Bagaimana Cara Mikroba dapat Makan dan Tumbuh?

Mikroba adalah jasad hidup yang ukurannya kecil, bukan hanya karena ukurannya yang kecil, sehingga relatif sulit dilihat dengan mata secara langsung, tetapi juga pengaturan kehidupannya yang lebih sederhana dibandingkan dengan jasad tingkat tinggi. Ukuran mikroba biasanya dinyatakan dalam mikron (µ), 1 mikron adalah 0,001 mm. Sel mikroba umumnya hanya dapat dilihat dengan alat pembesar atau mikroskop, walaupun demikian ada mikroba yang berukuran besar sehingga dapat dilihat tanpa alat pembesar. Mikroba (yang juga dikenal dengan mikroorganisme) meliputi bakteri, fungi, dan protista. (havard) Mikroba di lingkungan memiliki fungsi sebagai pengurai biologis untuk membersihkan air, mengurai sampah, mengurai minyak sehingga dapat dimanfaatkan oleh makhluk hidup lainnya dan dapat dibuang ke lingkungan dengan aman. 

Pertumbuhan mikroba sangat bergantung dengan kondisi lingkungan dan faktor terpenting untuk mikroba bertumbuh adalah adanya nutrisi dan energi. Setiap mikroba memiliki kebutuhan nutrisi yang berbeda. Nutrisi didapat dari kandungan zat-zat organik pada limbah. Mikroba memiliki kapasitas untuk mengolah limbah sehingga dibutuhkan jumlah yang sepadan dengan limbah yang ingin diolah. Maka dari itu, pengetahuan untuk menumbuhkan mikroba dan bagaimana mekanisme mikroba memakan limbah untuk mengolah limbah menjadi lebih aman dibuang ke lingkungan sangat diperlukan demi keberlangsungan hidup mikroba dalam menguraikan polutan di dalam limbah.

Mikroba tersebar secara luas di lingkungan. Berbagai macam mikroba salah satunya bergantung terhadap karakteristik fisik. Secara umum, mikroba terbagi menjadi dua kelompok yaitu prokariotik dan eukariotik, tergantung apakah mereka memiliki nukleus atau tidak. Kelompok prokariotik tidak memiliki membran inti pada selnya, kelompok ini termasuk bakteri, virus, dan arkea. Kelompok lain dari mikroba eukariotik yaitu jamur, alga, protista, serta hewan mikroskopis lain yang memiliki inti sel.

Bakteri dan Archaea 

Bakteri dan arkea merupakan organisme uniseluler terkecil, dengan diameter berkisar dari 0,5 hingga 1,0 μm. Baik bakteri maupun arkea memiliki bentuk sel yang beragam, seperti batang, kokus, atau spiral. Sel bakteri terdiri dari 2 (dua) lapisan, lapisan dalam yaitu membran sel yang tersusun dari fosfolipid, dan lapisan luar yaitu dinding sel yang tersusun dari protein, karbohidrat, dan lipid. Bakteri dan arkea umumnya bereproduksi secara aseksual dengan pembelahan biner yang menghasilkan pembentukan dua sel bakteri yang identik secara genetik. Keduanya memerlukan karbon sebagai bahan dalam reaksi biosintesis dan metabolisme sel. Selain itu, sebagian besar bakteri juga memanfaatkan oksigen, namun beberapa bakteri dan arkea lain dapat tumbuh secara anaerobik menggunakan akseptor elektron alternatif, seperti nitrat atau sulfat.

Virus

Virus merupakan patogen intraseluler kecil bersifat obligat. Mereka mampu bertahan hidup tanpa inang tanpa yang membutuhkan sel inang untuk pertumbuhan atau replikasinya. Struktur dasar virus tersusun atas sel protein kapsid dan asam nukleat internal (RNA atau DNA), namun terdapat beberapa virus lain yang memiliki struktur sel yang lebih kompleks. Virus memiliki RNA dan DNA dalam bentuk untai tunggal maupun ganda.

Jamur

Jamur merupakan mikroba eukariotik, sehingga hubungannya lebih erat terhadap tumbuhan dan hewan dibandingkan dengan bakteri atau archaea. Sel jamur tersusun dari nukleus yang terikat membran dengan kromosom yang mengandung materi genetik, seperti mitokondria dan dinding sel. Jamur umumnya merupakan organisme heterotrof yaitu memperoleh makanannya dari sumber organik yang tidak hidup. Beberapa jamur juga merupakan organisme uniseluler, seperti ragi yang tumbuh dengan struktur benang silinder atau dikenal sebagai hifa. Jamur memainkan banyak peran dalam lingkungan. Jamur bisa berperan sebagai pengurai, mutualism, endofit tanaman, patogen, hingga sebagai predator. Jamur dapat berkembang biak secara seksual (melalui spora) atau biseksual (tunas atau pembelahan biner).

Protista

Protista merupakan eukariotik uniseluler dimana mereka tidak memiliki dinding sel. Protista memiliki ukuran yang bervariasi mulai dari 2 μm hingga mencapai kisaran cm. Protista diklasifikasikan dalam 4 (empat) kelompok yaitu, flagellata, amoeba, sporozoa, dan ciliata. 

