PEMBENTUKAN BIOFILM

ABSTRACT

Praktikum Mikrobiologi Air dengan judul “Pembentukan Biofilm” bertujuan untuk mengetahui apa saja mikroorganisme penyusun biofilm dan proses pembentukan biofilm. Praktikum dilaksanakan pada tanggal 1 maret 2012 di Laboratorium Selatan Mikrobiologi Fakultas Pertanian, Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta. Bahan yang digunakan adalah sampel air sumur, air kolam ikan, air selokan, air sawah, air PDAM, dan medium NA. Alatnya adalah petridish, Erlenmeyer, deckglass, pinset, dan Bunsen. Pertama-tama medium Na cair dituang kedalam petridish steril, ditunggu memadat. Lalu sebanyak 6 buah deckglass ditancapkan secara tegak lurus pada medium yang sudah padat dalam petridish. Sampel air dituang ke atas medium hingga ¾ dari tinggi petridish. Lalu diinkubasi pada suhu kamar sekitar 3 minggu. Cara ini diperlakukan untuk semua sampel dan dilakukan pengamatan di setiap minggunya. Namun hasil yang diperoleh belum sesuai harapan. Preparat yang diuji pada pengamatan terakhir belum menunjukkan terbentuknya biofilm. Ini disebabkan terjadinya kompetisi antar bakteri sehingga biofilm belum terbentuk sempurna.

I. PENDAHULUAN

A. Latar Belakang

Berbicara mengenai biofilm seharusnya tidak asing lagi bagi kita semua. Biofilm

terdapat di sekitar kita, baik dalam tubuh kita maupun dilingkungan sekitar kita. Biofilm

merupakan kumpulan mikroorganisme yang terus tumbuh di sebuah permukaan. Contoh

sederhana adalah karang yang tumbuh pada gigi kita merupakan salah satu bentuk biofilm.

Biofilm adalah suatu istilah yang digunakan untuk menggambarkan suatu lingkungan

kehidupan yang khusus dari sekelompok mikroorganisme, yang melekat ke suatu permukaan

padat dalam lingkungan perairan. Hal ini membentuk mikro lingkungan dimana

mikroorganisme dalam  biofilm berbeda secara struktural maupun fungsional dengan yang

hidup bebas (planktonik).   Biofilm memberi dampak kepada berbagai kehidupan sehari-hari,

oleh sebab itu penelitian mengenai biofilm menjadi penting. Biofilm dapat tumbuh di

berbagai permukaan, termasuk batu dan air, gigi, makanan, pipa, alat-alat medis dan jaringan

implant. Walaupun biofilm biasanya mengakibatkan kerugian seperti infeksi, adakalanya

biofilm juga menguntungkan. Contohnya, biofilm dapat untuk memurnikan air dengan cara

menguraikan senyawa-senyawa berbahaya dalam perairan. Sedangkan efek negatif biofilm

diantaranya adalah kontaminasi air, makanan, gangguan terhadap alat pendistribusian panas,

dan kontaminasi peralatan medis serta jaringan implant seperti infeksi jantung buatan.

Dampak ini sudah menjadi perhatian banyak peneliti dari negara-negara maju seperti

Amerika, Australia, Inggris terutama bidang-bidang terkait dengan mikrobiologi untuk

menggali proses terjadinya biofilm, keanekaragaman spesies, faktor-faktor pemacu, akibat

dan pengendalian biofilm (Wikipedia, 2012).

Biofilm berkembang di permukaan keras yang cenderung lembab dalam lingkungan

akuatik, peralatan industri dan masih banyak lagi. Permukaan hidup itu berisi banyak tipe

mikroorganisme seperti fungi, bakteri,, archae, algae, dan protista. Biofilm juga dapat

berkembang di alat-alat industri sebagai penukar panas dalam pipa-pipa pembuangan limbah.

Ini bisa menimbulkan korosi pada alat-alat perindustrian. (Dong, H.Choi, et all, 2010).

