ABSTRAK
Pengurangan emisi N₂O dari lahan pertanian sangat penting untuk mengurangi perubahan iklim. Terobosan ilmiah terkini menggunakan metode inovatif untuk menginokulasi tanah lahan pertanian dengan bakteri, yang menghasilkan pengurangan emisi N₂O yang signifikan. Ulasan ini mengidentifikasi lingkungan dan praktik yang menjanjikan untuk pengurangan emisi lebih lanjut.
1 Memanfaatkan Mikroba Tanah sebagai Strategi untuk Mengurangi Emisi N₂O dari Lahan Pertanian
Nitrogen (N) telah lama menjadi faktor pembatas dalam agroekosistem, yang sangat membatasi produksi tanaman. Namun, penemuan proses Haber–Bosch mengubah produksi tanaman dengan memungkinkan sintesis pupuk N skala besar (Hiis et al. 2024). Kemajuan ini secara signifikan meningkatkan hasil panen dan mencegah kelaparan di banyak negara. Namun, hal ini telah menyebabkan penggunaan N yang berlebihan oleh petani karena insentif ekonomi, kurangnya kesadaran, peraturan yang tidak memadai, dan dorongan untuk memaksimalkan hasil panen. Saat ini, diperkirakan lebih dari 50% pupuk N yang diberikan tidak dimanfaatkan oleh tanaman (Waqas et al. 2023). Akibatnya, penggunaan N yang berlebihan dalam pertanian memiliki dampak lingkungan yang luas karena dampak negatifnya pada tanah, air, dan proses atmosfer (Waqas et al. 2023). Di tanah, akumulasi nitrat yang berkepanjangan mempercepat pengasaman, menurunkan struktur tanah, mengurangi keanekaragaman mikroba, dan mengganggu ketersediaan nutrisi, yang pada akhirnya mengancam produktivitas pertanian jangka panjang (Hartmann dan Six 2023). Aplikasi pupuk berbasis N yang berlebihan menyebabkan pencucian nitrat ke dalam air tanah, mencemari sumber air minum dan melampaui batas aman (10 mg/L sebagai NO₃-N). Hal ini menimbulkan risiko kesehatan seperti methemoglobinemia dan potensi hubungan dengan kanker tertentu (Essien et al. 2022). Beban pupuk berbasis N yang tinggi juga menyebabkan paparan amonia, yang memiliki risiko langsung terhadap kesehatan manusia, termasuk masalah pernapasan, penyakit kardiovaskular, kerusakan saraf, iritasi mata dan kulit, dan peningkatan risiko kematian dini (Ma et al. 2021). Limpasan nitrat dari lahan pertanian berkontribusi terhadap eutrofikasi dalam sistem air tawar dan laut, merangsang pertumbuhan alga yang menguras kadar oksigen, menciptakan zona hipoksia, dan mengganggu ekosistem perairan, yang mengakibatkan hilangnya keanekaragaman hayati. Khususnya, nitrat berfungsi sebagai prekursor emisi nitrogen oksida (N₂O) selama denitrifikasi mikroba, yang mengintensifkan perubahan iklim karena potensi pemanasan global N₂O, yang memerangkap panas dan menguras lapisan ozon. Sektor pertanian merupakan sumber terbesar emisi N₂O antropogenik global, gas rumah kaca yang kuat dengan potensi pemanasan hampir 300 kali lebih besar daripada karbon dioksida (Canfield et al. 2010), terutama dari emisi tanah langsung yang disebabkan oleh pemupukan, pengelolaan pupuk kandang, akuakultur, dan pembakaran sisa pertanian (Pan et al. 2022). Pada tahun 2023, pertanian menyumbang 67,78% emisi N₂O antropogenik global (Statista 2024). Dalam bidang pertanian, emisi langsung dari penambahan nitrogen merupakan penyebab utama, yang jumlahnya sekitar 5,8 Tg N yr−¹ (Tian et al. 2020). Emisi ini telah mendorong peningkatan konsentrasi N₂O atmosfer global dari 270 ppbv pada tahun 1750 menjadi 332 ppbv pada tahun 2019 (Pan et al. 2022). Mitigasi emisi N2O antropogenik telah muncul sebagai tantangan lingkungan kritis abad ini. Titik awal yang jelas adalah menerapkan hanya jumlah N yang dibutuhkan tanaman sambil meningkatkan efisiensi penggunaan nitrogen dan meminimalkan kehilangan amonia dan nitrat. Hal ini dapat dicapai melalui perubahan kebijakan dan penerapan praktik pengelolaan terbaik (Waqas et al. 2023). Ini termasuk aplikasi pupuk N yang tepat dan optimal, pupuk lepas lambat, tanaman penutup, rotasi tanaman yang beragam, pengurangan pengolahan tanah, pengelolaan air yang lebih baik, penghambat nitrifikasi, dan peningkatan dukungan untuk pendidikan petani dan insentif kebijakan (Gu et al. 2023).
