4
II. TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Karakteristik Pupuk Hayati Pengertian pupuk hayati (biofertilizer) adalah pupuk organik yang mengandung isolat berupa mikrob seperti mikrob penambat nitrogen (N2), mikrob pelarut fosfat (P) atau mikrob perombak selulosa yang diberikan kepada biji, tanah maupun kompos dengan tujuan meningkatkan pertumbuhan tanaman (Lumbantobing, 2008). Penggunaan pupuk hayati memanfaatkan mikrob dalam mempercepat proses mikrobologi untuk meningkatkan ketersediaan hara, sehingga dapat dimanfaatkan oleh tanaman. Selain itu pupuk hayati mampu mengaktifkan serapan hara oleh tanaman, mempercepat proses pengomposan, memperbaiki struktur tanah, dan menghasilkan substansi aktif yang dapat meningkatkan pertumbuhan tanaman (Tombe, 2008). Beberapa mikrob yang sering digunakan dalam pupuk hayati antara lain Azotobacter sp. dan Azospirillum sp. untuk menambat N2 dari udara tanpa harus bersimbiosis dengan tanaman. Ada juga Aspergillus sp. yang merupakan mikrob pelarut P yang sangat efektif dalam melepaskan ikatan P yang sukar larut. Keuntungan lain dari mikrob tersebut adalah peningkat ketersediaan hara serta pemantap agregat tanah. Berdasarkan penelitian Hidayati (2009), aplikasi pupuk hayati yang mengandung mikoriza dan bakteri penambat N, bakteri pelarut P dan bakteri pelarut K terbukti telah meningkatkan pertumbuhan jagung. Pupuk hayati dibuat dengan menggunakan beberapa komponen dasar yaitu: (1) mikrob yang sesuai untuk suatu jenis pupuk hayati, (2) medium untuk perbanyakan sel mikrob yang akan digunakan, (3) bahan pembawa (carrier) mikrob dan (4) bahan pengemas (packaging materials). Pupuk hayati dapat dibuat dengan menggunakan lebih dari satu macam mikrob yang berbeda, baik berbeda genus atau spesiesnya maupun berbeda dalam hal peranannya sebagai pupuk hayati. Namun yang harus diperhatikan disini adalah bahwa mikrob yang digunakan tidak boleh mempunyai sifat antagonistik satu sama lain (Yuwono, 2008).
5
2.2. Bahan Pembawa (Carrier) Bahan pembawa atau carrier merupakan bahan tempat membawa sel hidup atau mikrob tertentu yang diinokulasikan di dalamnya dengan tujuan agar tetap hidup selama jangka waktu tertentu. Menurut Burton (1976 dan 1979) dalam Aji (1993) syarat-syarat bahan pembawa yang baik untuk inokulan diantaranya adalah: (1) tidak bersifat racun bagi mikrob inokulan, (2) kapasitas penyerapan dan kelembaban relatif baik, (3) mudah diproses dan tidak berbongkah, (4) mudah disterilisasi dengan menggunakan autoklaf maupun iradiasi Sinar Gamma, (5) tersedia dalam sumberdaya yang cukup (tidak terbatas), (6) murah, (7) kisaran pH netral dan (8) tidak beracun bagi tanaman. Bahan
pembawa
perlu
disterilisasi
untuk
menghindari
adanya
pertumbuhan mikrob indigenus. Jika mikrob indigenus tumbuh secepat angka dari jumlah mikrob inokulan yang dimasukkan maka dapat memungkinkan lebih banyak mikrob yang tidak diinginkan pada hasil akhir pupuk hayati (Gupta et al., 2007; Motsara et al., 1995). Saat ini bahan dalam bentuk granul atau butiran dengan diameter 2-3 mm serta bahan alami berupa mineral liat (zeolit), bahan organik (gambut, kompos, arang, dan lain-lain) merupakan bahan yang dapat digunakan sebagai bahan pembawa. Menurut Tombe (2008), salah satu faktor yang menentukan mutu pupuk hayati adalah jumlah mikrob yang terkandung di dalamnya. Penyimpanan pada suhu rendah umumnya lebih cocok untuk ketahanan hidup mikrob dibandingkan pada suhu tinggi. Peningkatan suhu menyebabkan kelembaban menurun. Dengan mempertahankan kelembaban, kematian mikrob dapat dikurangi.
