PERTUMBUHAN MIKROBA

A. Pendahuluan

Pertumbuhan adalah karakteristik dari semua organisme hidup. Pertumbuhan mikroba dapat dibedakan antara pertumbuhan masing-masing individu sel dan pertumbuhan kelompok sel atau pertumbuhan populasi.Pertumbuhan individu diartikan sebagai bertambahnya  ukuran tubuh, sedangkan pertumbuhan  populasi diartikan sebagai bertambahnya kuantitas individu dalam suatu populasi atau bertambahnya ukuran koloni. Pertumbuhan mikroba dapat diukur dengan melihat kenaikan biomassa atau jumlah sel. Selama pertumbuhan, mikroba menghasikan metabolit primer dan sekunder berupa produk.

B. Deskripsi Pertumbuhan secara Matematik

Pada fase eksponensial, populasi mikrobia mengalami pembelahan paling tinggi dan konstan dalam waktu generasi yang pendek. Waktu generasi mikrobia merupakan waktu yang dibutuhkan sel mikrobia untuk membelah menjadi 2 sel. Setiap sel mikrobia akan membelah 2x lipat sehingga peningkatan jumlah populasi selalu 2n, n adalah jumlah generasi. Pertambahan jumlah sel dalam populasi disebut sebagai pertumbuhan mikrobia. Pada fase eksponensial, awalnya sel mikrobia membelah secara pelan kemudian penambahannya semakin meningkat cepat. Secara matematis memiliki rumus: Nt  = N02n  dimana, Nt  : jumlah sel setelah tumbuh selama waktu t ; t : waktu pertumbuhan selama fase eksponensial, N0: jumlah sel mula-mula selama fase eksponensial ; 2  : bilangan tetap (pembelahan biner), n : jumlah generasi (pembelahan).

Skala logaritmik menunjukkan jumlah sel dan skala aritmetik menunjukkan waktu inkubasi. Titik perpotongan antara skala logaritmik dengan skala aritmetik menunjukkan adanya pertumbuhan eksponensial dan populasi mengalami penggandaan dalam interval waktu konstan. Penghitungan waktu generasi dapat digunakan rumus berikut:

Nt  = N02n

log Nt = log N0 + n log 2log Nt – log N0 = n log 2n   = log Nt – log N0 = log Nt – log N0                                 ——————    ——————        log 2                     0.301

Rerata pertumbuhan dalam batch culture dapat dinyatakan dalam bentuk konstanta kecepatan pertumbuhan rerata (k).

k = n/tk = log Nt – log N0

——————-      0.301(t)

Biomassa sel mikrobia dapat dihitung melalui konstanta kecepatan pertumbuhan spesifik (µ), berikut:

dN / dt = µN                          

dN       : perubahan biomassa selama waktu dtdt        : perubahan waktuN         : biomassa sel (jumlah sel/komponen sel spesifik (protein))µ         : konstanta kecepatan pertumbuhan

dalam bentuk logaritma dengan bilangan dasar e, maka:

Nt       = No (e µt)           (dalam bentuk antilogaritma)            

Kerapatan populasi dalam t dapat diperkirakan dengan µ sebagai konstanta pertumbuhan. Parameter untuk konstanta pertumbuhan populasi secara eksponensial adalah waktu generasi (waktu penggandaan). Penggandaan populasi terjadi saat Nt/No = 2, sehingga rumus menjadi :

Nt           =  N0 (e µt)        (dalam bentuk antilogaritma)Nt / N0   =  e µt2             =  e µtln 2        = ln e µt0,693   = µt                 (t=g)0,693 = µg                                                     0,693 = µ (1/k)µ          = 0,693 k                                            

μ dan k, keduanya menggambarkan proses pertumbuhan yang sama dari peningkatan populasi secara eksponensial. Perbedaannya μ merupakan konstanta kecepatan pertumbuhan yang digunakan untuk memperkirakan kecepatan pertumbuhan populasi dari masing-masing aktivitas sel individual dan dapat digunakan untuk mengetahui dinamika pertumbuhan secara teoritis, sedang k adalah nilai rata-rata populasi pada periode waktu terbatas, yang menggambarkan asumsi rata-rata pertumbuhan populasi.

C. Kurva Pertumbuhan

Penumbuhan mikroba dalam sistem batch culture merupakan sistem kultur tertutup (menggunakan tabung reaksi atau flask) tanpa adanya penambahan medium baru ke dalam kultur. Mikrobia dalam sistem tertutup mengalami 4 fase pertumbuhan, secara berurutan meliputi fase lag, fase eksponensial, fase stasioner dan fase kematian. Pertumbuhan mikrobia dalam sistem tertutup menyebabkan fase eksponensial mikrobia sangat terbatas.

