siklus nitrogen / fiksasi nitrogen nitrogen is an important constituent of biological molecules
Post on 13-Jan-2016
151 Views
Preview:
DESCRIPTION
TRANSCRIPT
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.
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.
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
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 .
SUMBER: http://archive.bio.ed.ac.uk/jdeacon/microbes/nitrogen.htm
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.
SUMBER: http://archive.bio.ed.ac.uk/jdeacon/microbes/nitrogen.htm
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.
SUMBER: http://archive.bio.ed.ac.uk/jdeacon/microbes/nitrogen.htm
SIKLUS NITROGEN
SUMBER: http://archive.bio.ed.ac.uk/jdeacon/microbes/nitrogen.htm
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 .
SUMBER: http://archive.bio.ed.ac.uk/jdeacon/microbes/nitrogen.htm
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 .
SUMBER: http://archive.bio.ed.ac.uk/jdeacon/microbes/nitrogen.htm
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 .
SUMBER: http://archive.bio.ed.ac.uk/jdeacon/microbes/nitrogen.htm
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 .
SUMBER: http://archive.bio.ed.ac.uk/jdeacon/microbes/nitrogen.htm
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
SUMBER: http://archive.bio.ed.ac.uk/jdeacon/microbes/nitrogen.htm
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 .
SUMBER: www.mona.uwi.edu/.../5thLectureAppEnv...University of the West Indies
SUMBER: www.mona.uwi.edu/.../5thLectureAppEnv...University of the West Indies
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
SUMBER: www.mona.uwi.edu/.../5thLectureAppEnv...University of the West Indies
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.
SUMBER: www.mona.uwi.edu/.../5thLectureAppEnv...University of the West Indies
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.
SUMBER: www.mona.uwi.edu/.../5thLectureAppEnv...University of the West Indies
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
SUMBER: www.mona.uwi.edu/.../5thLectureAppEnv...University of the West Indies
Assimililatory
is is the conversion of nitrate (or NH3) to NH3
and then to nitrogenous compounds like amino acids.
SUMBER: www.mona.uwi.edu/.../5thLectureAppEnv...University of the West Indies
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.
SUMBER: www.mona.uwi.edu/.../5thLectureAppEnv...University of the West Indies
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 .
SUMBER: www.mona.uwi.edu/.../5thLectureAppEnv...University of the West Indies
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.
SUMBER: www.mona.uwi.edu/.../5thLectureAppEnv...University of the West Indies
BIOKIMIA FIKSASI N
SUMBER: www.mona.uwi.edu/.../5thLectureAppEnv...University of the West Indies
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.
SUMBER: www.mona.uwi.edu/.../5thLectureAppEnv...University of the West Indies
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.
SUMBER: www.mona.uwi.edu/.../5thLectureAppEnv...University of the West Indies
Aliran Elektron dalam FIKSASI N
SUMBER: www.mona.uwi.edu/.../5thLectureAppEnv...University of the West Indies
Steps in Nitrogen Fixation
SUMBER: www.mona.uwi.edu/.../5thLectureAppEnv...University of the West Indies
Assay Nitrogenase activity by acetylene to ethylene
Artificial substrate
HCCH H2C=CH2
SUMBER: www.mona.uwi.edu/.../5thLectureAppEnv...University of the West Indies
Soybean Root Nodules
SUMBER: www.mona.uwi.edu/.../5thLectureAppEnv...University of the West Indies
SUMBER: www.mona.uwi.edu/.../5thLectureAppEnv...University of the West Indies
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
SUMBER: www.mona.uwi.edu/.../5thLectureAppEnv...University of the West Indies
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.
SUMBER: www.mona.uwi.edu/.../5thLectureAppEnv...University of the West Indies
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.
SUMBER: www.mona.uwi.edu/.../5thLectureAppEnv...University of the West Indies
Rhizobium FIKSASI N
SUMBER: www.mona.uwi.edu/.../5thLectureAppEnv...University of the West Indies
SUMBER: www.mona.uwi.edu/.../5thLectureAppEnv...University of the West Indies
SUMBER: www.mona.uwi.edu/.../5thLectureAppEnv...University of the West Indies
SUMBER: www.mona.uwi.edu/.../5thLectureAppEnv...University of the West Indies
Stem nodulating legumes in tropics
Sesbania (water plant).
Soils get leached because of high microbial activity.
SUMBER: www.mona.uwi.edu/.../5thLectureAppEnv...University of the West Indies
Azolla pinnata (left) 1cm. Anabaena from crushed leaves Of Azolla.
SUMBER: www.mona.uwi.edu/.../5thLectureAppEnv...University of the West Indies
SUMBER: www.mona.uwi.edu/.../5thLectureAppEnv...University of the West Indies
top related