“Litosfer sebagai habitat mikroba ”
Oleh: Siti K. Chaerun
The lithosphere of the Earth
Microbes
Rock/Minerals
Organic and inorganic compounds
Physical, chemical and biological processes
Perlite rock
soils
Microbes dissolve rock minerals through the corrosive action of metabolic products, such as NH3, HNO3, and CO2 (forming H2CO3 in water), and oxalic, citric, and gluconic acids they excrete. Organic compounds formed by microbes can cause distinct weathering.
Clay minerals
One of the examples of how microbes can affect weathering of minerals is the following reactions:
CO2 production in the metabolism of heterotrophic microbes
O2 production in oxygenic photosynthesis by cyanobacteria, algae, and lichens inhabiting the surface of rocks.
BATUAN DAN MINERAL • Batuan: materi anorganik yang padat dan komposisi yang homogen yang terdiri dari 2 atau lebih mineral. 1. Batuan beku (igneous): 2. Batuan sedimen (sedimentary) 3. Batuan metamorf (metamorphic)
Batuan Beku • Hasil dari pendinginan magma (materi batuan yang meleleh) dari kerak dan/atau asthenosphere. • Proses pendinginan bisa cepat bisa lambat. • Pada pendinginan lambat, bermacam mineral akan mengkristalisasi pada waktu yang berbeda-beda disebabkan oleh titik leleh yang berbeda-beda. • Pada proses kristalisasi, meneral-mineral tsb tumbuh dan berkembang membentuk batuan yang dengan jelas kristalnya dapat dibedakan (e.g., granite) • Pada pendinginan cepat, proses kristalisasi berjalan cepat pula dan batuan yang terbentuk mempunyai kristal yang sangat kecil yang tidak bisa dilihat dg mata telanjang (e.g., basalt).
Granite, Mont Blancmassif, Walis, Switzerland. This granite has large (white feldspatic phenocrysts. Coin of 1 euro (about 2,3 cm diameter) for scale.
Vesicular basalt at Sunset Crater, AZ. US quarter for scale.
Phenocrysts: kristal yang cukup besar yang bergabung dengan batuan beku
Batuan sedimen • Hasil akumulasi dan kompaksi sedimen yang terutama mengandung materi mineral yang berasal dari batuan lain. • Mungkin juga hasil sementasi sedimen anorganik yang terakumulasi oleh karbonat, silikat, aluminum oksida dan besi (II) oksida. Zat sementasi mungkin berasal dari aktivitas mikroba. Transformasi sedimen ini menjadi batuan sedimen disebut “lithification”. • Contoh batuan sedimen: limestone (CaCO3), sandstone (quartz, clay) dan shale (claylike, fine-grained sediment)
Batuan metamorf • Hasil dari perubahan batuan beku atau batuan sedimen disebabkan oleh panas dan tekanan • Contoh: marble/marmer (dari limestone), slate (dari shale), quartzite (dari sandstone), gneiss (dari batuan granite).
Mineral • Biasanya merupakan senyawa anorganik yang biasanya kristal dan kadang-kadang amorphous (tidak berbentuk dan tidak kristal). Contoh. Sulfur (S0), quartz (SiO2), biotite ([K(Mg.Fe.Mn)3AlSi3O10(OH)2]. • Bisa juga digunakan untuk senyawa organik tertentu di alam (e.g., asphalt dan coal) • Mineral primer (igneous mineral) adalah mineral hasil kristalisasi selama proses pendinginan magma, dan mineral sekunder adalah mineral hasil perubahan kimia (weathering atau diagenesis). Mikroba berperan penting dalam perubahan mineral primer ke sekunder. Mineral “authigenic” adalah mineral ynag terbentuk dari presipitasi dari suatu larutan.
Tanah Mineral
lapisan material tanaman yang tdk terdekomposisi
True soil
Zona aktif secara biologi. “surface soil”, senyawa organik tinggi, warna gelap, digarap untuk pertanian, tanaman dan mikroba tumbuh, aktivitas mikroba tinggi. “subsoil” (lapisan tanah sebelah bawah): mineral, humus dll yang berasal (leached) dari “soil surface” dan terakumulasi di lapisan ini. Sedikit senyawa organik, aktivitas mikroba lebih rendah dibanding dengan A-horizon.
Parent material dimana tanah terbentuk. “Soil Base” (dasar tanah). Aktivitas mikroba umumnya sangat rendah.
Cool zone
•
Moderate rainfall
Leached layer •
the biologically most active zone
Enriched layer
the parent material (bedrock)
Spodosols tend to be acidic and have a strongly leached, grayish A horizon depleted in colloids and compounds of iron and aluminum and have a brown B horizon enriched in colloids and compounds of iron and aluminum that are leached from the A horizon. mollisols. These are soils that support grasslands (i.e., they are prairie soils). They exhibit rich black topsoil and show lime accumulation in the B horizon because they have neutral to alkaline pH.
