m.K. Dasar Teknologi Mikrobial TIN 232 2( 2(2-0) PEMBAHASAN MIKROBA SECARA UMUM (TINJAUAN DUNIA MIKROBA) Departemen Teknologi Industri Pertanian – FATETA IPB 2013 TUJUAN TOPIK INI Meninjau dunia mikroba peran di bidang industri yang ber 1. Prasyarat Mikroba dalam Mikrobiologi Industri Dari segi perindustrian mikroba merupakan pabrik zat kimia yang mampu melakukan perubahan yang dikehendaki. Beberapa prasyarat yang perlu dipenuhi bagi suatu proses dalam mikrobiologi adalah: Organisme, Medium, dan Hasil. 2. Sektor Mikrobiologi Industri Bidang kegiatan mikrobiologi industri tergantung kepada hasil yang didapatkan, misalntya sektor farmasi, sektor energy, sektor makanan, sektor pertanian, dan lain sebagainya. Dari sektor kegiatan akan diketahui volume dan nilai industry yang dihasilkan. Karena itu menyangkut masalah dalam kegiatan bisnis yang mendatangkan pendapatan tinggi. Klasifikasi Organisme Linnaeus Kingdoms Organisme 1. Tumbuhan bakteri, fungi, alga tumbuhan protozoa, hewan (1753) 2. Hewan penemuan karakteristik fisiko-kimia organisme Haeckel (1865) 1. Tumbuhan 2. Hewan 3. Protista alga multiseluler, tumbuhan hewan mikroba (bakteri, protozoa, alga, kapang, khamir). Penemuan mikroskop elektron diketahui struktur internal sel : Prokariotik (bakteri) dan Eukariotik (fungi, alga, protozoa) Whittaker (1969) Sistem 5 dunia 1. Tumbuhan 2. Hewan 3. Protista 4. Fungi 5. Monera alga multiseluler, tumbuhan hewan protozoa, alga bersel tunggal kapang, khamir semua bakteri (prokariotik) Kajian rRNA (sintesis protein/enzim survival sel) Woese (1977) 1. Archaeobacteria 2. Eubacteria 3. Eukariotik bakteri yang memproduksi gas metan, perlu garam tinggi, perlu suhu tinggi. semua bakteri (penyebab penyakit, bakteri tanah dan air, bakteri fotosintetik). protozoa, alga, fungi, tumbuhan, hewan. Cara organisme mendapatkan nutrisi (makanan / energi): 1) Fotosintesis 2) Absorpsi 3) “ Ingestion” dasar pembagian sistem 5 dunia (kingdom) oleh Whittaker (1969) Dunia Fungi Dunia Tumbuhan Dunia Hewan Absorpsi “Ingestion” Fotosintesis Dunia Protista (Eukariota uniseluler : alga fotosintetik, protozoa ingestion & kapang absorpsi) Dunia Monera (Prokariota : bakteri) Whittaker : Mikroba ada pada dunia (kingdoms) : Monera : bakteri Protista : protozoa, alga Fungi : khamir, kapang Bakteri - terbagi 2 grup : eubakteria dan archaeobakteria (beda sekuen rRNA) - sel prokariotik khas : tidak mempunyai membran nukleus (Organel selnya terdiri dari : sitoplasma, bahan intisel, ribosom) & uniseluler - Struktur : diluar dinding sel berupa flagela, fili dan kapsul. - Berdasarkan beda komposisi & struktur dinding sel : Gram + = lipid lebih sedikit Gram - = lipid lebih banyak, dinding sel lebih tipis Pewarnaan Gram Christian Gram 1884 Pewarna differensial membedakan jenis karena perbedaan lapisan dinding sel perbedaan melepaskan zat warna primer oleh sel Empat jenis larutan pewarna : 1. Zat warna basa (pewarna primer) : violet kristal 2. Mordant (pengikat) agar pewarna primer tdk mudah tercuci iodium Gram 3. Pencuci zat warna alkohol 95 % 4. Pewarna tandingan : counterstain : safranin pink The cell wall of many bacteria is composed of peptidoglycan, which covers the entire surface of the cell. The wall of a bacterium is classified in two ways: • Gram-positive. A gram-positive cell wall (has many layers of peptidoglygan that retain the crystal of violet dye when the cell is stained. This gives the cell a purple color when seen under a microscope. Gram-negative. A