Masalahnya sekarang seberapa jauh para peneliti menyadari fakta tentang biofilm

sehingga akan dapat memfokuskan penelitian-penelitian terutama mikrobiologi dengan

merujuk kepada fakta yang sudah ada tentang biofilm. Karena akan dapat dikacaukan oleh

banyak penelitian selama ini yang berdasarkan kepada sel mikroorganisme yang planktonik

terutama yang bertujuan untuk pengendalian  serta pemanfaatan.  Sedangkan bentuk

kehidupan yang dominan dari mikroba di alam adalah dalam bentuk biofilm (lebih dari

90%).  Selain itu biofilm mempunyai keunggulan dibandingkan sel planktonik dimana dia

lebih tahan terhadap bahan antimikroba, temperatur, pH dan lainnya sampai beberapa ribu

kali. Maka akan sangat efektif bila pengendalian dan pemanfaatan mikroba dilakukan

terhadap mikro lingkungan biofilm ini. Dalam bidang bioteknologi, peranan biofilm sangat

penting, sebab adanya biofilm ini akan sangat mempengaruhi keberhasilan dari rekayasa

bioteknologi (Ratih Dewanti & Hariadi, 2002).

          

B. Tujuan

          1.      Mengetahui keragaman mikroorganisme pembentuk biofilm dari lingkungan.

          2.      Mengetahui proses-proses pembentukan biofilm

II. TINJAUAN PUSTAKA

Biofilm adalah lapisan yang merupakan koloni dari konsorsium mikroba yang

menempel dan menutupi suatu permukaan benda padat di lingkungan berair. Para ahli

mikrobiologi memperkirakan bahwa biofilm adalah cara hidup mikroorganisme yang

dominan dibandingkan dengan cara hidup melayang-layang di dalam cairan  atau planktonis.

Biofilm merupakan sebuah struktur komunitas dari bakteri, algae atau jenis sel lainnya yang

menghasilkan matriks polimerik dan melekat pada permukaan. Bakteri kebanyakan hidup

sesil (pada suatu permukaan), membentuk komunitas kehidupan jika memungkinkan, yang

dapat memberikan keuntungan lebih dibanding hidup secara planktonik. Secara fisik,

keberadaan biofilm dapat dicirikan sebagai berikut (Yoo, ES.2000).

  Jarak ketebalan dari beberapa mikron sampai lebih dari 1000 mikron.

  Permukaan tidak rata (kasar)

  Spesies heterogen

  Tersusun dari dua bagian, yaitu dasar biofilm dan permukaan biofilm.

Biofilm lebih toleran terhadap bahan kimia dan sejenisnya. Oleh karena itu bisa

mengontrol dan mengeliminasi sel planktonik. Lebih dari itu,standar test membuktikan

bahwa komunikasi antar mikroorganisme yang terjadi dalam biofilm dapat membuat biofilm

mereduksi senywa kimia seperti detergen (Jasmin Gattlen et all, 2010).

Biofilm terbentuk khususnya secara cepat dalam sistem yang mengalir dimana suplai

nutrisi tersedia secara teratur bagi bakteri. Pertumbuhan bakteri secara ekstensif disertai oleh

sejumlah besar polimer ekstraseluller, menyebabkan pembentukan lapisan berlendir (biofilm)

yang dapat dilihat dengan kasat mata pada permukaan baik biotik seperti daun dan batang

tumbuhan air, kulit hewan-hewan air maupun abiotik seperti batu-batuan, bagian bawah

galangan kapal serta pada tempat lainnya. Walaupun banyak bakteri dapat tumbuh pada

keadaan bebas (free-living) atau planktonik, secara umum bakteri melekat ke suatu

permukaan dengan menghasilkan polisakarida ekstra seluller (EPS) atau pada beberapa kasus

dengan menggunakan holdfast. Pelekatan ini menghasilkan mikro koloni, sebagai awal

perkembangan biofilm yang dimulai dari satu sel tapi sering berkembang menjadi beberapa

bakteri membentuk multilayers dengan matrik yang hidup pada komunitas komplek. Dalam

kenyataannya, hampir semua permukaan berhubungan dengan cairan dan nutrisi akan

dikoloni oleh mikroorganisme (Rheinheimer G. 2000).