Selain itu, memanipulasi dan menggunakan mikroorganisme tanah menawarkan potensi yang signifikan untuk lebih mengurangi emisi N2O, mengingat semua langkah transformasi N dalam tanah dilakukan oleh mikrobiota tertentu (Hiis et al. 2024) khususnya selama denitrifikasi. Denitrifikasi adalah proses mikroba di mana nitrat (NO₃⁻) direduksi secara berurutan menjadi nitrit (NO₂⁻) oleh nitrat reduktase (Nar/Nap), oksida nitrat (NO) oleh nitrit reduktase (NirS/NirK), oksida nitrogen (N₂O) oleh oksida nitrat reduktase (Nor), dan akhirnya gas nitrogen (N₂) oleh oksida nitrogen reduktase (Nos), yang melengkapi siklus nitrogen.
Pendekatan utama untuk mengurangi emisi N₂O adalah dengan meningkatkan bakteri pereduksi N₂O yang mengekspresikan nosZ, satu-satunya penyerap biologis untuk N₂O (Thomson et al. 2012). Inokulan mikroba dapat secara langsung meningkatkan bakteri ini atau menggeser komunitas mikroba agar menguntungkan mereka. Bradyrhizobium japonicum yang terutama digunakan untuk fiksasi nitrogen kedelai, juga dapat bertindak sebagai denitrifikasi, berfungsi sebagai sumber atau penyerap N₂O tergantung pada kemampuannya untuk mereduksi N₂O menjadi N₂ (Zilli et al. 2020). Meskipun tidak semua strain mengekspresikan gen nosZ,
PowerPoint
Mengurangi emisi N₂O dari tanah pertanian memerlukan strategi holistik, yang memadukan pengelolaan mikroba, tanaman, dan tanah. Bintang berkode warna dengan anak panah menunjukkan keterlibatan mikroba tertentu dalam proses nitrogen yang berbeda, sedangkan warna anak panah yang bervariasi di bagian bawah menggambarkan transformasi nitrogen tertentu. Menargetkan mikroba (menggunakan beberapa inokulan bakteri) yang terlibat dalam nitrifikasi dan denitrifikasi awal menawarkan potensi untuk mempertahankan nitrogen lebih lama di dalam tanah, sehingga meningkatkan efisiensi nitrogen, mengurangi emisi, dan meningkatkan pertumbuhan tanaman. Sementara itu, pada tahap akhir denitrifikasi, Hiis dkk. menyajikan solusi efektif untuk mengurangi emisi N₂O melalui inokulasi NNRB (CB-01), yang memfasilitasi konversi N₂O menjadi N₂, seperti yang digambarkan oleh anak panah biru dalam proses tersebut. Selain itu, pengelolaan tanaman yang tepat sama pentingnya untuk mengurangi emisi N₂O dengan memilih spesies (kacang-kacangan dan sereal, mengurangi ketergantungan pada pupuk nitrogen), pemuliaan untuk sifat NUE yang lebih baik, rekayasa untuk sifat BNI (penghambat nitrifikasi biologis), rotasi tanaman, dan penanaman varietas berakar dalam, yang semuanya mendorong komunitas mikroba yang mengoptimalkan penyerapan nitrogen, mengurangi kelebihan nitrogen, dan mendorong proses mikroba yang bertanggung jawab untuk pengurangan emisi N₂O. Khususnya, praktik pengelolaan tanah, seperti yang disebutkan dalam lingkaran merah terang atas, meningkatkan sifat-sifat tanah, yang pada gilirannya mendorong komunitas mikroba yang secara efektif mengurangi emisi N₂O. Aplikasi metabolit (misalnya, Sorgoleone) meningkatkan komunitas mikroba, yang menghasilkan peningkatan efisiensi penggunaan nitrogen (NUE) dan pengurangan emisi N₂O. Aplikasi inokulan mikroba harus memastikan kompatibilitas dengan mikroba in-situ. Penggunaan strategis beberapa inokulan mikroba, terutama yang disesuaikan dengan kondisi