Flagellata dicirikan dengan keberadaan flagel sebagai alat lokomotif (bergerak), bermultiplikasi dengan pembelahan biner, dan memiliki mekanisme memperoleh makanan secara heterotrof dan autotrof. Flagellata autotrofik memiliki kloroplas dan mensintesis makanan atau nutrisi mereka sendiri melalui fotosintesis seperti Euglena, sedangkan flagellata heterotrofik bersifat parasit dan mengambil nutrisi dari inangnya. Reproduksi flagellata dapat secara seksual atau aseksual. 

Amoeba menggunakan pseudopodia sebagai alat bergerak. Ciri dari amoeba adalah bentuknya tidak tetap atau selalu berubah-ubah. Struktur tubuh sel amoeba tersusun dari sel membran, pseudopodia, sitoplasma, vakuola makanan dan kontraktil (alat ekskresi), serta inti sel yang berfungsi untuk mengatur kegiatan sel dan reproduksi. Filum sporozoa tidak memiliki alat gerak, namun berpindah dari satu jaringan inang ke jaringan inang yang lain melalui aliran darah inangnya. Sebagian besar sporozoa bersifat parasit dan membentuk spora. Salah satu ujung sel sporozoamemiliki organel kompleks yang berfungsi untuk menembus jaringan dan sel tubuh inang. Sporozoa umumnya berbentuk oval atau bulat. 

Ciliata merupakan protozoa yang bergerak menggunakan silia (seperti rambut). Bentuk tubuh ciliata tidak berubah karena memiliki pelikel, yaitu selaput protein atau glikoprotein yang keras sebagai penyangga membran sel. Ciliata hidup bebas seperti paramecium, tetapi beberapa spesies memiliki siklus hidup sebagai parasit. Ciliata memiliki 2 (dua) jenis nukleus, yaitu makronukleus dan mikronukleus. Makronukleus berfungsi sebagai sintesis RNA, mengatur pertumbuhan sel, serta sebagai alat reproduksi aseksual. Sedangkan mikronukleus berfungsi sebagai alat reproduksi seksual (konjugasi).

Pertumbuhan mikroba

Pertumbuhan mikroba mengacu pada bertambahnya jumlah sel, bukan bertambahnya ukuran pada sel. Beberapa mikroba merupakan uniseluler (terdiri dari 1 sel) dimana mikroba membelah menjadi 2 sel baru yang identik selama siklus pertumbuhan. Sel yang asli yaitu sel induk membuat salinan DNA-nya dan mengenerasikan material yang cukup untuk membangun membran, dinding dan perangkat molekuler untuk dua sel. Sel induk akan sedikit bertambah ukuran untuk mengakomodasi material tambahan. Sel induk kemudian membelah di tengah dan dinding sel baru dirakit di tempat pembelahan. Proses ini akan berlanjut hingga sel induk terbagi menjadi 2 sel dengan dinding sel yang lengkap. Sel baru yang dihasilkan disebut anak sel, karena sel yang dihasilkan identik makan pembelahan sel disebut replikasi (Sargen, 2020).

Penambahan populasi secara eksponensial dengan pembelahan sel. Mikroba dengan bentuk yang berbeda membelah dengan sama. (Sargen, 2020)

Pertumbuhan Mikroba dalam Sistem Batch Culture

Batch culture merupakan sistem kultur yang tertutup dimana jumlah nutriennya terbatas. Pertumbuhan mikroba pada suatu medium mengalami fasefase yang berbeda. Setelah inokulasi, fase yang dialami berturut-turut disebut dengan fase lag, fase eksponensial, fase stasioner, dan fase kematian. Fase lag merupakan fase dimana bakteri beradaptasi dengan lingkungannya dan perbanyakan jumlah sel belum terjadi pada tahap ini. Fase eksponensial adalah fase perkembangbiakkan jumlah bakteri yang berlangsung sangat cepat, sel membelah dan terjadi pertambahan jumlah sel menjadi 2 (dua) kali lipat. Fase stasioner adalah fase dimana jumlah bakteri yang berkembang biak sama dengan jumlah bakteri yang mengalami kematian, dan fase kematian adalah fase ketika jumlah bakteri yang mati semakin banyak, melebihi jumlah bakteri yang berkembang biak. 

Bakteri berkembang biak dengan pembelahan biner, yaitu sel membelah menjadi dua, kemudian dua sel tersebut membelah lagi, dan begitu seterusnya. Waktu antara pembelahan mungkin hanya sekitar satu atau dua jam, dan sel berkembang biak secara eksponensial. Sel juga menggunakan substrat untuk meningkat secara eksponensial. Fraksi substrat yang mudah terurai akan berkurang sebagai respons terhadap dekomposisi mikroba. Pertumbuhan mikroba akan menjadi lambat, dan ketika substrat yang mudah terurai habis, populasi bakteri akan menurun ke tingkat yang rendah. Sebaliknya, jika substrat ditambahkan lebih banyak, proses fase eksponensial akan terus meningkat.

Pertumbuhan kultur mikroba di kondisi batch (Stansbury dkk., 2003) 

Pertumbuhan Mikroba dalam Sistem Continuous Culture

Continuous culture merupakan metode untuk menjaga kultur tumbuh tanpa batas. Hal ini dapat dilakukan jika sumber nutrisi terus-menerus disuplai, sel-sel yang terakumulasi dan produk-produk limbah dikeluarkan pada tingkat yang sama, dan kondisi seperti suhu dan pH dijaga pada nilai optimumnya. Di dalam sistem ini, sel dapat dipertahankan terus menerus pada fase pertumbuhan eksponensial / fase pertumbuhan logaritma. Continuous culture penting dalam proses industri yang memanen metabolit primer mikroorganisme sebagai produk mereka. Wadah kultur yang dirancang untuk continuous culture disebut kemostat. Kemostat memiliki volume dan laju aliran tetap, sehingga laju pengencerannya pun tetap. Selain kemostat, terdapat alat lain yang disebut turbidostat. Turbidostat mirip dengankemostat dimana memiliki umpan balik antara kekeruhan wadah kultur dan laju pengenceran. Turbidostat secara dinamis menyesuaikan laju aliran pengenceran untuk membuat kekeruhan konstan. 