2.2.1. Arang Arang merupakan hasil pembakaran (penghangusan) suatu bagian tanaman. Proses pembakaran bahan tersebut dapat mencapai suhu 3500C hingga bagian tanaman menjadi hangus (Knicker, 2007). Bagian tanaman yang umum dijadikan arang adalah kayunya sehingga disebut arang kayu. Ada juga arang batok yang merupakan hasil pembakaran batok kelapa. Secara umum arang
6
dianggap sebagai bagian gugus karbon yang stabil dalam tanah (Skjemstad et al., 1996). Thiobacillus sp dapat tumbuh dengan baik dalam bahan pembawa arang sekam (limbah kulit padi). Pada bahan pembawa ini bakteri masih hidup ketika direisolasi hari ke-20 dan masih bertahan sampai hari ke-28. Sebaliknya, Thiobacillus sp tidak dapat hidup dalam bahan pembawa arang kayu dan arang aktif (Hazra dan Widyati, 2007).
2.2.2. Zeolit Zeolit adalah senyawa zat kimia alumino-silikat berhidrat dengan kation natrium, kalium dan barium. Zeolit memiliki muatan negatif sehingga mampu mengikat kation. Menurut Husaini (2002) dalam Dewi (2009), kation-kation yang dapat dipertukarkan dari mineral zeolit tidak terikat secara kuat dalam kerangka kristal yang berbentuk tetraeder sehingga zeolit memiliki potensi untuk menukarkan kation. Penelitian yang berkaitan dengan peningkatan efisiensi penggunaan pupuk menunjukkan bahwa zeolit meningkatkan serapan unsur hara sejalan dengan produksi tanaman (Estiaty et al., 2008). Pemberian zeolit dapat pula mempercepat pengomposan melalui peningkatan suhu, menurunkan C/N rasio, pH dan meringankan KTK kompos (Astiana, 1993). Sebagai bahan pembawa, zeolit merupakan media inokulan mikoriza terbaik. Berdasarkan penelitian Nurbaity et al. (2009), kualitas inokulan mikoriza dalam bahan pembawa zeolit lebih baik dibandingkan dalam bahan pembawa arang sekam maupun jerami dalam hal penginfeksian akar, panjang akar dan berat akar segar tanaman sorgum.
2.2.3. Gambut Gambut merupakan bahan pembawa yang paling umum digunakan untuk pupuk hayati. Namun tidak semua jenis gambut sesuai sebagai bahan pembawa karena terkait kelembaban yang dapat berpengaruh terhadap mutu inokulan. Gambut Rawa Pening, Dieng, Rawa Jitu dan Rawa Sragi memiliki kesesuaian sebagai bahan pembawa inokulan Bradyrhizobium (Simanungkalit et al., 1999).
7
Menurut penelitian Handayani (2009), bahan pembawa gambut mampu mempertahankan viabilitas Bradyrhizobium japonicum pada penyimpanan suhu 100C. Hidayati (2009) juga menyatakan bahwa viabilitas mikrob (Bacillus sp., Pseudomonas sp., Azospirillum sp., dan Azotobacter sp.) dalam bahan pembawa gambut mampu dipertahankan hingga masa penyimpanan 6 bulan walaupun pada penyimpanan 0 bulan mengalami penurunan akibat perlakuan pengeringan (freeze dryer).
