BAB I PENDAHULUAN A.
LATAR BELAKANG
Mikroorganisme adalah suatu makhluk hidup yang berukuran mikroskopis sehingga untuk melihatnya kita memerlukan suatu alat bantu yang berupa mikroskop. Mikroorganisme ini terdiri atas virus, bakteri, protozoa, dan hewanhewan bersel satu lainnya. Dalam kehidupan sehari-hari, ada mikroorganisme yang merugikan dan menguntungkan yang ada di sekitar kita. Namun, untuk mengetahui secara spesifik apa saja mikroorganisme yang terlibat didalamnya, kita perlu melakukan analisa. Karena tidak semua mikroorganisme memberikan dampak yang sama kepada lingkungannya. Karena inilah, para ilmuwan dapat memperkirakan mikroorganisme apa saja yang ada dari suatu percobaan. Salah satu mikroorganisme yang memiliki banyak pengaruh terhadap kehidupan manusia adalah bakteri. Bakteri memiliki keragaman morfologi dan ekologi. Ditinjau secara definisi bakteri merupakan mikroorganisme dengan struktur intraseluler yang sederhana dan mempunyai daerah penyebaran relatif luas. Bakteri mempunyai ukuran berbeda menurut genusnya dan relatif lebih besar dari virus yaitu antara 0,3-0,5 mikron. Bakteri memiliki ciri-ciri diantaranya sifatnya dapat tumbuh dan bertambah banyak dalam kelompok, berbentuk rantai atau benang dan memiliki koloni yang berwarna dan berkilau. Selain itu bakteri juga memerlukan media untuk tumbuh, sehingga untuk menumbuhkan bakteri tertentu diperlukan media spesifik yang menumbuhkan bakteri tersebut. Di alam bakteri dapat bersifat saprofik, fotosintetik, ototrofik atau parasitik. Berdasarkan hasil pewarnaan gram, bakteri terbagi atas dua yakni bakteri gram negatif (terlihat berwarna pink atau merah) dan bakteri gram positif (terlihat berwarna biru) (Kordi, 2011).
Dalam kegiatan
akuakultur, bakteri dapat memberikan manfaat untuk mendukung peningkatan produksi ataupun sebaliknya menimbulkan berbagai penyakit dan menurunkan produksi. Diantara bakteri yang bermanfaat pada kegiatan budidaya adalah bakteri bakteri nitrifikasi dan denitrifikasi. Di dalam media budidaya, bakteri nitrifikasi sangat bermanfaat untuk mengurai senyawasenyawa kimia berbahaya menjadi senyawa yang bermanfaat untuk kehidupan organisme budidaya. Proses konversi nitrogen amonia menjadi nitrat
1
melibatkan bakteri autrotof. Bakteri autrotof adalah bakteri yang menggunakan sumber energi dari cahaya matahari (photoautotrof) maupun hasil oksidasi bahan anorganik (chemoautotrof). Sumber karbon berasal dari fiksasi dioksida genus Nitrosomonas dan Nitrobacter adalah jenis yang paling memegang peranan penting dalam proses nitrifikasi. Bakteri Nitrobacter adalah bakteri nitrifikasi karena merupakan bakteri yang yang mengubah nitrit menjadi nitrat. Menurut Kusumastuti dkk. (2013) bahwa nitrifikasi merupakan proses oksidasi biologi yang mengubah amonium menjadi nitrat, yang terjadi melalui dua tahapan reaksi. Pada tahap pertama proses
tersebut, terjadi oksidasi amonium NH 4 dari bentuk yang tereduksi sehingga menghasilkan senyawa antara yang lebih teroksidasi yaitu nitrit NO 2 dan
selanjutnya mengubah nitrit menjadi nitrat NO 3 . Bakteri yang berperan pada proses nitrifikasi pada umumnya adalah bakteri genus Nitrosomonas dan Nitrobacter. Bakteri Nitrobacter pada dasarnya berperan dalam tahap nitratasi setelah tahap nitritasi oleh bakteri Nitrosomonas, sehingga perananya bergantung ber gantung pada keberadaan kedua bakteri tersebut. Dari kemampuan kemampuan bakteri Nitrobacter tersebut, maka pemanfaatannya dalam dalam produksi akuakultur sangat penting untuk dikembangkan. Diantaran manfaatya adalah dalam proses pengelolaan kualitas air, penanganan limbah dan pencegahan peningkatan ammonium dalam media pemeliharaan. Oleh sebab itu, penulisan makalah ini untuk meninjau lebih jauh mengenai peranan bakteri nitrifikasi (Nitrobacter) dalam kegiatan akuakultur.
B.
TUJUAN DAN MANFAAT
Tujuan dari penulisan makalah ini adalah untuk memenuhi tugas mata kuliah mikrobiologi perikanan. Adapun manfaat dari penulisan makalah ini adalah tersedianya informasi tambahan untuk menunjang proses akademika yaitu untuk meninjau peranan bakteri khususnya bakteri nitrifikasi (Nitrobacter) dalam kegiatan budidaya perikanan.
2
BAB II PEMBAHASAN
A. Tinjauan Umum Bakteri 1. Klasifikasi Nitrobacter merupakan bakteri nitrifikasi karena merupakan bakteri yang mengubah nitrit menjadi nitrat. Klasifikasi bakteri dari genus Nitrobacter menurut Starkenburg et al. (2006) adalah sebagai berikut: Kingdom
: Bacteria
Phyllum
: Probacteria
Class
: Alpha Probacteria
Order
: Rhizobiales
Family
: Bradyrhizobiaceae
Genus
: Nitribacter
Species
: N. winogradskyi
Gambar 1. Bakteri N. winogradskyi (Sumber: www.lookfordiagnosis.com)
Nitrobacter adalah genus dari sebagian besar bakteri yang berbentuk batang, gram negatif, dan chemoautotrophic. Nitrobacter berperan penting dalam siklus nitrogen dengan mengoksidasi nitrit menjadi nitrat dalam tanah maupun perairan. Tidak seperti tanaman, di mana transfer elektron dalam fotosintesis menyediakan energi untuk fiksasi karbon, Nitrobacter menggunakan energi dari oksidasi ion nitrit,
3
NO 2 , menjadi ion nitrat, NO 3 , untuk memenuhi kebutuhan energi mereka. Nitrobacter melakukan oksidasi menjadi karbondioksida melalui siklus Calvin untuk kebutuhan
karbon
mereka.
Beberapa
sumber
menganggap Nitrobacteraceae
merupakan famili dari genus Nitrobacter . Spesies dalam genus Nitrobacter termasuk N.winogradskyi, N.hamburgensis, N. vulgaris dan N.alkalicus. Nitrobacter merupakan kelompok filogenetis yang masih muda dan genom tersebut terus dilestarikan dalam genus ini. Ada empat spesies yang teridentifikasi dalam genus ini yakni N. winogradskyi, N. hamburgensis, N. vulgaris dan N. alkalicus. Penelitian sebelumnya menunjukkan bahwa gen 16S rRNA memiliki kedekatan diskriminatif yang terbatas dalam genus Nitrobacter dan tidak memungkinkan menjadi alat yang sesuai untuk penentuan filogenetik, meskipun memerlukan lebih banyak data untuk menentukan hasil observasi tersebut. Analisis urutan gen fungsional bisa mengatasi masalah ini, karena protein coding gen bisa menunjukkan keragaman urutan lebih jelas dari gen 16S rRNA (Vanparys et al., 2007). 2.
Karakteristik Bakteri a. Bentuk dan Ukuran
Nitrobacter baik dapat berbentuk batang, berbentuk buah pir atau pleomorfik. Sel biasanya berkembang biak dengan tunas (Holt et al., 1993). Carboxysomes yang berupa karbon dari hasil fiksasi ditemukan dalam sel lithoautotrophically dan mixotrophically yang tumbuh. Pemanfaatan energi inklusi terdapat di granula PHB dan polifosfat. Ketika kedua nitrit dan zat organik masuk, sel-sel dapat menunjukkan pertumbuhan biphasic, pertama nitrit yang digunakan dan setelah fase lag, bahan organik teroksidasi. Pertumbuhan Chemoorganotrophic lambat dan tidak seimbang sehingga lebih terlihat adanya granula hidroksibutirat poli -β- yang mendistorsi bentuk dan ukuran sel. Nitrobacter memainkan
peran
penting
dalam
aquaponics.
