BAB 2
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Bakteri
Bakteri adalah suatu organisme yang sederhana. Sebagai pengurai, mereka sangat diperlukan perannya untuk mengurai kembali bahan organik yang rusak dan menstabilkan limbah organik dengan perawatan organisme ini. Bakteri bereproduksi dengan kelipatan pembelahan yaitu sel terbagi lagi menjadi dua sel yang baru, masing-masing bertumbuh dan kemudian membelah lagi. Pembelahan terjadi setiap 15 sampai 30 menit dalam lingkungan yang baik dan makanan yang cukup, oksigen dan nutrisi lainnya. (Hammer, 1977)
2.1.1 Struktur Bakteri
Beberapa bagian struktural umum dijumpai pada semua bakteri seperti dinding sel dan membran sitoplasma. Struktur-struktur lainnya hanya ada pada atau di dalam sel spesies tertentu.
a). Dinding sel
artinya bagi pertumbuhan dan pembelahan. Kecuali mikoplasma semua bakteri mempunyai dinding sel yang kaku.
Komposisi kimiawi dinding sel
Yang menyebabkan kakunya dinding sel ialah peptidoglikan. Polimer (molekul besar yang terdiri dari unit-unit yang diulang-ulang) yang amat besar terdiri dari tiga macam bahan pembangun: (1) N-asetilglukosamin (AGA) ,(2) asam N-asetilmuramat (AAM), dan (3) suatu peptida yang terdiri dari empat atau lima asam amino, yaitu L-alanin, D-alanin, asam D-glutamat dan lisin atau asam diaminopimelat. Dinding sel yang utuh juga mengandung komponen-komponen kimiawi lain seperti asam tekoat, protein, polisakarida, lipoprotein dan lipopolisakarida yang terikat pada peptidoglikan. Peptido glikan bersama-sama dengan dua komponen lain dinding sel yaitu asam diaminopimelat dan asam tekoat hanya dijumpai pada prokariota. Namun, susunan kimiawi serta struktur peptidoglikan bervariasi dari satu spesies bakteri ke spesies bakteri yang lain. N-asetilglukosamin dan asam N-asetilmuramat merupakan komponen konstan peptidoglikan, namun ada keragaman pada asam-asam amino yang ada dan pada sifat ikatan antara asam-asam amino ini. Penemuan penting lain yang diperoleh selama berlangsungnya identifikasi komposisi kimiawi dinding sel bakteri ialah bahwa beberapa dari asam-asam amino di dalam peptida pada peptidoglikan terdapat dalam kondfigurasi D. Ini berlawanan dengan penampilannya di dalam protein, yaitu terdapat dalam konfigurasi L.
b). Membran sitoplasma
metabolit-metabolit lain melintasi membran. Substansi-substansi dalam larutan ini, atau solut, lewat melintasi membran dengan cara difusi pasif atau angkutan aktif. Penjelasan mengenai kedua proses yang penting itu diuraikan berikut:
1). Difusi pasif (osmosis). Difusi pasif tidak membedakan solut-solut yang lewat melintasi membran pada suatu area berkonsentrasi lebih tinggi ke yang lebih rendah. Difusi pasif bekerja untuk menyamakan konsentrasi solut kedua pada sisi membran. 2). Angkutan aktif. Angkutan aktif berbeda dengan difusi pasif bersifat sangat spesifik; yaitu memperlakukan solut secara efektif. Di samping itu proses ini memungkinkan penumpukan solut di dalam sel dengan konsentrasi yang lebih tinggi daripada yang ada di luar sel. Sel-sel ini harus mampu menghimpun nutrient supaya dapat tumbuh. Proses angkutan aktif melibatkan mekanisme yang ruwet di dalam membran sitoplasma. Angkutan macam ini diwujudkan oleh senyawa-senyawa yang disebut portir membran. Bersama-sama dengan reaksi - reaksi biokimiawi yang menghasilkan energi. (Pelczar, 1986)
c). Mesosom
Mesosom merupakan lipatan atau lekukan (folding) dari membran sitoplasma yang berperan aktif dalam proses pembelahan sel dan metabolisme. Proses pembelahan sel atau binary fision dimulai dengan terbentuknya septa melintang pada membran sitoplasma di dalam mesosom, membagi dua sel induk sedemikian rupa sehingga sel anak yang terbentuk akan memiliki komponen dan sifat seperti induknya.
d). Inti sel
Sel bakteri tidak mempunyai pembungkus inti yang sebenarnya. Di dalam inti terdapat kromosom sebagai pusat informasi genetik yang mengatur semua kegiatan dari bakteri tersebut, termasuk metabolisme maupun yang menentukan sifat resistensi terhadap suatu antimikroba. Sel bakteri terkadang juga mempunyai materi genetik ekstrakromosom yang berupa small cyclic DNA yang berada di luar inti dan disebut plasmid. Plasmid secara otonom dapat mengadakan replikasi serta dapat berpindah tempat atau dipindahkan dari satu bakteri ke bakteri yang lain. Contoh plasmid adalah R-plasmid yang membawa sifat resisten terhadap suatu antibiotika.
Kapsul merupakan suatu lapisan tipis, berada di luar dinding sel dan secara kimiawi tersusun atas polisakarida, peptida atau kedua-duanya. Kapsul tidak dimiliki oleh semua bakteri dan kekompleksan susunan kimiawinya tergantung dari spesies bakteri. Kapsul dapat melindungi bakteri terhadap fagositosis. Kapsul juga menentukan derajat keganasan atau virulensi bakteri, artinya bakteri yang mempunyai kapsul lebih virulen dibandingkan yang tidak memiliki kapsul. Selain itu kapsul juga bersifat antigenik. f). Flagela (bulu cambuk)
Flagela adalah alat gerak yang tidak dimiliki oleh semua bakteri. Flagela tersusun dari protein yang disebut flagelin. Bakteri yang memiliki flagela dapat bergerak aktif dan pergerakan tersebut dapat diamati dengan cara melakukan pemeriksaan atau percobaan tetes gantung (hanging drop), pemeriksaan dengan mikroskop lapangan gelap (darkfield microscope) atau melakukan penanaman pada media pembenihan semi solid.
