lecture mikro nutrisi, kurva tumbuh, faktor lingkungan akbid kul 4

KULIAH 4

MIKROBIOLOGI DASAR

Dalia Sukmawati

PERTUMBUHAN, PEMBIAKAN,

METABOLISME, DAN FAKTOR

LINGKUNGAN MIKROORGANISME

Nutrien

Makronutrien

Mikronutrien

Growth Faktor

Pertumbuhan Mikroorganisme

Metabolisme Mikroorganisme

Nutrisi Mikroorganisme Elemen % berat

kering

Sumber Fungsi

Carbon 50 senyawa organik atau

CO2

penyusun utama material sel

Oxygen 20 H2O, senyawa

organik, CO2, dan O2

penyusun material sel dan sitoplasma, O2 sebagai

akseptor elektron terakhir pada respirasi aerobik

Nitrogen 14 NH3, NO3, senyawa

organik, N2

penyusun asam amino, asam nukleat, nucleotida dan

koenzim

Hydrogen 8 H2O, senyawa

organik, H2

penyusun utama senyawa organik dan sitoplasma

Phosphorus 3 posfat anorganik

(PO4)

penyusun asam nukleat, nucleotida, phospholipid, Lipo

poli Sakarida (LPS), asam tekoat

Sulfur 1 SO4, H2S, SO,

senyawa sulfur organik

penyusun cysteine, methionine, glutathione, dan beberapa

koenzim

Potassium 1 garam Potassium kation seluler utama dan kofaktor beberapa enzim tertentu

Magnesium 0.5 garam Magnesium kation anorganik seluler, kofaktor beberapa reaksi

enzimatik

Calcium 0.5 garam Calcium kation anorganik seluler, kofaktor beberapa enzim dan

komponen endospora

Iron 0.2 garam Iron komponen sitokrom dan nonheme iron-protein dan

kofaktor beberapa reaksi enzimatik

1. Makro Elemen

Nutrisi Mikroorganisme

Trace elements adalah ion-ion logam yang dibutuhkan oleh sel dalam jumlah sangat kecil namun sangat diperlukan pertumbuhan mikroba.

Sebagai ion logam, trace elemen umunya berfungsi sebagai kofaktor bagi reaksi enzimatik esensial dalam sel.

Trace elemen untuk mikroba sifatnya spesifik untuk tiap-tiap mikroba dan berbeda untuk mikroba lainnya.

Mn, Co, Zn, Cu, and Mo.

2. Mikro Elemen (trace element)

3. Zat Pengatur Tumbuh (growth factor)

Purin dan pyrimidin: diperlukan untuk sintesis asam nukleat (DNA dan RNA)

Asam amino : dibutuhkan untuk sintesis protein

Vitamin: diperlukan sebagai koenzim dan gugus fungsional beberapa enzim tertentu

Nutrisi Mikroorganisme

Tipe nutrisi pada bakteri secara umum dikelompokkan menjadi

Tipe Sumber energi Sumber Carbon Contoh

Photoautotrof Cahaya CO2 Cyanobacteria, some Purple and

Green Bacteria

Photoheterotrof Cahaya Senyawa organik Purple bacteria dan green bacteria

Chemoautotrophs or

Lithotrophs

(Lithoautotrophs)

senyawa anorganik

( H2, NH3, NO2,

H2S)

CO2 A few Bacteria and many Archaea

Kemoheterotrof atau

Heterotrof

Senyawa organik Senyawa organik Most Bacteria, some Archaea

Pertumbuhan Bakteri

Binary Fission

Kurva Pertumbuhan Bakteri

Pengukuran Pertumbuhan

Pengukuran Masa Sel

Pengukuran Jumlah Sel

Faktor yang mempengaruhi Pertumbuhan

pH

Suhu

Aw

Oksigen

Binnary Fission


Waktu

Jum

lah s

el h

idup

Lag

Stasioner


1. Fase Lag

Fase adaptasi

Sesaat inokulasi, belum ada pembelahan

Sel mengalami pertumbuhan (ukuran, volume),

sintesis protein

Bergantung, jumlah inokulum, waktu recover untuk

adaptasi maupun sintesis enzim untuk metabolisme


2. Fase Eksponensial / Logaritmik

Fase eksponensial / logaritmik merupakan fase dimana sel bakteri

membelah diri (binary fission) dengan berlipat ganda dalam waktu

yang cepat sehingga membentuk pola eksponensial (geometric

progression).

