I. PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Dewasa ini

I.
1.1
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Dewasa ini semakin banyak dilakukan penelitian di bidang mikrobiologi,
terutama penelitian berbasis pemanfaatan jamur dan bakteri. Sebagai obyek
penelitian, bakteri lebih disukai dibandingkan mikroorganisme lain mengingat karena
sifat pertumbuhan bakteri yang cepat dan mudah untuk dibiakan. Penelitian terkait
ganggang hijau-biru relatif sedikit dan jarang dilakukan serta terfokus pada ganggang
hijau-biru dari habitat air laut. Ganggang hijau-biru sebenarnya memiliki potensi
pemanfaatan yang sangat luas, baik dalam bidang pangan, kesehatan maupun
lingkungan.
Ganggang hijau-biru (cyanobacteria) atau dikenal juga dengan istilah
Cyanophyta merupakan filum bakteria yang mendapatkan energi melalui proses
fotosintesis (Sarma, 2012). Ganggang hijau-biru memanen cahaya sebagai sumber
energi menggunakan klorofil, energi yang didapatkan kemudian akan ditransfer ke
pusat reaksi fotosintesis (Stambler dan Dubinsky, 2006). Organisme fototrof aerobik
seperti ganggang hijau-biru utamanya menyerap energi matahari pada area sinar
tampak (400 – 700 nm) (Overmann dan Garcia-Pichel, 2004).
Ganggang hijau-biru bisa berbentuk sel tunggal atau koloni. Koloni ganggang
hijau-biru dapat membentuk filamen ataupun lembaran. Beberapa koloni filamen
memiliki kemampuan untuk berdiferensiasi menjadi tiga tipe sel yang berbeda: sel
vegetatif adalah yang paling umum dijumpai, sel fotosintesis pada kondisi
lingkungan yang baik, dan tipe heterokista yang berdinding tebal yang mengandung
enzim nitrogenase pada kondisi lingkungan ekstrim (Bischoff dan Bold, 1963).
Ganggang hijau-biru secara alami terdapat di alam dengan sebaran yang luas,
meliputi berbagai habitat darat dan perairan, namun penelitian terkait ganggang
hijau-biru masih sangat sedikit. Hal ini disebabkan oleh tingkat kesulitan yang tinggi
pada tahap isolasi dan pemurnian mikroorganisme tersebut (Ferris dan Hirsch, 1991).
Agar, yang secara rutin digunakan sebagai agen pemadat media untuk bakteri,
diketahui mengandung pengotor dan beberapa di antaranya diduga justru
menghambat pertumbuhan ganggang hijau-biru itu sendiri (Allen dan Gorham,
1981). Karenanya, diperlukan teknik khusus dalam pembuatan media padat untuk
pertumbuhan ganggang hijau-biru (Castenholz, 1988).
Pemanfaatan ganggang hijau-biru yang telah banyak dilakukan hingga saat ini
meliputi penggunaannya sebagai PST (protein sel tunggal), suplemen diet, obat antikanker dan sebagai sumber energi alternatif. Spesies ganggang hijau-biru yang telah
banyak diteliti umumnya adalah yang berasal dari lingkungan perairan, baik air asin
maupun air tawar. Ganggang hijau-biru yang umum digunakan di industri hanya
mampu tumbuh hingga suhu maksimal 40 °C (Allen dan Stanier, 1968).
Hingga saat ini, masih belum banyak ditemui pemanfaatan spesies ganggang
hijau-biru yang tahan terhadap suhu tinggi, mengingat keberadaannya yang sangat
jarang di alam. Dalam bidang industri, mikroorganisme yang bersifat termofilik
dinilai lebih menguntungkan karena tahapan-tahapan pada proses industri umumnya
terjadi pada suhu yang tinggi. Pada penelitian ini, dilakukan isolasi spesies ganggang
hijau-biru yang berasal dari Sungai Bebeng di kaki Gunung Merapi, dengan suhu
habitat asalnya berkisar 60 – 65 °C, serta dilakukan identifikasi morfologis spesies
ganggang hijau-biru tahan suhu tinggi tersebut.
1.2
Tujuan Penelitian
Penelitian ini bertujuan untuk mengisolasi dan mengidentifikasi ganggang
hijau-biru yang bersifat termofilik dari bantaran Sungai Bebeng, Merapi.
1.3
Kegunaan Penelitian
Kegunaan dari penelitian ini adalah didapatkan sumber hayati ganggang
hijau-biru termofilik, yang dapat dimanfaatkan pada proses reduksi asam lemak.
II.
