pertumbuhan mikroba dan nutrisi

Pertumbuhan Mikroba Dan Nutrisi

Nutrisi diklasifikasikan berdasarkan dari sumber energi tertentu,seperti

electron/hidrogen dan karbon yang dibutuhkan oleh organisme.

Berdasarkan cara memperoleh energinya dibagi menjadi dua kategori yaitu

1.Kemothotroph dimana mikrorganisme memperoleh energi berasal dari oksidasi

senyawa organik atau anorganik

2.Photototroph,mikroorganisme mendapatkan energi dari sinar matahari secara

langsung

Cara memperoleh sumber atom hidrogen atau elektron mikroorganisme dibedakan

menjadi dua :

1.Organotroph yaitu mendapatkan hidrogen atau elektron dengan mengoksidasi

molekul organik seperti gula

2. Litotroph untuk memperoleh atom hidrogen atau elektron dengan cara mereduksi

molekul anorganik seperti sulfida dan amonia

Berdasarkan sumber karbon mikroorganisme dibedakan menjadi 2 yaitu :

1.Autotroph,mikroorganisme memanfaatkan CO2 sebagai sumber karbonnya.

2.Heterotroph,mereduksi molekul organik,seperti hidrokarbon ,lemak,asam

organik,gula dan polysakarida untuk memperoleh karbon

Cell mikroba harus memperoleh berbagi unsur kimia untuk memenui kebutuhan

nutrisinya

Nutrisi yang dibutuhkan organisme untuk pertumbuhannya ada 3 yaitu

macronutrient,Minor element,dan Trace element

Macronutrient terdiri dari karbon,hydrogen,oksigen dan nitrogen yang harus ada

dalam media pertumbuhan dalam (g/L).Komponen unsur utama,Sulphur dan phospor

yang merupakan polimer utama dari: lemek,asam nukleid,polisakarida dan protein

Minor Element diantaranya :kalsium,besi.potasium,dan magnesium.Hanya

dibutuhkan dalam beberapa miligram per liter (Mg/L)

Trace Element seperti cobalt,tembaga,mangan,molybdenium,nikel,selenium dan

zink.Hanya dibutuhkan sejmlah mikroorganisme.

MACRONUTRIENT

Dalam industri fermentasi secara autotropich jarang digunakan,yang paling banyak

digunakan adalah heterotrophic.Dimana sumber karbon dibutuhkan dibutuhkan

Ulfia Al Rahma_B_145061101111010_Paper Mikrobiologi

dengan konsentrasi yang tinggi pada media sekitar 10-20 g/L.Secara umum gula

merupakan sumber karbon dan energi yang baik terutama glukosa dimana glukasa

sangat disukai oleh mikroorganisme.

Hidrogen dan air diperoleh dari air dan senyawa organik.

Mikroorganisme sebagian besar mengandung 15%(W/W)nitrogen,terletak didalam

struktural dan fungisional protein dan asam nukleat.Sember nitrogen dibutuhkan

dalam media pertumbuhan dengan konsentrasi 1-2 g/L.Sumber nitrogen didapat dari

garam amonium,nitart,asam amino,atau senyawa nitrogen seperti urea.Sumber

nitrogen juga didapat dari fiksasi nitrogen oleh bakteri seperti bakteri

Azotobacteria,dan rhizobium.

MINOR ELEMENT

Phospor termasuk minor element yang diberikan dalam bentuk ion phospate dan

sering menjadi penyangga pH.Unur phospate penting untuk sintesis asam

nukleat,metabolisme karbohidrat intermediet,dan merupakan senyawa yang terlibat

dalam energy transduksi pada ATP dan NADP.Konsentrasi yang dibutuhkan pada

media tidak lebih dari 100 mg/l

Sulphur dibutuhkan untuk memproduksi sulfur yang mengandung asam amini

sistin,sistein dan metionin serta beberapa vitamin.Sering diberikan dalam bentuk

sulfat anorganik atau garam sulfida pada konsentrasi 20-30 mg/L

Minor element lainnya kebanyakan seperti kalsiu,besi,potasium dan magnesium harus

ada nanun dalam jumlah yang lebih sedikit tidak lebih dari 10-20 mg/L.Beberapa

minor element penting untuk spesifik aktivitas enzim.

