SIKLUS NITROGEN / FIKSASI NITROGEN Nitrogen is an important constituent of biological molecules.

SIKLUS NITROGEN / FIKSASI NITROGEN

Nitrogen is an important constituent of biological molecules.

The availability of N can affect plant growth and thus primary Production. Microbes are intimately involved in this

process.

SUMBER: www.mona.uwi.edu/.../5thLectureAppEnv...University of the West Indies

SUMBER: http://www.intechopen.com/books/biotechnology-molecular-studies-and-novel-applications-for-improved-quality-of-human-life/ammonia-accumulation-of-novel-nitrogen-fixing-bacteria

SIKLUS NITROGEN

Ada tiga proses biologi dalam siklus alami

nitrogen: fiksasi, nitrifikasi dan denitrifikasi,

yang melibatkan BAKTERI

fiksasi nitrogen, nitrifikasi dan denitrifikasi.

http://www.intechopen.com/source/html/29726/media/image1.jpg

SUMBER: http://www.intechopen.com/books/biotechnology-molecular-studies-and-novel-applications-for-improved-quality-of-human-life/ammonia-accumulation-of-novel-nitrogen-fixing-bacteria

SIKLUS NITROGENReactions and molecular mechanisms of biological nitrogen fixation.

http://www.intechopen.com/source/html/29726/media/image3.jpg

SUMBER: http://www.com.univ-mrs.fr/IRD/atollpol/fnatoll/ukn2biol.htm

FIKSASI NITROGEN

Biologi fiksasi nitrogen dapat diwakili oleh persamaan berikut , di mana dua mol amonia yang dihasilkan dari satu mol gas nitrogen , dengan mengorbankan 16 mol

ATP dan pasokan elektron dan proton ( ion hidrogen ) :

N2 + 8H + + 8e - + 16 ATP = 2NH3 + H2 + 16ADP + 16 Pi

Reaksi ini dilakukan secara eksklusif oleh prokariota ( bakteri dan organisme yang terkait ) , menggunakan sebuah kompleks enzim disebut nitrogenase . Enzim ini terdiri

dari dua protein - protein besi dan protein molibdenum - besi ( lihat gambar ) .Reaksi terjadi saat N2 terikat pada kompleks enzim nitrogenase . The Fe protein

pertama dikurangi dengan elektron yang disumbangkan oleh ferredoxin . Kemudian protein Fe berkurang mengikat ATP dan mengurangi protein molibdenum - besi, yang menyumbangkan elektron ke N2 , memproduksi HN = NH . Dalam dua siklus lanjut

dari proses ini ( elektron masing-masing membutuhkan disumbangkan oleh ferredoxin ) HN = NH direduksi menjadi H2N - NH2 , dan ini pada gilirannya

dikurangi menjadi 2NH3 .Tergantung pada jenis mikroorganisme , yang ferredoxin berkurang yang memasok

elektron untuk proses ini dihasilkan oleh fotosintesis , respirasi atau fermentasi .

SUMBER: Nitrogen fixation(

http://opbs.okstate.edu/~Blair/Bioch4113/1999%20Student%20Presentations/Jacobs%20Nitrogenase%20folder/sld005.htm

)

FIKSASI NITROGEN

http://opbs.okstate.edu/%7EBlair/Bioch4113/

http://opbs.okstate.edu/%7EBlair/Bioch4113/

SUMBER: http://archive.bio.ed.ac.uk/jdeacon/microbes/nitrogen.htm

FIKSASI NITROGENMekanisme biologis fiksasi nitrogen

Biologi fiksasi nitrogen dapat diwakili oleh persamaan berikut , di mana dua mol amonia yang dihasilkan dari satu mol gas nitrogen , dengan mengorbankan 16 mol ATP dan pasokan elektron

dan proton ( ion hidrogen ) :

N2 + 8H + + 8e - + 16 ATP = 2NH3 + H2 + 16ADP + 16 Pi

Reaksi ini dilakukan secara eksklusif oleh prokariota ( bakteri dan organisme yang terkait ) , menggunakan sebuah kompleks enzim disebut nitrogenase . Enzim ini terdiri dari dua protein -

protein besi dan protein molibdenum - besi , seperti yang ditunjukkan di bawah ini .Reaksi terjadi saat N2 terikat pada kompleks enzim nitrogenase . The Fe protein pertama

dikurangi dengan elektron yang disumbangkan oleh ferredoxin . Kemudian protein Fe berkurang mengikat ATP dan mengurangi protein molibdenum - besi, yang menyumbangkan elektron ke

N2 , memproduksi HN = NH . Dalam dua siklus lanjut dari proses ini ( elektron masing-masing membutuhkan disumbangkan oleh ferredoxin ) HN = NH direduksi menjadi H2N - NH2 , dan ini

pada gilirannya dikurangi menjadi 2NH3 .