Perbedaan utama antara pertumbuhan mikroba dengan batch culture dan continuous culture yaitu untuk menumbuhkan mikroorganisme, teknik batch culture berada di bawah ketersediaan nutrisi yang terbatas dalam sistem tertutup, sementara pada continuous culture, pasokan nutrisinya optimal dan terus berkelanjutan dalam sistem terbuka.

Faktor yang Mempengaruhi Pertumbuhan Mikroba

Faktor lingkungan yang mempengaruhi pertumbuhan mikroba, yaitu faktor fisika, faktor kimia, dan faktor biologi. Faktor fisika antara lain suhu, kandungan oksigen, tekanan osmotik, pH, dan lain-lain. Faktor kimia antara lain senyawa racun atau senyawa kimia lain yang berfungsi sebagai bahan makanan. Faktor biologi antara lain interaksi dengan mikroorganisme lain (Gandjar dkk. 1992). 

Kebanyakan mikroba tumbuh baik pada pH yang netral. pH sekitar 4,6-7,0 merupakan kisaran yang optimum untuk pertumbuhan mikroba, walaupun beberapa mikroba lain kadang membutuhkan pH yang lebih rendah untuk dapat tumbuh. Berdasarkan kisaran suhu, pertumbuhan mikroba dibedakan dalam 3 (tiga) kelompok :

1. Prikrofil, yaitu mikroba yang memiliki kisaran suhu pertumbuhan optimum pada suhu 0-25°C. 
2. Mesofil, yaitu mikroba dengan kisaran suhu pertumbuhan optimum pada suhu 20-40°C. 
3. Termofil, yaitu mikroba dengan kisaran suhu pertumbuhan optimum pada suhu lebih dari 40°C. 

Mikroba juga membutuhkan suplai nutrisi sebagai sumber energi untuk pertumbuhan sel. Kurangnya kesediaan sumber nutrisi akan sangat berpengaruh terhadap keterbatasan pertumbuhan pada mikroba. Unsur dasar tersebut dapat berasal dari karbon, nitrogen, hidrogen, sulfur, fosfor, zat besi, juga sejumlah kecil jenis logam lainnya, serta oksigen. Mikroba, termasuk bakteri, mempunyai kebutuhan oksigen yang berbeda-beda untuk pertumbuhannya. 

Bakteri aerob adalah bakteri yang membutuhkan oksigen untuk hidupnya. Jika tidak ada oksigen, bakteri akan mati. Bakteri aerob menggunakan glukosa atau zat organik lainnya seperti etanol untuk dioksidasi menjadi CO2, H2O, dan sejumlah energi. Contoh-contoh bakteri aerob adalah Nitrobacter, Nitrosomonas, Methanomonas (pengoksidasi metan), Nitrosococcus, Acetobacter, Hydrogenomonas, Nocardia Asteroides (penyebab penyakit paru-paru), Thiobacillus thiooxidans. 

Bakteri anaerob adalah bakteri yang tidak membutuhkan oksigen untuk hidupnya. Bakteri anaerob terbagi atas dua yaitu bakteri anaerob fakultatif dan bakteri anaerob obligat. Bakteri anaerob fakultatif adalah bakteri yang dapat hidup dengan baik baik itu dengan oksigen atau tanpa oksigen. Contoh-contoh bakteri anaerob fakultatif adalah Streptococcus, Aerobacter aerogenes, Escherichia coli, Lactobacillus, Alcaligenes. Bakteri anaerob obligat adalah bakteri yang tidak membutuhkan dalam hidupnya. Jika ada oksigen bakteri tersebut akan mati. Contoh-contoh bakteri anaerob obligat adalah Prevotella melaninogenica (menyebabkan abses pada rongga mulut dan faring), Clostridium tetani (menyebabkan kejang otot), Peptostreptococcus (menyebabkan abses otak dan abses saluran kelamin wanita), Methanobacterium (menghasilkan gas metana), dan Bacteroides fragilis (menyebabkan abses atau tumpukan nanah di usus).

Cara Makan Mikroba

Mikroba membutuhkan karbohidrat, lemak, protein, logam dan vitamin untuk hidup. Proses menggunakan nutrisi dan mengubahnya menjadi materi selular membutuhkan energi. Setiap mikroba mempunyai kebutuhan nutrisi yang beragam bergantung pada tipe molekul yang mampu mereka buat. (Sargen, 2020).

Setiap sel memiliki membran sel (dapat disebut membran plasma atau membran cytoplasmic) yang merupakan membran biologi untuk memisahkan bagian dalam sel dari lingkungan luar. Membran sel permeabel selektif terhadap ion dan molekul organik, juga mengontrol laju substansi yang masuk dan keluar sel. Membran sel memfasilitasi perpindahan material yang dibutuhkan untuk bertahan hidup. Pergerakan substansi menuju membran dapat pasif, yaitu tanpa membutuhkan energi seluler dan aktif yaitu membutuhkan sel untuk menggunakan energi untuk perpindahan substansi. Plasma membran mengontrol molekul organik, ion, air, oksigen dan limbah masuk dan keluar sel. (Molnar & Gair, 2015).

