BAB I. PENDAHULUAN Seperti organisme hidup lainnya, mikroorganisme membutuhkan kondisi tertentu
untuk
tumbuh
dan
bereproduksi.
Pertumbuhan
mikroorganisme
menunjukkan peetambahan protoplasma dan komponen seluler lainnya meliputi proses kimia termasuk asimilasi (anabolisme) dan desimilasi (katabolisme). Hasil dari proses ini disebut metabolisme. Mikroorganisme ini terdiri dari bakteri, mikoplasma, fungi, khamir, protozoa, riketsia, klamidia dan virus. Pembelajaran mengenai bagaimana mikroorganisme, dalam hal ini khususnya bakteri, bagaimana cara mereka tumbuh, bereproduksi, dan mengolah proses metabolisme dalam kehidupannya dipelajari dalam ilmu fisiologi bakteri. Dengan mempelajari fisiologi bakteri,
kita dapat mengetahui berbagai fungsi fungsi
yang berjalan dalam tubuh bakteri sehingga dapat dimanfaatkan untuk membantu manusia membiakkan bakteri yang menguntungkan dan memberantas bakteri patogen dengan cara sedemikian rupa, baik itu pembiakkan bakteri, sampai rekayasa genetika sekalipun. Dengan demikian, dalam makalah fisiologi bakteri ini akan dibahas hal-hal sebagai berikut : 1) Pertumbuhan bakteri, 2) dinamika populasi bakteri, 3) faktor yang memperngaruhi pertumbuhan bakteri, 4) pembiakan bakteri, dan 5) metabolisme bakteri.
BAB II. PEMBAHASAN
FISIOLOGI BAKTERI
2.1 PERTUMBUHAN BAKTERI
2.1.1
Definisi Pertumbuhan Bakteri
Pertumbuhan adalah peningkatan secara teratur jumlah semua komponen suatu organisme. Jadi, peningkatan ukuran yang terjadi ketika sebuah sel mengambil air atau menyimpan lipida atau polisakarida bukanlah pertumbuhan yang sebenarnya. Multiplikasi sel merupakan akibat dari pertumbuhan; pada organisme uniseluler, pertumbuhan mengarah pada suatu peningkatan dalam jumlah individu-individu yang menghasilkan suatu populasi atau kultur. Dengan kata lain, pertumbuhan bakteri tidak seperti pertumbuhan yang diapahami secara umum sebagai proses pertambahan ukuran sel, karena pada dasarnya hal ini tidak dapat mengukur pertumbuhan bakteri. Lebih jauh lagi, dalam pertumbuhan di laboratorium terukur sebagai pertambahan total sejumlah sel atau pertambahan populasi sel.
2.1.2
Pengukuran Konsentrasi Konsentrasi Mikroba
Konsentrasi mikroba dapat diukur dalam istilah konsentrasi sel (jumlah sel yang dapat hidup per volume unit kultur) atau konsentrasi biomasa (berat kering sel-sel per volume unit kultur). Dua parameter ini tidak selalu ekuivalen, karena rata-rata berat kering sel bervariasi pada derajat yang berbeda-beda dalam sejarah suatu kultur. Keduanya memiliki arti yang berbeda; dalam studi-studi genetik mikrobia atau inaktivasi sel-sel, konsentrasi sel merupakan kuantitas yang berarti, dalam studi-studi biokimia atau nutrisi mikrobia, konsentrasi biomassa merupakan kuantitas yang berarti.
a. Konsentrasi sel : jumlah sel yang dapat hidup biasanya diperkirakan sebagai ukuran konsentrasi sel. Namun untuk beberapa maksud kekeruhan kultur diukur oleh rata-rata fotoelektrik, mungkin berhubungan dengan perhitungan sel yang dapat hidup dalam membentuk kurva standar. b. Densitas Biomasa : pada prinsipnya, biomasa dapat diukur secara langsung dengan menentukan berat kering kultur mikrobia setelah kultur mikrobia dicuci dengan air suling. Prosedur ini tidak praktis dan peneliti perlu mengetahui pola kurva standar yang menghubungkan berat kering dengan kekeruhan. Alternatifnya, konsentrasi biomasa dapat diperkirakan secara langsung dengan pengukuran sebuah komponen seluler yang penting seperti protein atau dengan menentukan volume yang ditempati sel-sel setelah suspensi dikocok.
2.1.3
Kurva Pertumbuhan Bakteri
Jika suatu media cair diinokulasi dengan sel-sel mikrobia yang diambil dari kultur yang sebelumnya telah tumbuh sampai jenuh dan jumlah sel yang dapat hidup per mililiter ditentukan secara periodik dan diplot, biasanya akan didapatkan kurva. Kurva akan dibahas dalam beberapa fase berikut.
a. Fase Lag
Fase lag mewakili periode waktu dimana sel kehilangan metabolisme dan enzim sebagai akibat kondisi tidak menguntungkan yang dipertahankan pada akhir sejarah kultur mereka sebelumnya, beradaptasi terhadap
lingkungan
baru
mereka ,
intermediate
dibentuk
dan
berakumulasi hingga mereka sekarang berada pada kondisi yang membolehkan pertumbuhan dilanjutkan kembali. Sel-sel yang diambil dari media yang berbeda, akan sering mengalami ketidakmampuan tumbuh secara genetika dalam media baru. Pada beberapa kasus, lag yang panjang mungkin terjadi, menunjukkan periode yang penting bagi sebagian kecil mutan pada inokulum untuk berkembang biak secukupnya guna peningkatan jumlah sel dalam jaringan.