Tergantung pada jenis mikroorganisme , yang ferredoxin berkurang yang memasok elektron untuk proses ini dihasilkan oleh fotosintesis , respirasi atau fermentasi .


SIKLUS NITROGEN

Ada tingkat konservasi fungsional antara protein nitrogenase dari semua

bakteri penambat nitrogen.

Protein Fe dan protein Mo-Fe telah diisolasi dari

banyak bakteri ini, dan fiksasi nitrogen terjadi

pada sistem sel di laboratorium ketika protein Fe dari satu

spesies dicampur dengan protein Mo-Fe bakteri

lain, bahkan jika spesies sangat jauh terkait.


SIKLUS NITROGEN

Diagram berikut menunjukkan sebuah gambaran dari siklus nitrogen di lingkungan tanah atau air.

Sebagian besar dari nitrogen berada dalam biomassa atau di sisa-sisa organisme mati (secara kolektif disebut

"bahan organik"). Salah satu nitrogen yang tersedia untuk mendukung

pertumbuhan baru diberikan oleh fiksasi nitrogen dari atmosfer (jalur 6) atau dengan pelepasan amonium atau

senyawa nitrogen organik sederhana melalui dekomposisi bahan organik (jalur 2) .

Beberapa tahap lain dalam siklus ini dimediasi oleh kelompok-kelompok khusus mikroorganisme dan

dijelaskan berikut ini.


SIKLUS NITROGEN


NITRIFIKASI

Nitrifikasi merujuk pada konversi ammonium menjadi nitrat ( jalur 3-4 ) . Hal ini disebabkan oleh bakteri

nitrifikasi , yang khusus untuk mendapatkan energi mereka dengan mengoksidasi amonium , ketika

menggunakan CO2 sebagai sumber karbon untuk mensintesis senyawa organik . Organisme semacam ini disebut chemoautotrophs - mereka mendapatkan energi

mereka dengan oksidasi kimia dan mereka autotrof karena mereka tidak bergantung pada bahan organik pra

- terbentuk . Pada prinsipnya oksidasi amonium oleh bakteri ini tidak berbeda dari cara di mana manusia energi keuntungan

dengan mengoksidasi gula . Penggunaan CO2 untuk menghasilkan bahan organik tidak berbeda secara prinsip

dari perilaku tanaman .


NITRIFIKASI

Bakteri nitrifikasi yang ditemukan di sebagian besar tanah dan air dari pH moderat , tetapi tidak aktif dalam

tanah sangat asam . Bakteri ini hampir selalu ditemukan sebagai komunitas

campuran spesies ( konsorsium disebut ) karena beberapa dari mereka - misalnya Spesies Nitrosomonas - khusus untuk mengubah amonium menjadi nitrit ( NO2 - )

sementara yang lain - misalnya Spesies nitrobacter - mengkonversi nitrit menjadi nitrat ( NO3 - ) .

Akumulasi nitrit menghambat Nitrosomonas , jadi itu tergantung pada Nitrobacter untuk mengubah ini menjadi

nitrat , sedangkan Nitrobacter tergantung pada Nitrosomonas untuk menghasilkan nitrit .


NITRIFIKASI

Bakteri nitrifikasi memiliki beberapa konsekuensi lingkungan yang penting , karena mereka begitu umum

bahwa sebagian besar amonium dalam tanah beroksigen atau perairan alami adalah mudah dikonversi menjadi

nitrat . Kebanyakan tanaman dan mikroorganisme dapat

mengambil baik nitrat atau amonium ( panah ditandai " 1 " dalam diagram ) .

Proses nitrifikasi memiliki beberapa konsekuensi yang tidak diinginkan . Ion amonium ( NH4 + ) memiliki muatan

positif dan begitu juga mudah terserap ke tanah liat koloid bermuatan negatif dan bahan organik tanah , mencegah dari yang dicuci dari tanah dengan curah

hujan .


