Mikroba terutama bakteri memiliki tipe metabolisme yang beragam. Perbedaan tipe didasarkan kepada sumber karbon dan nitrogen, sumber energi dan sumber hidrogen/elektron (Tabel 1).
Tabel 1. Tipe metabolisme bakteri. Tipe metabolisme Sumber
Karbon
Sumber
Nitrogen Sumber Energi
Sumber Hidrogen Heterotrof/ Kemoorganotrof Organik Organik atau anorganik Oksidasi senyawa organik - Ototrof/ kemolitotrof CO2 anorganik Oksidasi senyawa anorganik - Fotosintesis Fotolitotrof Bakteri Sianobakteri Fotoorganotrof CO2 CO2 Anorganik Anorganik Cahaya matahari Cahaya H2S atau H2 Fotolisis H2O
Modul Bioteknologi Pertanian I - Halaman 25 dari 87
Bakteri CO2 Anorganik matahari Cahaya matahari Bahan organik Sumber : http://www.cliffsnotes.com/WileyCDA/CliffsReviewTopic/Cellular-Respiration topicArticleId. Metabolisme Heterotrof
Mikroba heterotrof seperti semua jenis jamur/fungi dan bakteri tertentu mendapatkan energi dari oksidasi senyawa organik. Senyawa ini mengandung karbon dan nitrogen yang digunakan secara aerob atau anaerob untuk menghasilkan tenaga pereduksi seperti nicotinamide adenine dinucleotide tereduksi (NADH + H+) yang merupakan sumber energi kimia untuk sistem oksidasi dan fermentasi.
Karbohidrat (untuk bakteri umumnya glukosa), lipid (lemak), dan protein adalah sumber utama senyawa yang dioksidasi. Oksidasi biologis senyawa ini mensintesis ATP sebagai sumber energi kimia. Proses ini juga dapat menghasilkan senyawa organik sederhana yang diperlukan sel bakteri untuk reaksi biosintesis (asimilasi).
Respirasi Aerob
Glukosa adalah substrat yang paling umum digunakan untuk mempelajari metabolisme heterotrof. Karbohidrat diambil dari sitoplasma, dan melalui suatu rangkaian proses metabolisme yang rumit, karbohidrat dipecah untuk menghasilkan energi. Energi ini tidak digunakan langsung tetapi disimpan dalam bentuk molekul ATP. Organisme aerob mengoksidasi glukosa dengan akseptor elektron terminal berupa O2 dan bahan organik sebagai donor elektron, melalui reaksi:
C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + energi
Persamaan di atas disebut respirasi - juga terdapat di dalam sel tanaman dan hewan – yang menghasilkan 38 molekul ATP dari 1 molekul glukosa. Hasil tersebut setara dengan 380.000 kalori (1ATP~10.000 kal/mol). Secara termodinamika, oksidasi sempurna dari satu mol glukosa menghasilkan 688.000 kal. Namun 308.000 kal energi dilepaskan dalam bentuk panas. Jadi efisiensi respirasi sel adalah 55%.
Modul Bioteknologi Pertanian I - Halaman 26 dari 87
Mekanisme respirasi seluler karbohidrat (glukosa) terdiri atas (Lehninger, 1994):
- Glycolysis (glikolisis), molekul glukosa dipecah menjadi asam piruvat. - Kreb’s cycle (Siklus Kreb), asam piruvat dipecah untuk menghasilkan
senyawa berenergi tinggi seperti nicotinamid adenine dinucleotida (NAD) yang berperan sebagai pembawa atom H+ dari substrat dan mentrasfernya ke penerima.
- Electron transport system (Sistem transport elektron), elektron ditransportasi sepanjang satu rangkaian koenzim dan sitokrom, dan energi di elektron dilepaskan.
- Chemiosmosis (Kemiosmosis), energi yang dilepaskan elektron digunakan untuk memompa proton melalui membran dan menyediakan energi untuk sintesis ATP.