Contoh klasik dari biofilm adalah yang terdapat pada gigi, mengawali pembentukan

gigi berlubang (dental caries) bilamana bakteri seperti Streptococcus mutan memecah gula

menjadi asam-asam organik. Untuk dapat melihat  biofilm lebih dekat dapat dilakukan

dengan cara tidak membersihkan pipa kamar mandi seminggu atau pada bebatuan pada aliran

sungai di pegunungan. Biofilm juga biasa ditemukan pada badan kapal, peralatan medis,

kontak lensa (contact lenses), pipa pada industri minyak, serta saluran-saluran yang

tersumbat. Selain itu, biofilm juga ditemukan di tempat-tempat (lingkungan) yang ekstrim,

seperti di daerah kutub, lingkungan dengan kadar garam yang sangat tinggi, daerah beracun

atau kotor, sumber air panas serta di daerah dengan kadar asam yang tinggi (Suriawiria,

2001).

Proses Terbentuknya Biofilm

Bakteri di habitat alamiah umumnya dapat hidup dalam dua lingkungan fisik yang

berbeda:

Keadaan planktonik, berfungsi secara individu dan

Keadaan diam (sesil) dimana dia melekat ke suatu permukaan membentuk biofilm

dan berfungsi sebagai komunitas yang bekerjasama dengan erat.

   

Kepadatan populasi yang rendah adalah karakteristik umum dari  komunitas

planktonik pada ekosistem mikroba di alam.  Keadaan oligotropik dari ekosistem ini

mendapatkan ketidakcukupan masukan nutrisi untuk mendukung aktivitas mikroba. Jika

kepadatan populasi rendah, kompetisi antara bakteri secara individu untuk tempat, oksigen,

serta faktor-faktor pembatas lainnya hanya sedikit. Pada keadaan planktonik, kesempatan

bagi induvidu untuk terpisah dari komunitas, khususnya oleh arus  dalam medium berair,

relatif  lebih besar. Hal ini juga dialami oleh bakteri yang motil, termasuk respon kemotatis

yang sesuai dengan gradien nutrisi. Pada medium air, bakteri oligotropik tumbuh secara aktif

walaupun lambat, sedangkan banyak diantaranya tidak dapat mengambil makanan yang

cukup untuk mendukung pertumbuhan lalu hanya bertahan pada keadaan kekurangan nutrisi.

Keadaan ini memberikan beberapa kesimpulan adanya  kemampuan bakteri untuk bertahan

(revert) dalam keadaan diam (sesil). Seringkali kekurangan nutrisi disertai oleh mengecilnya

ukuran dan respirasi endogenous, peningkatan hidrofobisitas permukaan sel dan

meningkatkan pelekatan. Faktor ini membuat bakteri cenderung melekat ke permukaan padat,

dimana kesempatan untuk  mendapatkan nutrisi lebih tinggi (Evi Damayanti, 2001).

III. METODOLOGI

Praktikum Mikrobiologi Air dengan acara “Pembentukan Biofilm” dilaksanakan

pada tanggal 1 maret 2012 di Laboratorium Selatan Mikrobiologi Fakultas Pertanian,

Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta. Bahan yang digunakan adalah sampel air sumur, air

kolam ikan, air selokan, air sawah, air PDAM, dan medium NA. Alatnya adalah petridish,

Erlenmeyer, deckglass, pinset, dan Bunsen. Pertama-tama medium Na cair dituang kedalam

petridish steril, ditunggu memadat. Lalu sebanyak 6 buah deckglass ditancapkan secara tegak

lurus pada medium yang sudah padat dalam petridish. Sampel air dituang ke atas medium

hingga ¾ dari tinggi petridish. Lalu diinkubasi pada suhu kamar sekitar 3 minggu. Cara ini

diperlakukan untuk semua sampel dan dilakukan pengamatan di setiap minggunya.

IV. HASIL DAN PEMBAHASAN

A. Hasil

(Foto Penampakan mikroskopis yang diduga Biofilm dari air kolam perbesaran 100x)

(Foto Penampakan mikroskopis yang diduga Biofilm dari air sumur perbesaran 10x)

(Foto Penampakan mikroskopis yang diduga Biofilm dari air selokan)

Foto-foto diatas adalah hasil yang diduga adalah biofilm. Dan ternyata foto diatas

bukanlah biofilm. Melainkan kumpulan mikroorganisme yang belum sempurna membentuk

biofilm. Ini disebabkan terjadi kompetisi antar bakteri pembentuk biofilm sehinga formasi

biofilm belum terbentuk sempurna.

