Heavy Metal Resistance of Bacillus
Tutut Arinda a*, Maya Shovitria, Enny Zulaikaa
a
Jurusan Biologi FMIPA-ITS Surabaya *rinda@bio.its.ac.id
Abstrak
Bacillus adalah bakteri yang melimpah di alam, dapat diisolasi dari udara, tanah, air tawar
atau asin, baik di lingkungan normal ataupun ekstrim, termasuk lingkungan yang tercemar logam berat. Bacillus yang resisten terhadap logam berat dapat dikembangkan lebih lanjut untuk tujuan bioremediasi. Tujuan penelitian adalah mengetahui resistensi anggota genera Bacillus terhadap logam berat Hg, Cd, Pb, dan Cu. Isolat yang digunakan adalah isolat koleksi laboratorium Mikrobiologi dan Bioteknologi, jurusan Biologi FMIPA-ITS, yaitu Bacillus S1, SA1, SS19, DA11, dengan species referensi B. cereus ATCC1178 dan B. subtilis ATCC6633. Uji resistensi logam berat dilakukan dengan metode streak plate secara aseptis pada medium nutrient agar yang mengandung HgCl2, PbCl2, CdCl2 CuCl2 dengan konsentrasi 30 - 50 ppm. Hasil inkubasi setelah 24 jam, semua genera Bacillus 100% resisten pada media logam Pb dan Cu 30 - 50 ppm. Pada media yang mengandung logam Cd semua genera Bacillus resisten 100% pada konsentrasi 45 ppm dan 25-85% pada konsentrasi 50 ppm. Semua genera Bacillus kurang resisten pada logam Hg, menunjukkan persentase pertumbuhan 8 – 55% pada konsentrasi 30 – 50 ppm. Toksisitas logam berat terhadap genera anggota Bacillus berturut-turut dari yang paling toksik adalah Hg > Cd > Pb = Cu.
Kata kunci : Bacillus, logam berat, resitensi, toksisitas
Abstract
Bacillus bacteria are abundant in nature, can be isolated from air, soil, fresh water or sea water, either in normal or extreme environments, including heavy metal polluted environment. Bacillus that are resistant to heavy metals can be further developed for the purpose of bioremediation. The research objective was to determine the resistance of heavy metals Hg, Cd, Pb, and Cu by members of the genera Bacillus. Isolates used is a collection of laboratory isolates of Microbiology and Biotechnology, Jurusan Biologi FMIPA-ITS, namely Bacillus S1, SA1, SS19, DA11, with reference to species B. cereus ATCC1178 and B. subtilis ATCC6633. Bacillus resistance test towards metals was accomplished by using the streak slant method with Nutrien Agar (NA)-HgCl2, CdCl2, PbCl2, and CuCl2 with various
concentration level of 30 – 50 mg/L. After 24 hours of incubation, the growth of the isolates were observed. The results after 24 hours of incubation, all the genera Bacillus 100% resistant to Pb and Cu metal media 30-50 ppm. On media containing metals Cd, all of genera Bacillus resistant 100% at a concentration of 45 ppm and 25 - 85% at a concentration of 50 ppm. All the genera Bacillus less resistant to Hg metal, shows the percentage growth of 8 - 55% at concentrations of 30-50 ppm. The toxicity of heavy metals to the genera Bacillus consecutive members of the most toxic are Hg > Cd > Pb = Cu.
1. Pendahuluan
Peningkatan aktivitas industri menyebabkan masalah polusi lingkungan semakin tidak terkendali dan salah satu pencemaran ekosistem adalah akumulasi polutan seperti logam berat (Tirado et al., 2012). Logam berat dihasilkan dari buangan berbagai macam industri seperti elektroplating, tekstil, baterai, pupuk, manufaktur plastik dan pertambangan. Logam berat bersifat persisten di di lingkungan karena tidak dapat didegradasi. Polusi logam berat merupakan masalah yang sangat penting karena efek toksik dan dapat terakumulasi melalui rantai makanan, menimbulkan masalah ekologi dan kesehatan lingkungan yang serius (Ozdemir et al., 2009).
Metode dekontaminasi logam berat yng saat ini banyak digunakan adalah metode konvensional menggunakan ion exchange atau presipitasi dengan soda. Teknologi ini kurang efisien dan relatif mahal sehingga diperlukan metode baru yang ramah lingkungan (Chen et al., 2005). Metode yang cukup prospektif untuk dikembangkan yaitu dengan menggunakan metode biologis menggunakan bakteri yang bersifat renewable. Mikroorganisme termasuk bakteri mempunyai mekanisme resistensi terhadap logam berat, diantaranya eksklusi dengan barrier permeabilitas, penjerapan intra dan ekstra seluler, transport aktif, pompa efflux, detoksifikasi enzimatik, dan reduksi sensitifitas seluler terhadap ion logam (Colak et al, 2011).
