Nitrous oksida (N 2 O) adalah gas rumah kaca yang terutama dihasilkan selama proses transformasi nitrogen mikroba di tanah alami dan pertanian. Pada tahun 2011, konsentrasi N 2 O di atmosfer berada pada 324 ppb, yang merupakan peningkatan sebesar 20% dibandingkan dengan tahun 1750. Sejak pemupukan N menyediakan substrat untuk produksi N 2 O di tanah, konsentrasi N 2 O di atmosfer meningkat seiring dengan intensifikasi praktik pertanian. Meningkatnya permintaan pangan dan ketergantungan pertanian pada pupuk nitrogen kemungkinan akan semakin meningkatkan emisi N 2 O di masa depan. Untuk mengatasi tren ini, strategi untuk mengurangi emisi N 2 O yang timbul dari praktik pertanian saat ini sangat diperlukan.
Di antara strategi lainnya, penerapan biochar pada tanah telah dibahas sebagai pilihan potensial untuk mengurangi emisi N 2 O dari tanah pertanian. Biochar adalah padatan kaya karbon, diproduksi dengan tujuan untuk digunakan sebagai bahan pembenah tanah. Ini dihasilkan oleh dekomposisi termal bahan organik dalam kondisi oksigen rendah. Baru-baru ini biochar telah mendapatkan banyak perhatian karena potensinya tidak hanya untuk meningkatkan kualitas tanah namun juga berfungsi sebagai strategi mitigasi perubahan iklim yang ampuh. Misalnya saja, karena sifat fisikokimianya, biochar dapat meningkatkan pertumbuhan tanaman sekaligus menyerap karbon dioksida di atmosfer. Meskipun sifat fisikokimia biochar sangat bervariasi tergantung jenis biomassa yang digunakan sebagai bahan baku dan kondisi pembakaran selama dekomposisi termal, sebagian besar biochar memiliki karakteristik yang sama. Mayoritas biochar memiliki struktur karbon yang sangat aromatik, pH netral hingga basa, dan luas permukaan yang besar. Meta-analisis baru-baru ini menunjukkan bahwa perubahan biochar tanah dapat secara signifikan mengurangi emisi N 2 O yang berasal dari tanah. Selain itu, berbagai penelitian mengungkapkan efek biochar pada kelompok mikroba fungsional yang terlibat dalam proses transformasi nitrogen seperti nitrifikasi dan denitrifikasi.
Nitrifikasi dan denitrifikasi mikroba dianggap sebagai jalur utama produksi N 2 O di tanah alami dan pertanian. Meskipun kedua proses tersebut dianggap menyumbang sebagian besar emisi N 2 O yang berasal dari tanah, proses mikroba lainnya seperti reduksi disimilasi nitrat menjadi amonium (DNRA) atau ko-denitrifikasi diasumsikan memberikan kontribusi yang signifikan terhadap total emisi N 2 O pada kondisi ini. kondisi lingkungan tertentu. Tekanan parsial oksigen, yang sebagian besar dikendalikan oleh kandungan air tanah dan respirasi aerobik, serta ketersediaan senyawa nitrogen merupakan faktor kunci yang mengendalikan produksi dan pelepasan N 2 O. Emisi N 2 O tertinggi sering terjadi pada situasi ketika oksigen terbatas dan kandungan nitrogen mineral tinggi, misalnya setelah hujan deras di tanah yang diberi pupuk. Walaupun kandungan air yang tinggi (hingga saturasi total) pada sebagian besar tanah di daerah beriklim sedang biasanya bersifat sementara, telah terbukti bahwa jumlah N 2 O yang diemisikan pada kondisi ini menyumbang proporsi yang tinggi terhadap total emisi N 2 O tahunan. Tekanan parsial oksigen yang rendah mendorong proses transformasi nitrogen anaerobik seperti denitrifikasi, yang dianggap sebagai proses produksi N 2 O yang umum ketika