Besi sangat penting diguanakan untuk oksidasi-reduksi beberapa enzym terutama

sitokrom

Potasium dibutuhkan oleh enzim untuk sintesis protein dan sebagai sebagai counter-

ion untuk backbone fosfat DNA.

Ion magnesium terlibat dalam stabilisasi dari ribosom,dan diperlukan untuk

mempertahankan dinding sell dan kekakuan membran.

Sodium dan potasium digunakan dalam pompa energi chemiosmotic.

TRACE ELEMENT


Dibutuhkan oleh mikroorganisme dalam jumlah yang sedikit karena sudah banyak

tersedia dialam.Unsur trace element dibutuhkan dengan konsentrasi 0,1-1 mg/L atau

kurang dari jumlah spesifik enzim.

Kebutuhan nutrisi mikroorganisme bervariasi.Ada mikroorganisme yang dapat

tumbuh pada media yang hanya mengandung karbon dan sumber energy serta mineral

utama.Mikroorganisme yang dapat tumbuh pada medium minimal ini disebut

phototroph.

Namun miroorganisme lain harus diberikan senyawa tambahan senyawa organik

tertentu agar dapat tumbuh seperti,asam amino,vitamin yang disebut mikroorganisme

auxotroph

Kultur media pada mikroorganisme organotroph sering membutuhkan vitamin

tambahan untuk pertumbuhan terutama vitamin B(Vitamin B1;riboflavin,Vitamin

B2;prydoxin,B6;cobalamin,B12;Biotin;asam nikotinik;dan asam pantotenic).Serta

beberapa vitamin K,Vitamin C.

PENYERAPAN NUTRIENT

Penyerapan nutrient dari lingkungan oleh miroorganisme melalui tiga cara yaitu

difussi pasif , difusi terfasilitasi dan transport aktif

Difusi Pasif dimana penyerapan nutrisi tidak membutuhkan

perantara/pembawa.Nutrisi yang biasanya diserap dengan cara difusi pasif

diantaranya yang larut dalam lemak dan dapat masuk pada membran hidrofobik

contohnya,glyserol dan urea.Namun,itu adalah mekanisme yang tidak efektif karena

tinggkat penyerapan tergantung pada perbedaan konsentrasi untuk melewati

membran.Dan hanya zat terlarut tertentu yang dapat diserapkarena mempran bersifat

selektif permeabel.Sedangkan nutrisi yang terdapat dialam biasanya pada konsentrasi

yang rendah,akibatnya nutrisinya susah masuk pada membran karena konsentrasi

senyawa didalam mikroorganisme lebih besar daripada di lingkungan.

Kebanyakan zat terlarut melibatkan protein pembawa untuk melewati

membrane.Yaitu dapat dilakukan secara difusi terfasilitasi yang tidak membutuhkan

energi untuk memasukkannya.Namun penyerapan nutrisi kedalam sel akan terus

terjadi karena nutrisi akan segera di metabolisme didalam sel.Selama proses akan

terus terjadi peningkatan daya difusi sampai protein pembawa jenuh akan nutrisi.

Transport Aktif memungkinkan semua nutrisi dapat masuk walaupun berada pada

konsentrasi di lingkungan yang rendah.Namun proses transport aktif ini memerlukan


energi untuk mendorong masuknya nutrient.Seperti dalam difussi terfasilitasi protein

pembawa yang terlibat banyak yang spesifik,sedangkan fungsi yang lain berkaitan

dengan senyawa kelompok-kelompoknya.

Nutrisi memasuki sel seperti gula,asam amino atau asam molekul organik secara

bersamaan dengan proton disebut symport.gradien proton juga membentuk ion

sodium melewati membran .Terjadinya pertukaran antara ion kalsium dan proton

keluar dan masuk membran disebut antiport.Gradient sodiu terdiri dari nutrisi

contohna gula dan asam amino.

Beberapa senyawa dapat diubah selama penyerapan. misalnya, Gula, dapat

menggunakan fosfoenolpiruvat (PEP) terfosforilasisebagai donor fosfat.Hal ini

disebut sebagai kelompok translokasi, yang dilakukan oleh banyak sel prokariotik.

