Pertumbuhan MikrobaOleh : Meidina Zulfa Hanie (120407024)

Setiap makhluk hidup mengalami proses pertumbuhan berupa perubahan bentuk maupun ukuran. Demikian halnya dengan mikroba, makhluk hidup berukuran sangat kecil yang tidak dapat dilihat dengan kasat mata. Mikroba tumbuh dengan membelah selnya menjadi berlipat ganda sehingga jumlah mikroba tersebut bertambah dua kali lipat. Waktu yang diperlukan populasi mikroba untuk menjadi dua kali lipat dari jumlahnya disebut waktu generasi.

Pertumbuhan mikroba dapat dipengaruhi oleh beberapa hal sebagai berikut :

1. Konsentrasi SubstratMikroba memerlukan ‘makanan’ untuk memenuhi kebutuhan hidupnya. Jika kekurangan nutrien maka pertumbuhan mikroba dapat terganggu. Betsy & Keogh (2005) menyatakan nutrien yang paling penting adalah karbon, hidrogen, nitrogen, dan oksigen.Konsentrasi substrat mempengaruhi laju pertumbuhan mikroba, yang ditunjukkan dalam Persamaan Monod berikut :

μ=μmax

[ S ]K s+[S ]

Dimana: µ = laju spesifik (h-1) µmax = laju spesifik maksimum (h-1) S = konsentrasi substrat (mg/l) Ks = konsentrasi substrat ketika µ = ½ µmax (mg/l)

Dari Persamaan Monod dapat dilihat jika nilai Ks > S, maka laju pertumbuhan mikroba semakin lambat.

2. TemperaturUntuk dapat bertahan hidup, mikroba harus dalam keadaan yang sesuai dengan kebutuhan mikroba tersebut. Seperti halnya temperature. Setiap mikroba memiliki kemampuan untuk tumbuh pada tingkat temperatur yang berbeda. Kemampuan mikroba tumbuh berdasarkan temperatur dapat dibedakan menjadi mesofil (dapat tumbuh pada temperatur rendah), psikrofilik (dapat tumbuh pada temperatur sedang), dan termofilik (dapat tumbuh pada temperatur tinggi). Hubungan laju pertumbuhan mikroba dengan temperatur ditunjukkan dalam Persamaan Arrhenius :

μ=A e−E /RT

Dimana : A = konstanta E = aktivasi energy (kcal/mol)

R = konstanta gas T = temperatur (K)

3. pHpH mempengaruhi kerja enzim yang berperan dalam metabolisme mikroba. Sama seperti temperatur, setiap mikroba dapat hidup pada pH yang berbeda. Jika mikroba tidak cocok dengan suatu pH, maka metabolisme mikroba terganggu sehingga pertumbuhannya akan terganggu.

4. Jumlah OksigenBerdasarkan kehadiran oksigen, mikroba terbagi atas mikroba aerob (dapat tumbuh jika ada oksigen), mikroba anaerob (dapat tumbuh jika tidak ada oksigen), mikroba anaerob fakultatif (dapat tumbuh dengan atau tanpa oksigen), dan mikroba aerofilik (dapat tumbuh dengan jumlah oksigen yang sedikit).

Pertumbuhan mikroba dapat berlangsung dengan batch culture ataupun continuous culture.

Batch CultureBatch culture merupakan pertumbuhan mikroba dengan sistem tertutup dimana bakteri diinokulasikan ke dalam bioreaktor dan dibiarkan memakan nutrien yang ada di dalam bioreaktor sampai nutrien tersebut habis tanpa ada penambahan nutrien. Pada sistem tertutup ini mikroba mengalami beberapa fase pertumbuhan yaitu :1. Fase lag, pada fase ini mikroba masih dalam tahap adaptasi terhadap lingkungannya. Pada fase ini, terdapat mikroba yang dapat beradaptasi kemudian tumbuh, ada pula yang tidak dapat beradaptasi. Oleh karena itu pada fase lag tidak terdapat pertambahan jumlah mikroba yang signifikan. Menurut Betsy & Keogh (2005), fase ini dapat berlangsung selama satu jam sampai beberapa hari, dimana mikroba mengalami aktivitas metabolik yang melibatkan DNA dan enzim sintesis.

2. Fase log, pada fase ini mikroba mengalami proses pembelahan dengan waktu yang singkat sehingga tercapai laju pertumbuhan maksimum dan mikroba bertambah banyak. Fase eksponensial dibatasi oleh ketersediaan substrat. Pertumbuhan dapat berlangsung jika nutrisi yang diperlukan mikroba terpenuhi. Pada fase ini pula mulai terdapat biomassa. Oleh karena itu, laju pertumbuhan bergantung pada konsentrasi biomassa. Hal tersebut dapat dilihat dari persamaan:

dxdt

=µx

Dimana x = konsentrasi biomassa (gr/l) ; µ = laju pertumbuhan spesifik (h-1) dan t = waktu (h).