Biofilm adalah suatu istilah yang digunakan untuk menggambarkan suatu lingkungan

kehidupan yang khusus dari sekelompok mikroorganisme, yang melekat ke suatu permukaan

padat dalam lingkungan perairan. Hal ini menjadi mikrolingkungan yang unik dimana

mikroorganisme dalam  biofilm berbeda secara struktural maupun fungsional dengan yang

hidup bebas (planktonik).   

            Biofilm memberi dampak kepada berbagai kehidupan sehari-hari, oleh sebab itu riset

mengenai biofilm menjadi penting dan memperoleh popularitas. Biofilm dapat tumbuh di

berbagai permukaan, termasuk batu dan air, gigi, makanan, pipa, alat-alat medis dan jaringan

implant. Walaupun biofilm biasanya mengakibatkan kerugian seperti infeksi, adakalanya dia

juga menguntungkan. Contohnya biofilm dapat untuk memurnikan air dengan cara

menguraikan senyawa-senyawa berbahaya dalam perairan. Sedangkan efek negative biofilm

diantaranya adalah kontaminasi air, makanan, gangguan terhadap alat pendistribusian panas,

dan kontaminasi peralatan medis serta jaringan implant seperti infeksi jantung buatan.

Kolonisasi ini dapat menimbulkan operasi ulang, amputasi bahkan kematian. Dampak ini

sudah menyita perhatian banyak peneliti dari egara-negara maju tseperti Amerika, Australia,

Inggris terutama bidang-bidang terkait dengan mikrobiologi untuk menggali proses

terjadinya biofilm, keaneka ragaman spesies, faktor-faktor pemacu, aakibat dan

pengendalian biofilm (Suriawiria, 2003).

           Kepadatan populasi yang rendah adalah karakteristik umum dari  komunitas

planktonik pada ekosistim mikroba di alam.  Keadaan ologotropik dari ekositim ini

menyiratkan ketidakcukupan masukan nutrient  untuk mendukung aktivitas mikroba lebih

jauh. Jika kepadatan populasi rendah, kompetisi antara bakteri secara individu untuk ruang,

oksigen, serta faktor-faktor pembatas lainnya hanya sedikit. Pada keadaan planktonik,

kesempatan bagi induvidu untuk terpecah dari komunitas, khususnya oleh arus  dalam fasa

berair, secara relatif  tinggi. Hal ini jugai dialami oleh bakteri yang motil, termasuk respon

khemotactic yang sejalan dengan gradien nutrien.

            Pada air oligotropik bakteri tumbuh seara aktif walaupun lambat, sedangkan banyak

diantaranya tidak dapat mengambil makanan yang cukup untuk mendukung pertumbuhan

lalu hanya survive pada keadaan lapar. Keadaan suvive-lapar ini memberikan beberapa

kesimpulan adanya  kemampuan bakteri untuk bertahan (revert) dalam keadaan diam (sesil).

Seringkali kelaparan disertai oleh mengecilnya ukuran dan respirasi endogenous,

peningkatan hidrofobisitas permukaan sel dan meningkatkan pelekatan. Faktor ini membuat

bakteri cendrung melekat ke permukaan padat, dimana kesempatan untuk  mendapatkan

nutrisi lebih tinggi.

            Beberapa sel pada populasi yang berbeda dari bakteri planktonik menempel ke

berbagai macam permukaan. Pada sistim mengalir, bakteri  yang melekat memperoleh akses

ke sumber nutrien yang kontinyu yang dibawa oleh yang mengalir. Di laboratorium

ditemukan bakteri yang kelaparan, setelah melekat ke permukaan, tumbuh menjadi ukuran

yang normal kemudian memulai reproduksi sel. Pelekatan kontinyu dan pertumbuhan

mendukung pembentukan biofilm.  