Selama periode ketika konsentrasi nutrisi sangat rendah, karena selama fase stasioner

dari kultur batch beberapa organisme menghasilkan metabolit mampu untuk

scavaging sisa ion logam. Sideramines, yang meliputi hydroxamate yang ferrichrome,

adalah contoh terkenal. Atau, beberapa mikroorganisme dapat menghasilkan senyawa

yang berpengaruh dalam in vivo untuk membuat membran mereka lebih permeabel

terhadap ion logam tertentu, misalnya macrotetralides (antibiotik ionofor; )

PEMANFAATAN BAHAN BERAT MOLEKUL TINGGI

Pemanfaatan substrat polimer (polisakarida,protein dan lipid) membutuhkan kegiatan

tambahan. Protozoa dan organisme eukariotik lain yang tidak memiliki dinding sel

dapat menelan potongan yang relatif besar bahan makanan dari lingkungan mereka

dengan fagositosis (engulfment) dan diubah didalam membran-terikat vakuola

makanan.Kemudian enzim hidrolitik disekresikan untuk memecah polimer menjadi

monomer

Untuk organisme yang memiliki dinding sel yang kaku mereka mensekresikan enzim

hidrolitik terlebih dahulu ke lingkungan seperti enzim protease,selulase amilase dll

dan kemudian mengambil produk hidrolisis yang dihasilkannya.

PERTUMBUHAN KINETIK MIKROBA

Pertumbuhan pada mikroba tidak sepenuhnya adalah pembelahan sel dari

mikroba.Pertumbuhan dapat terjadi tanpa pembelahan sel,misalnya ketika sel


menyintesis senyawa penyimpanan contohnya glikogen atau poly-β hydroxybutirat.

Dalam situasi ini jumlah sel tetap konstan, tetapi konsentrasi biomassa terus

meningkat. Hal ini juga berlaku untuk organisme coenocytic, seperti beberapa jamur,

yang tidak dibagi menjadi sel terpisah. Hasil pertumbuhan mereka hanya meningkat

pada ukuran saja.

Kinetika pertumbuhan uniseluler homogen pada kultur suspen-sion dapat

dimodelkan menggunakan persamaan diferensial dalam model kontinum.

Model pertumbuhan yang akan diuji adalah bakteri dengan pembelahan biner dalam

kultur suspensi homogen,di mana pembelahan sel menghasilkan sel anak yang

identik.Setiap kali sel membelah disebut generasi dan waktu yang dibutuhkan untuk

sel untuk membelah disebut sebagai generasi waktu. Oleh karena itu, waktu generasi

atau waktu dua kali lipat(td) adalah waktu yang diperlukan untuk populasi mikroba

untuk menggandakan. Secara teoritis, setelah satu generasi, baik populasi sel mikroba

dan konsentrasi biomassa telah dua kali lipat.

Waktu generasi direkam selama pertumbuhan mikroba dalam kenyataan nilai rata-

rata, karena sel-sel tidak akan membagi di tingkat waktu yang sama persis. Pada satu

waktu ada sel yang memiliki tahap berbeda dari siklus sell mereka. Ini disebut

pertumbuhan asynchronous.Namun, dalam kondisi tertentu pertumbuhan sinkron

dapat diinduksi sehingga semua sel membagi secara bersamaan, yang merupakan alat

penelitian yang berguna dalam studi fisiologi mikroba

Fermentasi mikroba pada media cair dilakukan denganoperasi yang berbeda-

beda,contohnya pertumbuhan Batch,pertumbuhan Fed-batch atau

continous.Fermentasi batch dilakukan pada sistem tertutup dan nutrisi yang ada

selama awal fermentasi dalam volume tetap.

Satu-satunya penambahan lebih lanjut mungkin asam atau basa untuk kontrol pH, atau

gas (misalnya aerasi, jika diperlukan).Dalam sistem fed-batch media segar atau media

komponen diberi nutrisi terus menerus, sebentar-sebentar atau ditambahkan sebagai

suplemen tunggal dan volume batch meningkat seiring waktu waktu. fermentasi

continous adalah sistem terbuka di mana media segar diberiakan nutrisi secara terus

menerus dimasukkan ke dalam bejana fermentasi, namun sisa-sisa volume yang Tetap

konstan sebagai meium tertinggal dan sel dikeluarkan pada tingkat yang sama.


