Pengendalian Nitrifikasi untuk Meningkatkan Efisiensi Pemupukan Nitrogen

1. Pengendalian Nitrifikasi untuk Meningkatkan Efisiensi Pemupukan Nitrogen Purwanto Hadisudarmo Fak. Pertanian Universitas Sebelas Maret

2. NITROGEN Penyusun asam amino, amida, asam2 nukleat, nukleotida, koensim, heksoamin dsb. Hara makroesensial bagi tanaman bersifat sangat dinamik dan mobil  selalu mengalami alihrupa dan alihtempat dalam bentuk gas, anorganik (cair) maupun organik (padat). Nitrogen tersedia melimpah dalam bentuk N2 di alam = 72% dari komposisi atmosfer bumi. Hanya sebagian kecil jasad prokariotik yang mampu memanfaatkan gas N2 secara langsung sebagai sumber N untuk kehidupannya.

3. Pasokan N ke dalam tanah dapat melalui presipitasi air hujan, loncatan bunga api listrik, pemupukan, penambahan bahan organik, atau melalui penambatan N2 atmosfer secara hayati. N dalam tanah juga dapat hilang teruapkan ke atmosfer secara kimiawi atau oleh kelompok mikroba pendenitrifikasi. ketersediaan N dalam tanah relatif kecil, namun jumlah yang dibutuhkan tanaman sangatlah besar.

4. Sekitar 67 % pupuk N pada berbagai tanaman serealia di dunia atau setara US $ 15,9 milyar tahun-1 hilang terlindi dalam bentuk NO3- dan teruapkan sebagai gas NH3, N2O dan N2. Van Noordwijk dan De Willigen memperkirakan sekitar 50% dari pupuk N pada tanah2 pertanian di daerah tropika basah hilang melalui pelindian. Proses pelindian NO3- selalu diawali oleh proses nitrifikasi  Nitrifikasi dianggap sebagai proses yang merugikan sehingga perlu upaya pengendalian.

5. PROSES HABER-BOSCH DALAM INDUSTRI PUPUK N + Suhu >1200oC N2 NH3 3 H2 Tekanan 200-1000 atm, katalisator Fe3O4, Na, Al, Ca Untuk memproduksi 1 metric ton (2.200 lb) NH3 dibutuhkan 875 m3 gas alam (setara 5,5 barel minyak, atau 2 metric ton batubara).

6. HARGA MINYAK DUNIA US $ 110/BARREL (Desember 2007) ANCAMAN TERHADAP PRODUKSI USAHA PERTANIAN/ PERKEBUNAN EFISIENSI PEMUPUKAN HARUS DITINGKATKAN & KETERGANTUNGAN TERHADAP BAHAN BAKAR FOSIL HARUS SEMAKIN DIKURANGI

7. NITRIFIKASI : PROSES OKSIDASI MIKROBAWI Nitrobacteria Nitrosobacteria NH4+ NO2- NO3- Nitrosomonas Nitrosococcus Nitrosospira NitrosovibrioNitrosolobus Nitrobacter berbentuk anion  mobil, tidak tertahan tanah  mudah terlindi, runoff, dan teruapkan dalam bentuk N2O, NO dan N2 melalui proses denitrifikasi  pencemar udara, air tanah dan perairan berbentuk kation  tertahan oleh partikel tanah yang bermuatan negatif  relatif stabil dalam tanah

8. 5 ATP Nitrat Reduktase Mo 20 ATP HUJAN ASAM & GRK Terjerap mineral lempung tipe 2 : 1 (Vermikulit, Illit, Mica butir halus & Smektit) NH4+ lepas lambat NH4+ N2O > 0.5 mg kg-1 tanah NH3 GDH Pathway NO < 0.5 mg kg-1 tanah Asam amino GS-GOGAT Pathway NO2- 5 ADP NH3 NITRIFIKASI 20 ADP NO3- AKUMULASI Pada tanah2 kahat Mo Methemoglobinemia (blue-baby syndrome) pada Konsumen NO3- Leaching, Menurunkan kejenuhan basa & memasamkan tanah, Pencemaran NO3-, Eutrofikasi, Nitrosamin, Denitrifikasi

9. MENGAPA NITRIFIKASI PERLU DIKENDALIKAN ? Suatu usaha pertanian dapat berkelanjutan apabila menerapkan 2 prasyarat dasar : Pengurangan penggunaan sumberdaya tak terbaharui, sekaligus dengan peningkatan penggunaan sumberdaya terbaharui, Perlindungan lingkungan.

10. PERTANIANBERKELANJUTAN : Tidak sekedar untuk meningkatkan produksi tanaman, namun juga bertujuan untuk memelihara agar lingkungan tetap sehat, baik pada skala lokal, regional, maupun global (mengurangi emisi gas rumah kaca, mempertahankan daur hidrologi serta keragaman hayati).