2.1
TINJAUAN PUSTAKA
Ganggang Hijau – Biru
Cyanobacteria atau ganggang hijau-biru adalah filum (atau divisi) bakteri
yang mendapat energi melalui fotosintesis. Jejak fosil ganggang hijau-biru telah
ditemukan sejak 3,8 miliar tahun lalu dan merupakan salah satu kelompok bakteri
terbesar dan terpenting di bumi. Ganggang hijau-biru dapat ditemukan di hampir
semua habitat yang bisa dibayangkan, dari samudera ke air tawar bahkan sampai ke
batu dan tanah (Bischoff dan Bold, 1963). Kebanyakan ganggang hijau-biru
ditemukan di air tawar, sedangkan beberapa spesies ditemukan tinggal di lautan,
terdapat di tanah lembab, atau bahkan kadang-kadang melembabkan batuan di gurun.
Beberapa ganggang hijau-biru bersimbiosis dengan lumut kerak, tumbuhan, berbagai
jenis protista dan menyediakan energi bagi inangnya (Seckbach dan Oren, 2006).
Ganggang hijau-biru yang berasal dari kelas Myxophyceae adalah
mikroorganisme primitif dan dikelompokkan dalam prokariota. Sel-sel ganggang ini
tidak memiliki inti yang terbagi dengan baik dan pembelahan sel yang terjadi adalah
pembelahan biner sederhana. Organisme ini memiliki warna hijau-biru, dengan
pigmen utamanya dapat berupa hijau klorofil a, karoten, xanthofil, c-phycocyanin
dan c-phycoerythryn. Produk dari aktivitas fotosintetisnya adalah glikogen (Kaushik,
1987).
Setiap individu sel umumnya memiliki dinding sel yang tebal dan lentur, serta
bersifat Gram negatif. Ganggang hijau-biru tidak memiliki flagela. Mereka bergerak
dengan meluncur sepanjang permukaan. Ganggang hijau-biru secara tradisional
diklasifikasikan menjadi lima kelompok, berdasar struktur tubuhnya yaitu:
Chroococcales, Pleurocapsales, Oscillatoriales, Nostocales dan Stigonematales
(Oilgae, 2006). Ganggang hijau-biru adalah satu-satunya kelompok organisme yang
mampu mereduksi nitrogen dan karbon dalam kondisi tidak ada oksigen (anaerob).
Mereka melakukannya dengan mengoksidasi belerang (sulfur) sebagai pengganti
oksigen.
Beberapa spesies ganggang
hijau-biru
memproduksi neurotoksin,
hepatotoksin, sitotoksin, dan endotoksin, membuat mereka berbahaya bagi hewan
dan manusia (Stein, 1973).
2.2
Isolasi dan Pemurnian Ganggang Hijau - Biru
Seringkali, langkah pertama menuju keberhasilan isolasi adalah memahami
dan meniru keadaan lingkungan atau habitat yang terjadi secara alami. Untuk
mikroalga yang berasal dari pesisir pantai, suhu dan salinitas sangat perlu
diperhatikan, untuk fitoplankton yang berasal dari lautan terbuka maka kualitas air
dan toksisitas logam menjadi permasalahan tambahan. Mikroalga yang berasal dari
air tawar dan diisolasi pada selain musim dingin umumnya tidak peka terhadap
perubahan suhu, tetapi pH dan kadar alkali sangatlah berpengaruh. Mikroalga dari
lingkungan asam atau hypersaline membutuhkan media pertumbuhan yang khusus,
sedangkan bagi mikroalga yang berasal dari tanah, faktor lingkungan tidak terlalu
banyak berpengaruh dalam pertumbuhannya (Andersen dan Kawachi, 2005).
Metode pengambilan cuplikan sangat menentukan keberhasilan isolasi karena
jika sel sampai rusak atau mati maka akan mengakibatkan kegagalan penumbuhan di
laboratorium (Andersen dan Kawachi, 2005). Langkah kedua menuju keberhasilan
isolasi meliputi penghilangan kontaminan, terutama yang bersifat kompetitor pada
spesies target. Metode pemurnian yang kerap dilakukan antara lain (Kaushik, 1987) :
a.
Pengenceran berulang
Teknik ini umumnya digunakan ketika cuplikan dari alam sangat kaya
ganggang hijau biru yang spesifik. Cuplikan ditumbuhkan berulangkali
pada media cair hingga didapatkan isolat yang diinginkan.
b.
Fragmentasi
Penyeragaman bentuk filamen dengan homogenizer kaca selama lima
sampai sepuluh menit memungkinkan diperolehnya filamen pendek yang
seragam dengan panjang empat sampai delapan sel.
c.