gram-negative cell wall is thin. The inside is made of peptidoglycan. The outer membrane is composed of phospholipids and lipopolysaccharides. The cell wall does not retain the crystal of violet dye when the cell is stained. The cell appears pink when viewed with a microscope. Gram stain reaction positive - purple negative - pink Bakteri (lanjutan): - Sel berbentuk bola (coccus), batang (bacil), spiral - Diameter : 0,5 – 1 μm. panjang : 1,5 – 2,5 μm. - Penataan sel : tunggal, berpasangan, rantai/filamen, gerombol - Reproduksi : pembelahan biner / aseksual - Tumbuh pada suhu 0 - > 90º C - Banyak yang menguntungkan dan merugikan Sianobakteria - Prokariotik fotosintetik - lebih besar dari bakteri - selain dg pembelahan biner, perkembangbiakan bisa melalui spora Sumber : www.lamission.edu/life sciences/lecturenote/... /Ch10Classification.p pt batang (bacil), bola (coccus) spiral Bentuk Sel Bakteri Contoh Aplikasi Bakteri Penting dalam Industri Mikrobial 1. Acetobacte aceti : - mengoksidasi alkohol menjadi asam asetat industri cuka 2. Acetobacter xylinum : - mensintesis selulosa (nata de coco) dari substrat gula menjadi pelikel yang mengambang di permukaan substrat - fermentasi teh menjadi produk the Kombucha Nata de coco Produksi asam asetat Proses Pembuatan Nata de Coco Bakteri Penting dalam Industri Mikrobial 3. Lactobacillus sp : - produksi asam laktat PLA (poly lactic acid, bahan bioderadable plastic) & pembuatan yoghurt, sauerkraut & probiotik L. bulgaricus Yoghurt sauerkraut Bakteri Penting dalam industri (lanjutan) 4. Bacillus sp : - produksi enzim amilase, bioinsektisida (B. thuringiensisi), penanganan limbah (B. subtilis, B. megaterium) 5. Bifidobacterium sp : - sebagai probiotik Bifidobacterium Produksi Alanin Alanin adalah asam amino yang diakumulasikan oleh Micrococcus, Aeromobacter, Flavobacterium, Alkaligenes, Eschericia, Avobacter, dan Bacillus, serta Khamir Streptomyces. Strain yang terbaik untuk produksi alanin adalah Brevibacterium pentose. Bakteri pembentuk alanin akan tumbuh dengan baik pada medium glukosa 10%, ammonium sulfat 2%, pepton 0,2%, ekstrak khamir 0,5%, K2HPO4 0,1%, MgSO4 7%, H2O 0,03%, CaCO3 2%. Fungi (Kapang & Khamir) - Sel eukariotik, tidak berkhlorofil, dinding sel kaku, uni atau multiseluler. - Ukuran : mikroskopik (uniseluler : khamir) besar (kapang cendawan / jamur). - Kapang : sel mempunyai hifa (miselium) spora - Selain beberapa yang merugikan, fungi banyak yang menguntungkan dalam kehidupan - Fisiologi : kapang umumnya hanya dapat hidup dengan adanya oksigen (obligat aerob) • Klasifikasi FUNGI (Phyla) • Pengelompokan berdasarkan : (1). Habitat (2). Morfologi (3). Kompleksitas seksual Phylum : 1. Zygomycota 2. Ascomycota 3. Basidiomycota 4. Deuteromycota 1). Zygomycota • Terrestrial, terutama kapang • Reproduksi secara aseksual dg cara memproduksi spora non-motil yang disebut sporangiospore • Reproduksi secara seksual dg memproduksi zygospore berdinding tebal • Rhizopus sp. – miselianya non-septat Zygomycota 2). Ascomycota • Terrestrial / khamir dan kapang • Reproduksi aseksual dengan cara memproduksi spore non-motil yg disebut conidiospora (conidium) • Reproduksi seksual dgn cara memproduksi spora seksual yang disebut ascospores yg terbentuk didalam kantung (ascus) • Contoh : Penicillium sp. Kapang berseptat Ascomycota • Aspergillus sp – Kapang berseptat • Saccharomyces cerevisiae - Khamir : Reproduksi aseksual dgn cara pertunasan (budding) atau pembelahan biner (binary fission) Reproduksi seksual dgn cara memproduksi ascospora yg terbentuk di dlm kantung (ascus) di bagian atas (overhead) 3. Basidiomycota - Kebanyakan jamur (mushrooms) 4. Deuteromycota • • • • • Khamir dan kapang berseptat Terrestrial Tidak melakukan reproduksi seksual Khamir : reproduksi aseksual dgn cara pertunasan Kapang : reproduksi aseksual dgn memproduksi conidia KAPANG - Diameter - µm - Hidup pada suhu C, suhu ruang - Umumnya hanya dapat hidup dengan adanya oksigen (obligat aerob) - Hifa berseptat, non-septat (coenocytic) - Sel mempunyai hifa (miselium) spora Morfologi Seluler Kapang Sumber : Kanya Preechasuth, Course : CMB June Division of Clinical Microbiology Faculty of Associated Medical Science, CMU Tipe Hifa Kapang Hyaline aseptate hyphae Dematiaceous septate hyphae Hyaline septate hyphae Sumber : Kanya Preechasuth, Course : CMB June Division of Clinical Microbiology Faculty of Associated Medical Science, CMU Tipe Hifa Kapang Rhizoids Spiral hyphae Racquet hyphae Sumber : Kanya Preechasuth, Course : CMB June Division of Clinical Microbiology Faculty of Associated Medical Science, CMU Antler hyphae Konidia Vesikel Sterigma Konidiofor Penicillium chrysogenum Aspergillus niger Spora kepala Sporangiofor Rhizoid Rhizopus oryzae Penicillium camemberti Kapang Penting dalam Fermentasi 1. Aspergillus niger - produksi asam sitrat (food, beverages, leavening of bread, metal treatment, detergent) 2. Rhizopus oryzae - pembuatan tempe 3. Neurospora sitophila - pembuatan oncom Produksi Asam Sitrat Pada tahap awal pembuatannya, asam ini dibuat dari buah-buahan yang berasa asam, seperti buah jeruk, kemudian ditinggalkan menjadi proses fermentasi dengan bahan baku dari tepung, gula, dan sebagainya. Jenis mikroba yang berperan didalam proses fermentasi sitrat adalah Aspergillus niger (ditemukan oleh Curie 1917) serta beberapa dari penicillium dan mucor. Asam sitrat dihasilkan dalam bentuk Kristal monohidrat (C6H8O7.H2O) yang tidak berwarna, tidak berbau dan berasa sangat asam, mudah larut didalam air dingin daripada air panas. Produksi Asam Sitrat Kapang Penting dalam Fermentasi 4. Monascus purpureus - pembuatan angkak (pewarna merah alami) 5. Penicillium sp - produksi antibiotika & keju tertentu KHAMIR • Uniseluler • Bentuk sel : bulat, oval (seperti lemon/pir) atau silindris • Reproduksi vegetatif dengan “budding”, pembelahan biner atau sporulasi • Karakteristik kultur atau koloninya pada media agar khas • Khas dalam memanfaatkan berbagai jenis gula • Banyak digunakan pada industri alkohol dan asam organik pseudo miselium Candida krusei Candida albicans APLIKASI KHAMIR Minuman Beralkohol Fermentasi khamir anaerob/fakultatif anaerob (wine, bir, atau “distilled spirits” ) top-fermenting (membentuk busa di permukaan, suhu lebih tinggi & konsentrasi alkohol lebih tinggi) ale beer bottom-fermenting (suhu lebih rendah) lager beer Baking Baker’s Yeast Saccharomyces cerevisiae, digunakan dalam pemanggangan roti/kue (baking) sbg pengembang (leavening agent) mengkonversi gula menjadi CO2. ALGA (ganggang) - protista eukariotik yang berkhlorofil - ukuran : mikroskopik (uniseluler) sampai beberapa meter (multiseluler) - Reproduksi: seksual (bersatunya gamet inti berdifusi lalu terbentuk spesies baru) dan aseksual (pembelahan) - tumbuh pada air (tanah) terutama di laut. - selain merugikan, banyak kegunaan dalam industri Suplemen protein untuk pakan ternak Lemak : gliserol Pigmen, enzim dan asam-asam amino Bio-energi : metana, hidrogen, hidrokarbon Protozoa - eukariotik bersel satu, tidak berkhlorofil, biasa hidup di air, mempunyai cillia flagella. - berperan sbg mata rantai makanan komunitas lingkungan akuatik Energi cahaya fitoplankton zooplankton karnivora (produsen primer) (konsumen primer) (konsumen sekunder) - Ukuran & bentuk sangat beragam (bola, memanjang & ada yg polimorfik) - Reproduksi : aseksual (pembelahan sel) & seksual (konyugasi) - Aerob obligat atau anaerob fakultatif - Kelompok Utama : * Mastigophora (flagelata) * Ciliata * Sporozoa * Sarcodina (amoeba) - Pada umumnya merugikan Virus - aseluler, parasit obligat - terdiri dari sebuah inti asam nukleat dikelilingi oleh selubung protein (kapsid) - ukuran sangat kecil, bentuk kubus atau heliks - penyebab penyakit - Bakteriofage : virus yang menginfeksi bakteri (= pemakan bakteri) kesatuan biologis yang paling sederhana & mampu mereplikasi, sehingga digunakan untuk penelitian genetika (patogenesitas virus), imunologi dll Viral Reproduction 1. Viruses replicate only at the expense of their host cells 2. Viruses must become attached to a susceptible cell 3. Once inside the host cell, their DNA or RNA directs the synthesis of new viral particles 4. Some viruses mutate rapidly 5. Viruses may affect the metabolism of their host cells 6. Infected cells can produce interferon which protects uninfected cells Aplikasi Virus Dikarenakan sifat virus yang patogen, maka sampai sekarang pemanfaatan virus bidang industri sangat terbatas tetapi virus sekarang dapat dikembangkan menjadi biopestisida dengan teknik menggunakan bakteriofage yang diinfeksikan pada bakteri gen virus tersebut dapat mengkode produksi toksin yang dapat mematikan serangga. Human Relevance of Viruses e.g 1. Numerous diseases caused by viruses 2. AIDS, caused by a retrovirus called HIV 3. Production of vaccines Vero cells : turunan sel yang diisolasi dari sel epitel ginjal monyet hijau Afrika Sifat : tumbuh cepat dalam bioreaktor Aplikasi : sebagai host untuk menumbuhkan virus, Contohnya untuk memproduksi vaksin dari virus (e.g vaksin influenza , vaksin polio = IPV = Inacctivated Polio Virus dll), Vaccine Medium preparation (Vero cells) for growing virus Vero cells are released From microcarrier using porcine trypsine Vero cell Microcarrier N,N-diethyl amino ethyl (DEAE) Nutrition : iscove medium Growth (nutrition) medium (discard) -Serum is washed away - Vero cell and microcarrier is transferred into larger Bioreactor with richer nutrition and microcarrier Pellet Washed with PBS buffer solution Neutralized with calf serum PBS : Phosphat Buffer Saline Bagan Proses Produksi Vaksin IPV 1. Penyiapan media (sel vero) Amplifikasi/kultur Sel (pembiakan sel dengan Mikro-karier) Dalam setiap tahapan Utk melepas sel dari Mikro-karier digunakan Tripsin (tripsinisasi) 3. Panen virus 2. Inokulasi virus Pencucian sel vero Terhadap tripsin dilakukan tiap tahap (Netralisasi/removal) 4. Ultrafiltrasi (Konsentrat virus) Pemurnian 1. Ion Exchange 2. Ultrafiltrasi 3. Gel Filtration 4. Ion Exchange 5. Inaktivasi Final bulk Pembuatan Antiserum Antiserum adalah serum yang mengandung antibodi terhadap antigen seperti toksin, virus atau sel bakteri. Serum dapat diperoleh dengan salah satu teknik, antigen (toksin, virus, limfosit) semuanya diinokulasikan kedalam hewan / manusia yang selanjutnya membentuk antibodi sebagai respon terhadap benda asing dan darah hewan diambil dan serum yang dipisahkan digunakan sebagai antiserum.