Bakteri
Nitrosomonas pertama mengkonversi amonia menjadi nitrit. Nitrobacter mengubah nitrit menjadi nitrat, yang mudah diserap oleh tanaman (Grunditz and Dalhammar, 2001). Spesies Nitrosomonas dan Nitrobacter adalah gram negatif, sebagian besar berbentuk batang, mikroba berkisar antara 0,6-4,0 mikron panjang. Bakteri ini adalah aerob obligat dan tidak dapat berkembang biak atau mengkonversi amonia atau nitrit dalam ketiadaan oksigen. Bakteri nitrifikasi memiliki waktu generasi panjang karena hasil energi rendah dari reaksi oksidasi. Karena sedikit energi yang dihasilkan dari
4
reaksi ini mereka telah berevolusi menjadi sangat efisien dalam mengkonversi amonia dan nitrit. Studi ilmiah telah menunjukkan bahwa bakteri Nitrosomonas sangat efisien dalam mengkonversi ammonia. Sebagian besar produksi energi mereka (80%) ditujukan untuk memanfaatkan CO 2 melalui siklus Calvin dan sedikit energi tetap untuk pertumbuhan dan reproduksi. Akibatnya, mereka memiliki tingkat reproduksi yang sangat lambat.
Gambar 2. N. winogradskyi (Wisconsin-Madison, 2006)
Nitrobacter merupakan bakteri yang sebagian besar berbentuk batang, gram negatif dan chemoautotrophic bakteri. Nitrobacter memiliki ukuran 0,5-0,9 x 1,0-2,0 µm. pertumbuhan litotrof dari bakteri pengoksidasi nitrit cukup ambat. Waktu pembentukan barvariasi mulai dari jam 8 hingga beberapa hari. Pertumbuhan dipengaruhi oleh kondisi substrat, suhu, pH, cahaya dan konsentrasi oksigen. Nitrobacter memiliki peranan penting dalam siklus nitrogen dengan cara mengoksidasi nitrit menjadi nitrat. Bakteri ini memiliki pH optimal antara 7,3-7,5. Bakteri penitrifikasi termasuk ke dalam dua kelompok fisiologi yang berbeda, yang terpenting dari masing-masing kelompok adalah Nitrosomonas yang mengoksidasi amonium menjadi nitrit dan Nitrobacter yang mengoksidasi nitrit menjadi nitrat. Kedua macam bakteri itu berbentuk batang kecil, Gram negatif, tidak membentuk endospora, berflagella polar, dan bersifat aerob obligat 9 (Imas dkk., 1989). Nitrosomonas dan Nitrobacter lebih menjadi perhatian karena adanya pendapat yang
5
menginginkan agar proses nitrifikasi ini perlu dikendalikan sehubungan dengan efisiensi pemupukan N dan pengendalian pencemaran lingkungan (Iswandi, 1989). Salah satu bakteri yang berperan dalam mengoksidasi nitrit menjadi nitrat berasal dari genus Nitrobacter . Genus Nitrobacter ini terdiri atas Nitrobacter alakticus,
Nitrobacter
hamburgensis,
Nitrobacter
vulgaris,
dan Nitrobacter
winogradsky. Nitrobacter sp. diketahui dapat mengoksidasi nitrit oksida (NO)
menjadi nitrat (NO 3 ), kebutuhan sumber karbon diambil melalui proses fiksasi CO 2 . Habitat kelompok bakteri ini tersebar pada air tawar, air laut, serta tanah. Jenis Nitrobacter sp. selnya berbentuk batang pendek, pleomorfik, seringkali berbentuk pears, Gram negatif, dan biasanya non motil (Holt et al., 1994). Selain genus Nitrobacter , genus lain yang mampu mengoksidasi nitrit adalah genus Nitrococcus ( Nitrococcus mobilis merupakan satu-satunya spesies yang termasuk Nitrococcus yang dijumpai hanya di perairan laut), genus Nitrospina ( Nitrospina gracilis), dan Nitrospira (Magdalena, 2009). Oleh karena Nitrobacter adalah bakteri autotrof maka proses nitrifikasi hanya berlangsung bila ada oksigen. Makin tinggi kadar oksigen makin tinggi pula laju proses nitrifikasi. Pada suasana anaerob proses ini akan terhambat. Pada pH yang terlalu tinggi (pH 7.5-8.0) aktivitas bakteri Nitrobacter berkurang sehingga terjadi penumpukan NO 2 karena konversi ke NO 3 tertekan. Tetapi sebaliknya pada pH 7.0 kecepatan konversi NO 2 ke NO 3 melebihi kecepatan konversi NH 4
ke NO 3 (Leiwakabessy et al., 2003).
b. Enzimatik
Oksidasi nitrit dalam Nitrobacter dimediasi oleh enzim oksidoreduktase nitrit (sebelumnya disingkat sebagai NOR, tapi sekarang disebut NXR). Katalitis enzim NXR yang aktif pada N. hamburgensis terdiri dari dua subunit, dikodekan oleh nxrA dan nxrB. Kirstein dan Bock (1993) menunjukkan bahwa gen nxrX diasumsikan mengkodekan peptidil-prolyl cis-trans isomerase yang dapat membantu dalam pembentukan enzim oksidoreduktase nitrit, yang terletak di antara nxrA dan nxrB (selanjutnya mata sebagai cluster gen nxrAXB; Gambar . 2). Enzim NXR dari Nitrobacter yang berbeda spesies memiliki homologi serologi Hasil analisis urutan genom yang lengkap menunjukkan bahwa N. winogradskyi Nb - 255T selain memiliki gen nxrA (nxrA1) dan nxrB (nxrB1) yang terletak di nxrAXB cluster, juga memiliki tambahan gen nxrA (nxrA2) dan nxrB (nxrB2) yang dipisahkan pada titik-
6
titik yang jauh dalam genom. Kedua salinan nxrA sebanyak 94 % dan nxrB 97 %. Saat ini, hanya terbatas pada jumlah sekuens gen nxr yang tersedia dan tidak ada primer yang memperkuat gen ini yang telah dijelaskan dalam literature (Vanparys et al., 2007). c. Kebutuhan Parameter Kimia dan Fisika
Suhu optimal untuk pertumbuhan bakteri nitrifikasi adalah antara 77-86 °F (25-30 °C). Tingkat pertumbuhan akan menurun sebesar 50% pada suhu 64°F (18 °C) dan tingkat pertumbuhan juga akan menurun sebesar 75% pada suhu 46-50 °F. Sedangkan tidak ditemukan adanya kegiatan pada suhu 39 °F (4°C). Bakteri nitrifikasi akan mati pada suhu 32°F (0 °C) dan juga akan mati pada suhu 120 °F (49 °C). Nitrobacter kurang toleran terhadap suhu rendah daripada Nitrosomonas. Dalam sistem air dingin, perawatan harus dilakukan untuk memantau akumulasi nitrit (Holt et al., 1994; Magdalena, 2009). Tidak satupun dari Nitrobacteraceae mampu membentuk spora. Mereka memiliki cytomembrane kompleks (dinding sel) yang dikelilingi oleh matriks lendir. Semua spesies memiliki keterbatasan rentang toleransi dan secara individual sensitif terhadap pH, kadar oksigen terlarut, garam, temperatur, dan bahan kimia penghambat. Tidak seperti spesies bakteri heterotrofik, mereka tidak bisa bertahan hidup setiap proses pengeringan tanpa membunuh organisme. Dalam air, mereka bisa bertahan hidup jangka pendek kondisi buruk dengan memanfaatkan bahan yang disimpan di dalam sel. Ketika bahan-bahan habis, bakteri mati. Bakteri pengoksidasi amonia tergolong Gram negatif yang memiliki bentuk sel batang (panjang 0.6-4 μm), ellipsoid, sferikal, dan spiral. Sel tidak motil dan motil dengan flagella polar sampai subpolar atau peritrik. Semua spesies aktivitasnya berjalan pada kondisi aerobik, temperatur pertumbuhan optimum 25- 30°C, tidak aktif pada suhu 4°C dan pH optimum berkisar 7.5-8.0. berkoloni pada media seperti kerikil, pasir, atau media sintetik lain, memerlukan oksigen untuk mengkonversi senyawa anorganik sebagai sumber energinya, dan memerlukan CO 2 sebagai sumber karbon. Rasio reproduksi sangat lambat (waktu generasi 20- 40 jam) (Holt et al., 1994; Magdalena, 2009). Yoshida (1967) dalam Spotte (1979), menyatakan bahwa pertumbuhan optimum bakteri nitrifikasi dalam air laut pada suhu 27-28°C. Kawai et al. (1979) dalam Spotte (1979), mengatakan aktivitas bakteri nitrifikasi menurun