Sel akan membelah diri dengan laju yang cepat tergantung pada

komposisi medium pertumbuhan dan kondisi inkubasi.

Geometric progression: 1, 2, 4, 8, dst. Atau 20, 21, 22, 23.........2n ( n =

jumlah generasi). Hal tersebut dinamakan pertumbuhan eksponensial.


3. Fase Stasioner

Pertumbuhan eksponensial tidak dapat berlanjut pada kultur batch

(sistem tertutup, spt: pada tabung). Pertumbuhan populasi sel dibatasi

oleh:

Berkurangnya nutrien

Akumulasi produk akhir atau metabolit yang bersifat inhibitor

Berkurangnya ruang "biological space"

Selama fase stasioner jumlah populasi sel tetap (jumlah sel yang mati

sama dengan jumlah sel yang baru membelah)

Pada fase stasioner ini bakteri mulai menghasilkan metabolit sekunder

Pada fase stasioner ini bakteri juga mulai membentuk spora


4. Fase Kematian

Jika inkubasi dilanjutkan setelah fase stasioner yang terjadi adalah fase

kematian, dimana jumlah sel yang hidup berkurang dengan cepat.

Hal ini disebabkan oleh keterbatasan 3 faktor tadi (makanan, metabolit

sekunder dan keterbatasan ruan)

Kematian sel terjadi secara eksponensial juga pada fase ini.

Pengukuran Pertumbuhan Bakteri

Pengukuran Masa Sel

1. Pengukuran Langsung

1. Pengukuran fisik: berat kering atau berat basah dari volume sel

setelah sentrifugasi.

2. Pengukuran kimiawi: beberapa sifat kimiawi komponen sel

seperti total N, total protein, atau total DNA.

3. Pengukuran kekeruhan (turbiditas) terhadap suspensi sel.

Turbiditas atau OD (optical density) suspensi sel berkaitan

langsung dengan massa sel ataupun jumlah sel. Makin besar

massa sel/jumlah sel makin keruh (OD nya besar).

2. Pengukuran Tidak langsung

1. Pengukuran aktivitas kimiawi seperti laju konsumsi atau

produksi O2 production or consumption, produksi CO2 dll

Pengukuran Pertumbuhan Bakteri

Pengitungan Jumlah Sel

1. Penghitungan mikroskopis langsung menggunakan counting

chambers. Sel mati tidak dapat dibedakan dengan yang hidup.

2. Penghitungan langsung menggunakan Electronic counting

chambers. Dengan alat ini penghitungan jumlah dan ukuran

distribusi sel dapat dilakukan dengan cepat

3. Penghitungan tidak langsung melalui teknik viable cell counts (plate

counts).

plating out (spreading) , koloni dihitung disebut sebagai colony forming unit (cfu).


Bakteri

1. pH

pH atau konsentrasi ion hidrogen [H+] pada lingkungan alamiah

berkisar antara 0,5 (pd tanah asam) sampai 10,5 (pada tanah kapur).

Kisaran pH dimana mikroba dapat tumbuh dikenal dengan istilah tiga

titik kardinal pH :

pH minimum, pH dimana di bawah nilai tersebut mikroba tidak dapat

tumbuh

pH maximum, pH dimana di atas nilai tersebut mikroba tidak dapat

tumbuh

pH optimum, pH dimana mikroba tumbuh paling baik

Pertumbuhan bakteri akan meningkat pada rentang pH minimum ke

optimum, namun akan menurun setelah melewati nilai pH optimum

menuju ke maksimum, yang merefleksikan pengaruh pH terhadap

reaksi enzimatis.


Bakteri

1. pH

Sebagian besar pH optimum bakteri adalah pada pH netral (7,0).