g). Filamen aksial
Alat pergerakan yang khusus dimiliki oleh bakteri famili Treponemataceae, misalnya
Treponema pallidum. Filamen aksial ini didapatkan pada bagian dalam dinding sel
bakteri dan membungkus bakteri dari satu ujung ke ujung yang lain. Bakteri yang memiliki filamen aksial pergerakannya seperti ular.
h). Pili
Pili atau fimbriae adalah struktur tambahan yang melekat pada permukaan dinding sel tetapi lebih pendek dari flagella serta lebih halus. Pili tersusun dari protein yang disebut pilin dan biasanya dimiliki bakteri gram negatif. Pili yang berfungsi sebagai alat untuk menempelkan dirinya pada sel hospes disebut colonizing factor. Selain itu, ada pili yang berperan pada proses pemindahan materi genetik dari salah satu bakteri ke bakteri yang lain, disebut sex pili.
i). Spora
Beberapa bakteri gram positif dalam keadaan tertentu dapat membentuk resting cells
Prosesnya disebut sporulasi. Spora bukan merupakan alat reproduksi dan apabila keadaan menjadi baik kembali atau nutrisi esensial telah terpenuhi maka spora tersebut akan berubah menjadi bakteri lagi (bentuk vegetatif) dan prosesnya disebut germinasi. Menurut letaknya, spora dapat terletak di ujung sel bakteri (terminal spore), dapat juga terletak di subterminal atau pada bagian tengah sel bakteri. Spora dapat bertahan bertahun-tahun sehingga bakteri tersebut dapat bersifat dormant (hidup, tetapi tidak berkembang biak). (Tim Mikrobiologi FK, 2003)
Tabel 2.1 Fungsi struktur permukaan sel bakteri
NO. STRUKTUR FUNGSI KOMPOSISI KIMIAWI
1. Flagela Lokomosi Protein
2. Pili Tabung konjugasi pelekatan sel
4. Dinding sel Penutup lindung, permeabilitas Peptidoglikan, asam tekoat, polisakarida, lipid,
Ukuran bakteri berkisar antara panjang 0,5 sampai 10µ dan lebar 0,5 sampai 2,5µ tergantung dari jenisnya(µ=1 mikron=0,001 mm). Walaupun terdapat beribu jenis bakteri, tetapi hanya beberapa karakteristik bentuk sel yang ditemukan yaitu:
4) Bentuk koma atau vibrios (tunggal=vibrio)
coccus batang
cocci berpasangan batang dalam
cocci dalam bentuk rantai bentuk rantai
cocci dalam kelompok vibrio atau koma
kecil
spirillum
Gambar 2.1. Beberapa bentuk dan susunan yang khas dari sel-sel bakteri
Sel-sel ini dapat dijumpai dalam keadaan tunggal, berpasangan, tetrad, kelompok kecil, gerombolan atau rantai.(Buckle, 1987)
Beberapa faktor utama yang mempengaruhi pertumbuhan mikroorganisme meliputi:
1). Suplai zat gizi
Mikroorganisme juga membutuhkan suplai makanan yang akan menjadi sumber energi dan menyediakan unsur-unsur kimia dasar untuk pertumbuhan sel. Unsur-unsur dasar tersebut adalah karbon, nitrogen, hidrogen, oksigen, sulfur, fosfor, magnesium, zat besi dan sejumlah kecil logam lainnya.
2). Suhu
Suhu adalah satu faktor lingkungan terpenting yang mempengaruhi kehidupan dan pertumbuhan organisme. Suhu dapat mempengaruhi,mikroorganisme dalam dua cara yang berlawanan.
a). Apabila suhu naik, kecepatan metabolisme naik dan pertumbuhan dipercepat. Sebaliknya apabila suhu turun, kecepatan metabolisme juga turun dan pertumbuhan diperlambat.
Berdasarkan hal diatas, beberapa hal sehubungan dengan suhu bagi setiap organisme dapat digolongkan sebagai berikut:
1). Suhu minimum : dibawah suhu ini pertumbuhan mikroorganisme tidak terjadi lagi.
2). Suhu optimum :suhu di mana pertumbuhan paling cepat.
3). Suhu maksimum : di atas suhu ini pertumbuhan mikroorganisme tak mungkin terjadi. (Buckle, 1987)
Semua bakteri dapat diklasifikasikan ke dalam satu diantara tiga golongan besar, tergantung pada suhu yang dibutuhkan:
a. Psikrofil : jenis bakteri yang dapat hidup antara suhu -5 - 20oC.
b. Mesofil : jenis bakteri yang dapat hidup antara suhu 20-40oC. Perbedaan karakter mesofil adalah mereka mampu hidup seperti suhu tubuh manusia (37oC) dan mereka tidak dapat hidup pada suhu di atas 45oC.
c. Termofil : jenis bakteri yang dapat hidup pada suhu 35oC dan diatasnya.
Kelompok pada termofil adalah :
1). Fakultatif Termofil : bakteri yang dapat tumbuh pada suhu 37oC, dengan suhu pertumbuhan optimum 45-60oC.
2). Obligate Termofil : organisme yang dapat tumbuh hanya pada suhu diatas 50 oC. Dengan suhu optimum di atas 60oC.
(Capuccino and Sherman, 1996) 3). pH
Kebanyakan bakteri tumbuh pada kisaran sempit; pH mendekati netral 7,5). Sedikit bakteri yang tumbuh pada pH asam di bawah 4. Ada bakteri bahkan dapat hidup pada pH 1. Alkalinitas juga menghambat pertumbuhan tapi tidak digunakan sebagai preservasi. (Suryanto, 2006)
4). Tekanan Osmosa
tumbuh pada kadar garam tinggi), bahkan beberapa mikroorganisme dapat tahan di dalam substrat dengan kadar garam sampai 30%, golongan ini bersifat
halodurik. (Suriawiria, 1996).