7
dengan meningkatnya atau menurunnya salinitas di mana bakteri tersebut tetap hidup (ambient salinity). Oksidasi amonia dan nitrit Iebih efisien terjadi pada kondisi aerob. Bakteri Nitrobacter mempunyai lingkungan hidup sebagai autrotrof di dalam air tawar, air payau dan air laut. Genus Nitrobacter selnya berbentuk batang pendek, sering berbentuk beji dengan penutup polar dari cytomembranne (Buchanan dan Gibbons, 1974). Hidup dalam lingkungan kisaran pH 6,5-8,5 dan kisaran suhu 540°C, habitatnya di tanah, air tawar dan air laut. Kemampuan oksidasi oleh bakteri dipengaruhi oleh 6 faktor yaitu: keberadaan senyawa beracun (bakterisida) air, suhu, pH, oksigen terlarut, salinitas dan luas permukaan untuk menempel bakteri (Mc Carty dan Haug, 1971). Bakteri nitrifikasi tumbuh optimum pada suhu 27-280C (Yoshida dalam Spotte, 1979). Aktifitas bakteri nitrifikasi menurun dengan meningkat atau menurunnya salinitas tempat bakteri hidup. Oksidasi amonia dan nitrit lebih efisien pada kondisi aerob (Kawai et al. dalam Spotte, 1979). Bakteri nitrifikasi hidup pada kisaran pH 6.58.5, hidup di habitat tanah, air tawar dan laut (Buchanan dan Gibbons, 1974). Genus Nitrosomonas, dengan sel berbentuk batang lurus dengan membran peripheral, terdapat lamela berbentuk pita. Genus Nitrobacter sel berbentuk batang pendek, sering berbentuk baji dengan penutup polar dari Cytomembrane. d. Reproduksi
Bakteri nitrifikasi mereproduksi dengan pembelahan biner. Dalam kondisi yang optimal, Nitrosomonas mungkin dua kali lipat setiap 7 jam dan Nitrobacter setiap 13 jam. Lebih realistis, mereka akan berlipat ganda setiap 15-20 jam. Ini adalah waktu yang sangat lama mengingat bahwa bakteri heterotrofik dapat dua kali lipat dalam waktu sesingkat sebagai 20 menit. Dalam waktu yang dibutuhkan sel Nitrosomonas tunggal untuk dua kali lipat dalam populasi, bakteri E. Coli tunggal akan menghasilkan populasi melebihi 35 triliun sel. 3.
Habitat dan Penyebaran
Tidak seperti pada tumbuhan, ketika transfer elektron pada fotosintesis menyedisakan energi untuk fiksasi karbon, Nitrobacter menggunakan energi dari oksidasi ion nitrit
(NO 2 ), menjadi ion nitrat (NO 3 )untuk memenuhi kebutuhan
karbonnya. Nitrobacter hidup pada pH optimum antara 7,3 dan 7,5 serta akan mati pada suhu 120°F (49°C) atau di bawah 32°F (0°C). Menurut Grundman et al. (2000) bahwa Nitrobacter tumbuh optimal pada suhu 38°C dan pH 7,9. Akan tetapi, Holt (1993)
8
menyatakan bahwa Nitrobacter tumbuh optimal pada suhu 28°C dan ph antara 5,8-8,5 dan memiliki pH optimal antara 7,6-7,8. Nitrobakter termasuk bakteri aerob, pada umumnya berbentuk batang, seperti pir atau pleomorfhic dan berkembang biak dengan budding. Spotte (1979) menyatakan, bahwa nitrifikasi adalah oksidasi ammonia secara biologis menjadi nitrit dan nitrat oleh bakteri autrotrop. Nitrosomonas sp. dan Nitrobacter sp. adalah kemungkinan genera yang terpenting dari bakteri autrotrop di datam air tawar, air payau dan air laut. Bakteri autrotrop yang melakukan proses nitrifikasi membutuhkan senyawa anorganik sebagai sumber energi dan karbondioksida sebagai sumber karbon. Nitrosomos sp dan Nitrobacter sp. adalah bakteri autrotrop obligat yang tidak dapat mengoksidasi subtrat selain dari pada NH 4 dan NO 2 . Nitrobacter merupakan bakteri Gram negatif dan kemoautotrofik. Nitrobacter merupakan bakteri yang lambat tumbuh seperti Nitrosomonas. Nitrobacter tumbuh pada kisaran pH 7 - 8 dan tumbuh optimal pada kisaran pH 7,3 - 7,5 serta optimal pada suhu 30°C (Bhaskar dan Charyulu, 2005). Bakteri ini mengubah bahan anorganik sebagai sumber energinya. Nitrobacter merupakan bakteri nitrifikasi yang berasosiasi dengan bakteri nitritasi seperti Nitrosomonas dan Nitrosococcus. Bakteri ini memperoleh energi dari mengubah nitrit menjadi nitrat. Proses nitratasi sangat bergantung pada nitrit yang dihasilkan pada proses nitrifikasi. Nitrit yang dihasilkan pada proses nitritasi akan diubah menjadi nitrat oleh Nitrobacter . Hasil akhir dari proses nitrifikasi berupa nitrat yang merupakan senyawa yang mudah diserap oleh tanaman (Grundmann et al., 2000).
B. PROSES NITRIFIKASI
Definisi nitrifikasi di dalam tanah secara umum adalah pengubahan nitrogen secara biologis di dalam tanah dari bentuk tereduksi menjadi bentuk yang lebih teroksidasi atau dengan kata lain oksidasi biologis garam amonium dalam tanah menjadi nitrit dan selanjutnya oksidasi nitrit menjadi nitrat (Rao, 1994). Oksidasi amonia ke nitrat dapat diselesaikan dengan 3 bentuk proses, yaitu proses kimiawi (chemical), proses physicochemical, dan proses biologis (biological chemical) yang merupakan proses yang amat penting. Mengenai proses biologis dari amonia menjadi nitrat sesungguhnya berlangsung melalui 2 tingkatan, yang selanjutnya dikenal sebagai proses nitritasi dan nitratasi (Sutedjo dkk., 1991).
9
Menurut Spotte (1979), nitrifikasi adalah proses oksidasi amonia menjadi nitrit dan kemudian menjadi nitrat secara biologis oleh bakteri autotrof, umumnya berasal dari genus Nitrosomonas sp. dan Nitrobacter sp. yang merupakan genus yang terpenting dari bakteri autotrof. Bakteri autotrof yang melakukan proses nitrifikasi membutuhkan senyawa anorganik sebagai sumber energi dan karbondioksida sebagai sumber karbon. Nitrifikasi melalui dua tahapan reaksi, yaitu tahap pertama oksidasi amonium menjadi nitrit yang dilakukan oleh mikroba pengoksidasi ammonium ( Nitrosomonas sp.), pada tahap kedua oksidasi nitrit menjadi nitrat oleh mikroba pengoksidasi nitrit ( Nitrobacter sp.). Tahapan reaksi yang dilakukan oleh bakteri adalah sebagai berikut (Spotte, 1979):
NH 3 + H 2 O
NH 4 +
NO 2 +
3 2
1
2
O 2
O 2
NH 4 + OH Nitro somo nassp.
Nitro bactersp.
