Makalah Bioproses

PERTUMBUHAN

   Pertumbuhan merupakan proses bertambahnya ukuran atau subtansi atau massa zat suatu organisme, misalnya kita makhluk makro ini dikatakan tumbuh ketika bertambah tinggi, bertambah besar atau bertambah berat. Pada organisme bersel satu pertumbuhan lebih diartikan sebagai pertumbuhan koloni, yaitu pertambahan jumlah koloni, ukuran koloni yang semakin besar atau subtansi atau massa mikroba dalam koloni tersebut semakin banyak, pertumbuhan pada mikroba diartikan sebagai pertambahan jumlah sel mikroba itu sendiri. Pertumbuhan merupakan suatu proses kehidupan yang irreversible artinya tidak dapat dibalik kejadiannya.

   Pertumbuhan didefinisikan sebagai pertambahan kuantitas konstituen seluler dan struktur organisme yang dapat dinyatakan dengan ukuran, di ikuti pertambahan jumlah, pertambahan ukuran sel, pertambahan berat atau massa dan parameter lain. Sebagai hasil pertambahan ukuran dan pembelahan sel atau pertambahan jumlah sel maka terjadi pertumbuhan populasi mikroba (Zaldi, 2009). 

    Hidup ini pada dasarnya berhubungan dengan pertumbuhan. Fenomena pertumbuhan dapat dipelajari ilmiah dari dua sudut pandang yang berbeda:

a. Pada tingkat sel atau organisme: Di sini, tersetel seluler (metabolik dan peraturan) proses-proses yang mendasari peningkatan panjang dan volume, divisi dan replikasi yang menarik. Proses-proses ini dapat dipelajari tanpa melihat pada populasi secara keseluruhan.

b. Pada tingkat populasi: Berikut peningkatan jumlah individu atau ukuran populasi dan deskripsi matematika dan pemodelan yang menarik. Strictly berbicara, ini adalah studi tentang propagasi (Jerman: Vermehrung), namun demikian pertumbuhan jangka umumnya digunakan. Hal ini dapat dipelajari dan dimodelkan tanpa pengetahuan mekanisme seluler (Widdel, 2010).

Mikroorganisme tumbuh di berbagai lingkungan. Beberapa seperti itu panas sementara yang lain seperti itu dingin. Beberapa asam yang penuh kasih. Beberapa membutuhkan kelembaban yang tinggi. Lainnya tidak. Beberapa dapat mentolerir tinggi garam (saline) lingkungan. Banyak memerlukan kehadiran oksigen, tapi beberapa tidak (Janke, 2002). 

          Berikut faktor yang mempengaruhi proses pertumbuhan:

1. Faktor instrinsik

a. Aktivitas air (a_w)

     Pertumbuhan dan metabolisme mikroba memerlukan air dalam bentuk yang tersedia. Air yang dimaksudkan adalah air bebas atau air yang tidak terikat dalam bentuk ikatan dengan komponen – komponen penyusun bahan pangan lain. Oleh karena itu, besarnya kadar air suatu bahan pangan bukan merupakan parameter yang tepat untuk menggambarkan aktivitas mikroba pada bahan pangan. Aktivitas kimia air atau sering diistilahkan aktivitas air (water activity = a_w) merupakan parameter yang lebih tepat untuk mengukur aktivitas mikroba pada bahan pangan. Sebagian besar mikroba (terutama bakteri) tumbuh baik pada bahan pangan yang mempunyai a_w 0,9 – 0,97.

b. Nilai pH

     Hampir semua mikroba tumbuh pada tingkat pH yang berbeda. Sebagian besar bakteri tumbuh pada pH mendekati netral (pH 6,5 – 7,5). Pada pH di bawah 5,0 dan di atas 8,0 bakteri tidak dapat tumbuh dengan baik, kecuali bakteri asam asetat yang mampu tumbuh pada pH rendah dan bakteri Vibrio sp. yang dapat tumbuh pada pH tinggi.

c. Kandungan Nutrisi

      Fungsi utama nutrisi adalah sebagai sumber energi, bahan pembentuk sel dan aseptor elektron di dalam aksi yang menghasilkan energi. Nutrisi yang diperlukan mikroba meliputi air, sumber karbon, sumber mitrogen, sumber septor elektron, sumber mineral dan faktor tumbuh.

d. Senyawa antimikroba

    Beberapa bahan pangan mempunyai senyawa antimikroba alamiah yang dapat menghambat pertumbuhan mikroba, misalnya laktinin, anticoliform dan laktoperoksidase yang terdapat dalam susu.