NITRIFIKASI

Ion nitrat bermuatan negatif tidak diadakan pada partikel tanah dan sebagainya dapat dicuci profil tanah - proses disebut pencucian. Dengan cara ini , nitrogen berharga bisa hilang dari tanah , mengurangi kesuburan tanah . Nitrat kemudian dapat terakumulasi dalam tanah , dan

akhirnya dalam air minum . Baku mutu ketat yang mengatur jumlah nitrat dalam air

minum , karena nitrat dapat direduksi menjadi nitrit yang sangat reaktif oleh mikroorganisme dalam kondisi

anaerob usus . Nitrit diserap dari usus dan mengikat hemoglobin , mengurangi kapasitas darah membawa oksigen. Pada bayi muda ini dapat

menyebabkan gangguan pernapasan - kondisi yang dikenal sebagai " sindrom bayi biru " . Nitrit dalam usus juga dapat bereaksi dengan

senyawa amino , membentuk nitrosamin yang sangat karsinogenik .


DENITRIFIKASI

Denitrifikasi mengacu pada proses di mana nitrat diubah menjadi senyawa gas ( oksida nitrat , dinitrogen oksida dan

N2 ) oleh mikroorganisme . Urutan biasanya melibatkan produksi nitrit ( NO2 - ) sebagai langkah menengah ditampilkan

sebagai " 5 " dalam diagram di atas . Beberapa jenis bakteri melakukan konversi ini ketika tumbuh pada bahan organik dalam kondisi anaerobik . Karena kurangnya oksigen untuk

respirasi aerobik normal, mereka menggunakan nitrat di tempat oksigen sebagai akseptor elektron terminal . Hal ini disebut respirasi anaerob dan dapat digambarkan sebagai

berikut :

Dalam respirasi aerobik ( seperti pada manusia ) , molekul organik yang dioksidasi untuk mendapatkan energi ,

sedangkan oksigen direduksi menjadi air :

C6H12O6 + 6 O2 = 6 CO2 + 6 H2O + energi


DENITRIFIKASI

Dengan tidak adanya oksigen , zat direduksi seperti nitrat ( NO3 - ) bisa melayani peran yang sama dan direduksi menjadi

nitrit , nitrat oksida , nitrous oxide atau N2 .

Dengan demikian , kondisi di mana kita menemukan denitrifikasi organisme dicirikan oleh ( 1 ) pasokan bahan organik teroksidasi , dan ( 2 ) tidak adanya oksigen tetapi

ketersediaan sumber nitrogen direduksi . Campuran produk nitrogen gas sering dihasilkan karena penggunaan bertahap

nitrat , nitrit , nitrat oksida dan oksida nitrat sebagai akseptor elektron dalam respirasi anaerob . Bakteri denitrifikasi umum

termasuk beberapa spesies Pseudomonas , dan Bacillus Alkaligenes . Kegiatan mereka mengakibatkan kerugian besar

nitrogen ke atmosfer , kira-kira menyeimbangkan jumlah fiksasi nitrogen yang terjadi setiap tahun .

Nitrogen is a very stable and common molecule.

A lot of energy is required to break the NN bond.

Most organic nitrogen is recycled from the more easily available forms nitrate and NH4

+.

But N fixation is a critically important process in the environment and in agriculture


Dissimilatory (anaerobic process), nitrate is used as an electron acceptor, producing N2. It is beneficial in waste water treatment, removing nitrate,

thus reducing algal growth (blooms), eutrophication. Note they will grow aerobically using O2 as an electron acceptor if it is

available (THIS IS NOT FERMENTATION).

Pseudomonas denitrificans

2NO3- + 10e- +2H+ N2 + 6H2O The electrons come from

metabolism of carbohydrates etc.

NO3- NO2

- NO N2O N2

Thought to be an enzyme for each stage. Nitric and nitrous oxide can be released into the atmosphere causing potential problems.


DENITRIFIKASI

It is oxidation of ammonia to nitrate (via nitrite). Occurs in well drained, aerated soils by two nitrifying bacteria, Nitrosomas and Nitrobacter together (example of syntrophism).

Manure and sewage promote nitrification. Nitrate is rapidly absorbed by plants but as it is very soluble it is easily leached out by rain, so it is not always of benefit.

Ammonia at neutral and acid pH, is cationic and is absorbed by clay minerals.

Anhydrous ammonia is used as a fertiliser, chemicals are added to inhibit nitrification. This (nitrapyrin) increases efficiency

of the fertiliser and reduces run off water pollution.


NITRIFIKASI

Nitrification is a two stage process

The process in energetically fairly inefficient, generating few ATP molecules the bacteria grow slowly.