Membran plasma dibuat dari fosfolipid bilayer dengan protein, karbohidrat, glikolipid, dan glikoprotein. Membran terdiri dari dua lapisan molekul fosfolipid, dan ujung kutub dari molekul ini (yang terlihat seperti kumpulan bola dalam rendisi model seniman) bersentuhan dengan cairan berair baik di dalam dan di luar sel. Dengan demikian, kedua permukaan membran plasma bersifat hidrofilik. Sebaliknya, bagian dalam membran, di antara dua permukaannya, merupakan daerah hidrofobik atau nonpolar karena ekor asam lemak. Wilayah ini tidak memiliki daya tarik untuk air atau molekul polar lainnya. (Molnar & Gair, 2015).

Protein tertanam dalam membran plasma dan dapat menjangkau seluruh atau sebagian membran. Protein integral dapat berfungsi sebagai saluran atau pompa untuk memindahkan bahan ke dalam atau ke luar sel. Protein perifer ditemukan pada permukaan luar atau dalam membran, melekat baik pada protein integral atau molekul fosfolipid. Protein integral dan perifer dapat berfungsi sebagai enzim, sebagai perlekatan struktural untuk serat sitoskeleton, atau sebagai bagian dari situs pengenalan sel. (Molnar & Gair, 2015).

Karbohidrat adalah komponen utama ketiga dari membran plasma. Mereka selalu ditemukan pada permukaan luar sel dan terikat baik pada protein (membentuk glikoprotein) atau pada lipid (membentuk glikolipid). Rantai karbohidrat ini dapat terdiri dari 2-60 unit monosakarida dan dapat lurus atau bercabang. Seiring dengan protein perifer, karbohidrat membentuk situs khusus pada permukaan sel yang memungkinkan sel untuk mengenali satu sama lain. (Molnar & Gair, 2015) Tidak seperti Archaea dan eukariot, bakteri memiliki dinding sel yang terbuat dari peptidoglikan, terdiri dari gula dan asam amino, dan banyak yang memiliki kapsul polisakarida. Dinding sel bertindak sebagai lapisan perlindungan ekstra, membantu sel mempertahankan bentuknya, dan mencegah dehidrasi. Kapsul memungkinkan sel untuk menempel pada permukaan di lingkungannya (Molnar & Gair, 2015).

Sel eukariotik memiliki membran plasma terdiri dari bilayer fosfolipid dengan protein tertanam. Fosfolipid adalah molekul lipid yang terdiri dari dua rantai asam lemak, tulang punggung gliserol, dan gugus fosfat. (Molnar & Gair, 2015).

Beberapa sel membutuhkan zat spesifik dalam jumlah yang lebih besar daripada sel lain; mereka harus memiliki cara untuk mendapatkan bahan-bahan ini dari cairan ekstraseluler. Ini mungkin terjadi secara pasif, karena bahan-bahan tertentu bergerak maju mundur, atau sel mungkin memiliki mekanisme khusus yang menjamin transportasi. Sebagian besar sel mengeluarkan sebagian besar energinya, dalam bentuk adenosin trifosfat (ATP), untuk menciptakan dan mempertahankan distribusi ion yang tidak merata pada sisi yang berlawanan dari membrannya. (Molnar & Gair, 2015).

Cara Prokariotik Mendapatkan Makanan

Membran bakteri dengan bebas memungkinkan lewatnya air dan beberapa molekul kecil yang tidak bermuatan (kurang dari berat molekul 100 dalton), tetapi tidak memungkinkan lewatnya molekul yang lebih besar atau zat bermuatan apa pun kecuali bila dipantau oleh protein dalam membran yang disebut sistem transpor (Todar, 2015).

Dalam transportasi zat terlarut, protein yang memediasi lewatnya zat terlarut melalui membran disebut sebagai sistem transpor, protein pembawa, porter, dan permease. Sistem transportasi beroperasi oleh salah satu dari tiga proses transportasi seperti yang dijelaskan di bawah ini pada Gambar 2.3. Dalam proses uniport, zat terlarut melewati membran searah. Dalam proses symport (juga disebut cotransport) dua zat terlarut harus diangkut dalam arah yang sama pada waktu yang sama; dalam proses antiport (juga disebut difusi pertukaran), satu zat terlarut diangkut dalam satu arah secara bersamaan sebagai zat terlarut kedua diangkut dalam arah yang berlawanan (Todar, 2015).

Proses transpor dalam sel bakteri. Zat terlarut masuk atau keluar dari sel bakteri melalui salah satu dari tiga proses: uniport, symport (juga disebut cotransport) dan antiport (juga disebut pertukaran difusi) (Todar, 2015).

 Ada empat jenis sistem transportasi yang dimediasi pembawa pada prokariota. Pembawa adalah protein (atau kelompok protein) yang berfungsi dalam perjalanan molekul kecil dari satu sisi membran ke sisi lain. Sistem transpor dapat berupa protein transmembran tunggal yang membentuk saluran yang memungkinkan lewatnya zat terlarut tertentu, atau mungkin sistem protein terkoordinasi yang mengikat dan secara berurutan melewati molekul kecil melalui membran. Sistem transportasi memiliki sifat kekhususan untuk zat terlarut yang diangkut. Beberapa sistem transportasi mengangkut zat terlarut tunggal dengan spesifisitas dan kinetika yang sama seperti enzim. Beberapa sistem transportasi akan mengangkut (secara struktural) molekul terkait, meskipun pada efisiensi yang lebih rendah dibandingkan dengan substrat utama mereka. Sebagian besar sistem transportasi mengangkut gula, asam amino, anion atau kation tertentu yang bernilai gizi bagi bakteri (Todar, 2015). 