NO 2 + 2H + H 2 O
NO 3
Energi = - 66 Kkal mol N
1
Energi = - 18 Kkal mol N 1
Reaksi tersebut membuktikan bahwa apabila faktor-faktor yang berpengaruh terhadap proses nitrifikasi pada dua tempat yang sama, proses tersebut tetap terhambat jalannya. Ternyata hambatan ini disebabkan oleh populasi mikroba yang berbeda di kedua tempat. Proses nitrifikasi biasanya berlangsung antara pH 5.5 - 10 dengan pH optimum sekitar 8.5, tetapi juga diketahui bahwa nitrat dapat dihasilkan pada tanah dengan pH 4.5 dan terdapat laporan bahwa proses nitrifikasi terjadi pada padang rumput dengan pH 3.8. Nitrifikasi berlangsung lebih lambat dibandingkan dengan pupuk amonium sebab ada pengaruh NH 3 bebas terhadap kegiatan mikroorganisme (Leiwakabessy et al., 2003). Siklus nitrogen adalah proses perubahan nitrogen anorganik menjadi nitrogen organik yaitu amonia (NH 3 ), NO 2 , NO 3 kemudian menjadi nitrogen anorganik lagi. Nitrogen merupakan unsur penting dalam pembentukan asam amino, asam nukleat baik ARN ataupun ADN. Nitrogen adalah komponen gas yang paling banyak terkandung di atmosfer yaitu kurang lebih 80%. Nitrogen yang ada di atmosfer ditemukan dalam bentuk N 2 ,
(gas Nitrogen) disebut sebagai nitrogen anorganik (Setiapermana, 2006). Unsur
nitrogen di alam terdapat dalam bentuk gas, sedangkan di tanah jumlahnya sangat sedikit, namun sangat dibutuhkan oleh tumbuhan dalam jumlah banyak. Nitrogen bersenyawa membentuk urea, protein, asam nukleat atau sebagai senyawa anorganik seperti amoniak, nitrit dan nitrat. Meskipun kebutuhan N 2 sangat penting, namun hanya sedikit organisme 10
yang dapat mengikat N 2 dari udara, yaitu jenis bakteri dan gangang bersel satu yang bersimbiosis dengan tmbuhan tingkat tinggi melalui Fiksasi Nitrogen. Sedangkan tumbuhan lainnya memperoleh senyawa nitrogen melalui suplai N 2 atau daur nitrogen. N 2 diserap oleh tumbuhan dalam bentuk nitrat melalui proses Nitrifikasi yang dibantu oleh bakteri Nitrosomonas, Nitrococcus dan Nitrobacter . Bakteri yang mengoksidasi ammonia menjadi nitrit kemudian menjadi nitrat disebut bakteri nitrifikasi. Sedangkan bakteri denitrifikasi adalah bakteri mampu mengubah nitrit menjadi gas nitrogen yang nantinya gas tersebut akan kembali lagi ke atmosfer dan siap untuk memulai daur lagi (Grundman et al., 2000). Nitrogen merupakan elemen yang sangat esensial, menyusun bermacammacam persenyawaan penting, baik organik maupun anorganik. Nitrogen menempati porsi 1 – 2% dari berat kering tanaman. Ketersediaan nitrogen dialam berada dalam beberapa bentuk persenyawaan, yaitu berupa: N 2 (72%
volume udara), N 2 O, NO, NO 2 , NO 3 dan NH 4 . Di dalam atanah, lebih dari 90% nitrogen adalah dalam bentuk N-organik. Untuk dapat dimanfaatkan oleh makhluk hidup, nitrogen anorganik harus diubah terlebih dahulu menjadi nitrogen organik. Tidak semua makhluk hidup dapat merubah nitrogen anorganik menjadi nitrogen organik. Proses perubahan nitrogen menjadi materi organik hanya bisa dilakukan oleh mikroorganisme prokariota tertentu yang memiliki kemampuan untuk menfiksasi nitrogen menjadi amonia. Serta oleh reaksi nitrogen dengan oksigen atau hidrogen dengan bantuan petir yang menghasilkan senyawa nitrit ataupun nitrat. Amonia serta nitrit atau nitrat yang terbentuk kemudian diserap oleh tumbuhan sebagai bahan pembentuk protein. Ketika ikan memakan tumbuhan tersebut maka nitrogen yang ada dalam tumbuhan tersebut akan berpindah dalam tubuh ikan. Selanjutnya nitrogen dari ikan kembali ke alam melalui sisa hasil ekresi, atau dekomposisi makhluk hidup yang telah mati oleh bakteri pengurai menjadi garam amonium (NH 4 ) dan gas amoniak (NH3) (Suyitno, 2008). Kemudian oleh bakteri Nitrosomonas (bakteri nitrit) amonia diubah menjadi nitrit. Nitrit oleh bakteri Nitrobacter (bakteri nitrat) kemudian akan di ubah menjadi nitrat. Proses perubahan amonia menjadi nitrit dan nitrat disebut sebagai proses Nitrifikasi. Proses terakhir dalam daur nitrogen adalah perubahan nitrit dan nitrat menjadi gas nitrogen yang hanya bisa dilakukan oleh bakteri denitrifikasi. Nitrogen yang kembali ke atmosfer akan mengulang siklus dari awal lagi, begitu seterusnya. Walau sama-sama penting, daur nitrogen lebih kompleks jika dibandingkan dengan siklus karbon ataupun 11
siklus oksigen. Secara umum daur nitrogen atau siklus nitrogen terdiri dari tiga tahapan proses, yaitu:
Tahap pertama adalah proses perubahan gas nitrogen menjadi amonia oleh bakteri fiksasi nitrogen. Fiksasi nitrogen secara biologis dapat dilakukan oleh bakteri Rhizobium yang bersimbiosis dengan tanaman leguminosa. Bakteri yang berperan dalam fiksasi nitrogen antara lain adalah bakteri Azotobacter dan Clostridium. Selain itu ganggang hijau biru dalam air juga memiliki kemampuan memfiksasi nitrogen.
Tahap kedua adalah proses perubahan amonia menjadi nitrit dan nitrat melalui proses nitrifikasi. Amonia diubah menjadi nitrit oleh bakteri nitrit yang disebut bakteri Nitrosomonas. Kemudia nitrit yang terbentuk diubah menjadi nitrat oleh bakteri nitrat yang disebut bakteri Nitrobakter .
Tahap ketiga adalah proses perubahan nitrit dan nitrat menjadi nitrogen kembali melalui proses denitrifikasi. Nitrosomonas menguraikan ammonia menjadi nitrit, yang merupakan senyawa
beracun bagi ikan. Nitrit menjadi makanan bakteri Nitrobacter dan menghasilkan senyawa Nitrat. Melihat keterkaitannya, lumrah jika menemukan kedua bakteri ini bersama dalam kolam. Walaupun berbahaya, ikan masih mampu bertahan dengan kadar Nitrit dua kali kadar ammonia. Inilah yang dimaksud siklus nitrogen atau lazim disebut proses nitrifikasi. Ikan melakukan respirasi dan bersekresi membuang kotoran yang mengandung ammonia. Begitu juga sisa pakan, kotoran di dasar kolam, atau ikan mati yang lama tidak diangkat. Semuanya memberikan kontribusi terhadap peningkatan kadar ammonia dalam kolam. Ammonia diuraikan Nitrosomonas menjadi nitrit. Siklus berikutnya adalah Nitrobacter yang mengkonversi nitrit menjadi nitrat. Pada bagian akhir, nitrat diserap tumbuhan air atau menguap setelah melalui proses oksidasi dipermukaan air (Setiapermana, 2006).
