Resistensi Bakteri Bacillus Terhadap Logam Berat Heavy Metal

SCIENTIFIC CONFERENCE OF ENVIRONMENTAL TECHNOLOGY IX - 2012
Advances in Agricultural and Municipal Waste Technology to Anticipate
Food and Energy Crisis
Surabaya, 10 July 2012
Resistensi Bakteri Bacillus Terhadap Logam Berat
Heavy Metal Resistance of Bacillus
Tutut Arinda a*, Maya Shovitria, Enny Zulaikaa
a
Jurusan Biologi FMIPA-ITS Surabaya
*[email protected]
Abstrak
Bacillus adalah bakteri yang melimpah di alam, dapat diisolasi dari udara, tanah, air tawar
atau asin, baik di lingkungan normal ataupun ekstrim, termasuk lingkungan yang tercemar
logam berat. Bacillus yang resisten terhadap logam berat dapat dikembangkan lebih lanjut
untuk tujuan bioremediasi. Tujuan penelitian adalah mengetahui resistensi anggota genera
Bacillus terhadap logam berat Hg, Cd, Pb, dan Cu. Isolat yang digunakan adalah isolat
koleksi laboratorium Mikrobiologi dan Bioteknologi, jurusan Biologi FMIPA-ITS, yaitu Bacillus
S1, SA1, SS19, DA11, dengan species referensi B. cereus ATCC1178 dan B. subtilis
ATCC6633. Uji resistensi logam berat dilakukan dengan metode streak plate secara aseptis
pada medium nutrient agar yang mengandung HgCl2, PbCl2, CdCl2 CuCl2 dengan
konsentrasi 30 - 50 ppm. Hasil inkubasi setelah 24 jam, semua genera Bacillus 100%
resisten pada media logam Pb dan Cu 30 - 50 ppm. Pada media yang mengandung logam
Cd semua genera Bacillus resisten 100% pada konsentrasi 45 ppm dan 25-85% pada
konsentrasi 50 ppm. Semua genera Bacillus kurang resisten pada logam Hg, menunjukkan
persentase pertumbuhan 8 – 55% pada konsentrasi 30 – 50 ppm. Toksisitas logam berat
terhadap genera anggota Bacillus berturut-turut dari yang paling toksik adalah Hg > Cd > Pb
= Cu.
Kata kunci : Bacillus, logam berat, resitensi, toksisitas
Abstract
Bacillus bacteria are abundant in nature, can be isolated from air, soil, fresh water or sea
water, either in normal or extreme environments, including heavy metal polluted
environment. Bacillus that are resistant to heavy metals can be further developed for the
purpose of bioremediation. The research objective was to determine the resistance of heavy
metals Hg, Cd, Pb, and Cu by members of the genera Bacillus. Isolates used is a collection
of laboratory isolates of Microbiology and Biotechnology, Jurusan Biologi FMIPA-ITS, namely
Bacillus S1, SA1, SS19, DA11, with reference to species B. cereus ATCC1178 and B.
subtilis ATCC6633. Bacillus resistance test towards metals was accomplished by using the
streak slant method with Nutrien Agar (NA)-HgCl2, CdCl2, PbCl2, and CuCl2 with various
concentration level of 30 – 50 mg/L. After 24 hours of incubation, the growth of the isolates
were observed. The results after 24 hours of incubation, all the genera Bacillus 100%
resistant to Pb and Cu metal media 30-50 ppm. On media containing metals Cd, all of
genera Bacillus resistant 100% at a concentration of 45 ppm and 25 - 85% at a concentration
of 50 ppm. All the genera Bacillus less resistant to Hg metal, shows the percentage growth of
8 - 55% at concentrations of 30-50 ppm. The toxicity of heavy metals to the genera Bacillus
consecutive members of the most toxic are Hg > Cd > Pb = Cu.
