ALIRAN KARBON ALIRAN OKSIGEN Bagaimana

O2
CO2
O2
CO2
CO2
CO2
O2
O2
CO2
CO2
CO2
CO2
CO2
CO2
O2
O2
O2
.
Oksigen
Aliran energi di dalam tanah terkait dengan proses
dekomposisi bahan organik atau mineralisasi karbon
Hanya dapat dipergunakan
oleh organisme
AUTOTROPH
• Tanaman
• Green non dan sulfur bacteria,
purple non dansulfur bacteria,
• Cyanobacter, alga
• Bakteri Hydrogen sulfur, iron
dan nitrifying
The Carbon Cycle
ALIRAN KARBON
ALIRAN OKSIGEN
Bagaimana keterikatan antara
karbon dan oksigen ?
O2
khemosintesis
Fotosintesis
CO2
C-Organik
Dekomposisi
FOTOSINTESIS
Tersimpan sebagai POLYSACCHARiDA
RESPIRASI
Reservoir
Ocean
Rocks dan
sedimen
Karbon
(Gigaton)
38 x 103 (> 95% dalam
bentuk C inorganik)
75x108 (>80% dalam
bentuk C inorganik)
% total C di
dalam bumi
0.05
> 99.5
2x103
0.003
Aquatic biosphere
Fossil fuels
1-2
4,2x 103
0.000002
0.006
Methane hydrates
104
0.014
Teresterial
biosphere
Science 290:291-295 (2000)
C pada Teresterial biosphere
Makhluk hidup
(tanaman pada
hutan, padang
rumput
Bahan organik bukan makhluk hidup
Termasuk HUMUS
HUMUS : Bahan organik kompleks
yang berasal dari bahan
protoplasmik mikroorganisme
tanah yang susah melapuk
serta berasal dari tumbuhan
yang susah melapuk
Decomposition
SYNTROPHY DAN METHANOGENESIS
Methane, aliran karbon yang penting pada habitat ANOXIC
Diproduksi dari proses METHANOGENESIS
Dijalankan oleh mikroorganisme
The Methanogens; domain Archaea
CO2 + 4H2 ─── > CH4 +2H2O
Methanogens menggunakan CO2 sebagai terminal elektron
akseptor pada kondisi anaerob, dan mereduksinya menjadi
methane dengan H2
Hanya sedikit substrat lain yang seperti asetat yang dapat
langsung diubah menjadi methane oleh methanogen.
Untuk mengkonversi senyawa organik, methanogens
harus bekerja sama dengan organisme lain sehingga
dapat memperoleh substrat yang mereka perlukan.
Kejadian ini disebut SYNTROPHY
KONSEP SYNTROPHY adalah
Proses dimana 2 organisme atau lebih bekerja sama dalam
merombak beberapa senyawa, untuk mendapatkan energi
Senyawa BM besar (polysacharida, protein, lemak)
Menjadi CH4 dan CO2, oleh berbagai organisme
Contoh : sellulotik dimulai oleh bakteri sellulotik memecah
ikatan molekul sellulosa dengan BM besar menjadi cellobiose
(glukosa-glukosa) dan menjadi glukosa bebas.
Kemudian Glukosa akan difermentasi oleh penfermentasi
primer dan menghasilkan produk fermentasi seperti asetat,
propionate, butirat, succinat, alkohol, H2 dan CO2..
Setiap H2 yang diproduksi akan langsung dikonsumsi oleh
konsumen H2 seperti methanogens, homoacetogens, atau
bakteri pereduksi S. Acetat akan diubah menjadi methane
PERANAN dari SYNTROPH
Organisme yang menghasilkan bahan organik menjadi
methane adalah penfermenter sekunder terutama pada
fermentasi H2 menghasilkan asam lemak oleh bakteri
syntrophik pengoksidasi
Contoh :
Syntrophomonas wolfei mengoksidasi C4 - asam lemak C8
menghasilkan asetat, CO2 dan H2.
Spesies Syntrophomonas lainnya dapat menggunakan asam
lemak – C18,termasuk beberapa asam lemak tak jenuh.
Syntrophomonas wolinii mampu mengoksidasi propionat dan
menghasilkan asetat, CO2 dan H2.
Syntrophomonas gentiane mampu mendegradasi senyawa
aromatik benzoat menjadi asetat, CO2 dan H2.