Sebanyak 80%-90% bakteri tersusun atas air. Tekanan osmose sangat diperlukan bakteri agar tetap hidup. Apabila bakteri berada dalam larutan yang konsentrasinya lebih tinggi daripada konsentrasi yang ada dalam sel bakteri, maka akan terjadi keluarnya cairan dari sel bakteri melalui membran sitoplasma yang disebut plasmolisis. Pada umumnya, bakteri untuk pertumbuhannya memerlukan kadar garam hanya 1% - 2%. (Tim Mikrobiologi FK, 2003)
5. Atmosfer gas
Gas-gas utama yang mempengaruhi pertumbuhan bakteri ialah oksigen dan CO2. Bakteri memperlihatkan keragaman yang luas dalam hal respons terhadap oksigen bebas. Organisme yang membutuhkan oksigen adalah bakteri aerob.(Pelczar, 1986)
2.2Persyaratan nutrisi
Pengamatan-pengamatan berikut ini melukiskan hal tersebut dan juga menampakkan keragaman yang amat besar dalam hal tipe nutrisi yang dijumpai antara bakteri:
1. Tumbuhan hijau dapat menggunakan energi pancaran atau cahaya dinamakan fototrof. Yang lain seperti hewan, bergantung pada oksidasi (kehilangan elektron dari satu atom) senyawa-senyawa kimia untuk memperoleh energinya. Makhluk- makhluk ini disebut kemotrof. Semua organisme hidup terbagi menjadi fototrof atau kemotrof dan kedua tipe nutrisi ini dijumpai di antara bakteri. 2. Banyak bakteri juga membutuhkan CO2 sebagai sumber karbonnya. Semua organisme macam itu disebut autotrof. Bila mereka memperoleh energinya dengan cara mengoksidasi senyawa kimiawi maka disebut kemoautotrof. Mikrorganisme yang mensyaratkan senyawa organik sebagai sumber karbonnya disebut heterotrof.
4. Semua organisme hidup membutuhkan vitamin (senyawa organik khusus yang penting untuk pertumbuhan) yang berfungsi membentuk substansi yang mengaktivasi enzim substansi yang menyebabkan perubahan kimiawi. Beberapa bakteri mampu membuat (mensintesis) seluruh kebutuhan vitaminnya dari senyawa-senyawa lain di dalam medium. Yang lain tidak akan tumbuh kecuali bila ditambahkan satu atau lebih vitamin ke dalam mediumnya.
5. Semua organisme hidup membutuhkan air untuk fungsi-fungsi metabolik dan pertumbuhannya. Untuk bakteri, semua nutrien harus ada dalam bentuk larutan sebelum dapat memasuki bakteri tersebut. (Pelczar,1986)
2.3 Enzim
Kegiatan kimiawi yang dilakukan oleh sel-sel sangatlah rumit.Demikian beragamnya bahan yang digunakan sebagai bahan nutrien oleh sel disatu pihak dan sebagai ragam substansi yang disintesis menjadi komponen–komponen sel di pihak lain. Sel melakukan kegiatan initerletak pada kerja enzim, substansi yang ada dalam sel dalam jumlah yang amat kecil dan mampu menyebabkan terjadinya perubahan-perubahan yang berkaitan dengan proses-proses selular (dan kehidupan). Tak mungkin ada kehidupan tanpa enzim.
Di dalam sebuah sel rata-rata terdapat ribuan jenis enzim yang berbeda-beda. Di dalam sel hidup, kesemua enzim ini beserta kegiatannya harus terkoordinasi sedemikian rupa sehingga produk-produk yang sesuai dapat terbentuk dan tersedia, pada tempat yang tepat dalam jumlah yang tepat, dan waktu yang tepat, dan dengan menggunakan energi seminimum mungkin. Koordinasi ini dimungkinkan oleh adanya pengendalian enzim. (Pelczar, 1986)
adanya ion-ion Mg, ion Mn, dan sebagainya yang disebut kovaktor atau aktifator. Enzim diproduksi dalam jumlah yang tidak banyak, karena enzim tersebut tidak ikut terproses (tidak rusak) pada reaksi biokimiawi dan dapat digunakan berulang-ulang. Oleh karena tersusun dari protein enzim sangat peka terhadap pengaruh pH, suhu dan beberapa agen kimiawi maupun pengaruh fisis tertentu. Enzim memiliki suhu maupun pH optimal yang sama dengan pH dan suhu optimal bakteri, disamping itu bekerjanya sangat spesifik.
Pemecahan atau sintesis suatu bahan biasanya berlangsung dalam satu rantai reaksi kimiawi dimana tiap-tiap tahapan reaksi dikatalisir oleh enzim tertentu. Bila salah satu enzim yang mempengaruhi tahapan reaksi metabolisme tidak ada maka reaksi kimiawi tersebut akan berhenti pada bagian dimana enzim yang diperlukan tadi tidak ada dan berakibat terjadinya penumpukan bahan-bahan metabolit yang bersifat toksis yang dapat mematikan bakteri tersebut. (Tim Mikrobiologi FK, 2003)
Enzim adalah katalis hayati. Katalis walaupun dalam jumlah yang sedikit memiliki kemampuan yang unik untuk mempercepat berlangsungnya reaksi kimiawi tanpa enzim itu sendiri terkonsumsi atau berubah setelah reaksi selesai. Enzim adalah senyawa organik yang dihasilkan oleh sel-sel hidup. Inilah mengapa enzim disebut katalis hayati atau organik atau sarana katalitik. Suatu katalis tertentu akan berfungsi pada hanya satu jenis reaksi tertentu saja. Sekalipun semua enzim pada mulanya dihasilkan di dalam sel beberapa diekskresikan melalui dinding sel dan dapat berfungsi di luar sel. Jadi dikenal dua tipe enzim: enzim ekstraseluler, atau eksoenzim (berfungsi di luar sel) dan enzim intraseluler atau endoenzim (berfungsi di dalam sel).
Reaksi- reaksi yang dikatalisis oleh enzim seringkali berlangsung beberapa ribu sampai lebih dari sejuta kali lebih cepat dari reaksi-reaksi yang sama tetapi tidak dikatalisis oleh enzim.