Respirasi Anaerob
Beberapa bakteri dapat berespirasi tanpa O2. Respirasi anaerob terjadi di lingkungan anaerob yang mengandung senyawa kimia yang berperan sebagai akseptor elektron terminal. Akseptor elektron ini adalah NO3, SO42, senyawa organik fumarate, dan CO2.
Kelompok terbesar mikroba dengan respirasi anaerob adalah bakteri pereduksi nitrat (Tabel 2). Kelompok ini adalah bakteri heterotrof yang memiliki sistem transport elektron untuk menggunakan NO3 secara anaerob sebagai akseptor elektron terminal dan bahan organik sebagai donor elektron. Bakteri ini
Gambar 8. Mekanisme respirasi seluler karbohidrat Sumber : Celular respiration: http://www.cliffsnotes.com/WileyCDA/Cliff
sReviewTopic/Cellular- Respiration.topicArticleId-8524,articleId-8420.htm.
Modul Bioteknologi Pertanian I - Halaman 27 dari 87
mendapatkan energi kimia melalui rekasi oksidasi secara anaerob yang melibatkan katalis nitrat reduktase.
Tabel 2. Fisiologi bakteri pereduksi nitrat berdasarkan donor elektron. Tipe Fisiologi Nitrat
Reduktase Donor Electron Organisme Respirasi NO3- → NO2 -Format NADH Escherichia coli Klebsiella acrogenes Denitrifikasi NO3- → N2 NADH Piruvat NADH, suksinat Pseudomonas aeroginosa Clostridium pertrigens Paracoccus denitrificans Asimilasi NO3- → NH3 Laktat H2, format NADH, suksinat NADH, laktat, gliserolfsofat Staphylococcus aureus Vibrio succinogenes Bacillus stearothermophilus Escherichia coli Sumber : http://www.cliffsnotes.com/WileyCDA/CliffsReviewTopic/Cellular-Respiration topicArticleId.
Mikroba lain yang melakukan respirasi anaerob adalah kelompok bakteri metanogen yang mereduksi CO2 menjadi CH4 (Moat & Foster, 1986). Bakteri ini menghasilkan metan antara lain dari H2, CO2, format, asetat melalui rekasi (Moat & Foster, 1986):
4H2 + CO2 → CH4 + 2H2O 4HO2H → CH4 + 3CO2 + 2H2O CH3CO2H → CH4 + CO2
Genus utama bakteri metanogen adalah Methanobacterium, Methanobrevibacter, Methanococcus, Meethanomicrobium, Methanogenium, Methanospirillum, dan Methanosarcina.
Di tahap akhir respirasi, ATP dibentuk melalui suatu seri reaksi transfer elektron di dalam membrane sitoplasma. Seri reaksi ini mendorong fosforilasi oksidatif ADP menjadi ATP. Bakteri menggunakan beberapa jenis flavin, sitokrom, dan senyawa besi non heme serta enzim sitokrom oksidase untuk melangsungkan transfer elektron.
Metabolisme Ototrof
Bakteri yang tumbuh lambat dengan keberadaan senyawa anorganik (ion mineral) tanpa menggunakan sinar matahari sebagai sumber energi disebut ototrof, kemotrof, kemoototrof atau kemolitotrof. Semua ototrof menggunakan CO2 sebagai sumber karbon, dan senyawa anorganik NH3, NO3-, atau N2
Modul Bioteknologi Pertanian I - Halaman 28 dari 87
sebagai sumber nitrogen. Sumber energi mikroba ini berasal dari oksidasi senyawa anorganik tertentu yang tergantung dari mikrobanya (Tabel 3). Bakteri ototrof tidak dapat tumbuh di dalam media yang mengandung bahan organik, bahkan di dalam media mengandung agar yang digunakan sebagai pemadat media.
Tabel 3. Reaksi oksidasi anorganik yang digunakan oleh bakteri ototrof sebagai sumber energi.