Sistem difusi terfasilitasi (FD) adalah jenis sistem transportasi yang paling tidak umum pada bakteri. Sebenarnya, uniporter gliserol dalam E. coli adalah satusatunya sistem difusi terfasilitasi yang terkenal. FD melibatkan perjalanan zat terlarut tertentu melalui pembawa yang membentuk saluran di membran. Zat terlarut dapat bergerak di kedua arah melalui membran ke titik kesetimbangan di kedua sisi membran. Meskipun sistem ini dimediasi pembawa dan spesifik, tidak ada energi yang dikeluarkan dalam proses transportasi. Untuk alasan ini molekul gliserol tidak dapat terakumulasi melawan gradien konsentrasi (Todar, 2015).

Sistem transpor yang digerakkan oleh ion (IDT) dan Sistem transpor yang bergantung pada protein (BPDT) adalah sistem transpor aktif yang digunakan untuk transpor sebagian besar zat terlarut oleh sel bakteri. IDT digunakan untuk akumulasi banyak ion dan asam amino; BPDT sering digunakan untuk gula dan asam amino. IDT adalah proses simport atau antiport yang menggunakan ion hidrogen (H+) yaitu proton motif force (pmf), atau beberapa kation lain, yaitu potensial kemiosmotik, untuk mendorong proses transportasi. Sistem IDT seperti permease laktosa E. coli memanfaatkan konsumsi ion hidrogen selama pengangkutan laktosa. Dengan demikian energi yang dikeluarkan selama transpor aktif laktosa adalah dalam bentuk pmf. Permease laktosa adalah polipeptida transmembran tunggal yang membentang membran tujuh kali membentuk saluran yang secara khusus menerima laktosa (Todar, 2015). 

Binding-protein dependent transport systems (BPDT), seperti sistem transpor histadin pada E. coli, terdiri dari empat protein. Dua protein membentuk saluran membran yang memungkinkan lewatnya histadin. Protein ketiga berada di ruang periplasma di mana ia mampu mengikat asam amino dan meneruskannya ke protein lain yang memasukkan asam amino ke dalam saluran membran. Membawa zat terlarut melalui saluran melibatkan pengeluaran energi, yang disediakan oleh hidrolisis ATP (Todar, 2015). 

Sistem translokasi kelompok (GT), lebih dikenal sebagai sistem phosphotransferase (PTS) di E. coli, digunakan terutama untuk pengangkutan gula. Seperti sistem transportasi terikat protein yang mengikat, mereka terdiri dari beberapa komponen yang berbeda. Namun, sistem GT khusus untuk satu gula dapat berbagi beberapa komponennya dengan sistem transportasi kelompok lainnya. Pada E. coli, glukosa dapat diangkut melalui proses translokasi kelompok yang melibatkan sistem fosfotransferase. Pembawa sebenarnya dalam membran adalah saluran protein yang cukup spesifik untuk glukosa. Glukosa secara khusus memasuki saluran dari luar, tetapi untuk keluar ke dalam sitoplasma, terlebih dahulu harus difosforilasi oleh sistem fosfotransferase. PTS memperoleh energi dari metabolisme antara fosfoenol piruvat (PEP). PEP dihidrolisis menjadi piruvat dan glukosa difosforilasi untuk membentuk glukosa-fosfat selama proses tersebut. Jadi, dengan pengeluaran satu molekul fosfat energi tinggi, glukosa diangkut dan diubah menjadi glukosa-fosfat (Todar, 2015).

Pengoperasian sistem transportasi bakteri. Sistem transpor bakteri dioperasikan oleh protein transpor (disebut juga carrier, porter atau permease) dalam membran plasma. Difusi terfasilitasi adalah sistem yang dimediasi carrier yang tidak memerlukan energi dan tidak mengkonsentrasikan zat terlarut terhadap gradien. Sistem transpor aktif seperti transport yang digerakkan oleh ion dan Binding protein-dependent transport, menggunakan energi dan mengkonsentrasikan molekul melawan gradien konsentrasi. Sistem translokasi kelompok, seperti sistem fosfotransferase (pts) pada Escherichia coli, menggunakan energi selama transportasi dan memodifikasi zat terlarut selama melewati membrane (Todar, 2015).

Bakteri tidak memiliki organel intraseluler untuk proses penghasil energi seperti respirasi atau fotosintesis, sehingga membran sitoplasma melakukan fungsi-fungsi ini. Membran adalah lokasi sistem transpor elektron (ETS) yang digunakan untuk menghasilkan energi selama fotosintesis dan respirasi, dan merupakan lokasi enzim yang disebut ATP sintetase (ATPase) yang digunakan untuk mensintesis ATP (Todar, 2015). 