b. Fase Eksponensial
Selama fase eksponensial, sel berada dalam keadaan yang tetap. Material sel baru disintesis dengan kecepatan konstan, tetapi material baru mengkatalitik dirinya sendiri dan peningkatan massa terjadi secara eksponensial. Hal ini berlanjut sampai satu dari dua hal terjadi; satu atau lebih nutrien dalam medium habis atau akumulasi hasil metabolik toksik dan menghambat pertumbuhan.
c. Fase Stasioner
Kekurangan nutrien atau akumulasi produk toksik menyebabkan pertumbuhan sama sekali berhenti. Pada sebagian besar kasus pergantian sel menempati fase stasioner: dimana terdapat kehilangan sel perlahanlahan melalui kematian yang diimbangi oleh pembentukan sel baru melalui pertumbuhan dan pembelahan. Pada saat hal ini terjadi, jumlah sel total secara perlahan meningkat walaupun jumlah sel yang dapat hidup tetap konstan.
d. Fase Penurunan (Fase Kematian)
Setelah periode waktu pada fase stationer, yang bervariasi pada tiap organisme dan kondisi kultur, kecepatan kematian meningkat sampai mencapai tingkat yang tetap. Matematika kematian pada keadaan yang tetap akan dibahas di bawah ini. Seringkali setelah mayoritas sel mati, kecepatan kematian menurun secara drastis, sehingga sejumlah kecil sel yang hidup akan bertahan selama beberapa bulan atau tahun. Persistensi ini mungkin pada beberapa kasus mencerminkan pergantian sel, sebagian kecil sel tumbuh dengan memakai nutrien yang dilepaskan dan sel yang lain mati dan lisis.
2.2
REPRODUKSI BAKTERI
Bakteri termasuk kedalam kelompok organisme uniseluller.Bakteri akan berkembang biak dengan reproduksi seksual dan aseksual. Pembelahan biner merupakan jenis reproduksi bakteri secara aseksual. Cara reproduksi juga dapat dilakukan pertukaran genetik yang prosesnya seperti konjugasi, transduksi dan transformasi
adalah proses
reproduksi seksual yang utama. Dalam kondisi
optimal bakteri daapt membagi dengan cepat. Bakteri dapat meningkatkan populasi mereka setiap 9,8 menit. Reproduksi bakteri dapat dilihat melalui fase yang berbeda.
2.2.1 Proses Reproduksi Aseksual Bakteri Perkembangbiakan bakteri dengan cara reproduksi aseksual disebut pembelahan biner, karena setiap satu bakteri akan membelah menjadi dua individu. Dalam satu bakteri, kromosom tunggal menggandakan diri. Kemudian, dihasilkan dua kromosom melekat di bagian dalam membran plasma. Sel memanjang dan memisahkan menjadi dua helai. Akhirnya, membran sel tumbuh ke dalam, dinding sel memisah menjadi dua sel anak dengan sebuah kromosom di dalamnya.
Reproduksi Aseksual
Reproduksi Seksual
2.2.2 Proses Reproduksi Seksual Bakteri Cara lainnya adalah cara reproduksi seksual. Reproduksi seksual pada bakteri meliputi: a. Konjugasi adalah proses di mana sel jantan lewat DNA menuju ke sel betina melalui tabung konjugasi. Dalam konjugasi terjadi kontak fisik antara kedua bakteri yang melibatkan transfer informasi genetik dari satu sel bakteri yang lain. Dalam proses ini, satu bakteri menempel pada bakteri lain melalui tabung seperti struktur yang dikenal sebagai pili seks. Bahan genetik tersebut kemudian dipindahkan dari satu bakteri ke bakteri yang lain. b. Transformasi adalah metode lain reproduksi seksual di mana bakteri mengambil DNA dari lingkungan sekitarnya. Dalam hal ini, sebuah fragmen DNA dari donor mati menempel pada dinding sel bakteri hidup. DNA baru kemudian mengikat bakteri penerima dan terjadi rekombinasi genetik. Teknik ini sangat sering digunakan dalam bidang bioteknologi. Ketika suatu plasmid asing diperkenalkan ke dalam bakteri, bakteri akan
menguatkan dan membuat banyak salinan. Salinan plasmid ini kemudian digunakan untuk tujuan eksperimen. c. Transduksi adalah proses di mana bakteriofag membawa DNA dari satu sel ke sel yang lain. Pertukaran DNA bakteri ini melalui virus yang menginfeksi bakteri (bakteriofag) dikenal sebagai Transduksi dan merupakan jenis rekombinasi. Transduksi adalah dua
macam,
tranduksi
umum
dan
transduksi
khusus.
Virus yang menginfeksi bakteri (bakteriofag) menyusup ke dalam genom bakteri ketika menempel pada bakteri. Kemudian, genom virus, enzim, dan komponen virus yang direplikasi dan dirakit di dalam bakteri inang. Bentuk baru bakteriofag kemudian membelah bakteri dan melepaskan virus yang direplikasi.
Selain itu, beberapa bakteri gram positif pada keadaan tertentu membentuk resting cells yang disebut endospora (spora). Pembentukan spora terjadi jika nutrisi esensial yang diperlukan tidak memenuhi kebutuhan untuk pertumbuhan bakteri (sporulasi ). Apabila keadaan menjadi baik kembali atau nutrisi esensial telah terpenuhi maka akanberubah menjadi bakteri lagi ( germinasi ).