Tipe Kemosintetis Oksidasi Senyawa Anorganik sebagai Sumber Energi
Famili, Genus, Spesies Pewakil Pengoksidasi NH3
(aerob)
NH3 dioksidasi menjadi NO2 Nitrobacteriaceae (Nitrosomonas,
Nitrosococcus, Nitrospira)
Pengoksidasi NO2 (aerob)
NO2 dioksidasi menjadi NO3 Nitrobacteriaceae (Nitrobacter,
Nitrococcus)
Pengoksidasi sulfur (aerob) dan Pengoksidasi besi (aerob)
S2 dioksidasi menjadi SO4, dan Fe2+ dioksidasi menjadi Fe3+. Thiobacillus thiooxidans Thiobacillus ferrooxidans Ferrobacillus, Leptothrix Pengoksidasi senyawa sulfur dan pereduski NO3 (denitrifikasi)
S2O3 dioksidasi, NO3 direduksi Thiobacillus denitrificans
Sumber : http://www.cliffsnotes.com/WileyCDA/CliffsReviewTopic/Cellular-Respiration topicArticleId.
Di antara mikroba ototrof, bakteri pengoksidasi sulfur atau bakteri pengoksidasi senyawa sulfur memperlihatkan metabolisme yang benar-benar ototrof. Senyawa sulfur yang dioksidasi adalah H2S, S2, dan S2O3. Thiobacillus
ferrooxidans, mendapatkan energi untuk pertumbuhan dari oksidasi S atau ion
Ferro (Fe2+), T. denitrificans, mendapatkan energi dari oksidasi S2O3 secara anaerob dengan menggunakan NO3- sebagai akseptor elektron terminal tunggal.
T. denitrificans mereduksi NO3 menjadi N2 (gas) melalui proses biologis yang disebut denitrifikasi (Tabel 3).
Semua bakteri ototrof mengasimilasi CO2 menjadi glukosa. Energi untuk proses biosintesis ini berasal dari oksidasi senyawa anorganik. Perlu diperhatikan bahwa metabolisme ototrof hanya dimiliki oleh bakteri.
Modul Bioteknologi Pertanian I - Halaman 29 dari 87 Fotosintesis Bakteri
Sel mikroba prokaryotik (bakteri dan sianobakteri/cyanobacteria) memiliki tipe metabolisme fototrof (Tabel 4) sehingga mampu berfotosintesis. Seperti tanaman tinggi, fotosintesis memerlukan sinar matahari (foton cahaya) dan pigmen. Pigmen fotosintesis mikoba dibagi dalam dua kelompok: 1) pigmen pusat reaksi berupa klorofil dan 2) pigmen asesoris umumnya berupa karotenoid.
Tipe fotosintesis bakteri dan sianobakteri dibedakan berdasarkan jenis senyawa yang berperan sebagai donor elektron (hidrogen) dalam mereduksi CO2
menjadi glukosa. Energi metabolisme fotosinsetis berasal dari sinar matahari. Organisme fototrof menggunakan glukosa yang disintesis di dalam sel sedangkan organisme heterotrof memerlukan glukosa yang disuplai dari substrat tempat tumbuhnya.
Tabel 4. Karakteristik bakteri fototrof.
Tipe Fotosintesis Karakteristik Famili dan Genus Pewakil Bakteri Ungu (purple
bacteria)
Tipe Sulfur, bakteri fotolitotrof
Tipe non sulfur, bakteri fotoorganotrof
Obligat fototrof, anaerob, H2S atau H2 berperan sebagai sumber H, memiliki granula S jika menggunakan H2S, bakterioklorofil a atau b Fakultatif fototrof (memiliki mekanisme respirasi dan dapat tumbuh secara
heterotrof), anaerob tapi toleran O2, memerlukan satu atu beberapa jenis vitamin B, sumber H berupa senyawa organik sederhana, bakterioklorofil a atau b Chromatiaceae (Chromatium, Thiospirillum, Thiosarcina, Thiocapsa) Rhodospirillaceae (Rhodopseudomonas, Rhodospirillum, Rhodomicrobium)
Bakteri hijau (Green bacteria)
Bakteri fotolitotrof
Obligat fototrof, anaerob, pigmen bakterioklorofil c dan d, memerlu-kan vitamin B12, S2 dideposit ekstrasel Chlorobiaceae (Chlorobium, Chloropseudomonas) Sianobakteri (Cyanobacteria) Fotosintesis oksigenik sempurna seperti tanaman tinggi Anabaena azollae, Nostoc Sumber : http://www.cliffsnotes.com/WileyCDA/CliffsReviewTopic/Cellular-Respiration topicArticleId.