2. Faktor Ekstrinsik

a. Suhu

    Suhu merupakan faktor fisika yang sangat penting pengaruhnya terhadap pertumbuhan dan kegiatan mikroba. Suhu dapat mempengaruhi lamanya fase lag, kecepatan pertumbuhan, konsentrasi sel, kebutuhan nutrisi, kegiatan enzimatis dan komposisi sel. Berdasarkan pada kisaran suhu pertumbuhannya, mikroba dapat dikelompokkan menjadi 4 (empat), yaitu thermofil, mesofil, psikhrofil dan psikhrotrof.

b. Kelembaban udara relatif

       Kelembaban udara relatif berhubungan dengan aktivitas air (a_w). Pangan yang mempunyai nilai a_w rendah apabila ditempatkan pada lingkungan yang mempunyai kelembaban udara yang relatif tinggi akan mudah menyerap air. Semakin banyak air yang terserap akan meningkatkan nilai a _w sehingga pangan tersebut mudah dirusak oleh bakteri. Sebaliknya, pangan yang mempunyai nilai a_w tinggi apabila ditempatkan pada lingkungan yang mempunyai kelembaban udara relatif rendah akan mengalami kehilangan air sehingga nilai a_w–nya akan menurun. Akan tetapi, hal ini berakibat menurunkan mutu pangan tersebut karena terjadi pengerutan.

c. Susunan gas di atmosfir

       Berdasarkan kebutuhan oksigen sebagai aseptor elektron, mikroba dapat dibedakan menjadi 2 (dua) golongan, yaitu aerob dan anaerob. Mikroba aerob adalah mikroba yang menggunakan oksigen sebagai sumber aseptor elektron terakhir dalam proses bioenerginya. Sebaliknya, mikroba anaerob adalah mikroba yang tidak dapat menggunakan oksigen sebagai sumber aseptor elektron dalam proses bioenerginya.

3. Faktor Implisit.

a. Sinergisme

         Sinergisme adalah kemampuan dua atau lebih organisme untuk melakukan perubahan (biasanya perubahan kimia), dimana tanpa adanya kerjasama diantaranya, masing-masing organisme tersebut tidak dapat melakukannya sendiri. Faktor-faktor yang berkaitan dengan sinergisme adalah nutrisi, perubahan nilai pH, perubahan potensial redoks, perubahan aktivitas air (a_w), penghilangan zat anti mikroba dan kerusakan struktur biologis.

b. Antagonisme

       Antagonisme adalah kematian atau terhambatnya pertumbuhan suatu organisme yang disebabkan oleh organisme lain yang mempengaruhi lingkungan pertumbuhan organisme pertama. Faktor-faktor yang mempengaruhi antagonisme antara lain: penggunaan nutrisi, perubahan nilai pH, perubahan potensial redoks, pembentukan zat-zat antimikroba dan bakteriofag.

4. Faktor Pengolahan

       Mikroba spesifik yang terdapat di dalam bahan pangan dapat dikurangi jumlahnya oleh berbagai jenis metode pengolahan atau pengawetan pangan. Jenis-jenis pengolahan/pengawetan pangan yang berpengaruh terhadap kehidupan mikroba, antara lain suhu tinggi, suhu rendah, penambahan bahan pengawet dan irradiasi.

(Zulaikhah, 2005)

KINETIKA PERTUMBUHAN

         Ketika sejumlah kecil sel hidup diinokulasi ke dalam medium yang mengandung nutrisi penting pada kondisi yang cocok untuk pertumbuhan, misalnya temperatur, pH, dll, sel tersebut akan tumbuh. Untuk organism uniselular yang melakukan pembelahan diri saat tumbuh, pertumbuhan biomassa diiringi dengan pertumbuhan jumlah sel yang ada.

Syarat agar biomassa dapat tumbuh :

a. Inokulum hidup dan aktif

b. Adanya sumber energy

c. Nutrisi

d. Tidak ada Inhibitor

e. Kondisi fisik dan kimia yang cocok

(Alim, 2012)

Hubungan antara laju pertumbuhan spesifik (m) dari populasi mikrooerganisme dan konsentrasi substrat (S) adalah hal yang penting untuk ilmu dari bioteknologi. Hubungan ini digambarkan dalam susunan hasil data percobaan. Data empiris untuk pertumbuhan mikroba telah dikemukakan oleh Monod (1942).

dimana miu      = laju pertumbuhan spesifik

miumax = laju pertumbuhan spesifik maksimum,

S = konsentrasi substrat,

K_s = konstanta substrat jenuh (konsentrasi substrat pad setengah mmax )

Pada model monod, laju pertumbuhan itu berhubungan dengan konsentrasi dari substrat tunggal yang dibatasi melalu parameter dari mmax dan Ks. Monod juga menghubungkan koefidien hasil (Yx/s) dengan pertumbuhan spesifik biomassa (m) dan laju spesifik penggunaan substrat (q).