Komponen unik bakteri tertentu (contoh
Bacillus
dan
Clostridium )
adalah kemampuannya untuk membentuk endospora. Pada beberapa titik dalam siklus sel vegetatif bakteri pembentukspora, pertumbuhan diistirahatkan dan sel berubah secara progresif mengakibatkan pembentukan endospora. Spora merupakan struktur dorman yang mampu bertahan dalam periode yang lama dan dibantu dengan kapasitas untuk membentuk kembali tahap vegetatif pertumbuhan di bawah kondisi lingkungan yang sesuai. Proses yang dilibatkan dalam sporulasi, juga pemecahan spora dorman dan tahap munculnya sel vegetatif,
menyajikan
suatu
contoh
primitif
dari
diferensiasi
uniseluler .
Pembentukan endospora terjadi selama fase stationer pertumbuhan setelah terjadi penurunan nutrien tertentu dalam medium biakan atau lingkungan. Spora tunggal dihasilkan dalam satu sel vegetatif dan berbeda dari sel induknya dalam hal morfologi dan komposisi, peningkatan resistensi terhadap lingkungan yang merugikan, dan ketiadaan kemampuan mendeteksi aktivitas metabolik. Resistensi spora terhadap panas menjadi perhatian utama dalam bidang kesehatan, tetapi peningkatan resistensi spora terhadap pengeringan, pembekuan, radiasi dan pengrusakan oleh senyawa kimia, merupakan faktor yang sangat penting dalam lingkungan alaminya. Nilai selektif primer spora terletak pada panjang usianya dalam tanah berpasangan dengan kemampuan untuk bergerminasi di bawah kondisi lingkungan yang sesuai.
2.3 Faktor Pertumbuhan Bakteri 2.3.1 Nutrien
Nutrien dibutuhkan oleh setiap organisme untuk memenuhi segala aktivitas seluler di dalam tubuhnya. Nutrien ini akan diserap kedalam sel melalui penyerapan pasif (osmosis dan difusi) dan penyerapan aktif. Setelah diserap ke dalam sel, nutrisi akan digunakan oleh sel melalui proses metabolisme. Nutrien dibagi menjadi dua, yaitu: a. Nutrien essensial ; merupakan nutrien utama yang dibutuhkan untuk pertumbuhan sel. b. Nutrien tambahan/supplement ; merupakan nutrien pelengkap. Nutrien-nutrien yang dibutuhkan bakteri: 1. Air 2. Sumber energi dan donor electron 3. Sumber nitrogen 4. Sumber aseptor electron 5. Mineral 6. Factor tumbuh Nutrien masuk ke dalam sel melalui membrane sel yang bersifat selektif permeable. Nutrien dapat masuk ke dalam sel bila ada kekuatan yang menyebabkan terjadinya pergerakan melalui membrane sel. Kekuatan tersebut dapat berasal dari perbedaan potensi kimia atau kadar nutrien yang ada di luar sel dan di dalam sel. Proses pergerakan tersebut memelukan energi. Proses penyerapan nutrien pada sel dibagi menjadi: o
Penyerapan pasif , yaitu osmosis dan difusi.
o
Penyerapan aktif yang memerlukan energi,
Contohnya: penyerapan laktosa pada E. coli serta penyerapan glukosa pada azotobacter.
1. Air
Merupakan bagian terbesar dari sel, (70-58%), berperan dalam semua proses reaksi kimia sel, dan sumber O2 dari bahan organik sel. Selain itu bertindak juga sebagai pelarut nutrien, sehingga dapat diserap sel serta berfungsi
menyerap
panas
yang
dihasilkan
selama
metabolisme
berlangsung. 2. Sumber Karbon
Kebutuhan jasad renik akan karbon dibagi menjadi dua golongan, yaitu: -
Karbon Anorganik: Karbondioksida, karbonat
-
Karbon Organik: C
Berdasarkan kebutuhan karbon, bakteri dibedakan menjadi: 1. Bakteri Autotrop : bakteri yang menggunakan karbon organik. 2. Bakteri Heterotrop : bakteri yang menggunakan CO2 sebagai sumber karbon satu-satunya untuk tumbuh. 3. Sumber Nitrogen
Nitrogen diserap dalam bentuk organic dan anorganik. Sumber nitrogen organik adalah purin, pirimidin, asam amino, dan protein, sedangkan sumber nitrogen anorganik adalah amoniak (NH3) dan nitrat (HNO3) 4. Sumber Aseptor Elektron Dalam bioenergi, diperlukan aseptor elektron (penerima elektron). Bila aseptor tidak ada maka proses akan terhambat. Contoh aseptor electron: -
Oksigen
-
Senyawa anorganik (Nitrit, Nitrat, Fe3+)
-
Senyawa organik.
5. Mineral
Mineral-mineral yang dibutuhkan oleh bakteri terdiri dari dua kelompok, yaitu: a. Makronutrien: mineral yang dibutuhkan dalam jumlah besar dan diperlukan untuk menyusun bahan-bahan seluler. Contoh: kalium magnesium, kalsium, natrium, besi.
b. Mikronutrien: mineral yang dibutuhkan dalam jumlah kecil, biasanya diperlukan sebagai factor dari beberapa enzim. Contoh: Mn, Co, Zn, Cu, and Mo.