2.4. Mikrob dalam Pupuk Hayati 2.4.1. Azotobacter Azotobacter merupakan bakteri penambat N2 yang hidup bebas yang bersifat gram negatif dan tumbuh baik pada media yang kekurangan N (Imas et al., 1989). Azotobacter ditemukan aktif dalam tanah yang memiliki pH > 6.0 dan pH < 6.0 bersifat non aktif. Jumlah populasinya dipengaruhi oleh penanaman dan pemupukan, populasi meningkat pada tanah tanpa pemupukan. Suhu pertumbuhan yang optimum adalah 300C (Sutedjo, 1991). Kemampuan
Azotobacter
dalam
memfiksasi
nitrogen
merupakan
karakteristik fisiologis yang diketahui pertama kali oleh Beijerinck tahun 1901. Jumlah nitrogen yang dapat difiksasi sebesar 2 – 15 mg N/g (Rao, 1982). Selain mampu menambat N2 atmosfir Azotobacter juga mampu mensintetis dan mensekresi
auksin,
pyridoxin,
cyanocobalamine,
asam
nikotinat,
asam
pantothenat, thiamin, riboflavin, IAA, giberelin dan senyawa pengatur tumbuh lainnya yang bermanfaat bagi pertumbuhan tanaman (Yuwono, 2008). Faktor-faktor
eksternal
yang
mempengaruhi
penambatan
nitrogen
diantaranya adalah suhu, kelembaban tanah, pH tanah, sumber karbon, cahaya dan penambahan nitrogen (Hindersah, 1997).
2.4.2. Azospirillum Pada media semi padat yang mengandung malat, Azospirillum dapat dilihat dari pembentukan pelicle berwarna putih, padat dan berombak. Pertumbuhan Azospirillum optimum pada suhu antara 320C – 360C dan pH diantara 6.8 – 7.9 (Alexander, 1977).
8
Azospirillum merupakan bakteri gram negatif yang dapat memfiksasi N2 pada kondisi mikroaerofilik tanpa membentuk bintil akar (Jati, 1997). Nitrogen yang telah difiksasi diserap tanaman dalam bentuk ion NH4+ (Rao, 1982). Hal tersebut mengakibatkan peningkatan tinggi dan bobot kering tanaman yang diinokulasikan dengan Azospirillum (Rusmana dan Hadijaya, 1994). Azospirillum menghasilkan hormon pemacu pertumbuhan tanaman diantaranya adalah IAA, giberelin dan sitokonin (Tien et al., 1979). Inokulasi dengan Azospirillum memiliki pengaruh yang baik dalam meningkatkan pertumbuhan tanaman secara nyata, demikian pula dengan kandungan N tanaman serta hasil bijinya pada kondisi lapangan (Yuwono, 2008).
2.4.3. Fungi Pelarut Fosfat Mikrob Pelarut Fosfat (MPF) merupakan mikrob tanah yang memiliki kemampuan dalam melarutkan P tidak tersedia menjadi tersedia (Rao, 1982). MPF terdiri dari kelompok bakteri dan fungi. Populasi MPF kelompok fungi jauh lebih rendah dibandingkan kelompok bakteri. Fungi yang dapat melarutkan fosfat umumnya berasal dari kelompok Deutromycetes antara lain Aspergillus niger, A. Awamori, Penicillum digitatum, Fusarium dan Sclerotium (Alexander, 1977). Mikrob ini kebanyakan hidup di daerah perakaran karena banyaknya jumlah bahan organik. Hal itu menyebabkan aktivitas mikrob yang dekat perakaran akan lebih aktif daripada yang hidup jauh dari akar. Fungi Pelarut Fosfat (FPF) mampu mensekresikan asam-asam organik yang dapat membentuk kompleks stabil dengan kation-kation pengikat P di dalam tanah dengan cara menurunkan pH dan memecahkan ikatan pada beberapa bentuk senyawa fosfat sehingga ketersediaan fosfat dalam larutan tanah meningkat. Asam organik yang dihasilkan oleh FPF dapat meningkatkan ketersediaan P di dalam tanah serta mengurangi daya racun Al yang dapat dipertukarkan (Al-dd) (Hue et al., 1986). Selain itu FPF secara nyata mampu mengurangi Fe, Mn dan Cu yang terserap oleh tanaman jagung pada tanah masam (Premono et al., 1992). Pertumbuhan FPF sangat dipengaruhi oleh kemasaman tanah. Pada tanah masam, aktivitas mikrob didominasi oleh kelompok fungi sebab pertumbuhan fungi optimum pada pH 5.0 – 5.5. Fungi dalam tanah berbentuk miselium
9
vegetatif ataupun spora. Pertumbuhan fungi akan menurun seiring dengan peningkatan pH (Waksman dan Starkey, 1981).