Logam berat Cu dan Zn memiliki peranan pada proses metabolisme makhluk hidup sehingga esensial dan dibutuhkan sebagai mikronutrien. Logam Cu dan Zn ikut dalam proses redoks untuk menstabilkan molekul melalui interaksi elektrostatis seperti katalis dalam reaksi enzimatik dan regulasi keseimbangan osmotik (Rathnayake et al, 2009). Namun disisi lain beberapa logam berat tidak memiliki peran secara biologis dan berbahaya pada konsentrasi yang sangat rendah, logam tersebut antara lain Hg, Cd dan Pb (Gil et al., 2007).
Bacillus adalah bakteri yang melimpah di alam, dapat diisolasi dari udara, tanah, air tawar
atau asin, baik di lingkungan normal ataupun ekstrim seperti tercemar logam berat (Kim et
al., 2011; Nevado et al., 2010). Genera Bacillus memiliki beberapa manfaat diantaranya
untuk produksi enzim, antibiotik, pelarut, dan insektisida alami pada tanaman (Ouattara et
al., 2011; Wu et al., 2006). Sebaliknya, ada juga Bacillus yang bersifat patogen bagi
manusia dan hewan yaitu B. anthracis (Abee et al., 2011).
Kemampuan Bacillus yang beragam salah satunya resisten logam berat dapat dikembangkan lebih lanjut untuk tujuan bioremediasi namun perlu diketahui terlebih dahulu bagaimanakah resistensi anggota genera Bacillus terhadap logam berat Hg, Cd, Pb, dan Cu.
2. Metode Penelitian
Isolat bakteri yang digunakan adalah isolat koleksi Laboratorium Mikrobiologi dan Bioteknologi, Jurusan Biologi FMIPA-ITS Surabaya yaitu isolat Bacillus S1, SA1, SS19 dan D11 dengan species referensi B. cereus ATCC1178 dan B. subtilis ATCC6633. Uji resistensi genera Bacillus terhadap logam berat dilakukan dengan metode streak slant pada medium Nutrient Agar (NA) yang mengandung HgCl2, PbCl2, CdCl2 CuCl2 dengan konsentrasi yaitu 30 ppm, 35 ppm, 40 ppm, 45 ppm dan 50 ppm. Diinkubasi 24 jam pada suhu 37oC dan diamati koloni yang tumbuh, pertumbuhan koloni dibandingkan dengan kontrol.
konsentrasi 50 ppm dengan kisaran resistensi yang berbeda-beda untuk setiap logam berat. Seluruh bakteri genera Bacillus menunjukkan pertumbuhan 100% pada medium yang mengandung logam berat Pb dan Cu konsentrasi 30 - 50 ppm (Gambar 1a & 1b)
Kemampuan Bacillus tumbuh pada medium mengandung Pb disebabkan karena adanya transport aktif logam Pb dengan pompa ATP. Genera Bacillus resisten terhadap logam Cu karena logam Cu merupakan logam esensial bagi bakteri. Kemampuan bakteri Bacillus resisten terhadap Cu karena adanya gen dalam plasmid dan kromosom yang mengkode resistensi terhadap logam Cu yaitun gen cop-operon (Silver, 1996). Bakteri genera Bacillus mampu tumbuh 100% pada medium yang mengandung Cd dengan konsentrasi 30-45 ppm. Persentase tumbuh Bacillus pada medium yang mengandung Cd bervariasi pada konsentrasi 50 ppm (Gambar 1c). Penurunan persentase pertumbuhan yang signifikan ini disebabkan karena tingkat toleransi bakteri terhadap cadmium mulai menurun. Kemampuan
Bacillus tumbuh pada medium yang mengandung Cd karena Bacillus mempunyai gen cad -operon di dalam plasmid menyandi resistensi terhadap logam Cd (Silver, 1996).
Persentase Bacillus tumbuh pada medium yang mengandung Hg sangat bervariasi antara 5 - 55% dengan konsentrasi 30 - 50 ppm (Gambar 1d). Perbedaan pertumbuhan Bacillus karena adanya perbedaan adaptasi genotip dan fenotip genera Bacillus terhadap cekaman merkuri. Perbedaan adaptasi fenotip dan genotip isolat terjadi karena perbedaan strain pada isolat Bacillus yang diuji. Perbedaan tersebut juga disebabkan perbedaan susunan mer
operon pada masing-masing isolat dan perbedaan jumlah plasmid yang dimiliki tiap isolat Bacillus (Huang et al., 2002). Perbedaan jumlah plasmid yang dimiliki oleh bakteri terjadi
karena adanya transfer horizontal plasmid antar bakteri dan jumlah plasmid dan sangat mempengaruhi tingkat resistensi karena sebagaian besar mer operon Bacillus berlokasi di plasmid (Kannan & Krishnamoorty, 2006).