Biofilm terbentuk karena adanya interaksi antara bakteri dan permukaan yang

ditempeli. Interaksi ini terjadi dengan adanya faktor-faktor yang meliputi kelembaban

permukaan, makanan yang tersedia, pembentukan matrik ekstraseluller (exopolimer) yang

terdiri dari polisakarida, faktor-faktor fisikokimia seperti interaksi muatan permukaan dan

bakteri, ikatan ion, ikatan Van Der Waals, pH dan tegangan permukaan serta pengkondisian

permukaan. Dengan kata lain terbentuknya biofilm adalah karena adanya daya tarik antara

kedua permukaan (psikokimia) dan adanya alat yang menjembatani pelekatan (matrik

eksopolisakarida) dll.

Walaupun banyak bakteri dapat tumbuh pada keadaan bebas (free-living) atau

planktonik, secara umum mereka melekat ke suatu permukaan dengan menghasilkan

polisakarida ekstra seluller (EPS) atau pada beberapa kasus dengan menggunakan holdfast.

Pelekatan ini menghasilkan mikrokoloni, sebagai awal perkrembangan biofilm yang dimulai

dari satu sel tapi sering berkembang menjadi beberapa bakteri membentuk multilayers

dengan matrik yang hidup pada komunitas komplek. Hampir semua permukaan

berhubungan dengan cairan dan nutrisi akan dikoloni oleh mikroorganisme.

Plak pada gigi adalah salah satu contoh biofilm yang menempel pada lapisan gigi.

Proses pembentukaannya tidak jauh berbeda seperti pembentukan biofilm pada umumnya.

Berikut adalah mekanisme pembentukan plak gigi (Anonim, 2012).

a. Pembentukan pelikel dental

Pembentukan pelikel dental pada permukaan gigi merupakan fase awal dari

pembentukan plak. Pada tahap awal ini permukaan gigi atau restorasi akan dibalut oleh

pelikel glikoprotein. Pelikel tersebut berasal dari saliva dan cairan sulkus, begitu juga

dari produk sel bakteri dan pejamu, dan debris. Komponen khas pelikel pada berbagai

daerah bervariasi komposisinya. Pengamatan terhadap pelikel enamel baru terbentuk

(dua jam) menunjukkan bahwa komposisi asam aminonya berbeda dari komposisi saliva,

hal ini berarti bahwa pelikel dibentuk oleh adsorpsi makromolekul sekitar secara selektif.

Pelikel merupakan suatu lapisan organik bebas bakteri dan terbentuk dalam beberapa

menit setelah permukaan gigi yang bersih berkontak dengan ludah dan pada permukaan

gigi dan berupa material stein yang terang apabila diwarnai dengan bahan pewarna plak.

Pelikel berfungsi sebagai penghalang protektif, yang bertindak sebagai pelumas

permukaan dan mencegah desikasi (pengeringan jaringan). Selain itu pelikel merupakan

substrat tempat bakteri dari sekitarnya melekat. Selain itu, pelikel bekerja seperti perekat

bersisi dua, satu sisi melekat ke permukaan gigi, sedangkan permukaan lainnya

merupakan sisi yang melekatkan bakteri pada permukaan gigi.

b. Kolonisasi awal pada permukaan gigi

Dalam beberapa jam bakteri akan dijumpai pada pelikel dental. Bakteri yang

pertama-tama mengkoloni permukaan gigi yang dibalut pelikel adalah didominasi oleh

mikroorganisme fakultatif gram positif, seperti Actinomices viscosus dan Streptococus

sanguis.18-20 Pengkoloni awal tersebut melekat ke pelikel dengan bantuan adhesin, yaitu

molekul spesifik yang berada pada permukaan bakteri. Adhesin akan berinteraksi dengan

reseptor pada pelikel dental. Masa plak kemudian mengalami pematangan bersamaan

dengan pertumbuhan bakteri yang telah melekat, maupun kolonisasi dan pertumbuhan

spesies lainnya. Dalam perkembangannya terjadi perubahan ekologis pada biofilm, yaitu

peralihan dari lingkungan awal yang aerob dengan spesies bakteri fakultatif gram positif

menjadi lingkungan yang sangat miskin oksigen dimana yang dominan adalah

mikroorganisme anaerob gram-negatif.

c. Kolonisasi sekunder dan pematangan plak

Plak akan meningkat jumlahnya setelah kolonisasi awal permukaan gigi melalui

dua mekanisme terpisah, yaitu:

• Multiplikasi dari bakteri yang telah melekat pada permukaan gigi

• Multiplikasi serta perlekatan lanjut bakteri yang ada dengan bakteri baru

Dalam tiga hari, Pengkoloni sekunder yang tidak turut sebagai pengkoloni awal ke

permukaaan gigi yang bersih, diantaranya Prevotella intermedia, Prevotella loescheii,

spesies Capnocyttophaga, Fusobakterium nucleatum, dan Porphyromonas gingivalis.

