Materi 6. NR. Mikrobiologi Tanah

MATERI 6:
Oleh: Asri Peni Wulandari Ph.D
Laboratorium Mikrobiologi Lingkungan,
Jurusan Biologi –FMIPA
Universitas Padjadjaran


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 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.
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 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.
6
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.
7
O2
Level Oksigen di
Partikel tanah yang
berpasir.
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.
Methanogenes
is from inorganic
(CO2+H2) or
organic matter,
involves various
archaea
methanogens
(Methanobacterium
,
others). Global CH4
production ~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-monomer
b. Sub unit monomerik → organic acids
c. 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 fixation
2. NH3 assimilation
3. Ammonification
4. Nitrosification
5. Nitrification
6. Nitrate assimilation
7. Dissimilatory nitrate
reduction
8. 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), Nitrosomonas
5. Nitrifikasi (aerobik), Nitrobacter
6. 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 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
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 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
104
38
Protozoa
26
Main types of soil
microorganisms
Agrobacterium
Alcaligenes
Arthrobacter
Bacillus
Caulobacter
Cellulomonas
Clostridium
Corynebacterium
Flavobacterium
Micrococcus
Mycobacterium
Pseudomonas
Staphylcoccus
27
Rhizobium sp.
Actinomycetes sp.
Bacillus 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 freeliving 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
radiodurans
grows 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