Nitrosomas

NH4 + 3/2O2- NO2- +2H+ + energy

Nitrobacter

NO2- + 3/2O2 – NO3

- + energy

The energy generated is used to fix CO2


Assimililatory

is is the conversion of nitrate (or NH3) to NH3

and then to nitrogenous compounds like amino acids.


This reaction is very important. N2 is very stable and there is a large a reservoir of N in the atmosphere.

It requires a lot of energy to break the triple bond, and only a small number of organisms can do it, all

prokaryotes.

Both free living and in symbiotic associations.


FIKSASI N

Free living aerobes Azotobacter, Azomonas, Cyanobacteria (some)

Free living anaerobes Closridium, Rhodobacter etc

Symbiotic Rhizobium and Bradyrhizobium with legumes

(Soya, peas, clover etc) Frankia with woody shrubs

Anabaena with azolla (fern) in paddy fields .


CONTOH PEM-FIKSASI N

Nitrogen has a triple bond and this requires a lot of energy to break

it. 940 kj compared to 493kj for O2.

6 electrons are required to reduce N2 to 2NH3.

This reduction process is catalysed by Nitrogenase.

Made up of two proteins – dinitrogenase and dinitrogen reductase. Both contain Fe and DR also has Mo.

In DR the Fe and Mo are contained in a cofactorFeMo-co and the reduction of N2 occurs here.

The formula is MoFe7S9.

Two molecules of FeMo-co per molecule. FeS forms a cage.


BIOKIMIA FIKSASI N


Kompleks FeMo dalam FIKSASI N

Nitrogen fixation is inhibited by O2. As it is a highly reducing process.

Both enzymes are rapidly and irreversibly inactivated by O2. In aerobic bacteria, nitrogenase is protected from O2

either by rapid respiration, production O2 retarding slime or production of special cells (heterocysts),

or O2 is removed by special chemicals.

For every molecule of N2 fixed. 16-24 molecules ATP are used.


Sifat & Ciri FIKSASI N

Ferredoxin, flavodoxin or low potential iron-sulphur protein

are the electron donors.They transfer electrons to dinitrogen reductase.

For each cycle of e- transfer, dintrogen reductase binds two ATP, which is then able to interact with dinitrogenase and transfer

electrons to it. ATP is hydrolysed and the two proteins disassociate

to begin another cycle of reduction.

Only 6 electrons used in the useful reduction, another two are wasted to make H2, which can

back react withN2H2.


Aliran Elektron dalam FIKSASI N

Steps in Nitrogen Fixation


Assay Nitrogenase activity by acetylene to ethylene

Artificial substrate

HCCH H2C=CH2


Soybean Root Nodules


Leguminous plants are at an advantage in poor soils.

These bacteria are unable to fix, N2 alone, they need the plant.

In the nodule O2 levels are controlled by leghaemolobin.

The bacteria and plant form this iron containing compound which binds O2.

Bound: free O2 is 10,000:1


SIMBIOSIS LEGUME DALAM FIKSASI N

Stages in Root Nodule Formation

1. Recognition and attachment of bacterium to root hair2. Invasion of root hair, by formation of an infection

thread.3. Travel to main root4. Formation deformed cells, bacteroids to get to N fixing

state5. Formation of Nodule.


PEMBENTUKAN BINTIL AKAR

Rhizobia grow well in the rhizopsphere, responding well to plant secretions. Rhicadhesin on the surface of bacterium may bind

calcium complexes on the root hair surface.Invasion of the root hair is via the tip as a result of the action of bacterial encoded nod factors, inducing formation of a cellulosic

tube, the infection thread.Root cells adjacent to this thread also become infected.

Nod factors stimulate plant cell division.Bacteria multiply rapidly in the root.

Bacterial cells become swollen into bacteroids, become surrounded singly, or in groups by plant cell membrane to

become symbiosome. Only then does nit fix take place.

When the plant dies, nodule deteriorate, bacteroid cannot divide, but some dormant rods always there which proliferate on the

products released from the dying nodules. The fixed N is released to the soil.


Rhizobium FIKSASI N

Stem nodulating legumes in tropics

Sesbania (water plant).

Soils get leached because of high microbial activity.


Azolla pinnata (left) 1cm. Anabaena from crushed leaves Of Azolla.


SIKLUS NITROGEN / FIKSASI NITROGEN Nitrogen is an important constituent of biological molecules.

Documents

Transcript of SIKLUS NITROGEN / FIKSASI NITROGEN Nitrogen is an important constituent of biological molecules.