2.3.1 Sifat-sifat fisik dan kimiawi enzim
Enzim dapat berupa protein murni ataugabungan antara protein dengan gugusan-gugusan kimiawi lainnya. Seperti halnya semua protein, enzim akan terdenaturasikan oleh panas,terpresipitasikan (terendapkan)oleh etanol atau garam-garam anorganik berkonsentrasi tinggi seperti ammonium sulfat,dan tidak dapat melewati membran semipermeabel atau membran selektif; dengan perkataan lain, tak terdialisis. Protein enzim adalah molekul yang amat besar; berat molekulnya berkisar antara kurang lebih 10.000 sampai satu juta.
Banyak enzim terdiri dari protein yang bergabung dengan molekul organik dengan berat molekul rendah yang dinamakan koenzim. Bagian proteinnya disebut apoenzim. Bila bergabung kedua bagian tersebut membentuk enzim yang lengkap, disebut holoenzim
Apoenzim + Koenzim Holoenzim
tidak aktif tidak aktif aktif
protein protein tidak terdialisis terdialisis
berat molekul tinggi berat molekul rendah
Tetapi enzim bersifat tidak stabil. Aktivitasnya berkurang dengan nyata atau hancur oleh berbagai kondisi fisik atau kimiawi. Dalam hal ini terdapat perbedaan besar diantara enzim yang berbeda-beda. Beberapa menjadi tidak aktif oleh perubahan-perubahan yang amat kecil disekitarnya seperti misalnya bila dibiarkan sebentar saja dalam suhu kamar.
Dua ciri yang amat menyolok mengenai enzim ialah efisiensi katalitiknya yang tinggi dan derajat kekhususannnya yang tinggi terhadap substrat. Sel biasanya menghasilkan enzim yang berbeda untuk setiap senyawa yang harus dikenai proses metabolisme olehnya. Lagipula setiap enzim menyebabkan perubahan satu langkah pada substratnya.
Glukose + Sel-sel khamir Alkohol + CO2 substrat sumber enzim produk akhir
Pengubahan ini dicapai bukan oleh satu enzim tunggal, tetapi oleh sekelompok enzim, yaitu suatu sistem enzim, lebih dari selusin individu enzim bekerja berurutan, masing-masing menyebabkan terjadinya suatu reaksi kimiawi yang menghasilkan suatu perubahan spesifik pada produk yang dibentuk oleh reaksi enzim yangtepat mendahuluinya. Reaksi terakhir sekian banyak enzim dalam sistem tersebut menghasilan produk-produk akhir.
2.3.2 Sifat dan mekanisme kerja enzim
Kebanyakan reaksi enzim dapat dinyatakan dengan persamaan reaksi keseluruhan sebagai berikut:
enzim E + substrat S komp. enzim - substrat ES produk P + enzim E
Yang menjadi pokok dalam teori mengenai mekanisme kerja enzim ialah konsep aktivasi substrat yang terjadi setelah pembentukan kompleks enzim-substrat (ES). Aktivasi memungkinkan substrat diubah oleh kerja enzim.Terjadinya aktivasi molekul substrat inidisebabkan oleh affinitas kimiawi substrat yang tinggi terhadap daerah-daerah tertentu pada permukaan enzim yang disebut situs aktif. Ketegangan atau distorsi yang dihasilkan pada beberapa ikatan pada molekul substrat membuatnya labil (tidak mantap) dan karenanya mengalami perubahan sebagaimanaditentukan oleh enzim yang bersangkutan. Molekul-molekul yang telah mengalami perubahan itu tidak lagi mempunyai affinitas terhadap situs-situs aktif tadi dan karenanya dilepaskan. Enzimnya kemudian bebas untuk bergabung lagi dengan substrat berikutnya dan demikianlah proses tersebut berulang.
Fungsi utama suatu enzim ialah mengurangi hambatan energi aktivasi pada suatu reaksi kimiawi. Yang dimaksud energi aktivasi ialah energi yang dibutuhkan untuk membawa substansi ke situs reaktifnya. Enzim bergabung dengan substrat membentuk status transisi yang membutuhkan energi aktivasi lebih kecil untuk berlangsungnya reaksi kimiawi tersebut. Pembahasan ini berlaku bagi substrat yang mengalami peruraian dan digunakan untuk memperoleh energi. (Pelczar, 1986)
2.4 Metabolisme
Metabolisme ialah semua reaksi kimiawi yang dilakukan oleh sel yang menghasilkan energi dan yang menggunakan energi untuk sintesis komponen-komponen sel dan untuk kegiatan-kegiatan selular, seperti pergerakan. Reaksi kimiawi yang membebaskan energi melalui perombakan nutrien disebut reaksi disimilasi atau peruraian; jadi merupakan kegiatan katabolitik sel. Jadi reaksi disimilasi menghasilkan energi, reaksi asimilasi menggunakan energi.
2.4.1 Metabolisme Karbohidrat
diperlukan untuk sintesis karbohidrat, asam amino, lipid dan purin.
Molekul karbohidrat terdiri atas dua atau lebih monosakarida yang disebut gula kompleks atau polisakarida yang sebenarnya terbentuk oleh karena adanya kondensasi antara molekul-molekul heksosa (monosakarida). Untuk memecah gula kompleks atau polisakarida, terlebih dahulu bakteri harus memecah ikatan glikosidik antara molekul-molekul monosakarida yang menyusunnya dengan bantuan enzim. Proses pemecahan ikatan glikosidik terdiri atas: hidrolisis, fosforilasi, dan transglikosidasi. Protein dihidrolisis berjalan secara menetap (irreversible) dengan bantuan enzim glikosidase atau invertase:
Invertase dan air
Sukrosa Glukosa + Fruktosa
Hasil akhir pemecahan karbohidrat oleh bakteri aerob adalah H2O dan CO2, sedangkan oleh bakteri anaerob hasilnya adalah asam laktat.