KONSTANTA PERTUMBUHAN

Monod (1942) membagi konstanta pertumbuhan menjadi tiga bagian utama:

• Pertumbhan total (total growth)

Yakni perbedaan densitas bakteri awal dengan maksimumnya atau dituliskan

Dimana x_maks = densitas maksimal

X₀ = densitas awal

• Laju pertumbuhan eksponensial (exponential growth rate )

Yakni laju pertumbuhan selama periode fase eksponensial. Dapat dituliskan :

• Pertumbuhan lag dan waktu lag

Ini sering disebut sebagai fase perlambatan tetapi ini tidak memuaskan sehingga monod mendefenisikannya sebagai perbedaan antara waktu pengamatan (t _r ) ketika kultur mencapai densitas tertentu (x_r ) yang dipilih sampai fase eksponensial saja dan waktu ideal dimana densitas yang sama akan tercapai (t_i ) hingga laju pertumbuhan ekponensial.

FASE PERTUMBUHAN

Gambar 1.1 Grafik Fase Pertumbuhan Terhadap Waktu

1. Fase Lag/ Fase Adaptasi

Jika mikroba dipindahkan ke dalam suatu medium, mula mula akan mengalami fase adaptasi untuk menyesuaikan dengan kondisi lingkungan di sekitarnya. Lamanya fase adaptasi ini dipengaruhi oleh beberapa factor,diantaranya:

• Medium dan lingkungan pertumbuhan

Jika medium dan lingkungan pertumbuhan sama seperti medium danlingkungansebelumnya, mungkin tidak diperlukan waktu adaptasi. Tetapi jika nutrientyangtersedia dan kondisi lingkungan yang baru berbeda dengan sebelumnya,diperlukan waktu penyesuaian untuk mensintesa enzim-enzim.

• Jumlah inokulum

Jumlah awal sel yang semakin tinggi akan mempercepat fase adaptasi.

2. Fase eksponensial atau logaritmik

merupakan fase peningkatan aktivitas perubahan bentuk maupun pertambahan jumlah mencapai kecepatan maksimum sehingga kurve nya dalam bentuk eksponensial. Peningkatanaktivitas ini harus diimbangi oleh banyak faktor, antara lain :faktor biologis,misalnya bentuk dan sifat mikroorganisme terhadap lingkungan yang ada, asosiasi kehidupan diantara organisme yang bersangkutan dan faktor nonbiologis, misalnya kandungan hara di dalam medium kultur, suhu, kadar oksigen, cahaya, bahan kimia dan lain-lain. Jika faktor-faktor di atas optimal, maka peningkatan kurve akan tampak tajam atau semakin membentuk sudut tumpul terhadap garis horizontal (waktu).

3. Fase retardasi atau pengurangan

Fase retardasi merupakan fase dimana penambahan aktivitas sudah mulai berkurang atau menurun yang diakibatkan karena beberapa faktor, misalnya : berkurangnya sumber hara, terbentuknya senyawa penghambat dan lain sebagainya.

4. Fase Stationer

Pada fase ini jumlah populasi sel tetap karena jumlah sel yang tumbuh sama dengan jumlah sel yang mati. Ukuran sel pada fase ini menjadi lebihkecil karena sel tetap membelah meskipun zat-zat nutrisi sudah habis.Karena kekurangan zat nutrisi, sel kemungkinan mempunyai komposisi yang berbeda dengan sel yang tumbuh pada fase logaritmik. Pada fase ini sel-sel lebih tahan terhadap keadaan ekstrim seperti panas, dingin, radiasi, dan bahan-bahan kimia.

5. Fase Kematian

Pada fase ini sebagian populasi mikroba mulai mengalamikematian karena beberapa sebab yaitu:

• Nutrien di dalam medium sudah habis.
• Energi cadangan di dalam sel habis.

Kecepatan kematian bergantung pada kondisi nutrien, lingkungan, dan jenis mikroba.

(Hamdiyanti, 2010 dan Winarsih, dkk.,2011)

        Pada kenyataannya bahwa gambaran kurve pertumbuhan mikroorganisme tidak linear seperti yang dijelaskan di atas jika faktor-faktor lingkungan yang menyertainya tidak memenuhi persyaratan. Beberapa penyimpangan yang sering terjadi, misalnya : fase lag yang terlalu lama karena faktor lingkungan kurang mendukung.

