Mikrobiologi Tanah

Oleh: Asri Peni Wulandari Ph.D

Laboratorium Mikrobiologi Lingkungan, Jurusan Biologi –FMIPAUniversitas Padjadjaran

MATERI 6:

Partikel mineral (dari pengikisanbatu) dan materi

Organik (dari sisa tanaman, binatang, dan m.o).

Mineral dan partikel organik bercampur dalam tanah, membentuk berbagai variasi agregate tanah.

2

HORISON O: Lapisan dari materi tanamanYang tidak terdekomposisi.

HORISON A:Permukaan tanah (kaya akan materi Organik, warna gelap, tanah an dibajakDalam pertanian; tanaman dan m.oTumbuh di horison ini; aktivitas m.oSangat tinggi).

HORISON BSub tanah : mineral, humus, dsb, cairan tanahdari permukaan tanah terakumulasi diHorison ini; sedikit materi organik, danAktivitas mikrobial lebih rendah.

HORISON C:Dasar tanah terisri dari tumpukan tanah,Aktivitas m.o sangat rendah.

3

A. Soils consist of peds (heterogeneous aggregates of various sizes that contain complex networks of pores and surfaces) that influence nutrient availability and that affect interactions among different microbes

B. Gradients of various environmental factors and nutrients can exist within the pores of the soil (e.g., oxygen gradients)

C. Various soil components= binding affinities for nutrients and other substances can create different microenvironments within the soil; (e.g., anaerobic microsites)

4

D. Physical factors (e.g., pH) can influence microorganisms that are associated with surfaces

E. Soil clays and humus (partially degraded and stabilized organic matter) attract and bind organic and inorganic substances

F. Clays can serve as genetic microchips where microbially derived enzymes, RNA and DNA allow binding and elongation of nucleic acids

5

• M.o tanah akan berada dalam atmosfir tanah dan di dalam fase berair (mis. Cairan tanah) di dalam pori yang berada dianatara partikel atau aggregat.

• Udara dan air = limiting factor

Tanah merupakan kumpulan yangSolid (mineral dan konp. Organik), Likuid, dan gas. M.o umumnya sebagai mikro koloniDalam partikel tanah.M.O tanah tsb dapat menghindar dariaktivitas predator dengan cara berlindung di Pori tanah yang kecil.

6

Mikroba di dalam lapisan discontinuous water diatasPermukaan partikel tanah akan Mendapatkan O2 yang bagus.

Sebaliknya, didalam pori yang Terisi air akan ada batasan O2,Menghasilkan kondisi mikroLingkungan anoxic.

Pergerakan bakteri melalui tanah dapat terjadi ketika bidang pori berair adalah kontinus tetapi terputus bila mereka menjadi diskontinus.

7

Level Oksigen diPartikel tanah yang berpasir.

O2

8

• Tanah merupakan habitat favorit untuk pertumbuhan m.o seperti bacteria, fungi,algae, viruses dan protozoa.

• Microorganisms akan didapatkan dalam populasi yang besar di dalam tanah – biasanya ~ 1. 106 – 10. 106jt sel/gram tanah.

• Bacteria dan fungi bersifat dominan.• Kandungan nutrien di tanah sebagai

pembatas untuk pertumbuhan mikroba di tanah.

9

• Hampir di setiap transformasi kimiawi berlangsung di tanah termasuk kontribusi aktif dari m.o tanah.

• Peranan aktif dalam tanah yang fertil segai hasil dari keterlibatan mikroba tanah dalam siklus nutrien seperti siklus karbon dan nitrogen, yang diperlukan untuk pertumbumbuhan tanah.

• M.o tanah bertanggungjawab untuk dekomposisi materi organik yang masuk ke tanah dan selanjutnya masuk dalam siklus nutrien di tanah.

• M.o tertentu seperti mycorrhizal fungi dapat meningkatkan keberadaan nutrien (seperti fosfor) untuk kebutuhan pertumbuhan tanaman.