Schematic representation of the major soil horizons of spodosol and mollisol. The litter zone is also called the O horizon. The A and B horizons may be further subdivided on the basis of soil chemistry (Ehrlich, 2002; Ehrlich and Newman, 2009)
SOIL MATRIX • 5 komponen utama tanah: – Mineral (komponen struktur, > 50% vol total) – Udara dan air (penyusun vol pori, 25-50% vol total) – Material organik (3-6 % vol total) – Organisma hidup (< 1 % vol total)
SOIL SEBAGAI HABITAT MIKROBA Mikro-koloni Quartz
Udara Quartz
Senyawa Organik
Clay Particle Air
Quartz
Udara
Clay particle
“SOIL AGGREGATE” yang tersusun dari komponen organik dan mineral yang Memperlihatkan lokasi mikroba tanah. Sebagian besar mikroba tanah terjadi sebagai “ mikro-koloni” yang melekat pada partikel tanah.
TIPE TANAH Variasi iklim, vegetasi, batuan induk, topografi dan usia tanah menyebabkan jenis tanah juga bervariasi. Lima tipe tanah yang sangat umum adalah : Spodosol : terdapat di daerah beriklim dingin, biasanya membentuk lapisan pada hutan berdaun jarum, tanah jenis ini kurang baik untuk pertanian karena terlalu asam dan miskin nutrisi. Alfisol : hutan temperata pada umumnya tumbuh di atas lapisan tanah ini. Mollisol : pada umumnya dapat ditemui di daerah temperata, padang rumput dan merupakan tanah yang sangat subur, jenis tanah ini memiliki horison A (yang sangat kaya akan humus) sangat tebal. Sebagian besar pertanian bahan pangan di dunia tumbuh di tanah ini. Aridisol : dapat ditemukan di daerah kering di Amerika Utara , Amerika Selatan dan Afrika. Iklim yang kering dan jarangnya pohon yang tumbuh subur (menyebabkan tidak ada akumulasi bahan organik) menyebabkan tanah ini tidak memiliki lapisan yang jelas. Pertanian dapat dilakukan di daerah ini dengan bantuan irigasi Oxisol : tanah yang terdapat di daerah tropis dan subtropis ini kandungan nutrisinya rendah. Bahan organik yang terdapat pada horison A sangat tipis karena humus terurai dengan cepat. Horison B yang bersifat asam dan miskin nutrisi sangat tebal. Anehnya hutan hujan tropis dengan pohon yang tumbuh subur dapat hidup di atas tanah ini. Sebagian besar mineral di daerah hutan hujan tropis tertahan pada pohon itu sendiri daripada dalam tanah.
• Sifat fisika-kimia tanah mempengaruhi: aerasi, ketersediaan nutrient, water retention (penyimpanan air), dan aktivitas biologi (YAITU): – Particle size (pengaruhi struktur kima tanah dan ukuran pori/lubang tanah) – Porositas – Moisture content – Aeration status – Komposisi kimia – Clay fraction – Cation-exchange capacity (CEC) – Organic fraction
• Jumlah “pore space” tergantung pada: – Texture tanah – struktur tanah – Kandungan senyawa organik
1. MINERAL SOIL • Jumlah dominant dan banyak: SiO2, Al, Fe • Jumlah sedikit: Ca, Mg, K, Ti, Mn, Na, N, P, S • Nutrient yang dibutuhkan oleh mikroba: – N, P, K, Mg, S, Fe, Ca, Mn, Zn, Cu, Mo
• Tanah diklasifikasikan berdasarkan “particle size” dengan 3 komponen utama: – sand – Silt – clay
c la y
U.S. Department of Agriculture triangular of soil classification chart 100 0 Loam: the soils that are not dominated “SOIL TEXTURE” 10 by any one of the particle sizes or types Cohesive Water-holding capacity permeability
Silty Clay
Sandy clay
t sil
%
%
Clay
Silty Clay loam
Clay loam Sandy clay loam
Loam 10 0 Sandy 100 90
Sandy Loam
Silt Loam
Loamy sandy
Silt
% sand
10
100 0
SURFACE AREA • Surface area dari jenis partikel mempengaruhi sifat fisika, kimia dan biologi tanah. • Clay sangat mempengaruhi sifat tanah: – High surface activity – Partikelnya berbentuk kolloidal di alam – Negative surface charge – Good adsorbent untuk air, ion dan gas.
Klasifikasi Partikel tanah Jenis partikel
Diameter, mm
Surface area, m2/kg
1.0 - 2.0 0.5 - 1.0
1.1 2.3
0.25 – 0.5 0.1 – 0.25 0.05 – 0.1 0.002 – 0.05 < 0.002
4.5 9.1 22.7 45.4 1130
Pasir Kerikil halus Pasir kasar Pasir medium Pasir halus Pasir sangat halus
Silt Clay
2. ORGANIC SOIL • Tersusun dari sisa-sisa tanaman dan hewan, sel mikroba dan produk metabolisme mikroba (“HUMUS”) • Humus: senyawa organik yang telah mengalami degradasi dan transformasi yang cukup untuk membuat material asal yang “unrecognizable”. • Humus tersusun dari senyawa polimer: – Aromatik, polisakarida, asam amino, uronic acid polimers dan senyawa yang mengandung fosfor.