11. Konsentrasi N2O di atm.  urutan 3 setelah CO2, namun potensi penyerapan per molekulnya thd radiasi gelombang panjang 200 kali >> dibanding CO2 Secara katalitik  penyebab kerusakan ozon stratosfer NO N2O NO NO NITRIFIKASI NH2OH (hidroksilamin) (HNO) NO2- NH4+ NO3- NO2NHOH (asam hiponitrit) NITRIFIKASI & DENITRIFIKASI  menyumbang 50% dari total emisi N2O global & 8–32% total emisi NO (Skiba et al., 1993).

13. Indonesia cutting emissions by up to 41 per cent: HOW? At the Pittsburgh G20 meeting (September 2009), Indonesia’s President Yudhoyono (SBY) said that: “Indonesia had decided on a national climate change action plan ‘that will reduce our emissions by 26 per cent by 2020 from BAU (Business As Usual)’, and by up to 41 per cent with international support”

14. Mengapa Nitrifikasi Perlu Dikendalikan ? NH4+ NO2- NO3- Nitrobacteria Nitrosobacteria

15. Human activities: Emission & Heat reflection Tingkatkan konsentrasi Gas Rumah Kaca (N2O & NO), → pemanasan global & kerusakan ozon stratosfer, BUMI GAS RUMAH KACA:CO2, NO2, N2O, NO, CH4 dll.

16. Blooming algae & gulma perairan (eutrofikasi),penurunan DO & kematian beragam biota perairan, Heavy algal blooms  cut off sunlight, decay  no oxygen (Anoxic) Cyanobacterial blooms  toxins Sumber: Millennium Ecosystem Assessment

17. 3. METHEMOGLOBINEMIA (Blue baby syndrome = Cyanosis) DAMPAK KERACUNAN NITRAT Hemoglobin tercemar NO2- Tidak dapat mengikat O2

18. Terbentuknya nitrosamin yg karsinogenik, • Tingkatkan pelindian kation2 basa (Mn++,Ca++, Mg++, Zn++, K+)  tingkatkan kemasaman tanah & kekahatan hara. Untuk melindungi kesehatan masyarakat dari bahaya pencemaran NO3- maka USEPAdan WHO menetapkan baku mutu kadar nitrat dalam air minum = ≤ 10 mg nitrat L-1.

19. EFISIENSI PEMANFAATAN NITROGEN N pada biomassa terpanen /N tanah dan atau N pupuk EFISIENSI PEMANFAATAN NITROGEN (NUE) (Moll et al., 1982; Singh et al., 1998), N total biomassa tanaman /N tanah dan atau N pupuk N pada biomassa terpanen /N total biomassa tanaman * *=Physiological Nitrogen Utilization Efficiency

20. NITRIFIKASI sebagai INDIKATOR EPN Nitrifikasi : Proses Oksidasi Mikrobawi Nitrobacteria Nitrosobacteria NO2- NO3- NH4+ • Nisbah NH4+/N-mineral tanah (NITRIFIKASI AKTUAL), • NITRIFIKASI POTENSIAL (laju pembentukan NO2- oleh Nitrosobacteria pada kondisi & waktu inkubasi tertentu), • Jumlah perkiraan terdekat (MPN) bakteri pengoksidasi NH4+ & bakteri pengoksidasi NO3- , AKTOR • Jumlah mikroba heterotrof  “KOMPETITOR PROSES” Nitrifikasi.

21. NON-ANTHROPOGENIK bahan induk, iklim, topografi yang mempengaruhi struktur dan komunitas tanaman, kuantitas dan kualitas bahan organik serta keberadaan senyawa allelopat penghambat nitrifikasi Faktor2 yang mempengaruhi nitrifikasi ANTHROPOGENIK pengusikan, pengelolaan tanaman, pengolahan tanah serta pemberian pasokan kepada sistem tanah-tanaman.

22. APA YANG DAPAT DILAKUKAN UNTUK MENGENDALIKAN NITRIFIKASI ? APLIKASI SENYAWA PENGAMBAT NITRIFIKASI : Sulfathiazole; 2-Amino-4-chloro-6-methylpyridine; Dyciandiamide; Etridiazole dan N-serve (Nitrapyrin) PENGENDALIAN NITRIFIKASI SECARA HAYATI. SINKRONISASI pelepasan NH4+dari pupuk maupun BO dengan jumlah dan laju serapan akar tanaman PENGHAMBATAN pertumbuhan Nitrosobacteria dengan tanaman penghasil alelochemical pengambat nitrifikasi. Mahal & tidak berkelanjutan

23. Efektivitas beberapa penghambat nitrifikasi (%) pada tanah yang ditambah 5 mg bahan aktif kg-1 tanah, dipupuk 200 mg (NH4)2SO4-N kg-1 tanah dan diinkubasikan pada 25oC (Myrold, 2005).

24. 2). Pengendalian secara hayati & kultur teknis a). Aplikasi pupuk N tepat cara, waktu & takaran Letakkan pupuk pada zona reduktif. dibenam, ditimbun, Pupuk dalam gulungan lempung (mudball), Aplikasikan pupuk nitrogen bersama bahan organik segar, Prinsip: menahan pupuk agar tidak segera teroksidasi & dapat larut secara bertahap.