2.3.2
Konsentrasi Ion Hidrogen (pH)
pH adalah ukuran dari ion hidrogen yang aktif dalam suatu larutan atua bisa disebut algoritma negatif dari konsentrasi ion hidrogen. Setiap unit pH merepresentasikan sepuluh kali lipat perubahan dalam konsentrasi ion hidrogen. pH amat mempengaruhi pertumbuhan mikroba. Setiap jenis memiliki jarak pertumbuhan pH dan pertumbuhan pH optimum. Diantaranya adalah asidofil (0 - 5,5), neutrofil (5,5 - 8,0), dan alkalofil (8,5 - 11,5), namun ada juga alkalofil yang memiliji perumbuhan pH maksimum saat 10 atau lebih. Mikroorganisame biasa tumbuh dalam jangkauan pH yang luas dan jauh dari nilai optimumnya, namun ada batas tertentu untuk batas mereka. Perubahan
drastis
dalam
pH
sitoplasma
dapat
menghancurkan
mikroorganisme dengan mengganggu membran plasma atau menghambat aktivitas enzim dan transpor protein membran. Prokariot dapat mati saat pH dibawah 5,0-5,5. Mikroorganisme harus beradaptasi terhadap perubahan pH untuk bertahan. Seperti bakteri, potassium/proton dan sodium/proton dan membenarkan sedikit variasi dalam pH. Jika pH berubah menjadi terlalu asam, mekanisme lainnya akan terhenti. Jika pH turun hingga sekitar 5,56,0, Salmonella typhimurium dan E. coli akan mensintesis protein baru sebagai bagian dari respon toleransi asam mereka. Sering kali mikroorganisme merubah pH lingkungn mereka sendiri dengan memproduksi asam atau produksi metabolis berlebih mereka. Mikroorganisme
yang
terfermentasi
merubah
asam
organik
dari
karbohidrat. Beberapa mikroorganisme membuat lingkuat mereka menjadi lebih alkaline dengan menaikkan amonia melalui degradasi asam amino.
2.3.3
Temperatur
Mikroorganisme,
termasuk
bakteri,
dapat
dikelompokkan
berdasarkan jangkauan temperatur dimana mereka dapat tumbuh dengan baik, yaitu: 1) Psikrofilik;tumbuh pada temperatur yang rendah dengan temperatur
optimum antara 10-150 C dan suhu minimum 2-4 0 C. Organisme ini bertambah banyak dengan lambat pada temperator refrigerator menyebabkan makanan menjadi busuk dalam beberapa minggu. 2) Mesofilik; temperatur optimum untuk mikroorganisme ini adalah 25-
400 C. Banyak organisme mesofilik yang menyebabkan penyakit pada manusia, memiliki jangkauan suhu yang sempit, 35-37 0 C untuk tumbuh. 0
3) Termofilik; mikroorganisme ini tumbuh pada temperatur 50-60 C.
Referensi lain menggolongkan mikroorganisme menurut temperatur tumbuhnya dalam lima jenis sebagai berikut. 1) Psikrofilik, suhu optimalnya < 15 O C, maksimal 20O C 2) Fakultatif psikrofilik, bisa 0 – 7
O
C, optimal 20-30 O C, maksimal
35O C 3) Mesofilik, suhu optimal 20-45
O
C, minimum 15 – 20
O
C,
maksimum sekitar 45O C 4) Termofilik, suhu optimal 55-65 O C, minimal 45 O C 5) Hipertermofilik, suhu optimal 80-113 O C, minimal 55O C
2.3.4
Konsentrasi Oksigen
Dilihat dari kemampuan dapat tidaknya bertahan hidup dengan oksigen, organisme
dibagi
menjadi
dua
golongan,yaitu
organisme
aerob
yang
membutuhkan oksigen untuk kelangsungan hidupnya, dan organisme anaerob yang tidak memerlukan oksigen untuk bertahan hidup. Hampir semua organisme multiselular membutuhkan oksigen untuk pertumbuhannya. golongan-golongan organisme aerob dan anaerob: a.
Obligate aerobes
Berikut adalah
Memerlukan oksigen sebaga i akseptor elektron untuk pembentukkan ATP, contoh: Mycobacterium tuberculosis b.
Facultative anaerobes Tidak membutuhkan oksigen untuk pertumbuhannya tetapi pertumbuhan akan berlangsung lebih baik apabila ada oksigen. Jika terdapat oksigen, pernapasan aerob akan digunakan.
c.
Aerotolerant anaerobes Tidak membutuhkan oksigen sama sekali dalam pertumbuhannya. Meskipun terdapat oksigen di lingkungan sekitarnya, oksigen tidak akan digunakan untuk pertumbuhan. Contoh: Enterococcus faecalis .
d.
Strict or Obligate anaerobes Tidak bisa hidup apabila terdapat oksigen di lingkungannya. Organisme jenis ini memperoleh energi dari proses fermentasi yang diperoleh dari pernapasan anaerob. Contoh: Bacteroides, Fusabacterium, Clostridium pasteurianum, Methanococcus .
e.
Microaerophiles Tidak
bisa
hidup
pada
kadar
oksigen
atmosfir
normal
(20%).
Membutuhkan oksigen pada kadar 2-10% untuk hidup.