Pengelompokan mikroba berdasarkan pH optimumnya:

Acidofil: mikroba dengan pH optimum di bawah pH 7,0

Neutrofil: mikroba dengan pH optimum pada pH netral (7,0)

Alkalifil: mikroba dengan pH optimum di atas pH 7,0

Acidofil Neutrofil Alkalifil

Laj

u p

ertu

mbuhan

rel

atif

Nilai pH 7 1 12

Mikroorganisme

pH Minimum

pH Optimum

pH Maximum

Thiobacillus thiooxidans

0.5

2.0-2.8

4.0-6.0

Sulfolobus acidocaldarius

1.0

2.0-3.0

5.0

Bacillus acidocaldarius

2.0

4.0

6.0

Zymomonas lindneri

3.5

5.5-6.0

7.5

Lactobacillus acidophilus

4.0-4.6

5.8-6.6

6.8

Staphylococcus aureus

4.2

7.0-7.5

9.3

Escherichia coli

4.4

6.0-7.0

9.0

Clostridium sporogenes

5.0-5.8

6.0-7.6

8.5-9.0

Erwinia caratovora

5.6

7.1

9.3

Pseudomonas aeruginosa

5.6

6.6-7.0

8.0

Thiobacillus novellus

5.7

7.0

9.0

Streptococcus pneumoniae

6.5

7.8

8.3

Nitrobacter sp

6.6

7.6-8.6

10.0


Bakteri

1. pH


Bakteri

2. Suhu

Suhu pada lingkungan alamiah berkisar antara suhu di bawah 0oC (pd

daerah kutub) sampai > 100oC (sumber air panas).

Kisaran suhu dimana mikroba dapat tumbuh dikenal dengan istilah tiga

titik kardinal suhu :

Suhu minimum, suhu dimana di bawah nilai tersebut mikroba tidak

dapat tumbuh

Suhu maximum, suhu dimana di atas nilai tersebut mikroba tidak dapat

tumbuh

Suhu optimum, suhu dimana mikroba tumbuh paling baik

Pertumbuhan bakteri akan meningkat pada rentang suhu minimum ke

optimum, namun akan menurun setelah melewati nilai suhu optimum

menuju ke maksimum, yang merefleksikan pengaruh suhu terhadap

reaksi enzimatis.


Bakteri

2. Suhu

Pengelompokan mikroba berdasarkan suhu optimumnya:

Psikrofil: mikroba dengan suhu optimum antara 10 15oC

Mesofil: mikroba dengan suhu optimum antara 27 37oC

Termofil: mikroba dengan suhu optimum antara 45 70oC

Hipertermofil: mikroba dengan suhu optimum antara 80 115oC


Bakteri

3. Aktivitas air (Aw)

Air adalah komponen utama sel

Keberadaan air menjadi faktor kritis yang mempengaruhi pertumbuhan

sel

Keberadaan air untuk kebutuhan sel tergantung pada keberadaannya di

atmosfer (dikenal dgn kelembaban relatif) atau keberadaannya dalam

substrat (dikenal dgn water activity).

Aktivitas air (Aw) dari H2O murni nilainya 1.0 (100% air).

Aktivitas air dipengaruhi oleh adanya zat terlarut sperti garam atau

gula yang terlarut di dalam air. Makin tinggi konsentrasi zat terlarut

dalam air, nilai Aktivitas air (Aw) makin rendah.

Mikroorganisme hidup pd kisaran Aw antara 1.0 sampai 0.7.

Aw darah manusia = 0.99; air laut = 0.98; syrup = 0.90.


Bakteri


Zat terlarut yang umum di alam ini adalah garam NaCl. Mikroorganisme

yang membutuhkan garam NaCl untuk pertumbuhannya disebut mikroba

halofilik. Mild halofilik membutuhkan 1-6% garam, halofilik sedang

membutuhkan 6-15% garam; ekstrem halofilik membutuhkan 15-30%

NaCl .