25. Waktu: menyesuaikan dg periode pertumbuhan tanaman, Takaran sesuai kemampuan akar utk menyerap N (SINKRONISASI). Cara, waktu dan takaran juga mempertimbangkan interaksinya dengan unsur hara lain.

26. b).Meningkatkan keragaman tanaman • Meningkatkan keragaman tanaman meningkatkan efisiensi pemanfaatan hara. • Spesies tanaman berakar dalam  berperan sebagai “nutrient pumping atau safety net nutrient filter”

27. c). Menyisipkan tanaman yang menghasilkan allelochemical nitrification inhibitor Keragaman tanaman  syarat terbentuknya allelochemichal inhibitor nitrifikasi akar Leucaena leucocephalagallocatechin, epigallocatechin, epicattechin yang hambat Nitrosomonas europaea ; B.humidicolahambatnitrifikasi dari eksudat akar Brachiaria humidicola

28. d). Pengelolaan jumlah masukan bahan organik Kebun kopi campuran dengan produksi seresah 7.7 Mg ha-1 dan kebun kopi dengan penaung sengon (P.falcataria) dengan produksi seresah 7.0 Mg ha-1 per tahun  menurunkan potensial nitrifikasi masing2 sebesar 63% dan 55 %;  meningkatkan nisbah NH4+/N-mineral masing2 sebesar 650% dan 425% daripada kebun hortikultura intensif (dengan potensial nitrifikasi 7.06 mg NO2- g-1 tanah jam-1 dan nisbah NH4+/N-mineral 0.99%).

29. Dalam konteks konservasi hara N,  proses imobilisasi N jauh lebih menguntungkan dibanding nitrifikasi. • Imobilisasi N hanya mengubah bentuk N-mineral  biomassa mikroba pengurai seresah dan akan dikembalikan ke dalam tanah secara bertahap sesuai daur kehidupan tanaman dan mikroba. • Sebaliknya, proses nitrifikasi dapat meningkatkan kehilangan N dari sistem tanah-tanaman melalui penguapan, pelindian dan denitrifikasi.

30. e). Pengelolaan kualitas masukan seresah NO2- NO3- Nitrobacteria Nitrosobacteria NH4+ Seresah = berkualitas rendah, apabila mempunyai nisbah C/N>25, kandungan lignin >15% dan polifenol >3% (Palm and Sanchez, 1991) Nisbah (lignin+polifenol)/N seresah mempunyai pengaruh yang lebih kuat sebagai regulator konsentrasi NH4+, NO3- dan nitrifikasi potensial tanah dibanding kandungan lignin, polifenol atau C/N secara terpisah.

31. f). Pengendalian nitrifikasi secara kultur teknis Laju nitrifikasi pada tanah dengan pengolahan tanah minimum pada umumnya lebih rendah daripada pada tanah yang dibajak atau dibudidayakan secara intensif.

32. Ucapan terima kasih

33. PENINGKATAN KANDUNGAN NITROGEN DI SUNGAI (%) Sumber: Millennium Ecosystem Assessment

34. UPAYA PENGENDALIAN NITRIFIKASI Pupuk N lepas lambat Inhibitor sintetik Mahal & tidak berkelanjutan Mahal & berdampak negatif Mineralisasi N seresah dipengaruhi oleh kualitasnya (kandungan lignin, polifenol, & nisbah C:N). Pengaturan laju mineralisasi N = pengaturan ketersediaan NH4+ (substrat nitrifikasi) Pelindian NO3-& po- pulasinitrifierdi hutan relatif rendah karena adanya allelochemical nitrification inhibitor (polifenol, tanin, galotanin dlsb.), imobilisasi & asimilasi NH4+ yg ekstensif Meningkatnya populasi bakteri heterotrof akan menekan populasi nitrifier (imobilisasi N >> nitrifikasi) PELUANG PENINGKATAN KERAGAMAN TANAMAN & MANIPULASI DOSIS & KUALITAS SERESAH (BAHAN ORGANIK) UTK PENGENDALIAN NITRIFIKASI

35. CARA PENGENDALIAN NITRIFIKASI Penggunaan senyawa penghambat nitrifikasi (DCD, N-serve, Thiourea, Sulfathiazole dll) Penggunaan pupuk N lepas lambat Mahal dan tidak berkelanjutan Mahal, tidak berkelanjutan dan berdampak negatif terhadap biota tanah lain PELUANG PENGENDALIAN NITRIFIKASI SECARA HAYATI: Pengelolaan jumlah & kualitas seresah,budidaya tnm lorong dan/atau penghambat alelokimia N TANAH LEBIH BAIK TERIMOBILISASI DARIPADA TERNITRIFIKASI

36. SELURUH MAKHLUK HIDUP BUTUH NITROGEN • Kekurangan protein akan menghambat sintesis peptida, hormon & protein struktural  fungsi tubuh tidak normal, • 40% penduduk dunia cukup protein karena kecukupan pupuk N. ... too little ….. too much