Key words: Bacillus, heavy metals, resistance, toxicity
ISBN 978-602-95595-5-2
1
SCIENTIFIC CONFERENCE OF ENVIRONMENTAL TECHNOLOGY IX - 2012
Advances in Agricultural and Municipal Waste Technology to Anticipate
Food and Energy Crisis
Surabaya, 10 July 2012
1. Pendahuluan
Peningkatan aktivitas industri menyebabkan masalah polusi lingkungan semakin tidak
terkendali dan salah satu pencemaran ekosistem adalah akumulasi polutan seperti logam
berat (Tirado et al., 2012). Logam berat dihasilkan dari buangan berbagai macam industri
seperti elektroplating, tekstil, baterai, pupuk, manufaktur plastik dan pertambangan. Logam
berat bersifat persisten di di lingkungan karena tidak dapat didegradasi. Polusi logam berat
merupakan masalah yang sangat penting karena efek toksik dan dapat terakumulasi melalui
rantai makanan, menimbulkan masalah ekologi dan kesehatan lingkungan yang serius
(Ozdemir et al., 2009).
Metode dekontaminasi logam berat yng saat ini banyak digunakan adalah metode
konvensional menggunakan ion exchange atau presipitasi dengan soda. Teknologi ini
kurang efisien dan relatif mahal sehingga diperlukan metode baru yang ramah lingkungan
(Chen et al., 2005). Metode yang cukup prospektif untuk dikembangkan yaitu dengan
menggunakan metode biologis menggunakan bakteri yang bersifat renewable.
Mikroorganisme termasuk bakteri mempunyai mekanisme resistensi terhadap logam berat,
diantaranya eksklusi dengan barrier permeabilitas, penjerapan intra dan ekstra seluler,
transport aktif, pompa efflux, detoksifikasi enzimatik, dan reduksi sensitifitas seluler terhadap
ion logam (Colak et al, 2011).
Logam berat Cu dan Zn memiliki peranan pada proses metabolisme makhluk hidup
sehingga esensial dan dibutuhkan sebagai mikronutrien. Logam Cu dan Zn ikut dalam
proses redoks untuk menstabilkan molekul melalui interaksi elektrostatis seperti katalis
dalam reaksi enzimatik dan regulasi keseimbangan osmotik (Rathnayake et al, 2009).
Namun disisi lain beberapa logam berat tidak memiliki peran secara biologis dan berbahaya
pada konsentrasi yang sangat rendah, logam tersebut antara lain Hg, Cd dan Pb (Gil et al.,
2007).
Bacillus adalah bakteri yang melimpah di alam, dapat diisolasi dari udara, tanah, air tawar
atau asin, baik di lingkungan normal ataupun ekstrim seperti tercemar logam berat (Kim et
al., 2011; Nevado et al., 2010). Genera Bacillus memiliki beberapa manfaat diantaranya
untuk produksi enzim, antibiotik, pelarut, dan insektisida alami pada tanaman (Ouattara et
al., 2011; Wu et al., 2006). Sebaliknya, ada juga Bacillus yang bersifat patogen bagi
manusia dan hewan yaitu B. anthracis (Abee et al., 2011).
Kemampuan Bacillus yang beragam salah satunya resisten logam berat dapat
dikembangkan lebih lanjut untuk tujuan bioremediasi namun perlu diketahui terlebih dahulu
bagaimanakah resistensi anggota genera Bacillus terhadap logam berat Hg, Cd, Pb, dan
Cu.
2. Metode Penelitian
Isolat bakteri yang digunakan adalah isolat koleksi Laboratorium Mikrobiologi dan
Bioteknologi, Jurusan Biologi FMIPA-ITS Surabaya yaitu isolat Bacillus S1, SA1, SS19 dan
D11 dengan species referensi B. cereus ATCC1178 dan B. subtilis ATCC6633. Uji resistensi
genera Bacillus terhadap logam berat dilakukan dengan metode streak slant pada medium
Nutrient Agar (NA) yang mengandung HgCl2, PbCl2, CdCl2 CuCl2 dengan konsentrasi yaitu
30 ppm, 35 ppm, 40 ppm, 45 ppm dan 50 ppm. Diinkubasi 24 jam pada suhu 37oC dan
diamati koloni yang tumbuh, pertumbuhan koloni dibandingkan dengan kontrol.