2.5. Metode Sterilisasi Bahan Pembawa 2.5.1. Iradiasi Sinar Gamma Co-60 Sinar Gamma termasuk gelombang elektromagnetik yang diperoleh dari peluruhan zat radioaktif yang dipancarkan dari atom dengan kecepatan tinggi karena adanya kelebihan energi. Radioaktivitasnya tidak terpengaruh oleh suhu, kelembaban, tekanan dan lain-lain tetapi terpengaruhi oleh keadaan inti-inti isotopnya. Radiasi sinar Gamma dapat dipancarkan oleh Cobalt-60 dan Caesium137 (Soeminto, 1985 dalam Darjanto, 1995). Menurut Kustiono (1994) dalam Dwiatmoko (2000), iradiasi adalah sinar radiasi yang apabila mengenai bahan akan menyebabkan terjadinya penyerapan energi di dalam bahan tersebut dengan melalui berbagai macam proses atau interaksi. Jumlah energi radiasi yang diabsorbsi oleh suatu bahan tersebut dinyatakan dalam besaran dosis. Dosis serap (D) didefinisikan sebagai rata-rata energi yang diserap bahan per satuan massa bahan tersebut. Satuan yang digunakan saat ini adalah Gray (Gy) dimana 1 Gray (Gy) = 1 Joule/kg sehingga diperoleh hubungan bahwa 1 Gray (Gy) = 100 rad. Menurut Kume (2005), radiasi Sinar Gamma memiliki efektivitas yang berbeda dalam mematikan mikrob seiring dengan besaran dosis yang diberikan (Gambar 1). Semakin besar dosis yang diberikan maka daya mematikan mikrobnya semakin besar pula. Pengaruh iradiasi Sinar Gamma Co-60 terhadap mikrob terlihat jelas pada suatu populasi yaitu berkurangnya jumlah koloni yang terbentuk pada Nutrient Agar. Menurut Suhadi (1976) dalam Darjanto (1995), hal tersebut terjadi karena bakteri tersebut terbunuh, tidak aktif atau terhambat pertumbuhannya, sedangkan sel-sel yang masih hidup mungkin disebabkan oleh perbedaan atau perubahan sifat kepekaan atau daya tahan terhadap radiasi.
10
Gambar 1. Efektivitas radiasi Gamma Ray dalam mematikan mikrob dengan berbagai dosis (Kume, 2005). Radiasi sinar Gamma atau elektron berenergi tinggi disebut juga radiasi pengion karena energi radiasi yang terserap oleh benda akan berinteraksi dengan benda tersebut dan menimbulkan efek biologi yang mengubah proses kehidupan normal dari sel hidup. Pada mikrob dapat berpengaruh terhadap DNA sehingga mikrob tidak dapat membelah diri akibat perubahan yang ditimbulkan oleh radiasi pengion (Hilmy,1980).