Antibiotik
Pada beberapa kondisi, sulit dilakukan teknik pengenceran berulang
dan/atau ultrasonik untuk menghilangkan kontaminan. Pada kondisi
demikian maka penggunaan metode kimia lebih diminati daripada
metode fisika. Salah satu metode kimia yang ada yaitu pengunaan
antibiotik tunggal atau kombinasi untuk membunuh atau menghambat
pertumbuhan kontaminan. Pemurnian dengan menggunakan antibiotik
telah diadopsi oleh banyak ilmuwan (Venkataraman, 1969).
d.
Radiasi ultraviolet
Metode ini telah banyak digunakan untuk mendapatkan biakan murni
dari ganggang hijau-biru (Bowyer dan Skerman, 1968). Suspensi
mikroalga disinari selama dua puluh sampai tiga puluh menit dengan
radiasi UV (λ 2750 A°) (Kaushik, 1987).
e.
Inkubasi suhu tinggi
Ganggang hijau-biru termofilik (kisaran pertumbuhan yang optimal di
atas 45 °C) mudah diisolasi dari habitat termal dengan pengayaan di atas
suhu 45 °C (Castenholz, 1969). Kebanyakan ganggang hijau-biru tahan
suhu tinggi tidak dapat tumbuh baik dengan suhu di bawah 30 - 35 °C,
sedangkan suhu optimum tampaknya berada di dekat 72 °C (Kaushik,
1987).
2.3
Media Pertumbuhan Ganggang Hijau – Biru
Pertumbuhan makroskopik koloni ganggang hijau-biru dapat secara umum
terlihat di sungai dan kolam serta di permukaan tanah, bata tua, talang beton dan
lain-lain. Distribusi yang luas dari ganggang hijau biru memastikan bahwa inkubasi
nonspesifik biasanya akan berhasil, tetapi pengembangan spesies tertentu dan isolasi
dalam biakan murni, adalah pekerjaan yang menuntut dan memakan banyak waktu
(Kaushik, 1987).
Seperti jasad hidup lainnya, ganggang hijau biru memerlukan nutrisi yang
sesuai serta lingkungan yang menguntungkan. Pertama, media pertumbuhan harus
mengandung nutrisi penting bagi pertumbuhan biakan mikroalga yang diberikan.
Kedua, media harus pada saat yang sama memberikan lingkungan yang sesuai untuk
pertumbuhan, yaitu, pH yang tepat, tekanan osmotik, aerasi dan sebagainya. Pada
dasarnya semua media biakan dapat digunakan baik dalam bentuk cair atau padat
(Kaushik, 1987).
Cara sederhana untuk menangani ganggang adalah untuk menumbuhkan
mereka dalam medium cair dalam tabung reaksi, termos kerucut atau botol biakan.
Pertumbuhan pada media cair dapat terlihat dengan parameter yang berbeda
(Kaushik, 1987):
 kekeruhan: warna kekeruhan, lebih atau kurang padat
 pelikel: massa kecil filamen yang mengapung pada permukaan medium
cair
 sedimen: sel terflokulasi dan mengendap, tetapi berputar jika tabung
digoyangkan
Nutrien yang keterbatasannya dapat mempengaruhi bentuk dan pertumbuhan
ganggang hijau-biru yaitu karbon, fosfor, nitrogen dan besi. Perubahan bentuk sel
sebagai respon terhadap keterbatasan nutrien memungkinkan bakteri untuk
menggunakan sumber nutrien yang tersedia untuk menunjang kehidupan,
pertumbuhan dan reproduksinya. Gambar 2.1 menunjukkan pengaruh kondisi
lingkungan biotik dan abiotik terhadap perubahan morfologi ganggang hijau biru
(Singh dan Montgomery, 2011).
Gambar 2.1 Diagram Pengaruh Faktor Lingkungan Terhadap Perubahan Bentuk Sel
Ganggang Hijau-Biru (Singh dan Montgomery, 2011).
Karbon anorganik seperti karbon dioksida diasimilasi pada siklus Calvin dan
ketersediannya akan sangat mempengaruhi efektivitas fotosintesis ganggang hijaubiru. Ketersediaan karbon yang rendah dihubungkan dengan sifat dinding sel yang
menjadi lebih kaku pada ganggang hijau-biru (Marcus, 1982). Kekurangan karbon
juga menginduksi terbentuknya akinete pada sebagian spesies ganggang hijau-biru,
yang diduga merupakan sebuah metode untuk dapat bertahan pada kondisi
kekurangan karbon yang tidak menguntungkan dengan pembentukan sel yang
berfungsi seperti spora, pembentukan akinete diasosiasikan dengan pembesaran sel.