Ketika sistem transpor elektron beroperasi, ia membentuk gradien pH melintasi membran karena akumulasi proton (H+) di luar dan ion hidroksil (OH-) di dalam. Jadi bagian luar bersifat asam dan bagian dalam bersifat basa. Pengoperasian ETS juga membentuk muatan pada membran yang disebut gaya gerak proton (pmf). Muka bagian luar membran menjadi bermuatan positif sedangkan bagian dalam menjadi bermuatan negatif, sehingga membran memiliki sisi positif dan sisi negatif, seperti halnya baterai. Pmf dapat digunakan untuk melakukan berbagai jenis pekerjaan termasuk rotasi flagel, atau transpor aktif seperti yang dijelaskan di atas. PMf juga dapat digunakan untuk membuat ATP oleh enzim membran ATPase yang mengkonsumsi proton ketika mensintesis ATP dari ADP dan fosfat. Hubungan antara transpor elektron, pembentukan pmf, dan sintesis ATP selama respirasi dikenal sebagai fosforilasi oksidatif; fotosintesis disebut fotoforilasi (Todar, 2015). 

Membran plasma prokariota dapat berinvaginasi ke dalam sitoplasma atau membentuk tumpukan atau vesikel yang menempel pada permukaan membran bagian dalam. Struktur ini kadang-kadang disebut sebagai mesosom. Sistem membran internal tersebut dapat dianalogikan dengan krista mitokondria atau tilakoid kloroplas yang meningkatkan luas permukaan membran tempat enzim terikat untuk fungsi enzimatik tertentu. Aparatus fotosintesis (pigmen pemanen cahaya dan ATPase) dari prokariota fotosintesis terkandung dalam jenis struktur membran ini. Mesosom juga dapat mewakili daerah membran khusus yang terlibat dalam replikasi dan segregasi DNA, sintesis dinding sel, atau peningkatan aktivitas enzimatik. Lipatan membran dan vesikel terkadang muncul dalam mikrograf elektron sel prokariotik sebagai artefak teknik persiapan. Struktur membran ini, tentu saja, bukan mesosom, tetapi keberadaannya tidak membuktikan bahwa mesosom tidak ada dalam prokariota, dan ada beberapa contoh topologi dan penampilan membran prokariotik yang menunjukkan mesosoma (Todar, 2015).

Antara membran dalam (plasma) dan luar bakteri Gram-negatif dan adalah ruang yang disebut periplasma atau ruang periplasmik Sebenarnya, lembaran peptidoglikan berada di dalam periplasma. Periplasma adalah kompartemen sel yang sangat aktif, mengandung enzim untuk perakitan dinding sel dan komponen membran, berbagai enzim degradatif atau detoksifikasi, sistem sekresi, protein penginderaan untuk kemotaksis dan transduksi sinyal, dan protein pengikat untuk zat terlarut yang diambil oleh sistem transportasi BPDT. . Komponen periplasma dibutuhkan di wilayah sel ini dan dibatasi atau "terjebak" oleh dua membran sel (Todar, 2015).

Cara Sel Eukariotik Mendapatkan Makanan

Bentuk transpor membran yang paling langsung adalah transpor pasif yang merupakan fenomena yang terjadi secara alami dan tidak memerlukan sel untuk mengeluarkan energi untuk mencapai gerakan. Dalam transpor pasif, zat berpindah dari area dengan konsentrasi tinggi ke area dengan konsentrasi lebih rendah dalam proses yang disebut difusi, (Molnar & Gair, 2015).

Proses Difusi di Membran Permeabel (Molnar & Gair, 2015)

 Beberapa faktor mempengaruhi laju difusi menurut Molnar dan Gair (2015) yaitu:

• Tingkat gradien konsentrasi: Semakin besar perbedaan konsentrasi, semakin cepat difusi. Semakin dekat distribusi bahan sampai ke keseimbangan, semakin lambat laju difusi menjadi.
• Massa molekul yang berdifusi: Molekul yang lebih masif bergerak lebih lambat, karena lebih sulit bagi mereka untuk bergerak di antara molekul zat yang dilaluinya; oleh karena itu, mereka menyebar lebih lambat. 
• Suhu: Suhu yang lebih tinggi meningkatkan energi dan oleh karena itu pergerakan molekul, meningkatkan laju difusi.
• Kerapatan pelarut: Ketika densitas pelarut meningkat, laju difusi menurun. Molekul melambat karena mereka memiliki waktu yang lebih sulit untuk melewati medium yang lebih padat.

Osmosis adalah difusi air melalui membran semipermeabel sesuai dengan gradien konsentrasi air melintasi membran. Sedangkan difusi mengangkut bahan melintasi membran dan di dalam sel, osmosis hanya mengangkut air melintasi membran dan membran membatasi difusi zat terlarut dalam air. Osmosis adalah kasus khusus difusi. Air, seperti zat lain, bergerak dari area dengan konsentrasi lebih tinggi ke area dengan konsentrasi lebih rendah. Prinsip difusi adalah bahwa molekul bergerak dan akan menyebar secara merata ke seluruh medium jika mereka bisa. Namun, hanya bahan yang mampu melewati membran yang akan berdifusi melewatinya. Air akan berdifusi menuruni gradien konsentrasinya, melintasi membran ke sisi yang konsentrasinya lebih rendah. Difusi air melalui membran osmosis akan berlanjut sampai gradien konsentrasi air menjadi nol. Osmosis berlangsung terus-menerus dalam sistem kehidupan. (Molnar & Gair, 2015).