2.5.2. Mesin Berkas Elektron Mesin Berkas Elektron (MBE) atau Electron Beam Machine merupakan perangkat sumber elektron berenergi tinggi yang digunakan untuk mengolah bahan plastik atau polimer. Sesuai dengan perkembangan teknologi MBE mengikuti kebutuhan industri yaitu penggunaan proses iradiasi bahan yang relatif tebal atau untuk menghasilkan sinar-X. Penggunaan MBE yang berenergi tinggi ini dijadikan sebagai pengganti proses radiasi selama ini yang hanya mungkin dilakukan dengan menggunakan sinar Gamma yang dihasilkan oleh isotop radioaktif Cobalt-60 seperti misalnya sterilisasi alat kedokteran atau proses radiasi pengawetan makanan (Anonim, 1990). Bahan yang diradiasi dengan MBE bebas dari radioaktivitas karena interaksi berkas elektron dengan bahan yang diradiasi hanya akan menyebabkan penyusunan ulang elektron terluar dari atom atau molekul bahan. Dengan kata lain proses radiasi tersebut hanya akan menimbulkan reaksi kimia dan bukan reaksi
11
inti sehingga tidak akan ada proses transmutasi inti dan dengan demikian tidak akan ada radioaktivitas (Anonim, 1990). Menurut Kume (2005), daya penetrasi iradiasi Sinar Gamma Co-60 terhadap bahan pembawa lebih tinggi jika dibandingkan dengan MBE. Hal tersebut dapat dilihat pada Gambar 2 yang menyatakan penurunan bakteri dan fungi akibat radiasi Sinar Gamma lebih besar dibandingkan dengan penurunan bakteri dan fungi akibat radiasi MBE.
Gambar 2. Perbandingan penurunan jumlah mikrob bakteri dan fungi dengan Gamma Ray dan MBE (Kume, 2005). Prinsip kerja MBE dimulai dari elektron berkecepatan rendah yang dihasilkan oleh sumber elektron berupa filamen atau katoda yang dipanaskan dengan arus listrik. Elektron tersebut dipercepat akibat adanya beda voltase medan listrik antara katoda dan anoda. Elektron yang telah dipercepat dipusatkan dan diarahkan selanjutnya dibelokkan menggunakan medan magnet atau scanner sehingga berkas elektron melebar dan siap untuk meradiasi bahan atau target (Sukarman, 2007).
2.5.3. Autoklaf Teknik sterilisasi melalui pemanasan dijadikan pilihan yang umum digunakan dalam sterilisasi suatu populasi mikrob. Penggunaan panas lembab lebih efektif dibandingkan dengan panas kering karena lebih cepat mematikan mikrob. Beberapa cara metode panas lembab diantaranya adalah pendidihan, uap
12
bebas dan uap dengan tekanan. Uap dengan tekanan merupakan metode sterilisasi yang paling efisien karena membuat temperatur di atas mampu mendidihkan titik air. Temperatur tersebut berfungsi untuk mematikan spora bakteri yang sangat tahan panas. Sterilisasi uap digunakan dalam suatu ruangan bertekanan yang disebut autoklaf (Kusnadi, 2004). Mekanisme kerusakan oleh panas ini ditandai dengan rusaknya produksi rantai-tunggal DNA. Hilangnya viabilitas sel oleh panas berhubungan langsung dengan pelepasan rantai DNA. Kerusakan DNA bersifat enzimatik, kemampuan sel untuk memperbaiki kerusakan dan memperoleh viabilitas bergantung pada tempat fisiologik dan susunan genetik organisme. Menurut Hadioetomo (1985), autoklaf merupakan pressure cooker yang sangat efektif mematikan mikrob karena pada suhu 1210C dapat melepaskan 686 kalori/g uap air. Autoklaf terutama ditujukan untuk mematikan endospora, yaitu sel resisten yang diproduksi oleh bakteri, sel ini tahan terhadap pemanasan, kekeringan, dan antibiotik. Endospora dapat bertahan pada kondisi lingkungan yang dapat mematikan sel vegetatif bakteri tersebut. Endospora dapat dibunuh pada suhu 100°C, yang merupakan titik didih air pada tekanan atmosfer normal. Pada suhu 121°C, endospora dapat dibunuh dalam waktu 4-5 menit. Pada kondisi tersebut sel vegetatif bakteri dapat dibunuh hanya dalam waktu 6-30 detik pada suhu 65°C (Kusnadi, 2004).