2.3.5
Tekanan Osmotik
Pada umumnya mikrobia terhambat pertumbuhannya di dalam larutan yang hipertonis. Karena sel-sel mikrobia dapat mengalami plasmolisa. Didalam larutan yang hipotonis sel mengalami plasmoptisa yang dapat di ikuti pecahnya sel. Beberapa mikrobia dapat menyesuaikan diri terhadap tekanan osmose yang tinggi; tergantung pada larutanya dapat dibedakan jasad osmofil dan halofil atau halodurik. Medium yang paling cocok bagi kehidupan bakteri ialah medium yang isotonik terhadap isi sel bakteri. Jika bakteri di tempatkan di dalam suatu larutan yang hipertonik terhadap isi sel, maka bakteri akan mengalami plasmolisis. Larutan garam atau larutan gula yang agak pekat mudah benar menyebabkan terjadinya plasmolisis ini. Sebaliknya, bakteri yang ditempatkan di dalam air suling akan kemasukan air
sehingga dapat menyebabkan pecahnya bakteri, dengan kata lain, bakteri dapat mengalami plasmoptisis. Berdasarkan inilah maka pembuatan suspense bakteri dengan menggunakan air murni itu tidak kena, yang digunakan seharusnyalah medium cair. Perubahan nilai osmosis larutan medium tidak terjadi dengan cepat, akan tetapi perlahan-lahan sebagai akibat dari penguapan air, maka bakteri dapat menyesuaikan diri, sehingga tidak terjadi plasmolisis secara mendadak.
2.3.6
Konsentrasi Ion
Ion-ion yang dimaksud adalah logam berat seperti Hg, Ag, Cu, Au, Zn, Li, dan Pb. Walaupun pada kadar sangat rendah akan bersifat toksis terhadap mikroorganisme karena ion-ion logam berat dapat bereaksi dengan gugusan senyawa sel. Daya bunuh logam berat pada kadar rendah disebut daya ologodinamik. Anion seperti sulfat tartratklorida, nitrat dan benzoat mempengaruhi kegiatan fisiologi mikroorganisme. Karena adanya perbedaan sifat fisiologi yang besar pada masing-masing mikroorganisme maka sifat meracun dari anion tadi juga berbeda-beda. Sifat meracun alakali juga berbeda-beda, tergantung pada jenis logamnya. Ada beberapa senyawa asam organik seperti asam benzoat, asetat dan sorbet dapat digunakan sebagai zat pengawet didalam industry bahan makanan. Sifat meracun ini bukan disebabkan karena nilai pH, tetapi merupakan akibat langsung dari molekul asam organik tersebut terhadap gugusan didalam sel.
2.3.7
Radiasi (Sinar Gelombang Pendek)
Sinar-sinar yang mempunyai panjang gelombang pendek (misalnya sinar, sinar Ultra violet, sinar gama), mempunyai daya penetrasi yang cukup besar terhadap mikribia. Sinar-sinar tersebut dapat menyebabkan kematian. Perubahan genetik (mutasi) atau penghambatan pertumbuhan mikrobia. Sinar-sinar tersebut banyak digunakan di dalam praktek sterilisasi dan
pengawetan bahan makanan. Kebanyakan bakteri tidak dapat mengadakan fotosintesis, bahkan setiap radiasi dapat berbahaya bagi kehidupannya. Sinar yang nampak oleh mata kita, yaitu yang bergelombang antara 390 m μ sampai 760 m μ, tidak begitu berbahaya; yang berb ahaya ialah sinar yang lebih pendek gelombangnya, yaitu yang bergelombang antara 240 m μ sampai 300 m μ. Lampu air rasa banyak memancarkan sinar bergelombang pendek ini. Lebih dekat, pengaruhnya lebih buruk. Dengan penyinaran pada jarak dekat sekali, bakteri bahkan dapat mati seketika, sedang pada jarak yang agak jauh mungkin sekali hanya pembiakannya sajalah yang terganggu. Spora-spora dan virus lebih dapat bertahan terhadap sinar ultra-ungu. Sinar ultra-ungu biasa dipakai untuk mensterilkan udara, air, plasma darah dan bermacam-macam bahan lainya. Suatu kesulitan ialah bahwa bakteri atau virus itu mudah sekali ketutupan benda-benda kecil, sehingga dapat terhindar dari pengaruh penyinaran. Alangkah baiknya, jika kertas-kertas pembungkus makanan,
ruang-ruang
gedunggedung
bioskop
penyimpan dan
daging,
sebagainya
ruang-ruang
pada
pertemuan,
waktu-waktu
tertentu
dibersihkan dengan penyinaran ultra-ungu. Sinar X dan sinar radium yang bergelombang lebih pendek daripada sinar ultra-ungu juga dapat membunuh mikroorganisme, akan tetapi memerlukan lebih banyak dosis daripada sinar ultra-ungu. Bakteri yang disinari dengan sinar X kerap kali mengalami mutasi. Aliran listrik tidak nampak berbahaya bagi kehidupan bakteri. Jika ada bakteri yang mati karenanya, hal ini di sebabkan oleh panas atau oleh zatzat yang timbul di dalam medium sebagai akibat daripada arus listrik, seperti ozon dan klor (chlor).
2.4 Metabolisme Bakteri Metabolisme didefinisikan sebagai semua reaksi kimia yang terjadi dalam sel. Metabolisme terdiri dari dua proses yang berlawanan yang terja secara simultan.Reaksi tersebut adalah: 1. Sintesis protoplasma dan penggunaan energi yang disebut sebagai Anabolisme.
