengan cyanobacteria sebagai simbion, dan endorizobiosis mutualistik.

Rhizocenosis

Dalam simbiosis mirip rhizocenosis asosiatif, struktur khusus tidak terbentuk di akar tanaman.

Contoh simbiosis jenis ini ditemukan antara tanaman jagung (Zea maiz) dan tebu (Saccharum officinarum) dengan Gluconacetobacter, Azoarcus, Azospirillum dan Herbaspirillum.

Pada rhizocenosis, bakteri pengikat nitrogen menggunakan eksudat akar tanaman sebagai media nutrisi dan menjajah ruang antar sel dari korteks akar.

Simbiosis Cyanobacteria

Dalam sistem di mana cyanobacteria berpartisipasi, mikroorganisme ini telah mengembangkan mekanisme khusus untuk koeksistensi fiksasi nitrogen anoksik dan fotosintesis oksigeniknya.

Misalnya, di Gleothece dan Synechococcus, mereka terpisah untuk sementara: mereka melakukan fotosintesis siang hari dan fiksasi nitrogen malam hari.

Dalam kasus lain, ada pemisahan spasial dari kedua proses: nitrogen difiksasi dalam kelompok sel yang berdiferensiasi (heterosista), di mana fotosintesis tidak terjadi.

Asosiasi simbiosis pengikat nitrogen dari cyanobacteria dari genus Nostoc telah dipelajari dengan tanaman non-vaskular (antóceras), seperti pada rongga Nothocerus endiviaefolius, dengan lumut hati Gakstroemia magellanica dan Chyloscyphus obvolutus di ektosimbiosis secara terpisah, dengan bryophytes (membentuk rimpang) , dan dengan tanaman angiospermae yang lebih tinggi, misalnya dengan 65 tumbuhan tahunan dari genus Gunnnera.

Misalnya, asosiasi pengikat nitrogen simbiosis cyanobacteria Anabaena dengan lumut, tumbuhan non-vaskular, telah diamati pada daun Azolla anabaenae pakis kecil.

Endorhizobiosis

Sebagai contoh endorhizobiosis, kita dapat mengutip asosiasi yang disebut aktinoriza yang terbentuk antara Frankia dan beberapa tanaman berkayu seperti casuarina (Casuarina cunninghamiana) dan alder (Alnus glutinosa), dan asosiasi Rhizobium – legum.

Sebagian besar spesies dari famili Leguminosae membentuk asosiasi simbiosis dengan bakteri Rhizobium dan mikroorganisme ini memiliki spesialisasi evolusioner dalam mentransfer nitrogen ke tanaman.

Di akar tanaman yang terkait dengan Rhizobium, nodul radikal yang disebut muncul, tempat fiksasi nitrogen terjadi.

Pada legum Sesbania dan Aechynomene, bintil tambahan terbentuk pada batang.

Sinyal kimiawi

Ada pertukaran sinyal kimia antara simbion dan inang. Tanaman telah ditemukan memancarkan jenis flavonoid tertentu yang menginduksi ekspresi gen bintil pada Rhizobium, yang menghasilkan faktor nodulasi.

Faktor nodulasi menghasilkan modifikasi pada rambut akar, pembentukan saluran infeksi dan pembelahan sel di korteks akar, yang mendorong pembentukan nodul.

Beberapa contoh simbiosis pengikat nitrogen antara tumbuhan tingkat tinggi dan mikroorganisme ditunjukkan pada tabel berikut.

Mikorizobiosis

Selain itu, di sebagian besar ekosistem, terdapat jamur mikoriza pengikat nitrogen, yang termasuk dalam filum Glomeromycota, Basidiomycota, dan Ascomycota.

Jamur mikoriza dapat hidup dalam ektosimbiosis, membentuk selubung hifa di sekitar akar halus beberapa tanaman dan menyebarkan hifa tambahan ke seluruh tanah. Juga di banyak daerah tropis, tanaman menginangi mikoriza endosimbiosis, yang hifa menembus sel akar.

Ada kemungkinan bahwa jamur membentuk mikoriza dengan beberapa tanaman secara bersamaan, dalam hal ini terjalin hubungan timbal balik di antara mereka; atau bahwa jamur mikoriza diparasit oleh tanaman yang tidak berfotosintesis, mycoheterotrophic, seperti yang ada pada genus Monotropa. Juga beberapa jamur dapat bersimbiosis dengan satu tanaman secara bersamaan.

Contoh Fiksasi Nitrogen, pengertian dan organisme yang berperan

Tinggalkan Balasan

Alamat email Anda tidak akan dipublikasikan. Ruas yang wajib ditandai *

Kembali ke Atas