Selama periode pertumbuhan eksponensial , persamaan di atas dapat diintegrasikan menjadi :

X t=X0 eμt

Dengan Xt = konsentrasi biomassa setelah waktu t, dan X0 = konsentrasi biomassa pada awal pertumbuhan eksponensial

Menggunakan logaritma persamaan menjadi :ln X t=ln X0+μt

Dari persamaan tersebut didapat :

μ=ln X t−lnX 0

t

3. Fase stasioner, pada fase ini terdapat mikroba yang mati karena nutrien banyak berkurang pada fase eksponensial, namun masih terdapat mikroba yang membelah sehingga jumlah yang hidup sama dengan jumlah yang mati.

4. Fase kematian, pada fase ini mikroba yang bertahan hidup pada fase stasioner mulai mati karena kehabisan nutrien dan pengaruh toksik dari biomassa yang terbentuk. Akibatnya mikroba yang mati lebih banyak dari yang hidup.

Continuous CultureContinuous culture merupakan pertumbuhan mikroba dalam sistem terbuka, dimana mikroba diinokulasikan ke dalam bioreaktor dan dibiarkan tumbuh sampai fase eksponensial. Saat memasuki fase eksponensial, nutrien hampir habis akibat meningkatnya pertumbuhan mikroba. Karena itu ditambahkan nutrien secara berkesinambungan ke dalam bioreaktor tersebut agar pertumbuhan mikroba dapat terus berlangsung. Agar pertumbuhan mikroba dapat terus menerus berlangsung, dibutuhkan pengontrol populasi dan kecepatan pertumbuhan mikroba agar berada pada keadaan konstan, yaitu dengan menggunakan khemostat. Dalam bentuk yang paling sederhana, Khemostat terdiri dari bejana yang dilengkapi dengan pengaduk dalam medium kultur yang dapat dipompa dengan laju terkontrol untuk pertumbuhan kultur yang volume dan konsentrasi biomassa dijaga konstan yang terhubung dengan perangkat overflow. Khemostat mengalirkan ke luar medium kultur (nutrisi yang telah habis), akumulasi zat beracun, dan akumulasi sel-sel yang berlebihan dalam kultur agar medium kultur yang baru (nutrient baru) dapat dialirkan ke dalam khemostat dimana volume medium kultur (nutrient baru) yang ditambahkan ke bejana harus sama dengan volume medium kultur (nutrient yang telah habis), sehingga didapatkan kondisi yang konstan (steady state). (Lester & Birkett, 2003; Waities et al, 2001)Pada continuous culture, laju pertumbuhan mikroba bergantung pada dilution rate, yaitu perbandingan antara laju aliran substrat dengan volume reactor. Dapat dirumuskan dengan persamaan :

D=QV

Dengan D = dilution rate (h-1), V = volume reactor (l), Q = laju aliran substrat (l/h-1)

Sedangkan untuk pertumbuhan mikroba dijelaskan dengan :dXdt

=μX−DX=X (μ−D)

Maka

X t=X0 e( μ−D ) t

Dalam keadaan konstan (steady state) persamaan menjadi :

dXdt

=0→ μ=D=QV

=μmax S

K s+S

Dalam keadaan konstan (steady state), konsentrasi substrat dapat ditunjukkan dengan persamaan :

S=K sD

μmax−D

Konsentrasi biomassa ditunjukkan dengan persamaan :X=Y (Si−Se)

Dimana Y = growth yield, Si = konsentrasi substrat yang masuk, dan Se = konsentrasi substrat efluen

Laju Penggunaan Substrat Dalam mengontrol pertumbuhan mikroba, maka laju penggunaan substrat harus diketahui agar dapat ditentukan fase yang dialami mikroba sehingga dapat ditentukan perlakuan tertentu terhadap mikroba. Ditunjukkan dengan Persamaan Michaelis-Menten :

r su=−kXSK s+S

Dimana :rsu = laju penggunaan substrat (mg/l.h)k = laju penggunaan substrat spesifik maksimum (h-1)X = konsentrasi biomassa (mg/l)S = konsentrasi substrat pembatas pertumbuhan (mg/l)Ks = konsentrasi substrat ketika µ = ½ µmax (mg/l)

Jika laju penggunaan substrat mencapai keadaan maksimum maka laju pertumbuhan juga dalam keadaan yang sama. Dirumuskan dengan persamaan :

r su=−μmax XS

Y (K s+S )

Daftar Pustaka

Betsy, T. and Keogh, J. 2005. Microbiology Demistified. USA : McGraw Hill Companies, Inc.

Bitton, G. 2005. Wastewater Microbiology. Third Edition. USA : John Willey & Sons, Inc.

Lester, J.N. and Birkett, J.W. 2003. Microbiology and Chemistry for Environmental Scientists and Engineers. Third Edition. London : Taylor Francis Group.

Mara, D. and Horan, N.J. 2003. Handbook of Water and Wastewater Microbiology. UK : Elsevier.

Panikov, N.P. Kinetics, Microbial Growth. Institute of Microbiology, Russian Academy of Sciences Moscow, Russian Federation.

Tchobanogous, G., Burton, F.L., and Stensel, H.D. 2003. Wastewater Engineering Treatment and Reuse. FourthEdition. USA : McGraw Hill Companies, Inc.

Waites, M.J., Morgan, N.L., Rockey, J.S., and Higton, G. 2001. Industrial Microbiology:An Introduction. USA : Blackwell Science Ltd.