12
Nitrogen Cycle
N 2 Denitrification
Fertilizer Factory
Fixation (lightning)
N fixing bacteria Bacteria in Nodules
Nitrate Bacteria Animals
Plants
NO 3 NO 2
Decay and waste Nitrite Bacteria
NH 4
Decomposers
Gambar 3. Siklus Nitrogen
Total nitrogen biasanya disebut sebagai Total Kjeldahl Nitrogen (TKN). TKN terdiri dari bahan organik (protein, asam nucleic, urea) dan anorganik (NH 4 ). Jika kadar amoniak di perairan meningkat dan disusul dengan penurunan kadar oksigen terlarut, maka secara langsung akan menyebabkan kondisi hipoksia bahkan anoksia. Hipoksia merupakan kondisi dimana oksigen menurun dan akan menyebabkan gangguan fisiologi pada ikan budidaya, seperti ikan akan tidak aktif/lemas, terjadi penurunan nafsu makan dan selalu berenang kepermukaan. Jika kondisi demikian terus terjadi, maka akan menyebabkan kematian pada ikan. Oleh sebab itu kehadiran bakteri nitrifikasi akan mempengaruhi kadar oksigen terlarut dalam perairan. Umum diketahui bahwa bakteri nitrifikasi merupakan chemolithoautotrophic bacteria (ex: Nitrosomonas, Nitrobacter ), yang mampu memenuhi kebutuhan karbonnya melalui fiksasi CO 2 (siklus Calvin), serta sumber energinya berasal dari proses oksidasi reduksi amonia menjadi nitrat. Namun beberapa strain dari bakteri pengoksidasi nitrit (nitrit oxidizing bacteria) memiliki kemampuan untuk melakukan metabolisme heterotrof dengan menggunakan
13
substrat karbon sederhana (Ward, 2000). Beberapa bakteri denitrifikasi, heterotrof, dan fungi memperlihatkan kemampuan nitrifikasi heterotrof (Ward, 2000). Oleh karenanya Alexander (1999) mendefinisikan proses nitrifikasi sebagai proses konversi nitrogen baik itu dalam bentuk organik maupun anorganik, yang melibatkan proses oksidasi dan reduksi. Nitrifikasi heterotrof memiliki reaksi oksidasi yang berbeda dengan bakteri nitrifikasi autotrof, termasuk reaksi yang melepaskan nitrit dan nitrat yang berasal dari dekomposisi nitrogen organik. Diduga bakteri nitrifikasi heterotrof memiliki mekanisme enzim yang berbeda dengan bakteri nitrifikasi autotrof (Wehrfritz et al., 1993 dalam Ward, 2000). Selain itu nitrifikasi heterotrof juga memiliki mekanisme pembentukan energi yang berbeda dengan bakteri nitrifikasi autotrof (Castignetti, 1990 dalam Ward, 2000). Nitrifikasi heterotrof tidak memberikan kontribusi yang besar dalam mengkonversi amonia menjadi nitrit dan nitrat (Atlas dan Bartha, 1981). Walaupun bakteri nitrifikasi heterotrof tidak efisien dalam mengkonversi amonia, namun jumlahnya yang banyak akan mempengaruhi laju sintesis nitrat (Alexander, 1999). Perbandingan laju nitrifikasi oleh bakteri nitrifikasi autotrof dan heterotrof dapat dilihat pada Tabel 1. Tabel 1. Laju Nitrifikasi beberapa bakteri Organisme
Substrat
Produk
Laju Perubahan
Akumulasi Produk
(Rate of F ormation)
(max. product accumulation)
gN/day/g
Arthrobacter
dry cells
gN/ml
NH 4
Nitrit
375 – 9000
0.2 – 1
NH 4
Nitrat
250 – 650
2 – 4.5
NH 4
Nitrat
1350
75
NH 4
Nitrit
1 – 30 million
2000 – 4000
NO 2
Nitrat
5 – 70 million
2000 – 4000
(heterotrof)
Arthrobacter (heterotrof)
Aspergillus (heterotrof)
Nitrosomonas (autotrof)
Nitrobacter (autotrof)
Proses konversi nitrogen amonia menjadi nitrat melibatkan bakteri autrotof. Bakteri autrotof adalah bakteri yang menggunakan sumber energi dari cahaya matahari (photoautotrof) maupun hasil oksidasi bahan anorganik (chemoautotrof). Sumber karbon
14
berasal dari fiksasi dioksida genus Nitrosomonas dan Nitrobacter adalah jenis yang paling memegang peranan penting dalam proses nitrifikasi (Metcalf dan Eddy, 2003). Pada kebanyakan autotrof adalah bahwa tidak ada NAD dan NADP yang ikut serta selama proses oksidasi sumber energi. Untuk memperoleh NADH2 atau NADPH2 yang diperlukan untuk fiksasi karbon dan biosintesa, organisme ini menggunakan proses kebalikan transport elektron. Pada proses ini yang terjadi adalah sebagaian ATP yang dihasilkan sel harus dipergunakan menjadi bentuk NADH2. Proses nitrifikasi yang dilaksanakan oleh organisme autotrof dan berlangsung dalam dua tahap, yaitu : 1. Tahap nitritasi, yaitu tahap oksidasi ion ammonia (NH4+) menjadi ion nitrit (NO2-) dan dilaksanakan oleh bakteri Nitrosomonas dengan reaksi sebagai berikut : 2 NH 4
+ 3O 2
NItroso monan
2NO 2
+ 2H 2 O + 4H
∆Gram = - 64.8
Kcal/mol
2. Tahap nitratasi, yaitu tahap oksidasi ion nitrit menjadi nitr at NO 3
dan
dilakukan oleh Nitrobacter dengan reaksi :
2NO 2 + O 2
Nitroba cter
2NO 3
∆Gram = -18.1 Kcal/mol
Proses nitrifikasi juga dipengaruhi oleh berbagai faktor, adapun faktorfaktor tersebut adalah sebagai berikut: Tabel 2. Faktor yang mempengaruhi nitrifikasi
Parameter
Keterangan
Nitrifikasi mengkonsumsi oksigen dalam jumlah yang besar. Dissolved Oxygen (DO)
Bakteri nitrifikasi membutuhkan 4.6 mg O 2 untuk mengoksidasi 1 mg ammonia. Untuk dapat bekerja bakteri nitrifikasi membutuhkan DO minimal 2 mg/L Bakteri nitrifikasi akan kalah berkompetesi dengan bakteri heterotrof dalam perebutan DO dan nutrien. Oleh karenanya
Kandungan BOD
agar proses nitrifikasi dapat mengambil alih, makaBOD terlarut harus dikurangi hingga nilainya turun menjadi 20 – 30 mg/L untuk mengurangi kompetisi tersebut.
Ph
pH ideal untuk bakteri nitrifikasi adalah 7.5 – 8.5, tetapi bakteri masih dapat beradaptasi pada pH diluar kisaran.
15
Suhu
20 - 35° C, proses nitrifikasi akan melambat drastis pada suhu dibawah 5°C Bakteri nitrifikasi sensitif terhadap pencemar (ex : logam berat).
Rentan terhadap toksin
Bakteri nitrifikasi menjadi yang pertama mati jika ada pencemaran.
Denitrifikasi merupakan proses dimana nitrat dan nitrit direduksi menjadi gas N 2 yang pada akhirnya dilepas dari kolom air. Denitrifikasi ini merupakan proses penting untuk mengatur N (Keeney et al., 1971). Menurut Woon (2007) proses denitrifikasi berlangsung dalam beberapa tahap, yaitu : Nitrat → Nitrit → Nitric oxide → Nitrous oxide → Dinitrogen gas Salah satu produk gas pada proses denitrifikasi adalah gas N 2 O (nitrous oksida). Gas tersebut berpengaruh negatif terhadap lingkungan, yaitu sebagai salah satu penyebab terjadinya efek rumah kaca (pemanasan global). Secara alamiah gas tersebut diemisikan dari ekosistem perairan sungai, estuarin, dan daratan. Perairan sungai memberikan sumbangan sebesar 55%, estuarin 11%, dan daratan sebesar 33%. Laju denitrifikasi akan meningkat dengan meningkatnya kandungan nitrat pada sedimen (Widiyanto, 2005).
C. PERANAN Nitrobacter PADA AKUAKULTUR
Sebagaimana diketahui bahwa bakteri Nitrobacter berperan penting dalam proses nitrifikasi di alam. Dalam peranannya tersebut, maka beberapa penelitian terkait pemanfaatan bakteri ini terus dikembangkan, salah satu diantaranya pemanfaatan bakteri Nitrobacter pada lingkungan akuakultur, berikut ini beberapa peranan b akteri tersebut: 1. Pengelolaan Senyawa Amoniak
Salah satu aspek yang paling penting, dan paling sedikit dipahami dalam mengelola wadah budidaya adalah penggunaan bakteri dalam filtrasi biologis atau pengelolaan limbah. Permasalahan dari limbah budidaya yang sering ditemukan adalah timbulnya kematian atau yang dikenal sebagai “New Tank Syndrome” akibat keracunan senyawa-senyawa amoniak (NH 3 ) yang berasal secara umum dari pakan yang berlebihan, dekomposisi jaringan hewan atau tumbuhan, aktifitas ekresi ikan dan mineralisasi limbah ikan oleh bakteri. Efek keracunan pada ikan diantaranya adalah kerusakan jaringan terutama pada insang dan ginjal, ketidakseimbangan fisiologis, terganggunya pertumbuhan, penurunan resistensi terhadap penyakit dan kematian. 16
Selain keracunan amoniak, keracunan nitrit juga dapat menghambat penyerapan oksigen oleh sel darah merah. Dikenal sebagai penyakit darah coklat, atau methemoglobinemia,
hemoglobin
dalam
sel
darah
merah
diubah
menjadi
methemoglobin. Masalah ini jauh lebih parah pada ikan air tawar daripada ikan air laut. Kehadiran ion klorida (Cl) tampaknya menghambat akumulasi nitrit dalam aliran darah. Amonia merupakan produk akhir utama penguraian protein pada ikan. Ikan akan mencerna protein dalam pakan dan mengekskresikan amonia melalui insang dan feses. Amonia pada lingkungan budidaya juga berasal dari proses dekomposisi bahan organik seperti sisa pakan, alga mati dan tumbuhan akuatik (Duborow et al., 1997).