10

1.CO2 fixation by photoautotrophs and chemoautotrophs.

2. Methanogenesis from inorganic (CO2+H2) or organic matter, involves various archaea methanogens (Methanobacterium,

others). Global CH4production ~1011

kg / yr (~85% biogenic)

11

• Dekomposisi anaerobik dari subatansi organik ke CO2 dan CH4 melibatkan beberapa reaksi yang berbeda dan berbagai spesies m.o. (disebut juga Interspesies Transfer Hidrogen; di dalam usus, sistem pencernaan, sedimen, atau tanah).

a. Polimer kompleks →monomer-monomerb. Sub unit monomerik → organic acidsc. Fermentations→ acetate, CO2, and H2

d. Methanogens mengahsilkan methane (CH4)

12

• Carbon fixer• Photoautotrophs

- Anaerobic – Chromatium (purple, sulfur bacteria)

- Aerobic – cyanobacteria• Chemoautotrophs - anaerobic

- Methanotrophs: Methylomonas

- Sulfur oxidizer: Thiobacillus

13

1. Nitrogen fixation2. NH3 assimilation3. Ammonification4. Nitrosification5. Nitrification6. Nitrate assimilation7. Dissimilatory nitrate reduction8. Denitrification

14

1. Fiksasi Nitrogen : N2 → NH3 (aerobic)

- free-living: Azotobacter, cyanobacteria;

- symbiotic: Rhizobium, Frankia- (anaerobic): Clostridium perfringens,

purple & green sulfur phototrophs.

2. NH3 assimilation (aerobik & anaerobik)

3. Ammonification (organik N→ NH3)

15

4.Nitrosifikasi (aerobik), Nitrosomonas5. Nitrifikasi (aerobik), Nitrobacter6. Nitrat assimilasi (NO3-→ NH3 → amino

acids)7. Dissimilatory reduksi nitrate (NO3-→ NO2-)8. Denitrifikasi (NO3- → N2) Bacillus,

Pseudomonas

16

Siklus S

17

1. Oksidasi Sulfur (S→ SO3-2→ SO4

-2): (aerobic) banyak jenis chemolithotrophs;

(anaerobic) purple & green photoautotrophs2. Assimilatory sulfate reduction (SO4

-2→ organik S)3. Desulfurilasi (organic S decomposition → H2S)4. H2S oxidation (H2S → S°)

- Aerobic: Thiobacillus, Beggiotoa (chemolithotrophs).

- Anaerobic: Chlorobium, Chromatium

18

5. Dissimilatory sulfate and Reduksi sulfite

SO4-2 or SO3

-2 → H2S:

(Jenis Desulfovibrio)6. Elemental Reduksi sulfur (S°→

H2S) Desulfuromonas, thermophilic archaea,

cyanobacteria di sedimen berkadar garam tinggi

19

• Jenis m.o tanah lainnya dapat meningkatkan jumlah nutrien yang ada dalam tanah.

M.o yang mampu meningkatkan kesuburan tanah dan kontribusi pertumbuhan tanaman disebut : biofertilizer.

• Beberapa jenis m.o tanah telah diteliti mempunyai kemampuan menghasilkan senyawa (mis: vitamin dan hormon tanaman) yang dapat meningkatkan kualiatas tanaman dan membantu meningkatkan hasil budidaya tanaman. M.o ( disebut 'phytostimulators') saat ini sedang dipelajari untuk kemungkinan penggunaan sebagai mikroba untuk meningkatkan budidaya tanaman.

20

Beberapa m.o tanah adalah patogenik terhadap tanaman. Sebagain besar sering ditemukan di dalam tanah dan beberapa dapat menginfeksi tanaman melalui akarnya.