METODE PENGUKURAN PERTUMBUHAN

MIKROORGANISME

    Jumlah sel dapat dihitung dari jumlah sel total yang tidak membedakan jumlah sel hidup atau mati, dan jumlah sel hidup (viable count). Jumlah total sel mikroba dapat ditetapkan secara langsung dengan pengamatan mikroskopis, dalam bentuk sampel kering yang diletakkan di permukaan gelas benda (slide) dan dalam sampel cairan yang diamati menggunakan metode counting chamber, misalnya dengan alat Petroff-Hausser Bacteria Counter (PHBC) untuk menghitung bakteri atau dengan alat haemocytomete runtuk menghitung khamir, spora, atau sel-sel yang ukurannya relatif lebih besar dari bakteri. Jumlah sel hidup dapat ditetapkan dengan metode plate count atau colony count,dengan cara ditaburkan pada medium agar sehingga satu sel hidup akan tumbuh membentuk satu koloni, jadi jumlah koloni dianggap setara dengan jumlah sel. Cara iniada dua macam, yaitu metode taburan permukaan ( spread plate method) dan metode taburan (pour plate method) (Jaelani, 2012).

Dengan keterangan diatas kita dapat mengetahui bahwa metode pengukuran bakteri ada 2 macam yakni secara langsung dan tidak langsung.

1. Contoh metode langsung hitungan mikroskopik

Yakni menggunakan hemositometer yang Digunakan untuk mengukur pertumbuhan bakteri pada susu

Keuntungan dari metode ini yakni cepat dalam pengerjaannya dan kekurangannya, yaitu tingkat kesalahan tinggi dan untuk sel ukuran kecil sulit teramati.

Metode ini tidak sesuai untuk sel yang densitasnya rendah

2. Contoh metode tidak langsung adalah

· berdasarkan kekeruhan, bila suspensi biakan cair dan homogen

· Berdasarkan berat kering sel, bila suspensi biakan kental dan tidak homogen

· Berdasarkan kadar nitrogen, bila suspensi biakan kental dan tidak homogen

· Berdasarkan aktivitas biokimia, menggunakan uji mikrobiologis

Proses ini menggunakan alat spektrofotometri, dengan alat ini dapat ditentukan nilai absorbansi (a) atau kerapatan optik (OD).

FAKTOR-FAKTOR LINGKUNGAN YANG MEMPENGARUHI PERTUMBUHAN BAKTERI

Pertumbuhan sel bakteri sangat dipengaruhi oleh factor yang ada di sekitarnya. Factor ini juga akan menetukan fase yang terjadi pada pertumbungan sel bakteri. Factor-faktor yang mempengaruhi pertumbuhan bakteri diantaranya

1. Suhu

Tinggi dan rendah suhu akan mempengaruhi laju pertumbuhan bakteri, sebab bakteri dibagi menjadi tiga bagian berdasarkan suhu berkembangnya yakni

• Psikrofil

Yakni bakteri yang dapat tumbuh pada suhu 0 ⁰C sampai 20 ⁰C. Suhu optimumnya sekitar 15 ⁰C. Karakteristik istimewa dari semua bakteri psikrofil adalah akan tumbuh pada suhu 0 – 5 ⁰C.

• Mesofil adalah

Yakni bakteri yang dapat tumbuh pada suhu 20 ⁰C sampai 45 ⁰C. karakteristik istimewa bakteri mesofil adalah kemampuannya untuk tumbuh pada suhu tubuh 37 ⁰C dan tidak dapat tumbuh pada suhu di atas 45 ⁰C.

• Termofil

yakni bakteri yang dapat hidup pada suhu tinggi diatas 60 ⁰C

2. pH

pH dapat mempengaruhi pertumbuhan sel mikroba. Hamdiyati (2010) menyatakan pH dibagi menjadi pH optimum, pH minimum dan pH maksimum. Rentang pH bagi pertumbuhan bakteri antara 4 – 9 dengan pH optimum 6,5 – 7,5.

3. Kebutuhan oksigen,

Oksigen digunakan sebagai akseptor elektron dalam proses respirasi. Namun yang menggunakan oksigen ini hanya jenis bakteri aerob saja sedangkan bakteri anaerob tidak memerlukan oksigen.