• Humus: umumnya 10% dari berat mineral soil dan bisa 90% dari berat tanah (e.g. peat) • Humus: berat molekul 700 – 300,000, sedikit soluble dalam air dan agak resisten thd biodegradasi • Humus berdasarkan “karakteristik solubilitasnya” dibagi: • Humic acid (extractable with alkali but precipitated with acid) • Fulvic acid (extractable with alkali but soluble in acid) • Humin (not extractable with alkali)
SOIL STRUCTURE and AGGREATION • Definisi “Struktur tanah”: penyusunan dan organisasi partikel yang berbeda di tanah • Merupakan sifat kualitatif tanah yang berhubungan dengan – Porositas total dalam volume tanah – Bentuk pori – Distribusi “overall pore-size”
• Mempengaruhi sifat mekanis tanah: – Pergerakan fluida (infiltrasi, penyimpanan air dan aerasi)
• Ada 3 jenis struktur tanah – Tanah dengan struktur partikel single atau tidak mempunyai struktur (tidak melekat antara satu dengan lainnya): contoh tanah gurun – Tanah dengan struktur partikel “massive” yang melekat kuat antara satu dengan lainnya: contoh clay – Tanah dengan struktur antara (tanah aggregate) • Tanah aggregate: stabilisasi “sand, silt dan clay” melalui terbentuknya “CLAY-ORGANIC MATTER COMPLEX” menjadi AGGREGATE.
SOIL AGGREGATE • Merupakan unit struktur sementara • Stabilitasnya sangat dipengaruhi oleh: – Aktivitas mikroba – Perubahan iklim – Teknik pengelolaan tanah (e.g. pembajakan tanah)
• Contoh soil aggregate: – Clay-Organic-Cell complex
Faktor yang mempengaruhi aktivitas mikroba • Ketersediaan air (adsorpsi pada permukaan dan free water sebagai film tipis diantara partikel tanah). – Well-drained soil: udara masuk dengan mudah dan kons O2 tinggi – Waterlogged soil: O2 hanya terlarut dalam air dan segera dikonsumsi oleh mikroba sehingga soil jadi anoxic.
• Ketersediaan nutrient (C, N, P) • Aktivitas mikroba dipengaruhi paling besar: – Surface soil: air – Deep soil: nutrient
SOIL MOISTURE • Kandungan air yang cukup sangat penting bagi pertumbuhan dan aktivitas mikroba • Terlalu banyak air akan menghambat transfer gas dan pergerakan O2 dalam tanah yang menyebabkan zona anaerob. • Air dalam tanah dibagi 3: – Air gravitasi (untuk mikroba dan akar tanaman dan berperan dalam transport polutan dan material lainnya) – Air kapiler (untuk mikroba, yang ada dalam ruang pori) – Air osmotik (yang adalam dalam partikel clay dan humus, dan kurang tersedia untuk mikroba dan akar tanaman).
• Field Capacity: kemampuan tanah untuk menyimpan air (18-30% dan fungsi dari kandungan clay)
Hubungan Massa dan Volume dalam Soil Massa
Volume Va
Air
Ma
Water
Mw
Vf Vw Vt
Mt
Vs
Ms Solid
f= void (pore)
Sifat Fisika tanah • Densitas “solid” (ps): ps = Ms/Vs
– Untuk tanah mineral : 2.6 – 2.7 g/cm3
• Densitas “bulk” kering (pb):
– pb = Ms/Vt = Ms / (Vs + Va + Vw) – Clayed soil: 1.1 g/cm3 dan Sandy soil: 1.6 g/cm3
• Densitas “bulk” basah: (Ms+ Mw) /Vt = (Ms + Mw)/ (Vs + Va + Vw) • Porositas Φ = Vf/ Vt = (Va+Vw)/(Va+Vw+Vs) – Porositas soil: 0.3 – 0.6 – Porositas clay tergantung dari: • Swelling, penyusutan, dispersi, kompaksi dan cracking
• Soil moisture content: – Berdasarkan massa ω = Mw / Ms – Berdasarkan volume Ө = Vw / Vt
• Tingkat saturasi tanah “ ƒs = Vw / Vf • Nilai ƒs: – tanah kering = 0 – Tanah jenuh = 1
• Ms = berat kering (103oC) • Mw (mass moisture content): Mt – Ms • Vw = Mw / pw …………..(pw = 1 g/cm3)
Mikroba per gram di tanah kebun Kedalaman (cm)
Bakteri
Aktinomiset (=filamentous bacteria)
Fungi
Alga
3-8 20-25
9,750,000
2,080,000
119,000
25,000
2,179,000
245,000
50,000
5,000
35 - 40
570,000
49,000
14,000
500
65-75
11,000
5,000
6,000
100
135-145
1,400
-
3,000
-
The deep subsurface