Terdapat 2 bentuk amonia di air, yaitu yang terionisasi (amonium, NH 4 ) dan yang tidak terionisasi (amonia, NH 3 ). Amonia yang tidak terionisasi berbahaya bagi organisme akuatik, karena bersifat toksik (Masser et al., 1999). Nilai NH 3 tergantung pada nilai pH dan suhu perairan (Van Wyk dan Scarpa, 1999; Masser et al., 1999; Boyd, 1982). Semakin tinggi suhu dan pH air, persentase NH 3 semakin tinggi (Boyd, 1990). Konsentrasi amonia yang tinggi di dalam air akan mempengaruhi permeabilitas ikan oleh air dan mengurangi konsentrasi ion di dalam tubuh. Amonia juga meningkatkan konsumsi oksigen di jaringan, merusak insang, dan mengurangi kemampuan darah untuk mengangkut oksigen (Boyd, 1982). Amonium digunakan sebagai sumber nitrogen oleh fitoplankton, alga, tumbuhan air, dan golongan bakteri yang dikenal sebagai bakteri heterotrof. Diduga bakteri menggunakan amonium dalam
jumlah
yang
signifikan
dalam
kolam
budidaya.
Beberapa
studi
mengindikasikan bakteri heterotrof menggunakan hampir 50% total amonium dalam air. Bakteri heterotrof tidak hanya menggunakan amonium sebagai sumber nitrogen, tetapi juga sisa pakan dan hasil ekskresi organisme akuatik (Montoya dan Velasco, 2000). Toksisitas amonia pada udang tergantung pada umur udang. Post larva dan juvenil udang lebih rentan terhadap toksisitas amonia dibandingkan dengan udang yang berukuran besar atau dewasa. Lethal concentration (LC50) dari NH 3 adalah 0.2 mg/l untuk post larva dan 0.95 mg/l untuk udang yang berukuran 4.87 gram. Kesehatan dan pertumbuhan udang tidak terpengaruh pada konsentrasi am onia kurang dari 0.03 mg/l, tetapi pemaparan yang berlangsung secara intensif pada konsentrasi sublethal akan berdampak buruk pada udang, laju pertumbuhan akan turun dan konversi pakan (FCR) akan meningkat (Van Wyk dan Scarpa, 1999).
17
Sisa-sisa pakan dan kotoran terurai menjadi nitrogen dalam bentuk NH 3 terlarut. ElFAC (European Inland Fisheries Advisory Comision) dalam Boyd, 1991) menyatakan bahwa kadar NH 3 0,2-2,0 mg/l dalam waktu yang singkat sudah bersifat racun bagi ikan. Senada dengan hasil percobaan yang dilakukan di beberapa di laboratorium, NH 3 yang membahayakan bagi ikan dan mematikan dengan kadar 0,22,0 mg/l NH 3 (Alabaster dan Lloyd, 1980). Sedangkan menurut Pescod (1973), kandungan amonia harus Iebih kecil dari 1,0 mg/l. Menurut Boon et al. dalam Hariati (1989), tingkat kejenuhan nitrogen dalam gas (ammonia dan nitrit) dapat menyebabkan gas bubble disease bagi anak-anak ikan. Pengaruh utama nitrit adalah perubahan di dalam transfer oksigen, oksidasi persenyawaan penting dan rusaknya jaringan organ respirasi. Toksisitas nitrit dapat dikurangi dan dihambat dengan adanya ion klorida (Masser et al., 1999). Jika konsentrasi ion klorida dalam air besarnya 6 kali dari konsentrasi nitrit, maka nitrit tidak akan ditransportasikan ke dalam insang sehingga toksisitas nitrit dapat dicegah. Oleh karena itu nitrit akan lebih toksik pada salinitasnya rendah. Toksisitas nitrit dipengaruhi oleh spesies, ukuran, serta salinitas. LC50 udang vaname lebih rendah dibandingkan udang windu (Van Wyk dan Scarpa, 1999).
Gambar 4. Proses microbial di wadah budidaya Peranan bakteri Nitrobacter adalah dengan mengurangi peningkatan senyawa amoniak dan nitrit di perairan dengan bantuan bakteri Nitrosomonas.
18
Bakteri nitrifikasi diklasifikasikan sebagai chemolithotrophs obligat . Ini berarti bahwa bakteri harus menggunakan garam anorganik sebagai sumber energi dan umumnya tidak dapat memanfaatkan bahan organik. Bakteri ini harus mengoksidasi amonia dan nitrit untuk kebutuhan energi mereka dan menggunakan karbon dioksida anorganik (CO 2 ) untuk memenuhi kebutuhan karbon bakteri. Sebagian besar non-motil dan harus menjajah permukaan (kerikil, pasir, biomedia sintetik, dll) untuk pertumbuhan yang optimal. Bakteri nitrifikasi juga mengeluarkan lendir lengket matriks yang digunakan untuk menempel. Berkuranganya senyawa amoniak di perairan budidaya tidak hanya berpengaruh pada terhindarnya efek syndrome tank yang sebelumnya dijelaskan, namun lebih lanjut diungkapkan oleh Mark (2004) dan Metcalf-Eddy (2003) bahwa pada proses nitrifikasi diperlukan karena: a. Air limbah yang banyak mengandung N organik cenderung merangsang pertumbuhan algae yang pada akhirnya akan menimbulkan eutrophikasi di perairan. Sehingga nitrogen yang ada harus diremoval agar tidak terjadi “Eutrophkasi” pada permukaan air. b. Adanya nitrifikasi akan menyebabkan turunnya konsentrasi oksigen terlarut (DO), hal ini disebabkan pada setiap tahap reaksi dalam nitrifikasi akan mengkonsumsi DO. Ammonia yang terkandung dalam air limbah akan mempengaruhi konsentrasi Dissolve Oksigen (DO) dan bersifat racun terhadap ikan c. NH 4 juga bersifat toxic terhadap kehidupan air. 2. Biodegradasi Limbah Tambak
Peningkatan volume produksi tambak dari tahun ketahun dan diikuti dengan peningkatan luas tambak udang, bandeng maupun ikan lainnya di Indonesia baik itu tambak udang intensif, semi intensif maupun tambak tradisional telah meningkatkan jumlah limbah akuakultur. Peningkatan intensitas limbah ini menimbulkan masalah terhadap penurunan kualitas air pesisir akibat beban limbah tambak yang cukup tinggi. Perairan pesisir dimana terdapat kegiatan budidaya tambak secara visual telah memperlihatkan kekeruhan yang tinggi dan dikhawatirkan akan berdampak negatif terhadap kelangsungan perikanan pesisir dan kegiatan budidaya itu sendiri. Kekeruhan ini umumnya disebabkan tingginya kadar padatan total tersuspensi (TSS) dalam air. Kadar TSS yang tinggi di perairan pesisir
19
akan menimbulkan kekeruhan air yang dapat menimbulkan dampak negatif berupa penurunan produktivitas perairan akibat gangguan fotosintesis dalam air, mengganggu pernafasan ikan akibat penutupan insang, dan gangguan visual ikan yang menyebabkan ikan beruaya (Koesoebiono, 1996). Berdasarkan kajian Widigdo (2002), setiap hektar tambak intensif menghasilkan limbah TSS sebesar 2.46 ton per musim tanam. Kondisi demikian akan memperburuk produksi akuakultur dan dampat berdampak pada penurunan kualitas dan kuantitas hasil produksi. Menurut Sitorus, dkk. (2005) bahwa menanggapi masalah limbah budidaya, maka proses oksidasi bahan organik membentuk senyawa nitrat sangat tergantung kepada kemampuan mikroba nitrifikasi yang ada di perairan pesisir. Oleh sebab itu, keberadaan bakteri paling efektif digunakan untuk membentuk nitrat dalam biodegradasi limbah tambak. Berdasarkan hasil penelitian yang dilakukan Sitorus, dkk. (2005) bahwa Laju nitrifikasi dalam limbah tambak berkisar antara 0.0059 – 0.0089 ppm/hari. Laju tertinggi terjadi pada perlakuan T2 (TSS 200 ppm, OSS 147.30 ppm, amonia 0.22 ppm) dan terendah pada perlakuan T0 (TSS 100 ppm, OSS 58.20, amonia 0.19 ppm). Laju nitrifikasi oleh setiap jenis bakteri dalam media limbah tambak steril berkisar antara 0.004 - 0.007 ppm/hari, dengan efektivitas nitrifikasi rata-rata 72.02%, atau kontribusi jenis bakteri lain sebesar 27.98%. Sedangkan Jenis bakteri yang paling efektif membentuk nitrat dalam media percobaan adalah Nitrococcus sp. untuk perlakuan T0 (kontrol) dan T1, Nitrospira sp. untuk perlakuan T2 dan T3 dan Nitrobacter sp. untuk perlakuan T4 dan T5. Efektivitas tertinggi terdapat pada bakteri Nitrospira marina. Tabel 3. Perbandingan efektivitas bakteri nitrifikasi Perlakuan
Laju Nitrifikasi ( ppm/hari) Percobaan I
T0
T1
T2
T3
0.00 59
0.0065
0.0089
0.0083
Efektivitas ( % )
Percobaan II
0.0039 ( Nitrococcus aseanus) 0.0046 ( Nitrococcus mobilis) 0.0069 ( Nitrospira marina) 0.0062 ( Nitrospira marina)
20
66.67
71.43
77.78
75.00
T4
0.0078
T5
0.0072
0.0056 ( Nitrobacter winogradskyi) 0.0050 ( Nitrobacter vulgaris)
71.80
69.44
Rata – rata :72.02%
Dengan tingkat efektivitas rata-rata sekitar 72%, dapat dinyatakan setiap jenis bakteri nitrifikasi tersebut mempunyai kemampuan yang cukup baik dalam proses nitrifikasi limbah tambak di perairan pesisir. Oleh sebab itu, jenis bakteri tersebut potensial untuk dikembangkan sebagai probiotik dalam pengendalian limbah organic tambak di perairan pesisir.