Pemecahan senyawa polisakarida selulosa umumnya melalui proses dekomposisi oleh bakteri anaerob, baik yang berada di tanah maupun yang berada dalam saluran cerna hewan memamah biak. Walaupun selulosa terdiri atas molekul-molekul heksosa tetapi lebih sukar dihidrolisis. (Tim Mikrobiologi FK, 2003)
2.4.2Metabolisme lemak
Glukosa adalah sumber energi tunggal yang terpenting bagi kebanyakan sel. Tetapi, bagi banyak mikroorganisme, zat-zat lain seperti lemak dan protein, dapat digunakan sebagai sumber energi pilihan. Zat-zat tersebut diubah secepat dan seefisien mungkin menjadi intermediat lintasan-lintasanglikolitik dan TCA(tricarboxylic acid)
Perombakan lipid atau lemak diawali dengan pecahnya trigliserida oleh penambahan air sehingga terbentuk gliserol dan asam lemak dengan bantuan enzim-enzim lipase:
O O
H2C O C R1 H2C OH HO C R1
O O
Lipase
HC O C R2 + 3H2O HC OH + HO C R2
O O
H2C O C R3 H2C OH HO C R3
Trigliserida Gliserol Asam-asam lemak (-R = rantai hidrokarbon)
Gliserol sebagai komponen lemak dapat diubah menjadi intermediat lintasan glikolitik (dihidroksiaseton fosfat) melalui reaksi reaksi berikut:
Gliserol kinase
Gliserol + Adenosin trifosfat (ATP) Adenosin difosfat (ADP)+ Mg2+ Gliserol – 3 – fosfat
Gliserol dehidrogenase
Gliserol – 3-fosfat + NAD+ dihidroksiaseton fosfat + NADH2
dua dalam bentuk asetil-KoA.Asetil-KoA yang terbentuk kemudian dapat memasuki siklus TCA, sedangkan atom-atom hidrogen beserta elektron-elektronnya memasuki rantai angkutan elektron menuju fosforilasi oksidatif.
Ada lebih banyak hasil energi per gram lemak daripada per gram karbohidrat. Namun, relatif hanya beberapa spesies mikroba yang efektif dalam merombak lipid, baik tipe yang sederhana maupun yang rumit, antara lain karena terbatasnya daya larut lipid. (Pelczar, 1986).
Bagian-bagian tertentu bakteri juga tersusun dari lipid misalnya sel membran serta bagian tertentu dinding sel dan kapsul. Pada umumnya lemak tersebut merupakan lipopolisakarida. Lipopolisakarida tersusun dari lemak (lipid) yang berikatan dengan senyawa polisakarida inti (core polysaccharide). Bakteri memiliki enzim lipase yang dapat memecah lemak menjadi asam lemak dan gliserol. Lipopolisakarida merupakan bagian yang menyusun endotoksin dari bakteri gram negatif. (Tim Mikrobiolgi FK, 2003)
2.4.3 Metabolisme protein
Banyak bakteri heterotrofik dapat menghancurkan protein di luar tubuhnya dan menggunakan produk-produk hasil proses tersebut sebagai sumber tenaga karbon dan nitrogen. Karena molekul protein terlampau besar untuk dapat melewati membran, bakteri mengekskresikan enzim yang disebut proteaseyang menghidrolisis protein tersebut menjadi peptide-peptide.
Bakteri menghasilkan peptidase yang menguraikan peptide menjadi asam-asam amino individu, yang kemudian dikatabolisme melalui cara yang bergantung pada tipe asam aminonya dan spesies atau galur bakteri yang menguraikannya. Proses ini adalah sebagai berikut:
Protease peptidase
Bilamana asam amino diuraikan, kerangka karbon asam-asam amino tersebut mengalami peruraian oksidatif menjadi senyawa-senyawa yang dapat memasuki siklus TCA untuk dioksidasi lebih lanjut. Masuknya ke dalam siklus TCA dapat melalui asetil-KoA, asam α ketoglutarat, asam suksinat, asam fumarat atau asam oksaloasetat. (Pelczar, 1986)
Gambar 2.2 Metabolisme karbohidrat, lipid dan asam amino
Seperti dapat dilihat dari gambar, asetil KoA merupakan intermediate umum dari metabolisme karbohidrat dan lipid dan siklus TCA merupakan lintasan umum untuk oksidasi karbohidrat, lipid dan asam amino.
2.5 Isolasi Bakteri
dengan media biakan. Pada dasarnya semua media biakan berbentuk cair, semipadat atau padat. (Cappucino dan Sherman, 2013)
Bakteri di alam umumnya tumbuh dalam populasi yang terdiri dari berbagai spesies. Oleh karena itu, untuk mendapatkan biakan murni, sumber bakteri harus diperlakukan dengan pengenceran agar didapat hanya 100-200 bakteri yang ditransfer ke medium, sehingga dapat tumbuh menjadi koloni yang berasal dari bakteri tunggal. Ada beberapa metode untuk mengionokulasi bakteri sesuai dengan jenis medium tujuannya yaitu:
1. Metode gores atau streak plateadalah metode isolasi kualitatif, menggunakan
loop ose dan menggoreskannnya ke permukaan medium agar dengan pola
tertentu dengan harapan pada ujung goresan,hanya sel-sel bakteri tunggal yang terlepas dari ose dan menempel ke medium. Sel- sel bakteri tunggal ini akan membentuk koloni tunggal yang kemudian dapat dipindahkan ke medium selanjutnya agar didapatkan biakan murni.
2. Metode sebar atau spread plate. Metode ini membutuhkan campuran suspensi sebelumnya dari mikroorganisme yang digunakan. Dilakukan dengan menyemprotkan suspensi ke atas medium agar kemudian menyebarkannya secara merata dengan trigalski. Dengan ini diharapkan bakteri terpisah secara individual, kemudian dapat tumbuh menjadi koloni tunggal.