2. Oksidasi subsstrat diiringi dengan terbentuknya energi disebur dengan Katabolisme.
Bakteri
mendapatkan
energi
melalui
proses
oksidasi-reduksi.
Oksidasi adalah proses pelepasan elektron sedang reduksi adalah proses penangkapan elektron. Karena elektron tidak dapat berada dalam bentuk bebas, maka setiap reaksi oksidasi selalu diiringi oleh reaksi reduksi. Hasil dari reaksi oksidasi dapat terbentuknya energi. Fosforilasi Oksidatif. Pada umumnya reaksi oksidasi secara biologi
dikatalisis oleh enzim dehidrogenase. Enzim tersebut memtransfer elektron dan proton yang dibebaskan kepada aseptor elektron intermedier seperti NAD+ dan NADP+ untuk dibentuk menjadi NADH dan NADPH. Fosforilasi oksidasi terjadi pada saat elektron yang mengandung energi tinggi tersebut ditransfer ke dalam serangkain transpor elektron sampai akhirnya di tangkap oleh oksingen atau oksidan anorganik lainnya sehingga oksigen akan tereduksi menjadi H2O. 1.
Tranfer elektron menuju oksigen melalui berbagai carier seperti
flavoprotein,quinon maupun sitokrom. 2. Adanya tranfer elektron ini mengakibatkan aliran proton (H+)dari sito plasma ke luar sel. Jadi arah aliran adalah dari dalam ke luar. Hal ini akan menimbulkan peredaan konsentrasi proton atau dikenal dengan gradien pH. 3. pH pada umunnya 7,5. Gradien pH terjadi jika pH di luar sel lebih kecil dari 7,5. Selanjutnya gradien pH bersama dengan potensial membenuk protonmotive force. Kekuatan (protonmotive force) inilah yang menarik
proton dari luar sel kembali ke dalam sel. Bersamaan dengan masuknya kembali proton tadi terbentuk energi yang digunakan untuk berbagai aktifitas sel. 4. Para membran terdapat enzim spesifik disebut dengan ATPase. Energi
yang di sebabkan pada saat masuknya kembali proton tadi akan digunakan oleh ATPase untuk forforilasi ADP menjadi ATP. Energi ini disimpan dalam bentuk ikatan fosfat yang selanjutnya dapat di gunakan untuk aktifitas sel. Reaksinya adalah:
Adenosin -P ~ P + Pi. ……energi…… Adenosin- P~ P~ P
Hal yang perlu dimengerti mengenai metabolisme bakteri adalah:
2.4.1 Respirasi
Respirasi didefenisikan sebagai penggunaan serangkaian transfor elektron untuk mentrasnfer elektron menuju aseptor elektron terakhir. Energi diperoleh melalui fosporilasi oksidatif tetapi dalam prosesnya bisa menggunakan oksigen sebagai aseptor elektron terakhir (respirasi aerob) atau senyawa anorganik lain (resfirasi anaerob).
Resfirasi Aerob
Banyak organisma yangn mampu menggunakan oksigen sebagai aseptor elektron terakhir. Dalam hal ini tidak diperlukan reduksi senyawa intermediator sebagaimana dalam permentasi. Hasilnya senyawa-senyawa intermediate tersebut dapat dioksidasi sempurna menjadi karbon dioksida dan air. Ini merupakan keuntungan yang sangat besar bagi organisme akarena jumlah energi yang dihasilkan dari oksidasi sempurna satu molekul glukosa jauh leb besar bila dibandingkan melalui permentasi. Hal ini disebabkan rangka aliran elektron dari NADH ke O2 melalui serangkaian karir Cytocrom menghasilkan 3 ATP. Energi tersebut, bersama dengan energi yang diperoleh dari oksidasi Virupat menjadi asetil COA menghasilkan 36 ATP yang dihasilkan dari metabolisma glukosa menjadi CO2 dan H2O. Jika kita bandingkan dengan dua ATP yang dibentuk dari satu molekul glukosa melalui fermentasi alkohol atau asam laktat, maka metabolisme aerob jauh lebih efesien dibanding dengan fermentasi. Bagaimana Peruvat diubah menjadi CO2 dan H2O dan bagimana prosses tersebut menghasilkan sejumlah besar energi untuk sel ? Hal ini dipenuhi melalui proses degradasi disebut tricarboxylic Acid Cycle (TCA Cycle) atau dikenal dengan siklus asam sitrat maupun siklus Krebs. Setiap kali oksalo asetat bergabung dengan asetil COA yang berasal dari Piruvat masuk kedalam siklus
akan membentuk senyawa 6 karbon yang dikenal dengan asan sitrat sehingga dinamakan siklus asam sitrat. Dalam setiap putaran menghasilkan serangakaian oksidasi menyebabkan terjadinya reduksi NAD atau FAD dan membebaskan 2 molekul CO2. jadi senyawa 6 karbon asam sitrat kembali ke bentuk semula yaitu senyawa 4 karbon oksalo asetat yang siap bergabung kembali dengan asetat / astil COA. Akhirnya semua senyawa NADH dan FADH mengalami posforilasi oksidatif dengan melepaskan elektron melalui serangkain cyticrom ke oksigen menghasilkan air dan 3 molekul ATP untuk setiap pasang elektron dari NADH. Jumlah energi yang diperoleh dari fermentasi dan respirasi dari satu molekul glokosa adalah sebagai berikut : Glikolisis Anaerob / Fosforilasi substrat
2 ATP
Metabolisme Aerob / Fosforilasi oksidatif : Dari glikosis
6 ATP
Metabolisma asrtil COA (2NADH)
6 ATP
TCA cycle; Metabolisma suksinil COA
2 ATP
Oksidasi 6 NADH
18 ATP
Oksidasi 2 FADH
4 ATP
Total Energi
38 ATP
Resfirasi Anaerob
Disamping metabolisma aerob, dan permentasi terdapat metabolisma lain yang pada umumnya bersifat anarob. Akan tetapi mikro organisma tersebut tidak melakukan permentasi. Bakteri tersebut menggunakan senyawa anorganik sebagai aseptor elektron terakhirnya. Organisma tersebut dapat dibagai dalam 3 kelompok yaitu : reduser sulfat, reduser nitrat dan bakteri metan. Yang perlu diingat bahwa, meskipun tipr metabolismenya adalah anaerob, elektron yang dibebaskan melalui reaksi oksidasi ditrasnsfer melalui serangkaian ternasfer elektron dan energi dihasilkan melalui fosforilasi oksidatif. Letak perbedaan antara resfirasi aerob dan
anerob adalah bahwa pada respiriasi anaerob yang berperan sebagai aseptor elektron terkahir adalah senyawa anorganik, bukan oksigen.