21

• Some native microorganisms present in the soil are antagonistic to the pathogens and can prevent the infection of crop plants –BIOPESTICIDE/BILOGICAL CONTROL:1.Competition for nutrients and/or production of inhibitory compounds such as secondary metabolites (antimicrobial metabolites and antibiotics) and extracellular enzymes.2.Other soil microorganisms produce compounds that stimulate the natural defense mechanisms of the plant and improve its resistance to pathogens.

22

23

• Bacteria:- Jumlah melimpah(109 sel/g tanah) tetapi banyak yang tidak dapat

dikultur. - Ada kelompok bakteria khusus yang berperan dalam siklus

biogeokimia.- Ekstra Polimer yang dihasilkan dapat membantu penikatan partikel

tanah menjadi agregat.

- Beberapa bakteri dapat bermanfaat atau bersifat pathogen terhadap tanaman. - Bersama dengan Fungi, lebih berperan sebagai dekomposer materi

organik.

24

Proportion of different soil microorganisms in soilProportion of different soil microorganisms in soil

25

Microbial number and biomass in cultivated field soil （ 15 cm）

Microbes Numbers / g Biomass (g / m3）

Bacteria 108 160

Fungi 105 200

Actinomycetes 105 - 106 160

Algae 104 - 105 32

Protozoa 104 38

26

Agrobacterium Alcaligenes

Arthrobacter Bacillus

Caulobacter Cellulomonas

Clostridium Corynebacterium

Flavobacterium Micrococcus

Mycobacterium Pseudomonas

Staphylcoccus

Main types of soil microorganisms

27

Bacillus sp

Actinomycetes sp. Rhizobium sp.

Pseudomonas aeroginosa

28

29

• Actinomycetes:- Prokariot yang berfilamen.- Berperan dalam dekomposisi materi

organik kompleks.- Menghasilkan metabolite sekunder,

mis., antibiotics, geosmins (earth

odor)yang memberikan karakter bau tanah yang berbeda.

30

• Fungi:- Komponen utama dari of biomassa m.o di tanah. - Pelaku utama dalam dekomposisi materi organik.- Pertumbuhan hyphal membantu ikatan helps

partikel tanah menjadi bentuk aggregat yang

stabil.- Beberapa bersimbiosa dengan akar tanaman:

umumnya bersifat pathogen pada tanaman. - Symbiontant yang menguntungkan dapat

meningkatkan nutrient dan mengurangi timbulnya penyakit.

31

32

• Protozoa:- Predators utama bakteri tanah.- Aktivitas makannya dapat

mempercepat dekomposisi materi organik di tanah.

- Sangat melimpah di permukaan

tanah dari saluran drainase.- Ada + 250 species berbeda di

tanah.

33

Cyanobacteria & algae (green algae, diatoms):

- Photoautotrophs, bentuk algal permukaan

yang penting dalam retensi H2O.

- Beberapa cyanobacteria sebagai free- living dan symbiotic fiksasi N2

34

35

36

• Menggunakan analisis 5S and 16S rRNA sekuens gen.

• Dapat digunakan untuk studi mikroba yang tidak dapat dikultur.

• Alasan utama:- Tidak dapat dikultur – secara nutrisi

dan fisiologis.

- Kultur alam tidak dapat merefleksikan perilaku alami.

37

38

39

Thermus aquaticus grows in boiling water in

Yellowstone National Park

Deinococcus radioduransgrows in microwave ovens and on space ships

40

41

Bugs eat diverse organic material– Humans eat sugar, fat, and protein– Bugs eat sugar, fat, protein, and anything else they can find…

Some key concepts include:– “Parent” material– “Daughter” products– “Fortuitous” metabolism

42

Bugs breath diverse materials – Humans breath oxygen – Bugs breath oxygen, nitrate, sulfate,iron,

arsenic, uranium, and anything else they can find…

Some key concepts include: – Breathing metals changes their solubility making them either precipitate or dissolve

in water

43

A single colony of microorganism weighs only

10-12 µgrams A single microorganism can reproduce

every fifteen minutes Thus, one microorganism can grow into the

mass of the Earth in less than three days!

44