(Kaplan-Levy dan Lubzens, 2010). Akinete berperan sebagai tempat penyimpanan
cadangan makanan, DNA dan komponen lain yang diperlukan pada tahapan
pembentukan sel vegetatif selama fase pengecambahan akinete (Kaplan-Levy dan
Lubzens, 2010).
Nitrogen sangat dibutuhkan untuk produksi nukleotida dan asam amino. Pada
beberapa spesies ganggang hijau-biru, kehilangan nitrogen mengakibatkan terjadinya
diferensiasi heterokista penambat nitrogen. Fiksasi nitrogen oleh heterokista pada
ganggang hijau-biru mendukung produktivitas ekosistem dengan cara meningkatkan
pertumbuhan organisme (Sinha dan Hader, 1996). Heterokista umumnya berukuran
lebih besar dan berbentuk lebih bundar dibandingkan dengan sel vegetatif (Kumar,
2010). Perubahan bentuk sel yang berhubungan dengan pembentukan heterokista
dinyatakan terjadi apabila sel tidak memperoleh nitrogen sesuai kapasitas
kebutuhannya (Young, 2006).
Fosfat sangatlah penting bagi pembentukan asam nukleat dan dalam proses
fosforilasi, yang berpengaruh terhadap fungsi protein. Ketersediaan fosfat di alam
kerap kali menjadi faktor pembatas bagi pertumbuhan ganggang hijau-biru di alam.
Pada
ganggang
hijau-biru
berfilamen,
kekurangan
fosfat
mengakibatkan
pembentukan hormogonia dan akinete (Flores dan Herrero, 2010). Besi berpengaruh
dalam pertumbuhan berbagai organisme, termasuk bakteri. Kekurangan besi
memberikan dampak yang besar bagi bakteri fotosintetik, mengingat besi menjadi
pusat dari fungsi nitrogenase dan sistem pemanen cahaya pada klorofil (Montgomery
dan Pattanaik, 2010). Ganggang hijau-biru memperlihatkan pembesaran sel, sebagai
hasil dari vakuolasi (Pattanaik dan Montgomery, 2010) atau fragmentasi filamen
(Kupper, 2008), sebagai respon terhadap kondisi pertumbuhan yang miskin besi.
2.4
Identifikasi Morfologis Ganggang Hijau – Biru
Ciri ganggang hijau-biru antara lain tidak memiliki membran sel, tidak
memiliki mitokondria dan juga tidak memiliki plastida. Karena itulah umumnya
klorofil yang dimiliki berjumlah banyak namun tersebar pada seluruh sitoplasma.
Ganggang hijau-biru dapat berbentuk sel, filamen ataupun koloni. Diameternya
antara 1 – 60 µm. Secara umum ganggang hijau-biru memiliki bentuk dasar yang
khas yang dapat mencirikan antara satu genus dengan yang lain, atau bahkan antara
spesies (Chorus dan Bartram, 1999).
Ganggang hijau-biru yang termasuk dalam ordo Chroococcales memiliki
bentuk uniselular dan isopolar. Ganggang hijau-biru dari ordo Pleurocapsales
memiliki bentuk khas yaitu pseudoparenkim. Ganggang hijau-biru dari ordo
Chamaesiphonales umumnya uniselular dan hiperpolar. Ganggang hijau-biru dengan
bentuk multiselular, trikal dan belum memiliki heterokista termasuk dalam ordo
Oscillatoriales.
Ganggang
hijau-biru
dari
ordo
Stigonematales
berbentuk
multiselular, trikal, memiliki heterokista serta tumbuh membentuk cabang – cabang.
Ordo Nostocales memiliki ciri khas membentuk heterokista, multiseluler, trikal, dan
tumbuh membentuk garis lurus (Chorus dan Bartram, 1999).
Ganggang hijau-biru uniseluler yang diklasifikasikan ke dalam genus
Synechococcus (Thermosynechococcus), adalah genus yang paling memiliki
ketahanan terhadap suhu tinggi. Ganggang hijau-biru berbentuk benang seperti
Mastiglocaduslaminosus dan Phormidium spp., lebih bersifat thermotoleran dan
dapat tumbuh pada suhu 55 sampai 62°C (Seckbach dan Oren, 2006).
(A)
)
(B)
(C)
(D)
(E)
Gambar 2.2 Ganggang hijau-biru Sesuai Ordo; (A)
(F)
Chroococcales, (B)
Pleurocapsales, (C) Chamaesiphonales, (D) Oscillatoriales, (E) Stigonematales, (F)
Nostocales (Chorus dan Bartram, 1999).
2.5
Hipotesis Penelitian
Dari celah yang mengeluarkan gas panas di kawasan kaki Gunung Merapi
dapat diisolasi, dan diidentifikasi ganggang hijau-biru termofilik.