3. Metode tuang atau pour plate dilakukan dengan 2 cara, yaitu dengan mencampur suspensi bakteri dengan medium agar pada suhu 50oC kemudian menuangkannya pada petridisk atau denganmenyemprotkan suspensi pada dasar petridisk, kemudian menuang medium agar keatasnya dan diaduk. Setelah agar mengeras, bakteri akan berada pada tempatnya masing-masing dan diharapkan bakteri tidak mengelompok sehingga terbentuk koloni tunggal. (Cappucino dan Sherman, 1996)
2.6 Teknik Pewarnaan
gram. Pewarnaan gram masih merupakan salah satu prosedur yang paling banyak
Gram Positif Gram Negatif
1 Ungu Kristal (UK) Sel Berwarna Ungu Sel Berwarna Ungu 2 Larutan Yodium (Y) Kompleks UK-Y terbentuk di
dalam sel; sel tetap berwarna ungu
Kompleks UK-Y terbentuk di dalam sel; sel tetap berwarna ungu
3 Alkohol Dinding sel mengalami dehidrasi,pori-pori
menciut;daya rembes dinding sel dan membran menurun, UK-Y tak dapat keluar dari sel; sel tetap ungu 4 Safranin Sel tak terpengaruhi, tetap ungu Sel menyerap zat
pewarna ini, menjadi merah
(Pelczar, 1986)
Tabel 2.3 Ciri-ciri bakteri gram positif dan bakteri gram negatif NO
.
CIRI PERBEDAAN RELATIF
Gram Positif Gram Negatif 1 Struktur dinding sel Tebal (15-80 nm)
Berlapis tunggal(mono) dari 50% berat kering pada
beberapa sel bakteri
4. Persyaratan nutrisi Relatif rumit pada banyak spesies
Relatif sederhana 5. Resistensi terhadap
gangguan fisik
Lebih resisten Kurang resisten (Pelczar, 1986)
2.7 Pertumbuhan Mikroorganisme
Gambar 2.4 Gambaran umum mikroorganisme pemakan zat organik di dalam air limbah
Dari gambar diatas terlihat bahwa dengan banyaknya kandungan zat organik di dalam air limbah berarti bahwa jumlah makanan yang tersedia adalah cukup banyak, yang berarti juga bahwa pengotoran air limbah cukup tinggi. Pada kondisi seperti ini, maka jenis binatang yang dapat tumbuh dengan baik adalah sarkodina yang kemudian diikuti oleh jenis paramesium dan apabila keadaan sudah banyak mengandung oksigen baru tampak pertumbuhan rotifera. Kondisi seperti diatas adalah kondisi alami yang tanpa mengalami pengaruh dari luar. Dengan demikian secara alamiah air limbah yang ada sebenarnya akan kembali menjadi jernih apabila kita biarkan saja berjalan secara alami hanya saja waktu yang dipergunakan cukup lama. Untuk mempercepat proses tersebut kiranya perlu dilakukan pengolahan air limbah agar produksi yang ada sesuai pengolahan secara alami.(Sugiharto, 1987)
2.8 Sifat – Sifat Air Limbah 2.8.1 Sifat Kimia Air Limbah
Kandungan bahan kimia yang ada di dalam air limbah dapat merugikan lingkungan melalui berbagai cara. Bahan organik terlarut dapat menghabiskan oksigen dalam limbah serta akan menimbulkan rasa dan bau yang tidak sedap pada penyediaan air bersih. Selain itu akan lebih berbahaya apabila bahan tersebut merupakan bahan yang beracun. Adapun bahan kimia yang penting yang ada didalam air limbah pada umumnya dapat diklasifikasikan sebagai berikut:
Bahan Organik
bersama-sama dengan nitrogen. Elemen lainnya yang penting seperti belerang, fosfor, dan besi juga dapat dijumpai. Pada umumnya kandungan bahan organik yang dijumpai dalam air limbah berisikan 40-60% adalah protein, 25-50% berupa karbohidrat serta 10% lainnya berupa lemak atau minyak. Urea sebagai kandungan bahan terbanyak, di dalam urine merupakan bagian lain, yang penting dalam bahan organik, sebab bahan ini diuraikan secara cepat dan jarang didapati urea yang tidak terurai berada di dalam air limbah.
Semakin lama jumlah dan jenis bahan organik semakin banyak, hal ini akan mempersulit dalam pengelolaan air limbah sebab beberapa zat tidak dapat diuraikan oleh mikroorganisme. Agar bisa mengolah zat tersebut perlu adanya tambahan biaya untuk membubuhkan bahan kimia seperti penyerap karbon untuk mengolah air limbah secara lengkap.(Sugiharto, 1987)
Penguraian bahan organik pada air limbah kota dibagi ke dalam 3 kelompok kategori yaitu karbohidrat, protein dan lemak.
Mayoritas dari karbohidrat, lemak dan protein dalam air limbah berupa molekul yang besar yang tidak dapat ditembus oleh membran sel dari mikroorganisme. Bakteri supaya memetabolisme zat masa molekul tinggi, harus dapat memecahkan molekul besar dalam fraksi difusi untuk asimilasi kedalam sel. Langkah pertama dalam peruraian bakteri pada senyawa organik adalah menghidrolisis karbohidrat ke dalam gula zat yang larut, protein menjadi asam amino, dan lemak menjadi asam lemak yng pendek. Selanjutnya hasil biodegradasi aerobik dalam bentuk CO2 dan H2O. Dengan penguraian tanpa oksigen, pembuangan anaerobik, produk akhir adalah asam organik, alkohol dan perantara cair lainnya sebaik badan gas dari CO2,CH4 dan H2S.
perawatan air limbah secara biologis. Detergen dan pestisida adalah juga bagian dari 20 sampai 40 persen adalah fraksi hampa dari limbah. Sejak mereka mengandung struktur cincin organik yang sulit untuk diurai. Kelompok umum dari surfaktan adalah alkil benzen sulfonat. Sebelumnya alkil benzen sulfonat turunan dari polimer yang besar dari propilen dan kelompok alkil adalah cabang yang tinggi. Strukutur ini, sangat tahan terhadap pengolahan secara biologi, hasil dalam kontaminasi dari dua permukaan dan persediaan air bawah tanah dengan kekayaan jenis yang tidak baik. Bahan ini sekarang membuat besarnya dari hidrokarbon normal (rantai lurus), kemudian rantai karbon tidak bercabang memudahkan peruraian oleh bakteri.
Meskipun beberapa limbah baunya adalah senyawa anorganik contoh, H2S, banyak disebabkan oleh senyawa organik yang menguap seperti merkaptan, asam butirat dan lainnya. (Hammer, 1977)
2.8.2 Sifat Biologis Air Limbah
kedalam sel sementara binatang menangkap dan memakan partikel makanan padat.