Pada fase pertama, yaitu pemindahan bakteri belum mengadakan pembiakan, fase ini disebut fase adaptasi (lag). Fase ini disusul oleh fase kedua dimana jumlah bakteri mulai betambah sedikit demi sedikit, sel-sel dalam fase ini tampak gemuk-gemuk.

Fase kedua ini disusul oleh fase pembiakan cepat (fase logaritma/eksponensial) pada fase ini pembiakan bakteri berlangsung paling cepat. Jika kita ingin mengadakan piaraan yang cepat tumbuh, maka bakteri pada fase ini baik sekali untuk dijadikan inokulum.

Entah karena keadaan medium memburuk, entah karena perubahan pH, entah karena tertimbunnya zat kotoran, maka dalam fase berikut ini tampak sekali menyusutnya jumlah sel-sel yang segar, kecepatan berbiak menjadi berkurang sekali. Fase ini disebut fase pembiakan diperlambat (stationer). Kemudian datanglah fase dimana jumlah bakteri yang berbiak sama dengan jumlah bakteri yang mati makin banyak, dan makin melebihi jumlah bakteri yang membelah diri. Grafiknya mulai menurun, fase ini disebut fase kematian. Akhirnya sampailah fase yang ditandai dengan cepat merananya koloni, jumlah bakteri yang mati senantiasa bertambah. Keadaan ini berlangsung beberapa minggu, hal ini bergantung kepada spesies dan keadaan medium serta faktor-faktor lingkungan. Kalau keadaan dibiarkan demikian terus-menerus, besar kemungkinan bakteri tidak dapat dihidupkan kembali dalam medium baru. 

D. Faktor Yang Mmpengaruhi Pertumbuhan Mikroba

1. Konsentrasi SubstratMonod adalah orang pertama yang mengkaji pengaruh konsentrasi substrat tehadap laju

pertumbuhan.  Beliau menemukan bahwa ketika medium segar, yang mengandung glukosa sebagai sumber karbon sekaligus sebagai sumber energi dan dengan semua nutrien yang terkandung di dalamnya, diinokulasikan, siklus pertumbuhan kembali berjalan.

Hubungan antara laju pertumbuhan spesifik (μ) dan konsentrasi substrat (S) dapat digambarkan dengan kurva (Gambar 4) yang mirip demgam yang  penggambaran kinetika enzim model Michaelis-Menten. Monod mengajukan suatu aturan yang dikenal sebagai rumus Monod, untuk menggambarkan kurva tersebut.

μmax      : kecepatan pertumbuhan pada keadaan nutrien berlebihanS                : kadar residu substrat pembatasKs              : kadar substrat pada saat μ = ½ μmax = konstanta satursi

2. Suhu/TemperaturPertumbuhan mikrobia memerlukan kisaran suhu tertentu. Kisaran suhu pertumbuhan dibagi

menjadi suhu minimum, suhu optimum, dan suhu maksimum. Suhu minimum adalah suhu terendah tetapi mikrobia masih dapat hidup. Suhu optimum adalah suhu paling baik untuk pertumbuhan mikrobia. Suhu maksimum adalah suhu tertinggi untuk kehidupan mikrobia.

Berdasarkan kisaran suhu pertumbuhannya, mikrobia dapat dikelompokkan menjadi mikrobia psikrofil (kriofil), mesofil, dan termofil. Psikrofil adalah kelompok mikrobia yang dapat tumbuh pada suhu 0-30 oC dengan suhu optimum sekitar 15 oC  Mesofil adalah kelompok mikrobia pada umumnya, mempunyai suhu minimum 15 0C suhu optimum 25-37 oC dan suhu maksimum 45-55 oC  Mikrobia yang tahan hidup pada suhu tinggi dikelompokkan dalam mikrobia termofil. Mikrobia ini mempunyai membran sel yang mengandung lipida jenuh, sehingga titik didihnya tinggi. Selain itu dapat memproduksi protein termasuk enzim yang tidak terdenaturasi pada suhu tinggi. Di dalam DNA-nya mengandung guanin dan sitosin dalam jumlah yang relatif besar, sehingga molekul DNA tetap stabil pada suhu tinggi.

Kelompok ini mempunyai suhu minimum 40 oC  optimum pada suhu 55-60 oC dan suhu maksimum untuk pertumbuhannya 75 oC  Untuk mikrobia yang tidak tumbuh dibawah suhu 30 oC dan mempunyai suhu pertumbuhan optimum pada 60 oC  dikelompokkan kedalam mikrobia termofil obligat. Untuk mikrobia termofil yang dapat tumbuh dibawah suhu 30 oC  dimasukkan kelompok mikrobia termofil fakultatif. Bakteri yang hidup di dalam tanah dan air, umumnya bersifat mesofil, tetapi ada juga yang dapat hidup diatas 50 oC (termotoleran).