lokal dengan memanfaatkan mikroba in situ, yang secara alami beradaptasi dengan jenis tanah, iklim, dan ketersediaan nutrisi setempat, menawarkan pendekatan yang menjanjikan untuk mengembangkan galur sinergis fungsional yang secara efektif mengurangi emisi N₂O di wilayah yang ditargetkan. Strategi ini meningkatkan siklus nitrogen dengan memanfaatkan beragam fungsi metabolisme—beberapa inokulan mengkhususkan diri dalam denitrifikasi sementara yang lain mengoptimalkan nitrifikasi. Singkatan: DNRD (dissimilatory nitrate reduction denitrification), AOA (amonia-oxidizing archaea), AOB (amonia-oxidizing bacterial), NOB (nitrite-oxidizing bacterial), Anammox (anaerobic ammonium automation bacterial), dan DNRA (dissimilatory nitrate reduction to ammonium), Non-denitrifying N₂O-respiring bacterial (NNRB), GHGs (greenhouse gas emission).
Namun, ada kemungkinan bahwa galur mikroba yang dilaporkan oleh Hiis et al. (2024), meskipun sangat efektif di tanah berpasir lanau yang asam, mungkin tidak bekerja dengan baik di tanah dengan karakteristik yang sangat berbeda, termasuk komposisi komunitas mikroba asli (Hiis et al. 2024). Faktor-faktor tanah seperti pH, tekstur, dan kandungan bahan organik sangat memengaruhi aktivitas dan efektivitas mikroba dalam sistem pertanian, yang juga dapat memengaruhi kemampuan CB-01 untuk mengonsumsi N₂O. Faktor-faktor ini membentuk komposisi komunitas mikroba, laju metabolisme, dan fungsi ekologi, sehingga sangat penting bagi galur bakteri yang dipilih untuk kompatibel dengan kondisi tanah dan lingkungan tertentu (Singh et al. 2023).
Misalnya, di wilayah tropis seperti delta sungai di Asia Selatan, tempat curah hujan tinggi dan tanah liat berat biasa terjadi, genangan air menciptakan kondisi anaerobik, yang menyebabkan peningkatan denitrifikasi mikroba dan berpotensi meningkatkan emisi N₂O dan CH₄ alih-alih menguranginya. Selain itu, suhu tinggi merangsang populasi mikroba asli, mengintensifkan persaingan, sehingga dapat membatasi kemampuan CB-01 untuk berkoloni secara efektif. Pelindihan unsur hara selanjutnya mengurangi ketersediaan substrat esensial untuk inokulan, yang secara kolektif mengurangi kapasitasnya untuk mengurangi emisi N₂O. Dengan kata lain, siklus N mikroba tanah bersifat kompleks, dipengaruhi oleh jenis tanah, kondisi, dan komunitas mikroba, yang memerlukan solusi yang komprehensif dan terpadu, seperti yang digambarkan di sini (Gambar 1). Misalnya, dalam ekosistem lahan basah seperti sawah, di mana emisi N₂O dan CH₄ menghadirkan tantangan ganda, denitrifikasi yang bergantung pada metana menggunakan bakteri seperti “Candidatus Methylomirabilis sinica” yang baru-baru ini dimurnikan menawarkan pendekatan yang menjanjikan untuk mengurangi emisi ini (Yao dan Hu 2024). Mengurangi emisi N₂O secara global di seluruh sistem ekologi yang beragam memerlukan penjelajahan komunitas mikroba asli. Misalnya, penemuan bakteri tanah asidofilik dari tanah hutan tropis yang dapat mengonsumsi N₂O pada tingkat pH 4,5–6,0 (He et al. 2024) membuka kemungkinan baru untuk mengendalikan emisi N₂O dari tanah asam. Pertanyaan kuncinya adalah: Apa dampak yang dihasilkan oleh strain pereduksi N₂O yang menjanjikan ini ketika diaplikasikan pada berbagai kondisi lingkungan?