Tekanan Tugor pada Sel (Molnar & Gair, 2015)

Tonisitas menggambarkan jumlah zat terlarut dalam larutan. Ukuran tonisitas suatu larutan, atau jumlah total zat terlarut yang dilarutkan dalam sejumlah larutan tertentu, disebut osmolaritasnya. Tiga istilah—hipotonik, isotonik, dan hipertonik—digunakan untuk menghubungkan osmolaritas sel dengan osmolaritas cairan ekstraseluler yang mengandung sel. Dalam larutan hipotonik, cairan ekstraseluler memiliki konsentrasi zat terlarut yang lebih rendah daripada cairan di dalam sel, dan air masuk ke dalam sel. (Dalam sistem kehidupan, titik acuan selalu adalah sitoplasma, jadi awalan hipo– berarti bahwa cairan ekstraseluler memiliki konsentrasi zat terlarut yang lebih rendah, atau osmolaritas yang lebih rendah, daripada sitoplasma sel.) Ini juga berarti bahwa cairan ekstraseluler memiliki konsentrasi air yang lebih tinggi daripada sel. Dalam situasi ini, air akan mengikuti gradien konsentrasinya dan masuk ke dalam sel. (Molnar & Gair, 2015).

Dalam larutan hipertonik (mengacu pada cairan ekstraseluler yang memiliki konsentrasi zat terlarut lebih tinggi daripada sitoplasma sel), cairan mengandung lebih sedikit air daripada yang dimiliki sel, seperti air laut. Karena sel memiliki konsentrasi zat terlarut yang lebih rendah, air akan meninggalkan sel. Sedangkan dalam larutan isotonik, cairan ekstraseluler memiliki osmolaritas yang sama dengan sel. Jika konsentrasi zat terlarut sel sama dengan konsentrasi cairan ekstraseluler, tidak akan ada pergerakan bersih air ke dalam atau ke luar sel. (Molnar & Gair, 2015).

Beberapa organisme, seperti tumbuhan, jamur, bakteri, dan beberapa protista, memiliki dinding sel yang mengelilingi membran plasma dan mencegah lisis sel. Membran plasma hanya dapat mengembang sampai batas dinding sel, sehingga sel tidak akan lisis. Faktanya, sitoplasma pada tumbuhan selalu sedikit hipertonik dibandingkan dengan lingkungan seluler, dan air akan selalu masuk ke dalam sel jika air tersedia. (Molnar & Gair, 2015).

Mekanisme transpor aktif memerlukan penggunaan energi sel, biasanya dalam bentuk adenosin trifosfat (ATP). Jika suatu zat harus bergerak ke dalam sel melawan gradien konsentrasinya, yaitu, jika konsentrasi zat di dalam sel harus lebih besar daripada konsentrasinya di dalam cairan ekstraseluler, sel harus menggunakan energi untuk memindahkan zat tersebut. Beberapa mekanisme transpor aktif memindahkan material dengan berat molekul kecil, seperti ion, melalui membran. (Molnar & Gair, 2015).

Selain memindahkan ion dan molekul kecil melalui membran, sel juga perlu mengeluarkan dan mengambil molekul dan partikel yang lebih besar. Beberapa sel bahkan mampu menelan seluruh mikroorganisme uniseluler. Anda mungkin telah benar berhipotesis bahwa penyerapan dan pelepasan partikel besar oleh sel membutuhkan energi. Sebuah partikel besar, bagaimanapun, tidak dapat melewati membran, bahkan dengan energi yang dipasok oleh sel. (Molnar & Gair, 2015).

Untuk memindahkan zat melawan konsentrasi atau gradien elektrokimia, sel harus menggunakan energi. Energi ini dipanen dari ATP yang dihasilkan melalui metabolisme sel. Mekanisme transpor aktif, secara kolektif disebut pompa atau protein pembawa, bekerja melawan gradien elektrokimia. Dengan pengecualian ion, zat kecil terus-menerus melewati membran plasma. Transpor aktif mempertahankan konsentrasi ion dan zat lain yang dibutuhkan oleh sel hidup dalam menghadapi perubahan pasif ini. Sebagian besar pasokan energi metabolisme sel dapat dihabiskan untuk mempertahankan proses ini. Karena mekanisme transpor aktif bergantung pada metabolisme sel untuk energi, mereka sensitif terhadap banyak racun metabolik yang mengganggu suplai ATP. (Molnar & Gair, 2015).

Ada dua mekanisme untuk pengangkutan bahan dengan berat molekul kecil dan makromolekul. Transpor aktif primer memindahkan ion melintasi membran dan menciptakan perbedaan muatan melintasi membran itu. Sistem transpor aktif primer menggunakan ATP untuk memindahkan zat, seperti ion, ke dalam sel, dan seringkali pada saat yang sama, zat kedua dipindahkan keluar sel. Pompa natriumkalium, pompa penting dalam sel hewan, mengeluarkan energi untuk memindahkan ion kalium ke dalam sel dan sejumlah ion natrium keluar sel. Aksi pompa ini menghasilkan perbedaan konsentrasi dan muatan melintasi membran. (Molnar & Gair, 2015).

Transpor aktif sekunder menggambarkan pergerakan material menggunakan energi gradien elektrokimia yang dibentuk oleh transpor aktif primer. Menggunakan energi gradien elektrokimia yang diciptakan oleh sistem transpor aktif primer, zat lain seperti asam amino dan glukosa dapat dibawa ke dalam sel melalui saluran membran. ATP sendiri dibentuk melalui transpor aktif sekunder menggunakan gradien ion hidrogen di mitokondria. (Molnar & Gair, 2015).