Sulfat Reducer
Kelompok bakteri yang mereduksi sulfat adalah desulfofibrio dan desulfhoto maculum yang merupakan bakteri pembentiuk spora. Kedua bakteri tersebut merupakan organisma anaeorob obligat diamana yang berperan sebagai aseptor elektron terkahir adalah sulfat yang mereduksi menjadi sulfit. Reaksnya adalah : SO 4 2- + 8 e- + 8 H+ …………….S2- + H2 O Organisme ini membutuhkan senyawa organik sebagai sumber karbon. Oleh karena itu disebut dengan organisma heterotrop.
Nitrat Reduser
Kebanyakan mikroorganisme yang dapat menggunakan nitrat sebagai aseptor elektron terakhir adapat dikatakan sebagai fakultatif. Jadi dalam keadan anaerob dapat menggunakan nitrat jika tersedia. Jika tidak, mikroorganisma akan melakukan metabolisma aerob ataupun permetasi. Kelompok bakteri ini antara lain; Escherichia, Enterobakter, Bacillus, Pseudomonas, Mikrocoocus dan Rhizobium. mikroorganisam tersebut nmereduksi nikrat menjadi nitrogen bebas. 2NO3 - + 12 e- + 12 H + …………..N2 + 6 H2 0 Proses in disebut dengan Denitrifkasi yang merupakan masalah serius bagi pertanian karena menyebabkan hilangnya nitrat dari tanah. Akan tetapi proses tersebut sangat bermanfaat untuk mengambil nitrogen dari lembah tinja atau lembah yang lain.
Bakteri Metan
Kelompok bakteri ini dapat menggunakan CO2 sebagai aseptor elektron dan mereduksinya manjadi metan. CO2 + 8 e- + 8 H + …………..CH4 + 2 H4O
Organisma ini terdapat dalam usus binatang ruminamsia. Bakteri ini dapat mengahasilakn gas metan sebanyak 60 L setiap hari. 2.4.2
Fermentasi
Organisme
anaerobik
dapat
menghasilkan
energy
melalui
reaksi
fermentasi yang menggunakan bahan organic sebagai donor dan akseptor elektron. Fermentasi adalah proses produksi energi dalam sel dalam keadaan anaerobik (tanpa oksigen). Secara umum, fermentasi adalah salah satu bentuk respirasi anaerobik, akan tetapi, terdapat definisi yang lebih jelas yang mendefinisikan fermentasi sebagai respirasi dalam lingkungan anaerobik dengan tanpa akseptor elektron eksternal. Salah satu contohnya, Streptococcus lactis, bakteri yang menyebabkan masamnya susu, menguraikan glucose menjadi asam laktat, yang berakumulasi di dalam medium sebagai produk fermentasi satu-satunya. Bagaimana terjadinya?
Melalui glikolisis, satu molekul glikose diubah menjadi dua molekul asam piruvat disertai dengan pembentukan dua NADH + H +. Asam piruvat tersebut diubah menjadi
asam
laktat
dalam
reaksi berikut:
Energi
yang
dihasilkan
dari
reaksi ini tidak cukup untuk melangsungkan sintesis ATP. Pada tipe-tipe
fermentasi karbohidrat lainnya, tahap awal disimilase glucose seringkali, tetapi tak selalu, mengikuti glikolisis. Perbedaan dalam tipe-tipe fermentasi biasa terletak pada penggunaan asam piruvat yang terbentuk. Jadi asam piruvat adalah “pusat” fermentasi karbohidrat. Gambar berikut menggambarkan berbagai ragam produk yang dihasilkan dari metabolism asam piruvat.