2 Potensi Kecerdasan Buatan (AI) dalam Mengurangi Emisi N₂o
Penerapan AI di masa mendatang dapat meningkatkan strategi untuk mengembangkan solusi mikroba yang efektif secara signifikan. Misalnya, algoritma pembelajaran mesin, seperti hutan acak atau jaringan saraf, dapat menganalisis data mikrobioma tanah yang kompleks untuk mengidentifikasi kondisi optimal untuk memperkenalkan NNRB seperti Cloacibacterium sp. CB-01. Alat seperti Python, Scikit-learn, PyTorch, dan TensorFlow dapat digunakan untuk memodelkan interaksi mikroba di berbagai jenis tanah dan variabel lingkungan, yang memungkinkan intervensi presisi. Selain itu, mengintegrasikan AI ke dalam platform pemodelan tanaman seperti DSSAT atau APSIM dapat meningkatkan simulasi efek jangka panjang dari aplikasi biogas digestate di berbagai kondisi pertanian, yang menawarkan akurasi prediksi yang lebih baik dan kemampuan beradaptasi yang dinamis. Hal ini akan menyempurnakan strategi untuk penerapan skala besar dengan memprediksi hasil secara lebih akurat. Pendekatan yang ditargetkan ini tidak hanya akan menyederhanakan amandemen mikroba tetapi juga memberikan wawasan berbasis data untuk mengurangi emisi secara efisien dalam skenario pertanian dunia nyata.
3 Penutup
Penurunan emisi N₂O yang substansial sebesar 50%–95% di semua jenis tanah yang dicapai oleh sebuah penelitian terkini dapat dikaitkan dengan dua faktor utama: enzim NosZ, yang secara efisien mengubah N₂O menjadi N₂, dan kemampuannya yang luar biasa untuk bertahan di lingkungan tanah selama periode yang panjang. Pendekatan ini secara cerdik memadukan pengelolaan limbah (biogas digestate) dengan strategi mitigasi mikroba, menghasilkan solusi yang tampaknya efisien dan dapat diskalakan. Memanfaatkan kekuatan proses mikroba dan daur ulang limbah menawarkan jalur yang menjanjikan untuk mengurangi emisi N₂O pertanian secara signifikan sekaligus mempromosikan prinsip ekonomi sirkular dalam pertanian. Namun, variasi dalam pengurangan di semua jenis tanah menyoroti perlunya pengujian lebih lanjut dalam berbagai kondisi. Penelitian di masa mendatang harus difokuskan pada pengoptimalan konsorsium mikroba dan lebih jauh mengeksplorasi galur baru yang serbaguna secara ekologis dengan ketahanan yang ditingkatkan di berbagai ekosistem, bersama dengan alat yang digerakkan oleh AI untuk memodelkan interaksi mikroba. Mengintegrasikan strategi mikroba ini dengan praktik pertanian berkelanjutan yang lebih luas dapat memberikan solusi untuk mengurangi emisi N₂O dan meningkatkan kesehatan tanah.