Gambar 1. Resistensi Bacillus pada logam Pb, Cu, Cd dan Hg
a b
Secara umum, pertumbuhan isolat genera Bacillus menunjukkan hasil yang hampir seragam yaitu mencapai 100% pada medium yang mengandung Pb dan Cu dengan konsentrasi 30 -50 ppm, mengandung Cd pada konsentrasi 30 - 45% dan mulai bervariasi pada konsentrasi 50 ppm. Sedangkan pada medium yang mengandung Hg pada 30 ppm pertumbuhannya 20 - 45%, 35 ppm pertumbuhannya lebih rendah 18 - 30%, konsentrasi 40 ppm hampir seragam yaitu 20 - 25%, konsentrasi 45 ppm 5 - 25% dan konsentrasi 50 ppm persentase pertumbuhan sangat bervariasi antara 8 - 15%.
4. Kesimpulan
Seluruh isolat genera anggota Bacillus resisten terhadap logam berat Hg, Cd, Pb, dan Cu dengan resistensi yang berbeda-beda. Toksisitas logam berat terhadap genera anggota
Bacillus berturut-turut dari yang paling toksik adalah Hg > Cd > Pb = Cu.
5. Pustaka
Abee, T., Groot, M.N., Tempelaars, M., Zwietering, M., Moezelaar, R., and Voort, M.V. (2011). Germination and outgrowth of spores of Bacillus cereus group members: Diversity and role of germinant receptors. Food Microbiology, 28: 199 – 208.
Chen, J.Z., Tao X.C., Xu J., Zhang, T. and Liu, Z. (2005). Biosorption of lead, cadmium and mercury by immobilized Microcystis aeruginosa in a column. Process Biochemistry, 40:3675 – 3679.
Colak, F., Atarb, N., Yazıcıoglua, D. and Olgun, A. (2011). Biosorption of lead from aqueous solutions by Bacillus strains possessing heavy-metal resistance. Chemical
Engineering Journal, 173: 422 - 428
Huang, C.C., Narita, M., Yamagata, T., Endo, G. and Simon, S. (2002). Characterization of two regulatory genes of the mercury resistance determinants from TnMERI1 by luciferase-based examination. Gene, 301: 13 - 20
Kannan, K. dan Krishnamoorthy, R. (2006). Isolation of mercury resistant bacteria and influence of abiotic factors on bioavailability of mercury A case study in Pulicat Lake North of Chennai, South East India. Science of the Total Environment, 367: 341 - 353
Kim, J.B., Park, J.K., Kim, M.S., Hong, S.C., Park, J.H. and Hwan, D. (2011). Genetic diversity of emetic/toxin producing Bacillus cereus Korean strains. International
Journal of Food Microbiology, 150: 66 - 72
Nevado, J.B., Doimeadios, R.M., Bernardo, G., Moreno, J., Herculano, A.M., Nascimento, D. and López, C. (2010). Mercury in the Tapajós River basin, Brazilian Amazon: A review. Environment International, 36: 593 – 608.
Ouattara, H.G., Reverchon, S., Niamke, S. and Nasser, W. (2011). Molecular identification and pectate lyase production by Bacillus strains involved in cocoa fermentation. Food
Microbiology, 28: 1 – 8.
Ozdemira, S., Kilinc, E., Poli, A., Nicolausc, B. And Guneva, K. (2009). Biosorption of Cd, Cu, Ni, Mn and Zn from aqueous solutions by thermophilic bacteria, Geobacillus
195 – 206.
Rathnayake, I. V. N. , Megharaj, M., Bolan, N. and Naidu, R. (2009). Tolerance of Heavy Metals by Gram Positive Soil Bacteria. World Academy of Science, Engineering and
Technology, 53: 1185 – 1189.
Silver, S. (1996). Bacterial resistances to toxic metal ions - a review. Gene, 179: 9 – 19. Tiradoa, V.R., Ruiz, C.G. and Gilc, B.G. (2012). Cu andPb biosorption on Bacillus thioparans
strain U3 in aqueous solution: Kinetic and equilibrium studies. Chemical Engineering
Journal, 181: 352 – 359.
Wu, X.Y., Walkerb, M.J. and Hornitzkya, M. (2006). Development of a group-specific PCR combined with ARDRA for the identification of Bacillus species of environmental significance. Journal of Microbiological Methods, 64: 107 - 119.