4. Salinitas ,

Berdasarkan kebutuhan akan garam (NaCl), maka mikroorganisme dapat dikelompokkan menjadi :

• Non halofil

Yakni tidak perlu garam

• Halotoleran

Perlu garam tetapi hanya sedikit

• Halofil (NaCl 10-15%)
• Halofil ekstrim

KOMUNIKASI ANTAR SEL

      Pada tumbuhan dan hewan dikenal komunikasi antar sel menggunakan molekul signal ekstraseluler (ligan). Ini merupakan cara organisme untuk mengontrol metabolisme sel, pertumbuhan, diferensiasi jaringan, sintesis dan sekresi protein serta mengatur komposisi cairan ekstraseluler. Molekul sinyal ini disintesis dan di sekresikan oleh adanya sel sinyal dan hanya menghasilkan respon spesifik pada sel target yang memiliki reseptor untuk molekul sinyal yang spesifik. Pada organisme multiseluler, molekul sinyal dapat berupa molekul hidrofilik atau hidrofobik. Kedua kelompok molekul ini memiliki mekanisme yang berbeda dalam aktivasi proses-proses dalam sel.

Beberapa molekul signal hidrofibik, misalnya steroid, retinoid dan tiroksin dapat berfungsi ke dalam sel dan berikatan dengan reseptor intraseluler. Reseptor intraseluler (RC) ada 2 macam, yaitu reseptor yang terdapat di sitoplasma (Cytoplasmic Receptor) dan di dalam inti sel (Nuclear Receptor). Berbagai molekul kecil hidrofilik seperti (asam amino, lipid, dan asetilkolin), peptide dan protein digunakan untuk komunikasi antar sel.

      Molekul signal berupa hormon steroid (estradiol, progesteron, testosteron), vitamin D3 dan asam retinoic dapat menembus membran sel dan berikatan dengan reseptor spesific intraseluler dan membentuk kompleks hormon-reseptor, kemudian translokasi ke dalam inti sel dan berikatan dengan elemen DNA yang responsif terhadap kompleks hormon-reseptor. Ini menyebabkan diaktifkannya gen target untuk mensintesis protein tertentu.

Khairulanam (2012) mengatakan, Cara komunikasi antar sel lainnya adalah melalui reseptor yang terdapat dipermukaan membran sel (reseptor membran). Dalam hal ini molekul ligan bekerja sebagai ligan yang berikatan dengan molekul komplemen pada permukaan luar membran sel. Ikatan ini menyebabkan perubahan komponen reseptor di dalam sel atau menginduksi respons seluler yang spesifik.proses-proses tersebut dikenal dengan signal transduksi. Salah satu kelompok reseptor pada permukaan membran mengaktivasi protein G yang dikenal dengan G protein-coupled receptors (GPCRs),yang di temukan pada semua sel eukariotik,mulai dari yeast hingga manusia.Genum manusia misalnya mengkode beberapa ribu GCPR.Termasuk di sini reseptor pada mata,peraba,perasa,beberapa reseptor neurotrasmiter dan reseptor hormon yang mengontrol metabolisme karbohidrat dan asam amino.

DAFTAR PUSTAKA

Alim, Tantri. 2012. Biologi Sel dan Molekuler. Diakses pada tanggal 20 Oktober 2014

Khairulanam. 2012. Komunikasi Sel. Diakses pada tanggal 20 Oktober 2014

Hamdiyanti, Yanti. 2010. Pertumbuhan Dan Pengendalian Mikroorganisme II. Diakses pada tanggal 18 Oktober 2014

Jaelani, Yusuf. 2012. Pertumbuhan Mikroba. Diakses tanggal 20 Oktober 2014

Monod, Jaques. 1942. The Growth of Bacterial Cultures. Pasteur Institute : Paris

Okpolwasilli dan Nweke. 2005.Microbial Growth and Substrate Utilization Kinetic. Jurnal Bioteknologi. Vol. 5 no.4. Deparment of Microbiology. University of Port Harcourt.

Widdel, Friedrich. 2010. Theory and Measurement of Bacterial Growth. Grundpraktikum Mikrobiologie, 4. Sem. (B.Sc.). Universität Bremen. Bremen

Winarsih, Sri, Timoteus Nusan dan Yetti Wira Citerawati SY. 2011. Reproduksi dan Pertumbuhan Mikroorganisme. Program Studi Pendidikan Biologi Pascasarjana: Universitas Palangkaraya.

Zaldi. 2009. Faktor Lingkungan Abiotik dan Biotik yang Mempengaruhi Mikroba. Fakultas Perikanan dan Ilmu Kelautan. Universitas Muhammadiyah Pontianak. Pontianak

Zulaikhah, Siti Thomas. 2005. Analisis Faktor-Faktor yang Berhubungan dengan Pencemaran Mikroba Pada Jamu Gendong Di Kota Semarang. Program Pasca Sarjana. Universitas Diponegoro. Semarang