Tabel 2.4 Klasifikasi Mikroorganisme yang ada di dalam Air Limbah
No. Kelompok besar Anggota
1. Binatang Bertulang belakang (Rotifers) Kerang- kerangan (Crustaceae) Kutu dan Larva (Worm and Larvae) 2. Tumbuh-tumbuhan Lumut (Ferns)
Pakis/paku (Ferns)
3. Protista Bakteri, Ganggang (Algae), Jamur (Fungi), Hewan bersel satu (Protozoa)
Sumber : Donald W. Sundstrom, 1979
2.9Pengolahan Kedua Air Limbah (Secondary Treatment)
Pengolahan kedua umumnya mencakup proses biologis untuk mengurangi bahan-bahan organik melalui mikroorganisme yang ada di dalamnya. Pada proses ini sangat dipengaruhi oleh banyak faktor antara lain jumlah air limbah, tingkat kekotoran, jenis kotoran yang ada dan sebagainya. Reaktor pengolah lumpur aktif dan saringan penjernihan biasanya dipergunakan dalam tahap ini. Pada proses penggunaan lumpur aktif (activated sludge), maka air limbah yang telah lama ditambahkan pada tangki aerasi dengan tujuan untuk memperbanyak jumlah bakteri secara cepat agar proses biologis dalam menguraikan bahan organik berjalan lebih cepat. Lumpur aktif tersebut dikenal sebagai MLSS (Mixed Liquor Suspended Solid). Terdapat dua hal yang penting dalam proses biologis ini antara lain:
2.9.1 Proses Penambahan Oksigen (Aerasi)
Pengambilan zat pencemar yang terkandung di dalam air limbah merupakan tujuan pengolahan air limbah. Penambahan oksigen adalah salah satu usaha dari pengambilan zat pencemar tersebut, sehingga konsentrasi zat pencemar dapat berkurang atau bahkan dapat dihilangkan sama sekali. Zat yang diambil dapat berupa gas, cairan, iod, koloid atau bahan tercampur.
Pada prakteknya terdapat dau cara untuk menambahkan oksigen ke dalam air limbah yaitu:
1. Memasukkan udara ke dalam air limbah.
2. Memaksa air ke atas untuk berkontak dengan oksigen.
1. Memasukkan udara ke dalam air limbah
adalah proses memasukkan udara atau oksigen murni ke dalam air limbah melalui benda poros atau nozzle.
Gambar 2.6.1a Aerasi dengan memasukkan udara ke dalam air limbah
diletakkan pada dasar bak aerasi. Udara yang dimasukkan adalah berasal dari udara luar yang dipompakan ke dalam air limbah oleh pompa tekan.
2. Memaksa air ke atas untuk berkontak dengan oksigen
adalah cara mengontakkan air limbah dengan oksigen melalui pemutaran baling-baling yang diletakkan pada permukaan air limbah. Akibat dari pemutaran ini, air limbah akan terangkat ke atas dan dengan terangkatnya maka air limbah akan mengadakan kontak langsung dengan udara sekitarnya.
Gambar 2.6.1b Aerasi dengan menggunakan baling-baling
2.9.2 Pertumbuhan Bakteri dalam Bak Reaktor
Bakteri diperlukan untuk menguraikan bahan organik yang ada di dalam air limbah. Oleh karena itu, diperlukan jumlah bakteri yang cukup untuk menguraikan bahan-bahan tersebut. Bakteri itu sendiri akan berkembang biak apabila jumlah makanan yang terkandung di dalamnya cukup tersedia, sehingga pertumbuhan bakteri dapat dipertahankan secara konstan. Pada permulaannya bakteri berbiak secara konstan dan agak lambat pertumbuhannya karena adanya suasana baru pada air limbah tersebut, keadaan ini dikenal sebagai lag phase. Setelah beberapa jam berjalanmaka bakteri mulai tumbuh berlipat ganda dan fase ini dikenal sebagai fase akselerasi (acceleration
phase).Setelah tahap ini berakhir maka terdapat bakteri yang tetap dan bakteri yang
disebut sebagai log phase. Selama log phase diperlukan banyak persediaan makanan, sehingga pada suatu saat terdapat pertemuan antara pertumbuhan bakteri yang meningkat dan penurunan jumlah makanan yang terkandung di dalamnya. Apabila tahap ini berjalan terus maka akan terjadi keadaan dimana jumlah bakteri dan makanan tidak seimbang dan keadaan ini kita sebut declining growth phase. Pada akhirnya makanan akan habis dan kematian bakteri akan terus meningkat sehingga tercapai suatu keadaan di mana jumlah bakteri yang mati dan tumbuh mulai berimbang yang dikenal sebagai stationary phase.
Setelah jumlah makanan habis dipergunakan, maka jumlah kematian akan lebih besar dari jumlah pertumbuhannya maka keadaan ini disebut endogeneus phase
dan pada saat ini bakteri menggunakan energi simpanan ATP untuk pernafasannya sampai ATP habis yang kemudian akan mati.