Bakteri yang dapat tumbuh pd konsentrasi garam yang sedang, namun

tumbuh lebih baik bila tidak ada NaCl, disebut halotoleran.

Istilah Osmofilik dan Osmotoleran di lingkungan yang berkadar

gula tinggi.

Istilah Xerofilik di lingkungan kering (gurun pasir, tepung).

Konsep penurunan Aw mencegah pertumbuhan bakteri pengawetan

makanan dengan cara pengeringan (sinar matahari atau evaporasi) atau

dengan penambahan gula atau garam dalam konsentrasi tinggi.


Bakteri


Osmolaritas ditentukan oleh

konsentrasi bahan terlarut (solute) di

lingkungan

Osmolaritas berbanding terbalik

dengan water activity (Aw), dimana

makin tinggi konsentrasi bahan

terlarut (solute) berarti makin tinggi

osmolaritas, makin rendah Aw

Keterangan: (a) bakteri nonhalofil

spt E. coli atau Pseudomonas. (b)

bakteri halotoleran spt

Staphylococcus aureus, (c) ekstrim

halofil spt Halococcus.


Bakteri

4. Oksigen

Pengelompokan mikroba berdasarkan kebutuhan oksigen:

Obligat aerob: membutuhkan O2 bebas untuk pertumbuhannya; O2 digunakan

sebagai aseptor elektron terakhir pada respirasi aerobik.

Obligate anaerob (aerofob): tidak membutuhkan O2 untuk tumbuhnya. O2

bersifat toksik dan dapat membunuh atau menghambat pertumbuhan. Prokariot

obligate anaerob hidup secara fermentarif, respirasi anaerobik, bacterial

photosynthesis, atau secara methanogenesis.

Fakultatif anaerob (fakultatif aerob): mikroba yang dapat menggnti

metabolisme antara aerobik dan anaerobik. Pada kondisi anerobik (no O2)

mereka tumbuh secara fermentasi atau respirasi anaerobik, tetapi bila ada O2

mereka dapat beralih ke respirasi aerobik.

Aerotoleran anaerob : bakteri yang ekslusif anaeroik (metabolisme

fermentatif) namun mereka tidak begitu sensitif dengan adanya O2. Mereka

akan tetap bertahan dengan tumbuh secara fermentatif saat tidak ada atau ada

Oksigen.


Bakteri

4. Oksigen

Environment

Group

Aerobic

Anaerobic

O2 Effect

Obligate Aerobe

Growth

No growth

Required (utilized for

aerobic respiration)

Microaerophile

Growth if level not too

high

No growth

Required but at levels

below 0.2 atm

Obligate Anaerobe

No growth

Growth

Toxic

Facultative Anaerobe (Facultative Aerobe)

Growth

Growth

Not required for

growth but utilized

when available

Aerotolerant Anaerobe

Growth

Growth

Not required and not

utilized

Metabolisme

Salah satu ciri mahluk hidup adalah metabolisme. Artinya proses metabolisme yang terjadi di dalam sel menjadi ciri adanya kegiatan hidup atau kehidupan dari sel tersebut.

Definisi Metabolisme:

Seluruh aktifitas kimiawi yang terorganisir yang terjadi di dalam sel, dimana mencakup 2 tipe proses yaitu produksi energi dan penggunaan energi (Pelczar et al., 1986)

Untuk menggambarkan terjadinya proses kimiawi di dalam sel yang mencakup dua tipe proses yaitu anabolisme dan katabolisme. Anabolisme adalah proses penyusunan molekul kompleks dari molekul sederhana yang diperoleh dari lingkungan. Proses anabolisme juga sering disebut sebagai proses biosintesis. Proses katabolisme yaitu proses perombakan molekul kompleks menjadi molekul sederhana, untuk memperoleh energi (Madigan et al., 1997).

Metabolisme

Energi adalah kemampuan untuk melakukan kerja. Dalam konteks biologi

pekerjaan yang dilakukan sel macamnya sangat banyak dan beragam,

memerlukan energi dalam jumlah yang banyak pula.