ruang pori berisi air (WFPS) mencapai 60–90%. Denitrifikasi dilakukan oleh banyak bakteri kemoorganotrofik anaerobik fakultatif dan ketat dan menggambarkan reduksi enzimatik bertahap dari nitrat (NO 3 − ) menjadi dinitrogen (N 2 ). Zat antara wajib adalah nitrit (NO 2 − ), oksida nitrat (NO) dan N 2 O. Enzim yang mengkatalisis reaksi reduksi dikodekan oleh gen fungsional narG dan napA (nitrat reduktase), nirK dan nirS (nitrit reduktase), norB ( oksida nitrat reduktase) dan nosZ (nitrous oksida reduktase). Karena beberapa denitrifikasi tidak memiliki gen nosZ yang berfungsi dan oksida nitrat reduktase sangat sensitif terhadap oksigen dan pH, langkah terakhir denitrifikasi, reduksi N 2 O menjadi N 2 , sering kali terganggu dan N 2 O dilepaskan sebagai produk akhir denitrifikasi. Meskipun N 2 O dapat diproduksi melalui beberapa proses transformasi nitrogen, satu-satunya penyerap N 2 O yang dominan diketahui adalah reduksi mikroba menjadi N 2 melalui oksida nitrat reduktase yang dikodekan nosZ . Oleh karena itu, jumlah N 2 O yang dilepaskan dari tanah sangat bergantung pada aktivitas mikroorganisme pereduksi N 2 O karena reduksi enzimatik N 2 O menjadi N 2 secara langsung mengendalikan emisi N 2 O /( N 2 O + N 2 ) perbandingan. Untuk waktu yang lama reduksi N 2 O dianggap sebagai sifat fungsional yang terbatas pada denitrifier ‘klasik’ . Selain gen nosZ , denitrifikasi ‘klasik’ biasanya juga menampung gen denitrifikasi lain seperti nirK dan nirS dan sebagian besar berafiliasi dengan Proteobacteria . Namun, penelitian terbaru telah memberikan bukti adanya kelompok baru pereduksi N2O yangmengandung mikroorganisme yang lebih beragam secara filogenetik dan fisiologis. Mikroba ini membawa gen nosZ dalam bentuk atipikal dan sekitar setengahnya tidak membawa gen nitrit reduktase. Oleh karena itu, mereka bukanlah denitrifikasi ‘klasik’ dan banyak dari mereka hanya memiliki kemampuan genetik untuk melakukan langkah terakhir denitrifikasi, yaitu reduksi N 2 O menjadi N 2. Terlepas dari jalur produksi N 2 O yang didominasi oleh mikroba, tingginya jumlah pori-pori tanah jenuh air juga secara langsung mempengaruhi difusi molekul N 2 O dari tempat produksi ke permukaan tanah. Jika dibandingkan dengan udara, koefisien difusi N 2 O kira-kira 4 kali lipat lebih rendah di dalam air. Akibatnya, N 2 O dapat tertahan dalam pori-pori berisi air selama beberapa hari dan berdifusi perlahan melalui jaringan pori-pori tanah menuju permukaan tanah yang dapat menyebabkan peningkatan aktivitas reduksi N 2 O karena lamanya waktu tinggal N 2 O. di tanah. Proses perlambatan ini digambarkan sebagai “penjebakan” gas dalam penelitian sebelumnya dan sering terjadi pada tanah dengan kandungan air tinggi.
Menurut penelitian terbaru yang melaporkan lebih rendahnya emisi N 2 O dari tanah yang telah diubah biocharnya, kemungkinan besar penjelasan atas penekanan emisi N 2 O adalah; ( i ) penurunan aktivitas denitrifikasi yang disebabkan oleh biochar yang mengakibatkan tingkat produksi N 2 O yang lebih rendah, (ii) peningkatan reduksi N 2 O mikroba (misalnya dengan peningkatan pH) yang menyebabkan penurunan rasio emisi N 2 O/(N 2 O + N 2 ), atau (iii) kontribusi proses abiotik seperti penyerapan N 2 O menjadi partikel biochar dan reduksi abiotik N 2 O menjadi N 2 oleh senyawa aktif redoks.
English