3. Penambahan Pada Pakan Ikan
Salah satu bentuk nitrogen anorganik adalah amonia yang bersifat toksik pada udang. Konsentrasi amonia yang tinggi menyebabkan iritasi pada insang udang dan meningkatkan konsentrasi amonia dalam darah. Hal tersebut dapat mengurangi afinitas pigmen darah (hemocyanin) untuk menangkap oksigen. Pada akhirnya konsentrasi amonia yang tinggi akan mengurangi kemampuan udang untuk mentolerir kondisi oksigen rendah (Van Wyk dan Scarpa, 1999). Menurut Yuniasari (2009) bahwa Penambahan bakteri nitrifikasi dan denitrifikasi dapat mempengaruhi profil pH, dissolved oxygen (DO), amonia, nitrit dan nitrat pada media pemeliharaan. Namun demikian kualitas air yang digunakan selama pemeliharaan ikan masih berada dalam kisaran toleransi khususnya untuk pengujian pada udang vaname. Persentase perubahan amonia yang paling baik dimiliki oleh perlakuan penambahan bakteri + molase C/N rasio 10, diikuti dengan perlakuan penambahan bakteri+molase C/N rasio 20 dan bakteri + molase C/N rasio 15 dengan nilai penurunan sebesar 28.5%, 13.9% dan 7.2%. Perlakuan penambahan bakteri + molase pada C/N rasio 10 memberikan hasil yang terbaik dibanding dengan kontrol dan perlakuan yang lain, dengan kelangsungan hidup sebesar 94.44%, efisiensi pakan 120.86%, serta la ju pertumbuhan panjang dan bobot sebesar 6.05% dan 20.37%. Konsentrasi nitrogen anorganik dapat dikontrol melalui penambahan bahan berkarbon. Dalam prosesnya untuk mengontrol nitrogen anorganik, proses penambahan bahan berkarbon juga menghasilkan protein mikrobial yang dapat digunakan sebagai sumber protein bagi udang.
21
7
) % ( g n a j n a p n a h u b m u t r e p u j a L
6.05 6 5
5.93 5.49
4.82
5.1
4.88
4 3 2 1 0 K
Keterangan : K
[0]
[10]
[15]
[20]
[25]
= Kontrol (tanpa penambahan bakteri maupun molase)
[0]
= Penambahan bakteri tanpa molase
[10]
= Penambahan bakteri + molase C/N rasio 10
[15]
=Penambahan bakteri + molase C/N rasio 15
[20]
= Penambahan bakteri + molase C/N rasio 20
[25]
= Penambahan bakteri + molaseC/N rasio 25
Gambar 5. Laju Pertumbuhan udang vaname dengan penambahan bakteri
Penambahan molase, bakteri nitrifikasi dan denitrifikasi memberikan pengaruh yang nyata terhadap laju pertumbuhan panjang dan bobot udang vaname selama masa pemeliharaan. Laju pertumbuhan panjang udang vaname berkisar antara 4.47 – 6.5%. Bakteri nitrifikasi dan denitrifikasi memiliki respon yang berbeda terhadap keberadaan oksigen pada media pemeliharaan. Bakteri nitrifikasi merupakan bakteri aerobik (Novotny dan Olem, 1994), sehingga dalam prosesnya selalu membutuhkan oksigen. Hal ini juga dapat dilihat pada persamaan reaksi (1) dimana bakteri nitrifikasi membutuhkan oksigen untuk dapat mengubah NH
4
menjadi NO 3 .
Ripple (2003) menyatakan bakteri nitrifikasi membutuhkan 4.6 mg/l oksigen untuk dapat mengoksidasi 1 mg amonia. Dan untuk dapat bekerja bakteri nitrifikasi membutuhkan DO minimal 2 mg/l. Bakteri denitrifikasi dalam prosesnya tidak membutuhkan oksigen. Hal ini dapat terlihat dari persamaan reaksi (2). Lingkungan yang tepat bagi bakteri denitrifikasi adalah lingkungan dengan kandungan oksigen
22
rendah atau tidak ada oksigen (Woon, 2007). Kualitas air yang baik merupakan salah satu syarat keberhasilan budidaya. Kualitas air yang buruk akan menyebabkan stres, pertumbuhan lambat, serta meningkatkan serangan penyakit dan kematian pada organisme budidaya. Masalah utama dalam manajemen kualitas air adalah adanya akumulasi amonia dan nitrit yang merupakan hasil ekskresi dan dekomposisi limbah kaya nitrogen (Avnimelech et al., 1994). Pemberian bakteri nitrifikasi dan denitrifikasi akan mempengaruhi keberadaan amonia, nitrit, dan nitrat dalam media pemeliharaan.
23
BAB III KESIMPULAN
Berdasarkan kajian pustaka dan hasil pembahasan diatas, maka dapat disimpulkan bahwa bakteri Nitrobacter adalah bakteri nitrifikasi karena merupakan bakteri yang mengubah nitrit menjadi nitrat. Sedangkan nitrifikasi merupakan proses oksidasi biologi yang mengubah amonium menjadi nitrat, yang terjadi melalui dua tahapan reaksi. Pada tahap pertama proses tersebut, terjadi oksidasi amonium NH 4 dari bentuk yang tereduksi sehingga
menghasilkan senyawa antara yang lebih teroksidasi yaitu nitrit NO 2 dan selanjutnya
mengubah nitrit menjadi nitrat NO 3 . Bakteri yang berperan pada proses nitrifikasi pada umumnya adalah bakteri genus Nitrosomonas dan Nitrobacter . Bakteri Nitrobacter pada dasarnya berperan dalam tahap nitratasi setelah tahap nitritasi oleh bakteri Nitrosomonas, sehingga perananya bergantung pada keberadaan kedua bakteri tersebut. Oleh sebab itu, dalam akuakultur bakteri ini dapat digunakan untuk pengelolaan limbah budidaya. Karena pada budidaya masalah sering ditemukan adalah timbulnya kematian akibat keracunan senyawa-senyawa amoniak (NH 3 ) yang berasal secara umum dari pakan yang berlebihan, dekomposisi jaringan hewan atau tumbuhan, aktifitas ekresi ikan dan mineralisasi limbah ikan oleh bakteri. Sehingga keberadaan bakteri ini mampu mendegradasi senyawa ammonia dalam perairan dan meningkatkan pertumbuhan ikan.