3. PhPengaruh pH terhadap pertumbuhan tidak kalah pentingnya dari pengaruh temperatur. Ada pH

minimum, pH optimum, dan pH maksimum. Rentang pH bagi pertumbuhan bakteri antara 4 – 9 dengan pH optimum 6,5 – 7,5. Jamur lebih menyukai pH asam, rentang pH pertumbuhan jamur dari 1 – 9 dan pH optimumnya 4 – 6. Selama pertumbuhan pH dapat berubah, naik atau turun, bergantung kepada komposisi medium yang diuraikan. Bila ingin pH konstan selama pertumbuhan harus diberikan larutan penyangga atau buffer yang sesuai dengan media dan jenis mikroorganisme.

E. Kultur Kontinyu

Dalam kultivasi mikroba menggunakan teknik continuous culture, mikroba ditumbuhkan secara terus menerus pada fase paling optimum untuk fase pertumbuhan yaitu fase eksponensial dimana sel membelah diri dengan laju yang konstan, massa menjadi dua kali lipat mengikuti kurva logaritmik. Hal ini dilakukan dengan memberi nutrisi secara terus menerus sehingga mikroba tidak pernah kekurangan nutrisi. Penambahan nutrisi/media segar ke dalam bioreaktor dilakukan secara kontinyu, dimana dalam waktu yang sama larutan yang berisi sel dan hasil produk hasil metabolisme dikeluarkan dari media dengan volume yang sama dengan substrat yang diberikan.

Teknik continuous culture dengan menggunakan kemostat dilakukan dengan menambahkan nutrien melalui sebuah tangki sedemikian rupa sehingga komposisi nutrient di dalam fermentor tempat kultivasi mikrobia selalu dalam keadaan tetap. Hal ini dapat dicapai dengan mengatur kecepatan aliran medium baru ke dalam fermentor disesuaikan dengan aliran medium keluar fermentor untuk di panen.

Di dalam sistem ini sel dapat dipertahankan terus menerus pada fase pertumbuhan eksponensial atau fase pertumbuhan logaritma. Continuous culture mempunyai ciri  ukuran populasi dan kecepatan pertumbuhan dapat diatur pada nilai konstan  menggunakan khemostat. Untuk mengatur proses di dalam khemostat, diatur kecepatan aliran medium dan kadar substrat (nutrien pembatas). Sebagai nutrien pembatas dapat menggunakan sumber C (karbon), sumber N atau faktor tumbuh. Pada sistem ini , ada aliran keluar untuk mempertahankan volume biakan dalam kemostat sehingga tetap konstan.

1. Hubungan laju dilusi dengan konsentrasi selDengan kemostat single-stage, suplai medium biasanya bersifat steril (dengan asumsi tanpa

penggunaan kembali sel sebelumnya) dan µ > α, sehingga persamaannya dapat disederhanakan menjadi:

dimana F/V diistalahkan sebagai laju dilusi, D, yang merupakan jumlah volume kultur yang melewati reaktor setiap jam, sehingga persamaannya dapat ditulis ulang sebagai berikut:

Selama pertumbuhan steady state, dX / dt = 0, maka μ = D.

Hubungan antara laju pertumbuhan spesifik (μ) dan konsentrasi substrat (S) dapat digambarkan dengan kurva kinetika enzim model Michaelis-Menten.

F. Pertumbuhan pada 2 substrat

Pertumbuhan Diauxic adalah pertumbuhan menjadi dua fase terpisah yang disebabkan karena suatu sumber karbon lebih disukai dari pada yang lain sehingga terjadi kelambatan (lag) sementara diantaranya.Pertumbuhan diauxic terjadi ketika bakteri dihadapkan pada dua sumber karbon yang berbeda dan mampu menggunakan kedua sumber karbon tersebut. Misalnya E. coli ditumbuhkan pada media yang mengandung glukosa dan laktosa. E. coli memanfaatkan glukosa, karena sel telah memiliki enzim pendegradasi glukosa (enzim struktural). Glukosa sendiri menghambat sintesis enzim pemecah laktosa. Ketika glukosa habis, sel masuk fase statis dan menyintesis enzim yang mampu menghidrolisis laktosa menjadi glukosa dan galaktosa. Ketika glukosa tersedia di media, sel memasuki fase perbanyakan kembali.

NAMA : BELLA PERUCHA

NIM : 08101003010

Jurusan : Kimia

UNIVERSITAS SRIWIJAYA

2013