Modul Bioteknologi Pertanian I - Halaman 30 dari 87 Fotosintesis Bakteri Ungu
Bakteri ungu terdiri atas bakteri ungu belerang (Thiorhodaceae) dan bakteri ungu nonbelerang (Athiorhodaceae). Keduanya melakukan fotosintesis anoksigenik (tanpa melepaskan O2). Berbeda dengan fotosintesis tanaman tinggi, bakteri ungu hanya memiliki satu pusat reaksi dimana energi cahaya diterima oleh bakterioklorofil a atau b (P870).
Bakteri ungu belerang menggunakan H2S (belerang) sebagai donor elektron dan CO2 sebagai sumber karbon sedangkan bakteri ungu nonbelerang tidak mampu memanfaatkan H2S sebagai donor elektron. Bakteri ungu nonbelerang disebut pula sebagai bakteri fotoorganotrof karena menggunakan bahan organik sebagai donor elektron (sumber H+). Substrat terbaik untuk Athirhodaceae adalah asam lemak rantai pendek:
CO2 + 2CH3CHOHCH3 → (CH2O) + H2O + 2CH3COCH3(energi dari cahaya) 2CH3COCH3 →- - - → CoASH + (C4H6O2)n (melalui beberapa rekasi)
(C4H6O2)n adalah poly-β-hydroxybutyrate yang berperan sebagai cadangan makanan.
Meskipun demikian, Rhodopseudomonas dan Rhodobacter – anggota bakteri ungu nonbelerang – dapat menggunakan H2S sebagai donor elektron.
Gambar 9. Transfer elektron pada fotosintesis bakteri ungu. Sumber : Purwoko (2007).
Fotosintesis Bakteri Hijau (Bakteri Hijau Belerang)
Bakteri hijau fototrof bersifat anaerob yang mengandung bakterioklorofil c atau d dan sejumlah kecil bakterioklorofil a (Moat & Foster, 1986). Bakteri ini menggunakan H2S dan/atau senyawa organik sebagai donor elektron.
Modul Bioteknologi Pertanian I - Halaman 31 dari 87
Reaksi kimia fotosintesis bakteri hijau yang menggunakan H2S atau tiosulfat sebagai donor electron, CO2 sebagai sumber karbon, dan cahaya sebagai sumber energi secara obligat anaerob adalah:
CO2 + 2H2S → (CH2O) + H2O + 2S
2CO2 + Na2S2O3 + 3H2O → 2NaHSO4 (Fotoorganotrof) CO2 + 2H2 → (CH2O) + H2O
Sama seperti pada bakteri ungu, tidak dihasilkan oksigen di akhir reaksi fotosintesis.
Gambar 10. Transfer elektron pada fotsintesis bakteri hijau belerang. Sumber : Purwoko (2007).
Fotosintesis Sianobakteri (Cyanobacteria)
Sianobakteri berfotosintesis dengan “sempurna”, mereka memiliki fotosistem I (Pusat reaksi I, P700) dan II (Pusat reaksi II, P680) seperti halnya tanaman tinggi. Pigmen yang berperan di pusat reaksi I adalah klorofil a (P700) dan di pusat reaksi II adalah klorofil a dengan P680. Proses fotosintesis dapat berlangsung dengan dua cara (Gambar 11) yaitu non siklus yang melibatkan pusat reaksi I dan II dan siklus yang hanya melibatkan pusat reaksi I.
Modul Bioteknologi Pertanian I - Halaman 32 dari 87
Gambar 11. Transfer elektron pada sianobakteri. Sumber : Purwoko (2007).