Gambar 2.6 Kurva pertumbuhan bakteri pada bak reaktor
Gambar 2.7 Penggunaan activated sludge conventional
Gambar 2.8 Penggunaan activated sludge dan mengontakkan dengan udara
(aerasi)
Dengan demikian penambahan kembali bahan lumpur yang telah banyak mengandung makanan dan bakteri sangat diperlukan. Lumpur yang biasanya dipergunakan untuk penambahan makanan ini disebut lumpur aktif (activated sludge)
di mana pemberiannya dilakukan sebelum memasuki bak aerasi dengan mengambil lumpur dari bak pengendapan kedua atau dari bak pengendapan terakhir (final sedimentation tank).(Sugiharto, 1987)
Pentosa CO2
Enter Doudoroff
Oksidasi Deaminasi
alfa/beta (reduktif atau oksidatif) KDPG
Triosafosfat
Glikolisis NH4
Oksidatif asimilasi
PHB CH4 + CO2+ H2O
PHB : poli-beta-hydoksy-butyric acid
Polisakarida Lemak Protein
Gula Gliserol +Asam lemak Asam Amino
Piruvat Laktat
Asetat Etanol
KDPG : 2-keto-3-deoxy-6-P-glukonate
Gambar 2.6.2d Proses degradasi senyawa organik tahap 1
CO2 H2O HNO3 SO42-
C O H2 N S
Kondisi aerobik Kondisi anaerobik
C O H2 N S
+
+ Nitrat + Asam Piruvat
CO2 H2O H2S CH4 NH3
H2O + Nitrit Asam Laktat Gambar 2.6.2e. Proses degradasi senyawa organik tahap 2 (Waluyo, 2009)
O2
Senyawa Organik
2.10 Nutrien agar
Contoh-contoh medium cair dan padat yang relatif sederhana menunjang pertumbuhan banyak heterotrof yang umum ialah kaldu nutrien dan nutrien agar. Komposisi nutrien agar diantaranya ekstrak daging sapi 3 g, pepton 5g, agar 5 g dan air 1000 ml. Media
dalam bentuk kaldu nutrien atau yang mengandung agar disiapkan dengan melarutkan masing-masing bahan yang dibutuhkan atau lebih mudah lagi dengan cara menambahkan air pada suatu produk komersial berbentuk bubuk yang sudah mengandung semua nutrien yang dibutuhkan. (Pelczar,1986)
2.11 Chemical Oxygen Demand (COD)
Bentuk lain untuk mengukur kebutuhan oksigen ini adalah Chemical Oxygen Demand. Pengukuran ini diperlukan untuk mengukur kebutuhan oksigen terhadap zat organik yang dihancurkan secara oksidasi. Oleh karena itu dibutuhkan bantuan pereaksi oksidator yang kuat dalam suasana asam. Nilai BOD selalu lebih kecil daripada nilai COD diukur pada senyawa organik yang dapat diuraikan maupun senyawa organik yang tidak dapat berurai. (Agusnar, 2008)
COD secara luas digunakan untuk mengkarakteristik kadar bahan organikdari air limbah dan polusi dari air alami. Pengukuran uji sejumlah oksigen yang diperlukan untuk oksidasi kimia dari bahan organik dalam sampel untuk diubah menjadi CO2 dan H2O. Prosedurnya adalah dengan penambahan sejumlah larutan K2Cr2O7 standart sesuai kebutuhan, asam sulfat yang mengandung perak sulfat dan pengukuran volume sampel ke dalam labu. Campuran larutan ini direfluks selama 2 jam. Banyak jenis bahan organik dihancurkan pada proses ini oleh kromat dan asam sulfat.
Setelah pendinginan, kondensor dicuci dan dilarutkan dengan destilate water, sisa dikromat dalam sampel ditirasi dengan Ferro Ammonium Sulfat menggunakan indikator Ferroin.Reaksi ion ferro dengan ion dikromat dengan titik akhir perubahan warna dari biru-hijau menjadi coklat kemerahan.
6Fe2+ + Cr2O72- + 14H+ 6Fe3+ + 2Cr3+ + 7H2O
Dilakukan prosedur yang sama untuk perlakuan terhadap sampel blank. Tujuan dari perlakuan terhadap blank ini adalah untuk memastikan kesalahan yang mungkin terjadi karena kehadiran bahan organik asing dalam zat. Perbedaan antara sejumlah penitrat yang digunakan untuk blank dan sampel dibagi volume sampel dikalikan dengan normalitas dari penitrat. Pengalian angka 8000 adalah untuk mempercepat hasil dalam satuan miligram per liter dari oksigen, karena 1 liter mengandung 1000 ml dan berat ekivalen dari oksigen adalah 8.
COD = (ml blank – ml sampel pentitrat) x (normalitas Fe(NH4)2(SO4)2) x 8000
(mg/l) ml sampel
(Hammer, 1977)
Apabila di dalam limbah organik diperkirakan terdapat kandungan klorida yang dapat mengganggu reaksi maka perlu ditambahkan merkuri sulfat untuk menghilangkan gangguan tersebut. Klorida dapat mengganggu karena akan ikut teroksidasi oleh kalium bikromat sesuai dengan reaksi:
6Cl- + Cr2O72-+ 14H+--->3Cl2 + 2Cr3++ 7H2O
Apabila di dalam contoh terdapat kandungan klorida dalam jumlah yang dapat mengganggu, maka oksigen yang diperlukan dalam reaksi diatas tidak dapat ditentukan dengan benar. Seberapa jauh tingkat pencemaran oleh bahan buangan organik tidak dapat dapat diketahui secara benar.
Makin banyak kalium bikromat yang dipakai pada reaksi oksidasi, berarti makin banyak oksigen yang diperlukan. Ini berarti bahwa air lingkungan makin banyak tercemar oleh bahan buangan organik. Dengan demikian maka seberapa jauh tingkat pencemaran air lingkungan dapat ditentukan.(Wardhana, 2004)
2.12 Kalium Bikromat (K2Cr2O7)
Kalium bikromat merupakan salah suatu oksidator kuat. Dalam keadaan asam akan mengalami reduksi menjadi Cr3+ menurut persamaan reaksi sebagai berikut : Cr2O72- + 14 H+ + 6 e- 2Cr 3+ + 7H2O Eo = + 1,33 V
Daya oksidasi dari kalium bikromat lebih rendah dari kalium permanganat (KMnO4) Maupun ion serium (IV). Akan tetapi kalium bikromat berguna sekali karena
larutannya stabil dan juga mudah diperoleh serta harganya relatif murah. (Hardjadi, 1993)
2.13Lumpur Aktif
Lumpur aktif (activated sludge) adalah gumpalan partikel tersuspensi yang mengandung campuran mikroorganisme aerobik yang dihasilkan melalui proses aerasi. Massa mikroorganisme yang terflokusi terdiri atas bakteri, terutama bakteri gram negatif termasuk pengoksidasi karbon dan nitrogen, pembentuk flok dan bakteri aerobik. (Gumbira, 1996)
Fungsi dari aerasi adalah penambahan jumlah oksigen,penurunan jumlah CO2,menghilangkan H2S,metana (CH4) dan berbagai senyawa organik yang bersifat volatil (menguap).(Waluyo,2009)