PERTUMBUHAN BATCH

Pada gambar diatas adalah fase pertumbuhan bakteri dimulai dari fase

lag,Acceleration,Exponential,Deceleration,Stasionary dan Death(mati).

Pada fase lag tidak ada pertumbuhan mikroba dan populasi mikroba tetap.Hal tersebut

adalah periode aktifitas metabolik yang intens sebagai inokulum mikroba

menyesuaikan dengan lingkungan yang baru.Fase ini dipengaruhi komposisi kimia

dari media fermentasi.Fase lag akan lebih lama jika inoculum mikroba tumbuh

menggunakn sumber karbon yang berbeda dari medium segarnya.Karena sel harus

menyintesis enzim yang dibutuhkan untuk menstabilkan subtrat baru.

Fisiologis stres mungkin juga memiliki efek, terutama karena sel sering ditransfer dari

media inokulum yang bertekanan osmotik rendah (konsentrasi zat terlarut rendah) ke

media segar dari tekanan osmotik tinggi (konsentrasi zat terlarut tinggi).Faktor-faktor

lain yang mempengaruhi panjang dari fase lag adalah usia, konsentrasi, viabilitas dan

morfologi inokulum.Umumnya inoculum dipersiapkan dari sel yang dipanen pada

fase pertumbuhan eksponential.

Setelah sel telah beradaptasi dengan lingkungan baru mereka memasuki fase

akselerasi. Pembelahan sel terjadi dengan meningkatnya frekuensi sampai

pertumbuhan tingkat maksimum (max) untuk kondisi spesifik dari fermentasi batch

yang terjadi. Pada titik pertumbuhan eksponensial ini dimulai,jumlah sel / biomassa

meningkat pada tingkat yang konstan.


Secara matematis, pertumbuhan eksponensial ini dapat dijelaskan dengan dua metode;

satu terkait dengan biomassa (x) dan yang lainnya terkait dengan jumlah sell(N).

Untuk biomassa sel, pertumbuhan dapat dianggap sebagai reaksi autocatalytic. Oleh

karena itu, tingkat pertumbuhan tergantung pada konsentrasi biomassa, katalis yaitu,

yang hadir pada setiap waktu. Hal ini dapat digambarkan sebagai berikut: laju

perubahan biomassa adalah dx / dt = µx (2.1)

Di mana x = konsentrasi biomassa (g / L), m = spesifik tingkat pertumbuhan (per jam)

dan t = waktu (h). Ketika grafik diplot biomassa sel terhadap waktu, produk adalah

kurva dengan kemiringan terus meningkat (Gambar. 2.2a). Persamaan 2.1 juga dapat

diatur ulang untuk memperkirakan laju pertumbuhan spesifik (m):

m = 1 / x * dx / dt 2.2

(gambar 2.2a)

Selama periode pertumbuhan eksponensial benar,persamaan( 2.1) dapat diintegrasikan untuk memberikan persamaan berikut : xt = xoe µt (2.3) di mana konsentrasi xt = biomassa setelah waktu t, xo = konsentrasi biomassa pada awal pertumbuhan eksponensial, dan e = dasar logaritma natural. Mengambil logaritma natural, loge (ln), diberikan :ln xt = ln xo + µt (2.4)Persamaan ini adalah bentuk y = c (intercept pada sumbu y)+ mx dimana m = gradien (µ dalam persamaan (2.4) ), yang merupakan Persamaan umum untuk grafik garis lurus.

Untuk sel di fase eksponensial, plot dari log alami konsentrasi biomassa melawan waktu, plot semilog, harus menghasilkan garis lurus dengan kemiringan (gradien) sama dengan µ(Gambar. 2.2b), atau µ= (ln xt – ln xo)/t (2.5)


Gambar 2.2b

(catatan: ketika mempoting nilai log10 bukan log alami ,gradien plot semilog sama dengan µ/ 2,303; lihat Gambar. 2.2c).


pertumbuhan mikroba dan nutrisi

Documents