Kebanyakan bakteri heterofilik menghasilkan beberapa produk akhir dari disimilasi glucose, yang tipe-tipe nya diperlihatkan pada gambar di atas, tetapi kesemua produk ini tidak dihasilkan oleh satu spesies. Melainkan, tipe-tipe yang terdaftar itu merupakan suatu rangkuman dari apa yang dapat diharapkan apabila seseorang menginventarisasikan produk-produk akhir disimilasi glucose yang dapat dihasilkan oleh semua heterotof. Sesungguhnya mikroorganisme dapat dikelompokkan berdasarkan pada produk-produknya fermentasi (kelompok bakteri asam laktat atau bakteri asam propionate, misalnya). Nama-nama tersebut diberikan berdasarkan produk akhir utama fermentasi karbohidrat. Bakteri dikelompokkan menurut produk-produk disimilasi glucose :
Dari sini jelaslah bahwa tidak semua mikroorganisme memetabolisme substrat yang sama dengan cara yang tepat sama. Misalnya, Streptococcus lactis dan Escherichia coli keduanya memfermentasikan glucose, tetapi melalui lintasanlintasan fermentasi yang amat
berbeda,
seperti gambar bawah ini:
bada di
Beberapa makanan hasil fermentasi dan bakteri yang berperan: No.
Nama produk atau Bahan
Bakteri yang berperan
makanan
baku
1.
Yoghurt
susu
2.
Mentega
susu
Streptococcus lactis
3.
Terasi
ikan
Lactobacillus sp.
4.
Asinan buah-buahan
5.
Sosis
buah buahan daging
Lactobacillus
bulgaricus
dan
Streptococcus thermophilus
Lactobacillus sp. Pediococcus cerevisiae
Fermentasi dan bakteri yang terlibat. Ragam produk fermentasi sangatlah banyak dan beragam baik yang berasal dari Indonesia ataupun dari berbagai negara. Tiap produk melibatkan satu atau lebih mikroorganisme.
Apabila lebih dari satu mikrobia maka akan terjadi suatu
kondisi yang saling mendukung untuk menghasilkan produk yang sesuai dengan kebutuhan manusia. Berikut beberapa produk fermentasi dan bakteri yang terlibat di dalamnya dengan beberapa peran yang telah diketahui.
* Fermentasi Asam Asetat Bakteri Acetobacter aceti merupakan baktei yang mula pertama diketahui sebagai penghasil asam asetat dan merupakan jasad kontaminan pada pembuatan wine. Saat ini bakeri Acetobacter aceti digunakan pada produksi asam asetat karena kemampuanya mengoksidasi alkohol menjadi asam asetat.
* Fermentasi Asam Laktat Fermentasi asam laktat banyak terjadi pada susu. Jasad yang paling berperan dalam fermentasi ini adalah Lactobacillus sp. Laktosa diubah menjadi
asam laktat. Kini asam laktat juga digunakan untuk produksi plastik dalam bentuk PLA
* Fermentasi Asam Glutamat Asam glutamat digunakan untuk penyedap makanan sebagai penegas rasa. Mula pertama dikembangkan di Jepang. Organisme yang kini banyak digunakan adalah mutan dari Corynebacterium glutamicum.
* Fermentasi Yogurt Produksi yogurt dimulai dengan kondisioning susu. Kandungan air pada susu mula pertama diturunkan hingga 25% dengan evaporasi vacuum dan ditambahkan 5% susu bubuk. Sebagai tahap akhir kondisioning, susu dipanaskan pada suhu 86 – 930C selama 30 – 60 menit. Hal ini akan menyebabkan beberapa protein mengalami pemecahan dan mikrobia kontaminan akan terbunuh. Setelah itu didinginkan pada suhu 450C dan ditambahkan campuran Streptococcus thermophilus dan Lactobacillus bulgaricus dalam perbandingan 1:1.
* Fermentasi Kefir Kultur starter kefir disebut butiran kefir, mengandung mikrobia yang terdiri dari bakteri dan khamir yang masing-masing berperan dalam pembentukan cita rasa dan struktur kefir. Bakteri menyebabkan terjadinya asam sedangkan khamir menyebabkan terjadinya pembentukan alkohol dan CO2 pada proses fermentasi. Hal inilah yang membedakan rasa yoghurt dan kefir. Komposisi mikrobia dalam butiran kefir dapat bervariasi sehingga hasil akhir kefir kadang mempunyai aroma yang bervariasi. Spesies mikrobia dalam bibit kefir diantaranya Lactocococcus
lactis,
Lactobacillus
acidophilus,
Lactobacillus
kefir,
Lactobacillus kefirgranum, Lactobacillus parakefir. Semua mikrobia yang tersebut tadi mempunyai fungsi dalam pembentukan asam laktat dari laktosa. Lactobacillus kefiranofaciens sebagai pembentuk lender (matriks butiran kefir), Leuconostoc sp. Membentuk diasetil dari sitrat dan Candida kefir pembentuk
etanol dan karbondioksida dari laktosa. Selain itu juga ditemukan Lactobacillus brevis dan khamir (Torulopsis holmii dan Saccharomyces delbrueckii).
* Fermentasi Nata deCoco Nata de coco sebenarnya adalah selulosa murni produk kegiatan mikrobia Acetobacter xylinum. Mikrobia ini dapat merubah gula menjadi selulosa. Jalinan selulosa inilah yang membuat nata terlihat putih. Sebagai makanan berserat, nata de coco memiliki kandungan selulosa ± 2,5 % dan lebih dari lebih dari 95 % kandungan air. Nata de coco memiliki kandungan serat kasar 2,75 %, protein 1,5 – 2,8 %, lemak 0,35 % dan sisanya air