3. Hasil dan Pembahasan
2
ISBN 978-602-95595-5-2
SCIENTIFIC CONFERENCE OF ENVIRONMENTAL TECHNOLOGY IX - 2012
Advances in Agricultural and Municipal Waste Technology to Anticipate
Food and Energy Crisis
Surabaya, 10 July 2012
Semua isolat Bacillus mampu tumbuh pada medium yang mengandung logam berat sampai
konsentrasi 50 ppm dengan kisaran resistensi yang berbeda-beda untuk setiap logam berat.
Seluruh bakteri genera Bacillus menunjukkan pertumbuhan 100% pada medium yang
mengandung logam berat Pb dan Cu konsentrasi 30 - 50 ppm (Gambar 1a & 1b)
Kemampuan Bacillus tumbuh pada medium mengandung Pb disebabkan karena adanya
transport aktif logam Pb dengan pompa ATP. Genera Bacillus resisten terhadap logam Cu
karena logam Cu merupakan logam esensial bagi bakteri. Kemampuan bakteri Bacillus
resisten terhadap Cu karena adanya gen dalam plasmid dan kromosom yang mengkode
resistensi terhadap logam Cu yaitun gen cop-operon (Silver, 1996). Bakteri genera Bacillus
mampu tumbuh 100% pada medium yang mengandung Cd dengan konsentrasi 30-45 ppm.
Persentase tumbuh Bacillus pada medium yang mengandung Cd bervariasi pada
konsentrasi 50 ppm (Gambar 1c). Penurunan persentase pertumbuhan yang signifikan ini
disebabkan karena tingkat toleransi bakteri terhadap cadmium mulai menurun. Kemampuan
Bacillus tumbuh pada medium yang mengandung Cd karena Bacillus mempunyai gen cad operon di dalam plasmid menyandi resistensi terhadap logam Cd (Silver, 1996).
Persentase Bacillus tumbuh pada medium yang mengandung Hg sangat bervariasi antara 5
- 55% dengan konsentrasi 30 - 50 ppm (Gambar 1d). Perbedaan pertumbuhan Bacillus
karena adanya perbedaan adaptasi genotip dan fenotip genera Bacillus terhadap cekaman
merkuri. Perbedaan adaptasi fenotip dan genotip isolat terjadi karena perbedaan strain pada
isolat Bacillus yang diuji. Perbedaan tersebut juga disebabkan perbedaan susunan mer
operon pada masing-masing isolat dan perbedaan jumlah plasmid yang dimiliki tiap isolat
Bacillus (Huang et al., 2002). Perbedaan jumlah plasmid yang dimiliki oleh bakteri terjadi
karena adanya transfer horizontal plasmid antar bakteri dan jumlah plasmid dan sangat
mempengaruhi tingkat resistensi karena sebagaian besar mer operon Bacillus berlokasi di
plasmid (Kannan & Krishnamoorty, 2006).
a
b
c
d
Gambar 1. Resistensi Bacillus pada logam Pb, Cu, Cd dan Hg
ISBN 978-602-95595-5-2
3
SCIENTIFIC CONFERENCE OF ENVIRONMENTAL TECHNOLOGY IX - 2012
Advances in Agricultural and Municipal Waste Technology to Anticipate
Food and Energy Crisis
Surabaya, 10 July 2012
Secara umum, pertumbuhan isolat genera Bacillus menunjukkan hasil yang hampir seragam
yaitu mencapai 100% pada medium yang mengandung Pb dan Cu dengan konsentrasi 30 50 ppm, mengandung Cd pada konsentrasi 30 - 45% dan mulai bervariasi pada konsentrasi
50 ppm. Sedangkan pada medium yang mengandung Hg pada 30 ppm pertumbuhannya 20
- 45%, 35 ppm pertumbuhannya lebih rendah 18 - 30%, konsentrasi 40 ppm hampir
seragam yaitu 20 - 25%, konsentrasi 45 ppm 5 - 25% dan konsentrasi 50 ppm persentase
pertumbuhan sangat bervariasi antara 8 - 15%.
