Mikrobiologi Tanah

1. MATERI 6: Mikrobiologi Tanah Oleh: Asri Peni Wulandari Ph.D Laboratorium Mikrobiologi Lingkungan, Jurusan Biologi –FMIPA Universitas Padjadjaran

2. Komposisi Tanah • Partikel mineral (dari pengikisanbatu) dan materi Organik (dari sisa tanaman, binatang, dan m.o). • Mineral dan partikel organikbercampur dalam tanah, membentuk berbagai variasi agregate tanah.

3. HORISON O: • Lapisan dari materi tanaman • Yang tidak terdekomposisi. • HORISON A: • Permukaan tanah (kaya akan materi • Organik, warna gelap, tanah an dibajak • Dalam pertanian; tanaman dan m.o • Tumbuh di horison ini; aktivitas m.o • Sangat tinggi). • HORISON B • Sub tanah : mineral, humus, dsb, cairan tanah • dari permukaan tanah terakumulasi di • Horison ini; sedikit materi organik, dan • Aktivitas mikrobial lebih rendah. • HORISON C: • Dasar tanah terisri dari tumpukan tanah, • Aktivitas m.o sangat rendah.

4. 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)

5. 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

6. Mikrobiologi Tanah • 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. • Udaradan air = limiting factor Tanah merupakan kumpulan yang Solid (mineral dan konp. Organik), Likuid, dan gas. M.o umumnya sebagai mikro koloni Dalam partikel tanah. M.O tanah tsb dapat menghindar dari aktivitas predator dengan cara berlindung di Pori tanah yang kecil.

7. Mikroba di dalam lapisan • discontinuous water diatas • Permukaan partikel tanah akan • Mendapatkan O2 yang bagus. • Sebaliknya, didalam pori yang • Terisi air akan ada batasan O2, • Menghasilkan kondisi mikro • Lingkungan anoxic. • Pergerakan bakteri melalui tanah dapat terjadi ketika bidang pori berair adalah kontinus tetapi terputus bila mereka menjadi diskontinus.

8. O2 Level Oksigen di Partikel tanah yang berpasir.

9. Microorganisma: • 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.

10. Mikrooraganisma Tanah dan Kepentingannya • 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 organikyang 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.

11. CO2 fixation by photoautotrophs and chemoautotrophs. • 2. Methanogenesis from inorganic (CO2+H2) or organic matter, involvesvarious archaea methanogens (Methanobacterium, • others). Global CH4 • production ~1011 kg / yr (~85% biogenic)

12. Mikroorganisme dalam Siklus C: • 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-monomer b. Sub unit monomerik → organic acids c. Fermentations→ acetate, CO2, and H2 d. Methanogensmengahsilkan methane (CH4)

13. Mikroorganisme dalam Siklus C: • Carbon fixer • Photoautotrophs - Anaerobic – Chromatium (purple, sulfur bacteria) - Aerobic – cyanobacteria • Chemoautotrophs - anaerobic - Methanotrophs: Methylomonas - Sulfur oxidizer: Thiobacillus

14. 1. Nitrogen fixation 2. NH3 assimilation 3. Ammonification 4. Nitrosification 5. Nitrification 6. Nitrate assimilation 7. Dissimilatory nitrate reduction 8. Denitrification

15. Siklus Nitrogen 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)

16. Siklus Nitrogen (lanjutan) 4.Nitrosifikasi (aerobik), Nitrosomonas 5. Nitrifikasi (aerobik), Nitrobacter 6. Nitrat assimilasi (NO3-→ NH3 → amino acids) 7. Dissimilatory reduksi nitrate (NO3-→ NO2-) 8. Denitrifikasi (NO3- → N2) Bacillus, Pseudomonas

17. Siklus S

18. Siklus Biogeokimia Sulfur 1. Oksidasi Sulfur (S→ SO3-2→ SO4-2): (aerobic) banyak jenis chemolithotrophs; (anaerobic) purple & green photoautotrophs 2. 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

19. Siklus Biogeokimia Sulfur 5. Dissimilatory sulfate and Reduksi sulfite SO4-2 or SO3-2 → H2S: (JenisDesulfovibrio) 6. Elemental Reduksi sulfur (S°→ H2S) Desulfuromonas, thermophilic archaea, cyanobacteria di sedimen berkadar garam tinggi

20. Mikrooraganisma Tanah & Kepentingannya • 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.

21. Mikrooraganisma Tanah & Kepentingannya • Beberapa m.o tanah adalah patogenik terhadap tanaman. Sebagain besar sering ditemukan di dalam tanah dan beberapa dapat menginfeksi tanaman melalui akarnya.

22. Mikroorganisma Tanah & Kepentingannya • Some native microorganisms present in the soil areantagonistic to the pathogens and can prevent the infection of crop plants –BIOPESTICIDE/BILOGICAL CONTROL: 1.Competition for nutrients and/or production of inhibitorycompounds such as secondary metabolites (antimicrobialmetabolites and antibiotics) and extracellular enzymes. 2.Other soil microorganisms produce compoundsthat stimulate the natural defense mechanisms ofthe plant and improve its resistance to pathogens.

24. Mikroba Utama Tanah • Bacteria: - Jumlah melimpah(109sel/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 dekomposermateri organik.

25. Proportion of different soil microorganisms in soil

26. Microbes Numbers / g Biomass (g / m3） Bacteria 108 160 Fungi 105 200 Actinomycetes 105 - 106 160 Algae 104 - 105 32 Protozoa 104 38 Microbial number and biomass in cultivated field soil（15 cm）

27. Main types of soil microorganisms

28. Group Utama dari Bacteria Rhizobium sp. Actinomycetes sp. Bacillus sp Pseudomonas aeroginosa

30. Group Utama dari Mikroba Tanah • 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.

31. Group Utama dari Mikroba Tanah • Fungi: - Komponen utama dari of biomassa m.o di tanah. - Pelaku utamadalam dekomposisimateri 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.

33. Group Utama dari Mikroba Tanah • Protozoa: - Predators utama bakteri tanah. -Aktivitas makannyadapat mempercepat dekomposisi materi organik di tanah. - Sangat melimpah di permukaan tanah dari saluran drainase. - Ada +250 species berbeda di tanah.

34. Group Utama Mikroba Tanah • Cyanobacteria & algae (green algae, diatoms): - Photoautotrophs, bentuk algal permukaan yang penting dalam retensi H2O. - Beberapa cyanobacteria sebagai free- living dan symbiotic fiksasi N2

37. Metagenomics method • 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.

39. BagaimanaMikrobadapatmembersihkanKontaminan Tanah

40. Microorganisms are everywhere(see www.astrobiology.com) • Thermus aquaticus grows in boiling water in Yellowstone National Park Deinococcus radiodurans grows in microwave ovens and on space ships

41. How do microorganismsinteract with contamination?

42. Pollutants as “Food” • Bugs eat diverse organic material – Humans eat sugar, fat, and protein – Bugs eat sugar, fat, protein, andanything else they can find… • Some key concepts include: – “Parent” material – “Daughter” products – “Fortuitous” metabolism

43. Pollutants as “Air” • 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

44. Microorganisms grow fast • A single colony of microorganism weighs only 10-12 µgrams • A single microorganism can reproduce every fifteen minutes • Thus, one microorganism can growinto the mass of the Earth in less than three days!