Endositosis adalah jenis transpor aktif yang memindahkan partikel, seperti molekul besar, bagian sel, dan bahkan seluruh sel, ke dalam sel. Ada berbagai variasi endositosis, tetapi semuanya memiliki karakteristik yang sama: Membran plasma sel berinvaginasi, membentuk kantong di sekitar partikel target. Saku terjepit, menghasilkan partikel yang terkandung dalam vakuola yang baru dibuat yang terbentuk dari membran plasma. (Molnar & Gair, 2015).

Fagositosis adalah proses di mana partikel besar, seperti sel, diambil oleh sel. Sebagai contoh, ketika mikroorganisme menyerang tubuh manusia, sejenis sel darah putih yang disebut neutrofil menghilangkan penyerbu melalui proses ini, mengelilingi dan menelan mikroorganisme, yang kemudian dihancurkan oleh neutrofil (Molnar & Gair, 2015).

Variasi endositosis disebut pinositosis. Ini secara harfiah berarti "minum sel" dan dinamai pada saat asumsinya adalah bahwa sel sengaja mengambil cairan ekstraseluler. Pada kenyataannya, proses ini mengambil zat terlarut yang dibutuhkan sel dari cairan ekstraseluler. 

Variasi endositosis yang ditargetkan menggunakan protein pengikat dalam membran plasma yang spesifik untuk zat tertentu. Partikel mengikat protein dan membran plasma berinvaginasi, membawa zat dan protein ke dalam sel. Jika lintasan melintasi membran target endositosis yang diperantarai reseptor tidak efektif, ia tidak akan dikeluarkan dari cairan jaringan. Sebaliknya, itu akan tinggal di cairan itu dan meningkatkan konsentrasi. (Molnar & Gair, 2015).

Tiga variasi endositosis ditampilkan. (a) Dalam satu bentuk endositosis, fagositosis, membran sel mengelilingi partikel dan terjepit untuk membentuk vakuola intraseluler. (b) Pada jenis endositosis lain, pinositosis, membran sel mengelilingi sejumlah kecil cairan dan terjepit, membentuk vesikel. (c) Dalam endositosis yang diperantarai reseptor, penyerapan zat oleh sel ditargetkan ke satu jenis zat yang mengikat reseptor pada membran sel eksternal. (Molnar & Gair, 2015). 

Dalam eksositosis, vesikel bermigrasi ke membran plasma, mengikat, dan melepaskan isinya ke luar sel. (Molnar & Gair, 2015) Berbeda dengan metode pemindahan bahan ke dalam sel adalah proses eksositosis. Eksositosis adalah kebalikan dari proses yang dibahas di atas karena tujuannya adalah untuk mengeluarkan bahan dari sel ke dalam cairan ekstraseluler. Partikel yang diselimuti membran menyatu dengan bagian dalam plasma selaput. Fusi ini membuka amplop membran ke bagian luar sel, dan partikel dikeluarkan ke ruang ekstraseluler. (Molnar & Gair, 2015).

Referensi

CalRecycle. Diakses pada September 20, 2022. Compost Pile Microbes. California: CAWeb Publishing Service. Diakses dari: https://calrecycle.ca.gov/organics/homecompost/microbes/#:~:text=However%2C%20micro%2Dorganisms%20such%20as,to%20break%20down%20organic%20matte r. 

Moore, S. (2021). Microbial Biodegradation of Toxic Waste (Bioremediation). Manchester: AZoNetwork UK Limited. Diakses dari: https://www.newsmedical.net/life-sciences/Microbial-Biodegradation-of-Toxic-Waste- (Bioremediation).aspx 

Molnar, C., & Gair, J. (2015). Concepts of Biology – 1st Canadian Edition. BCcampus. Diakses dari: https://opentextbc.ca/biology/ 

NCH. 2017. THE ROLE OF MICROORGANISMS IN WASTEWATER TREATMENT. Diakses dari: https://www.nchasia.com/en-id/nch-insights/industry-news/the-role-ofmicroorganisms-in-wastewater-treatment 

Standbury, P. F., Whitaker, A., Hall, S. J. (2003). Principles of Fermentation Technology second edition. London: Elsevier Science Ltd. 

Sargen, Molly. "How Microbes Grow". Diakses pada September 20, 2022. Diakses dari: https://sitn.hms.harvard.edu/flash/2020/how-microbes-grow/ 

Suryani, Yani., Taufiqurrahman, Opik. (2021). Mikrobiologi Dasar. Universitas Islam Negeri Sunan Gunung Jati. Bandung. Diakses dari: https://digilib.uinsgd.ac.id/40171/2/BUKU%20MIKROBIOLOGI%20DASAR. 

Todar,K. (2015). Todar's Online Textbook of Bacteriology. Wisconsin. Diakses dari: https://www.textbookofbacteriology.net/structure_8.html 

Walker, J. 2016. Biology Primer Life in its Biological Environment. London: Orion Scientific. Diakses dari: http://thebiologyprimer.com/diffusion-and-osmosis 

Waites, M.J., Morgan N. L., Rocky, J. S., Higton, G. 2001. “Industrial Microbiology: An Introduction”. London: Blackwell Science Ltd. 

Zaeni, A., Susilowati, P., Harlia, Rasmin, N. (2019). Anaerobic digestion of solid and liquid organic waste with microorganism from manure. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 299, 1-2. doi:10.1088/1755-1315/299/1/012063 (Todar, 2015).