Kompleks polimer
Bakteri selulotik dan
bakteri hidrolitik
hidrolisis
Gula, asam amino
Monomer
H2 + CO2
Selulosa, polisakarida lain, protein
Asetat
Homo
Acetogenesis
acetogens
Bakteri
pengoksidasi
Asetat
Methano
gens
Propionate
Butyrate
Succinate
Alcohols
H2 + CO2
H2 + CO2
fermentasi
Asetat
PROSES DEKOMPOSISI ANOXIC
HABITAT dari METHANOGENS / ACETOGENIK
Pada habitat yang anaerob, seperti rawa, lumpur, rumen
hewan. Namun terdapat juga pada kondisi habitat aerob
seperti tanah hutan dan tanah padangrumput (ingat ada
microenvironment dalam tanah)
Emisi CH4 (1012/tahun)
sumber
Biogenik
Lahan tergenang > sawah > rayap > ruminansia
Ruminansia
Rayap
Sawah
Lahan tergenang
80-100
25-150
70-120
120-200
Landfills
Danau dan lautan
tundra
5-70
1-20
1-5
sumber
Emisi CH4 (1012/tahun)
ABiogenik
Tambang batubara
Gas alam
10-35
10-30
Industri
Pembakaran
Methane hydrates
15-45
10-40
2-4
Gunung berapi
kendaraan
TOTAL
0,5
0,5
350-820
Total biogenic
Total abiogenik
305-665
48-155
Data dari Tyler, S.C. 1991. Am.Soc.of microb.
Methanogens dapat hidup sebagai endosymbiont pada
protozoa tertentu,
termasuk pada
amebas akuatik
hidup bebas dan
flagellata dalam
usus ruminan.
Mikroba simbiotik
dalam rumen
seperti Bacteriodes
succinogenes &
Ruminococcus albus salah satu bakteri sellulotik yang penting
dalam rumen. Methanobacterium ruminantium dan methanogens
lainnya memproduksi CO2 & CH4
Pada rayap, methanogen berada dalam sel trichomonal
protozoa yang mendiami hindgut dari rayap. Endosimbiotik
ini bermanfaat bagi inangnya protozoa karena mampu
mengkonsumsi H2 yang berasal dari fermentasi glukosa
yang dilakukan oleh protozoa selulotik
Methanogen yang bersimbiose dengan protozoa menyerupai
sp berbentuk batang dari genus Methanobacterium atau
Methanobrevibacter
Digestion of cellulose--Gut symbionts
Termites
Trichonymph digesting wood
Proses Methanogenesis vs Proses Acetogenesis
Pada habitat seperti rumen, maka homoacetogens
merupakan kompetitor yang lemah dengan methanogens
sehingga methanogenesis yang dominan mengkonsumsi H2.
Pada habitat seperti di hindgut dari rayap, acetogenesis
merupakan proses yang diperhitungkan. Berdasarkan
perhitungan energi, proses methanogenesis lebih
menguntungkan daripada acetogenesis.
Acetogenesis ada disebabkan :
i. Homoacetogens ada di usus dekat produksi H2
ii. Homoacetogens dapat hidup secara khemoorganotroph
iii.Makanan alami rayap adalah kayu, kayu mengandung
lignin dan selulosa. Hasil degradasi bahan ini
menguntungkan bagi acetogenesis
Proses Methanogenesis vs Proses Sulfidogenesis
Methanogenesis dan Acetogenesis, dominan pada kondisi
anoxic air tawar dan lingkungan teresterial daripada pada
sedimen laut. Sehingga bakteri pereduksi S dominan pada
sedimen laut yang kaya
Bahan makanan polisakarida tidak larut seperti sellulosa
Mamalia sedikit memiliki enzim merombak sellulosa
Mamalia hidup dari rumput dan dedaun
Ukuran rumen sapi 100-150L, kambing 6L
Kondisi rumen temp 390C dengan pH 6,5
Makanan dapat berada dalam rumen selama 9-12 hari, selama
periode ini selulotik protozoa dan seluloti bakteri menghidrolisa
selulosa menjadi disakarida sellobiose dan melepaskan
glukosa.
Glukosa yang dilepaskan akan difermentasi dan menghasilkan
volatile fatty acids (VFAs), asetat, propionat,butirat dan gas CO2
dan CH4.
Asam lemak ini akan melewati dinding rumen masuk ke dalam
aliran darah dan dioksidasi oleh hewan itu menjadi sumber
energi
Dalam rumen terdapat sekitar 1011-1012 bakteri/g cairan rumen
Kebanyakan bakteri ini berasal dari bakteri yang melekat pada
makanannya. Di dalam Abomasum bakteri ini terombak dan
memberikan protein dan vitamin untuk tanaman
Rumen bakteri (lihat tabel 19.6 hal 661 pada buku
microbiology an introduction)
Protozoa dan Jamur dalam Rumen
Rumen memiliki protozoa 106/mL
Kebanyakan anaerob obligatif
Protozoa tidak berperan langsung pada fermentasi di rumen,
Namun beberapa mampu menghidrolisa selulosa dan zat
tepung dan mefermentasi glukosa dengan produk asam
organik yang sama seperti pada bakteri rumen
Bakteri rumen juga dicerna dalam rumen protozoa sebagai
sumber makanan serta mengontrol populasi bakteri dalam
rumen
Jamur juga memainkan peranan dalam rumen terutama
dalam mendegradasi polisakarida selain selulosa seperti
lignin, hemisellulosa,dan pektin