4. Kesimpulan
Seluruh isolat genera anggota Bacillus resisten terhadap logam berat Hg, Cd, Pb, dan Cu
dengan resistensi yang berbeda-beda. Toksisitas logam berat terhadap genera anggota
Bacillus berturut-turut dari yang paling toksik adalah Hg > Cd > Pb = Cu.
5. Pustaka
Abee, T., Groot, M.N., Tempelaars, M., Zwietering, M., Moezelaar, R., and Voort, M.V.
(2011). Germination and outgrowth of spores of Bacillus cereus group members:
Diversity and role of germinant receptors. Food Microbiology, 28: 199 – 208.
Chen, J.Z., Tao X.C., Xu J., Zhang, T. and Liu, Z. (2005). Biosorption of lead, cadmium and
mercury by immobilized Microcystis aeruginosa in a column. Process Biochemistry,
40:3675 – 3679.
Colak, F., Atarb, N., Yazıcıoglua, D. and Olgun, A. (2011). Biosorption of lead from aqueous
solutions by Bacillus strains possessing heavy-metal resistance. Chemical
Engineering Journal, 173: 422 - 428
Huang, C.C., Narita, M., Yamagata, T., Endo, G. and Simon, S. (2002). Characterization of
two regulatory genes of the mercury resistance determinants from TnMERI1 by
luciferase-based examination. Gene, 301: 13 - 20
Kannan, K. dan Krishnamoorthy, R. (2006). Isolation of mercury resistant bacteria and
influence of abiotic factors on bioavailability of mercury A case study in Pulicat
Lake North of Chennai, South East India. Science of the Total Environment, 367:
341 - 353
Kim, J.B., Park, J.K., Kim, M.S., Hong, S.C., Park, J.H. and Hwan, D. (2011). Genetic
diversity of emetic/toxin producing Bacillus cereus Korean strains. International
Journal of Food Microbiology, 150: 66 - 72
Nevado, J.B., Doimeadios, R.M., Bernardo, G., Moreno, J., Herculano, A.M., Nascimento,
D. and López, C. (2010). Mercury in the Tapajós River basin, Brazilian Amazon: A
review. Environment International, 36: 593 – 608.
Ouattara, H.G., Reverchon, S., Niamke, S. and Nasser, W. (2011). Molecular identification
and pectate lyase production by Bacillus strains involved in cocoa fermentation. Food
Microbiology, 28: 1 – 8.
Ozdemira, S., Kilinc, E., Poli, A., Nicolausc, B. And Guneva, K. (2009). Biosorption of Cd,
Cu, Ni, Mn and Zn from aqueous solutions by thermophilic bacteria, Geobacillus
toebii sub.sp. decanicus and Geobacillus thermoleovorans sub.sp. stromboliensis:
4
ISBN 978-602-95595-5-2
SCIENTIFIC CONFERENCE OF ENVIRONMENTAL TECHNOLOGY IX - 2012
Advances in Agricultural and Municipal Waste Technology to Anticipate
Food and Energy Crisis
Surabaya, 10 July 2012
Equilibrium, kinetic and thermodynamic studies. Chemical Engineering Journal, 152:
195 – 206.
Rathnayake, I. V. N. , Megharaj, M., Bolan, N. and Naidu, R. (2009). Tolerance of Heavy
Metals by Gram Positive Soil Bacteria. World Academy of Science, Engineering and
Technology, 53: 1185 – 1189.
Silver, S. (1996). Bacterial resistances to toxic metal ions - a review. Gene, 179: 9 – 19.
Tiradoa, V.R., Ruiz, C.G. and Gilc, B.G. (2012). Cu andPb biosorption on Bacillus thioparans
strain U3 in aqueous solution: Kinetic and equilibrium studies. Chemical Engineering
Journal, 181: 352 – 359.
Wu, X.Y., Walkerb, M.J. and Hornitzkya, M. (2006). Development of a group-specific
PCR combined with ARDRA for the identification of Bacillus species of
environmental significance. Journal of Microbiological Methods, 64: 107 - 119.
ISBN 978-602-95595-5-2
5