24
DAFTAR PUSTAKA
Alabaster JS, Lloyd R. 1980. Water quality criteria for freshwater fish. FAO of the United Nation. Butterworth, London. Alexander M, 1999. Introduction to soil microbiology. 2 nd Edition. John Wiley and Sons. Cornell University. New York Atlas RM, Bartha R. 1981. Microbial ecology : Fundamentals and applications. AddisonWesley Publishing Company. Massachusetts Bhaskar, K.V. and P.B.B.N. Charyulu. 2005. Effect of environmental factors on nitrifying bacteria isolated from the rhizosphere of Setaria italica (L.) Beauv. African Journal of Biotechnology 4 (10): 1145-1146. Boyd AW. 1990. Water quality in pond for aquaculture. Auburn University. Birmingham Publishing Co. Alabama. Boyd CE. 1982. Water quality management for pond fish culture. Amsterdam : Elsevier Scientific Publ. Co Montoya dan Velasco, 2000 Duborow RM, Crosby DM, Brunson MW. 1997. Ammonia in Fish Pond. Southern Regional Aquaculture Center. SRAC Publ. No. 463 Grunditz, C; Dalhammar, G (2001). "Development of nitrification inhibition assays using pure cultures of Nitrosomonas and Nitrobacter.". Water research 35 (2): 433 – 40. Grundmann, G.L., M. Neyra and P. Normand. (2000). High-resolution phylogenetic analysis of NO2 — oxidizing Nitrobacter species using the rrs-rrl IGS sequence and rrl genes. International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology 50: 1893-1898. Grundmann, G.L., M. Neyra, P. Normand. (2000). High-resolution phylogenetic analysis of NO2--oxidizing Nitrobacter species using the rrs-rrl IGS sequence and rrl genes. Int. J. Syst. Evo. Microbiol. 50 (5): 1893 – 1901. Hariati AM. 1989. Makanan Ikan. Fakultas Perikanan. Universitas Brawijaya, Malang. Holt, J.G., Noel, R.K., Peter, H.A.S., and Stanley, J.T. 1994. Bergeys Manual of Determinate Bacteriology. 9th Edition. Williams and Wilkins. USA. Holt, John G.; Hendricks Bergey, David. 1993. R.S. Breed, ed. Bergey's Manual of Determinative Bacteriology (9th ed.).
25
Imas, T., R.S. Hadioetomo, A.W. Gunawan, dan Y. Setiadi. 1989. Mikobiologi Tanah II. Pusat Antar Universitas Bioteknologi. Institut Pertanian Bogor. Bogor. Iswandi, A. 1989. Biologi Tanah dalam Praktek Bagian I. Pusat Antar Universitas Bioteknologi. Institut Pertanian Bogor. Bogor. K. Kirstein, E. Bock. 1993. Close genetic relationship between Nitrobacter hamburgensis nitrite oxidoreductase and E. coli nitrate reductases, Arch. Microbiol. 160; 447 – 453. Koesoebiono. 1996. Ekologi Wilayah Pesisir. PPLH-IPB, Bogor. Kordi, K. M. G. 2011. Marikultur, Prinsip dan Praktik Budidaya Laut. Lily Publiser. Yogyakarta. 618 hal. Kusumastuti, B. D., Sudarno, Istirokhatun, T. 2013. Pengaruh Fluktuasi Salinitas Terhadap Nitrifikasi Oleh Bekteri Yang Diambil Pada Muara Sungai Banjir Kanal Timur. Jurnal Perikanan. Jurusan T. Lingkungan FT. UNDIP. Leiwakabessy, F.M., U.M. Wahjudin, dan Suwarno. 2003. Kesuburan Tanah. Jurusan Tanah Fakultas Pertanian IPB. Bogor. Magdalena. 2009. Kualitas Biologis dan Manipulasi Mikroba: Bakteri Nitrifikasi. http://www.sith.itb.ac.id/d4_akuakultur_kultur_jaringan/bahankuliah/ (Pertemuan4)_Teknologi_Pengelolaan_Kualitas_Air_KUALITAS_ AIR_BIOLOGIS_dan_Manipulasi_Bakteri_Nitrifikasi.pdf. Mark, J. H. 2004. Water & Wastewater Technology. Upper Saddle River New Jersey Colombus, Ohio. Masser MP, James R, Thomas ML. 1999. Recirculating Aquaculture Tank Production Systems,
Management
of
Recirculating
Systems.
Southern
Regional
Aquaculture Center. No. 452. Mc Carty PL, Haug RT. 1971. Nitrogen Removal for Waste Water by Biological Nitrification. The Society for Applied Bacterological Sympocium Series No.1. Academic. Press, London. Metcalf and Eddy. 2003. Wastewater Treatment and Reuse, Fourth Edition. McGraw Hill Higher Education. Novotny V dan Olem H. 1994. Water quality, prevention, identification, and management of diffuse pollution. Van Nostrasns Reinhold. New York. Pescod MB. 1973. Investigation of Rational Effluent and stram standards For Tropical Countris. Asian Institut Tecknology, Bangkok.
26
Rao, N.S. 1994. Mikroorganisme Tanah dan Pertumbuhan Tanaman. Edisi 2. Terjemahan Susilo, Herawati. UI Press. Jakarta. Ripple W. 2003. Nitrification basics for aerated lagoon operators. 4th Annual Lagoon Operators
Round
Table
Discussion
Ashland
WWTF.
http://www
lagoonsonline. comripple.htm. Setiapermana, D. 2006. Siklus Nitrogen di Perairan Laut. Jurnal Oseana; XXXI (2), 19-31. Sitorus, H., Widigdo, B., Lay, B. W. dan Soewardi, K. 2005. Nitrifikasi Dalam Biodegradasi Limbah Tambak. Jurnal Ilmu-ilmu Perairan dan Perikanan Indonesia; (12) 1: 59-67. Spotte, S. 1979. Fish and Invertebrate Culture. Water Management in Closed System. 2nd Edition. A Willey Int. Pub. John Willey and Sons. New York. Starkenburg, S. R.; Chain, P. S.; Sayavedra-Soto, L. A.; Hauser, L; Land, M. L.; Larimer, F. W.; Malfatti, S. A.; Klotz, M. G.; Bottomley, P. J.; Arp, D. J.; Hickey, W. J. 2006. "Genome sequence of the chemolithoautotrophic nitrite-oxidizing bacterium Nitrobacter winogradskyi Nb-255".
Applied and environmental
microbiology 72 (3): 2050 – 63. Sutedjo, M.M., A.G. Kartasapoetra, dan S. Sastroatmodjo. 1991. Mikrobiologi Tanah. Rineka Cipta. Jakarta. Suyitno. 2008. Metabolisme Nitrogen. Jurdik FMIPA Biologi UNY. Van Wyk P, Scarpa J. 1999. Water Quality Requirements and Management. Di dalam: Van Wyk P, Davis-Hodgkins R, Laramore KL, Main J, Mountain, Scarpa J. Farming Marine Shrimp in Recirculating freshwater systems. Vanparys, B., Spieck, E., Heylen, ., Wittebolle, L., Geets, J., Boon, N., Paul, D. V. 2007. The phylogeny of the genus Nitrobacter based on comparative rep-PCR, 16S rRNA and nitrite oxidoreductase gene sequence analysis. Journal of Systematic and Applied Microbiology, 30; 297-308. Werb BB. 2000. Nitrification and the marine nitrogen cycle. Di dalam : Kirchman DL. 2000. Microbial ecology of the oceans. John Wiley and Sons : New York. Widigdo, B. 2002. Perkembangan dan Peranan Perikanan Budidaya Dalam Pembangunan. Makalah dalam Seminar Penetapan Standar Kualitas Air Buangan Tambak, Ditjen Perikanan Budidaya, Puncak. Woon BH. 2007. Removal of nitrat nitrogen in conventional wastewater treatment plants. Skripsi. Faculty of Civil Engineering. Universiti Teknologi Malaysia
27
Yoshida dalam Spotte, 1979 Buchanan dan Gibbons, 1974Buchanan RE, Gibbons NE. 1974. Bergeys Manual of Determinative Bacteriology. Eight edition. The Elliam dan Wilkins/Baltimore. Yuniasari, D. 2009. Pengaruh pemberian bakteri nitrifikasi dan denitrifikasi serta molase dengan c/n rasio berbeda terhadap profil kualitas air, kelangsungan hidup, dan pertumbuhan Udang vaname Litopenaeus vannamei. Skripsi. IPB Bogor. Kurniaji,
Ardana.
2015.
Peranan
Bakteri
Nitrobacter
Dalam
Akuakultur.
https://www.academia.edu/15538251/Peranan_Bakteri_Nitrobacter_dalam_A kuakultur
28