Energi diperlukan untuk : membangun komponen fisik sel seperti dinding

dan membran sel ; sintesa enzim, protein, lemak, asam nukleat,

polisakarida dan komponen kimia sel lainnya ; memperbaiki kerusakan

sel ; pertumbuhan dan berkembang biak ; melakukan pengambilan

nutrien dari lingkungan atau membuang senyawa dari dalam sel ke luar ;

dan motilitas (Pelczar et al. 1986).

Metabolism : Keseluruhan reaksi yang terjadi di dalam sel hidup.

Metabolisme terdiri atas 2 tipe proses yaitu:

Katabolisme : proses perombakan senyawa kompleks menjadi senyawa yang

lebih sederhana dan akan menghasilkan energi (elektron)

Anabolisme : proses penyusunan senyawa kompleks dari senyawa sederhana

untuk membangun struktur sel. Proses ini memerlukan energi.

Kategori Katabolisme

Fermentasi : suatu proses perombakan senyawa organik kompleks menjadi yang

lebih sederhana (namun umumnya belum monomer akhir) dengan akseptor

elektron terakhir adalah senyawa organik. Energi yang dihasilkan tidak maksimal

karena masih banyak energi yang terkandung dalam produk akhir yang belum

final.Contoh: Katabolisme glukosa menjadi etanol oleh yeast.

Respirasi aerobik : suatu proses perombakan senyawa organik kompleks menjadi

yang lebih sederhana dengan akseptor elektron terakhirnya adalah oksigen

bebas. Umumnya senyawa organik tersebut terurai sempurna menjadi H2O dand

CO2, sehingga energi yang dihasilkan maksimal.

Respirasi anaerobik : suatu proses perombakan senyawa organik kompleks

(kadang senyawa anorganik) menjadi yang lebih sederhana dengan akseptor

elektron terakhir adalah senyawa anorganik selain oksigen (contoh: nitrat, sulfat

dan carbonat). Energi yang dihasilkan lebih besar daripada fermentasi namun

lebih kecil daripada respirasi aerobik.

Metabolisme

Metabolisme Primer & Sekunder

Metabolisme primer didefinisikan sebagai bagian dari proses kimiawi yang umum terjadi pada setiap organisme dan manfaatnya (produknya) sangat dibutuhkan untuk kelangsungan hidup dan pertumbuhannya. Hasil intermediet ataupun hasil akhir dari jalur metabolisme primer disebut metabolit primer (Bentley & Bennet 1988).

Metabolisme sekunder, adalah sebagai suatu jalur metabolisme yang terjadi pada organisme spesifik dengan melibatkan metabolit primer (sebagai precursor), menghasilkan produk akhir atau intermediet (metabolit) yang sifatnya spesifik spesies baik dari sifat kimiawi maupun fungsinya dan biasanya tidak digunakan untuk pertumbuhan sel (Bentley & Bennet 1988). Sampai saat ini kita masih sukar untuk secara absolut mendefinisikannya, disebabkan keterkaitannya yang sangat erat dengan metabolisme primer. Sebagai dasar pemikirannya adalah bahwa proses metabolisme

sekunder tidak dapat berdiri sendiri (terlepas sama sekali dari metabolisme primer).

Metabolit Primer vs Sekunder

Met. Primer Met. Sekunder

Dihasilkan oleh semua jenis sel Dihasilkan oleh sel khusus

(spesifik)

Proses nya terjadi mandiri dan tidak

memerlukan met. sekunder

Proses nya melibatkan metabolit

primer sebagai prekursor

Produk masih diperlukan untuk

pertumbuhan &

perkembangbiakannya

Produk sudah tidak diperlukan lagi

untuk pertumbuhan dan

perkembangbiakannya

Produk bersifat umum Produk bersifat spesies spesifik dari

kimiawi & fungsinya

Disintesis selama hidup Disintesis pd kondisi pertumbuhan

terbatas atau kondisi kritis

Contoh: Glikolisis, Siklus Krebs, dll Contoh: Antibiotik

lecture mikro nutrisi, kurva tumbuh, faktor lingkungan akbid kul 4

Documents