Mikroorganisme tersebut melekat ke sel bakteri yang telah berada dalam massa

plak.Interaksi yang menimbulkan perlekatan bakteri pengkoloni sekunder ke bakteri

pengkoloni awal dinamakan koagregasi. Fase akhir pematangan plak pada hari ke 7 ditandai

dengan menurunnya jumlah bakteri gram positif dan meningkatnya bakteri gram negatif

V. KESIMPULAN

Dari praktikum yang telah dilakukan didapatkan bahwa biofilm tersusun dari berbagai

tipe mikroorganisme. Dapat diisi oleh fungi, bakteri, yeast, atau protista.

Jadi proses pembentukan biofilm secara umum berlangsung menjadi 5 tahap yaitu

Pelekatan dimana mikrob melekat pada permukaan suatu benda dan dapat diperantarai oleh

fili. Lalu pelekatan permanen dimana mikrob melekat dengan bantuan eksopolisakarida

(EPS). Lalu terjadi maturasi I atau proses pematangan biofilm tahap awal. Kemudian

maturasi II atau proses pematangan biofilm tahap akhir, mikrob siap untuk menyebar. Dan

akhirnya Dispersi, dimana sebagian bakteri akan menyebar dan berkolonisasi di tempat lain.

Pemicu pembentukkan biofilm salah satunya adalah kondisi lingkungan yang kurang

menguntungkan atau mencekam. Contohnya adalah produksi EPS oleh Escherichia coli

berupa asam dan P. aeruginosa saat ketersediaan nutrisi menipis.

Dari hasil yang didapat, biofilm gagal terbentuk karena terjadi antara kompetisi bakteri

penyusun biofilm.

DAFTAR PUSTAKA

Anonim. 2012. http://naturaterapi.com/mekanisme-pembentukan-plak-gigi/. Diakses pada

tanggal 28 Maret 2012 pukul 17. 20.

Dewanti, R dan Hariadi. 2002. Pembentukan Biofilm Pada Permukaan Padat. Petunjuk

Praktikum Jurusan Teknologi Pangan dan Gizi, Fakultas Teknologi Pertanian, IPB.

Dong H.Choi, Jae H.Noh, Ok H, Yu, and Yeon S. Kang. 2010. Bacterial Diversity in

Biofilms Formed on Condenser Tube Surfaces in a Nuclear Power Plant.

Biofouling Journal. Vol 26, no 8, November 2010, 953-959.

Evi Damayanti, 2001. Karakterisasi Biofilm pada Escherichia coli Enteropatogen. Skripsi.

Jurusan Biologi, FMIPA Institut Pertanian Bogor.

.http://id.wikipedia.org./wiki/biofilm/. Diakses pada tanggal 27 maret pukul 14.21

Jasmin Gattlen, Caroline Amberg, manfred Zinn, and Laurie Mauclaire. 2010. Biofilms

Isolated from Washing Machines from Three Continents and Their Tolerance to a

Standard Detergent. Biofouling Journal. Vol 26, no 8, November 2010, 873-882.

Rheinheimer, G. 2000. The Aquatic Microbiology. John Wileys & Sons, Chicester. Toronto.

Suriawiria. 2001. Mikrobiologi Air. Penerbit Alumni, Bandung.

Yoo, ES. 2000. Biological and Chemichal Mechanism of Reductive Decolorization od Azzo

dyes biofilm. The Dissertation. Genehmitge, Berlin.

LAPORAN RESMI

PRAKTIKUM MIKROBIOLOGI AIR

ACARA I

PEMBENTUKAN BIOFILM

Disusun Oleh:

Ngurah Kamandanu (11537)

LABORATORIUM MIKROBIOLOGI

PROGRAM STUDI MIKROBIOLOGI PERTANIAN

FAKULTAS PERTANIAN

UNIVERSITAS GADJAH MADA

YOGYAKARTA

2012