AKTIVITAS REDUKSI NITRAT BAKTERI AMONIFIKASI DISIMILATIF PADA SUMBER KARBON BERBEDA AHADIYANTO SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2009
PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN SUMBER INFORMASI Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis Aktivitas Reduksi Nitrat Bakteri Amonifikasi Disimilatif pada Sumber Karbon Berbeda adalah benar hasil karya saya sendiri dengan arahan komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apapun kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak di terbitkan dari penulisan lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir tesis ini Bogor, Agustus 2009 Ahadiyanto NRP G351070211
ABSTRACT AHADIYANTO, Nitrate Reduction Activity of Dissimilatory Nitrate Reduction to Ammonium Bacteria on Different Carbon sources. Under direction of IMAN RUSMANA and TRI WIDIYANTO. Dissimilatory Nitrate Reduction to Ammonium (DNRA) bacteria have ability to reduce nitrate in aquatic environments. This group of bacteria is fermentative bacteria which can reduce nitrate to ammonium with nitrous oxide (N 2 O) as by product. Four selected isolates from tropical estuary were tested the growth and nitrate reduction activities on different carbon sources. The results showed that acetate was the best carbon source for nitrate reduction. FR2 and HF7 isolates performed the highest nitrate reduction activity. The maximum specific growth of FR2 isolate with acetate as carbon source and 49.41 mm nitrate at anaerob and aerob conditions was 0.06 h -1, and 0.01 h -1, respectively. While HF7 isolate was 0.03 h -1, and 0.01 h -1. Keywords: nitrate reduction, nitrate ammonification dissimilatif bacteria, acetate, succinate, glucose, glycerol.
RINGKASAN AHADIYANTO. Aktivitas Reduksi Nitrat Bakteri Amonifikasi Disimilatif pada Sumber Karbon Berbeda. Dibimbing oleh IMAN RUSMANA dan TRI WIDIYANTO. Bakteri nitrat amonifikasi disimilatif atau Dissimilatory Nitrate Reduction to Ammonium (DNRA) merupakan kelompok bakteri pereduksi nitrat. Bakteri DNRA bersifat fermentatif, dapat mendegradasi senyawa organik dalam kondisi lingkungan anaerob dan aerob. Penggunaan nitrat sebagai akseptor elektron oleh kelompok bakteri ini, dapat mengurangi kadar nitrat di perairan, akan tetapi bakteri DNRA menghasilkan gas N 2 O (nitrous oksida) sebagai produk samping yang berpotensi meningkatkan pemanasan global. Meskipun bakteri DNRA umumnya mereduksi nitrat menjadi amonium pada kondisi anaerob, tetapi pada beberapa bakteri ditemukan reduksi nitrat dapat berlangsung secara aerob. Aktivitas reduksi nitrat bakteri DNRA yang berasal dari daerah tropik pada berbagai sumber karbon belum banyak diketahui. Oleh karena itu perlu dilakukan penelitian pengaruh sumber karbon terhadap aktivitas reduksi nitrat bakteri DNRA. Empat isolat terseleksi dari muara sungai daerah tropikal, telah diuji pertumbuhan dan aktivitas reduksi nitratnya pada sumber karbon asetat, suksinat, glukosa dan gliserol. Keempat isolat tersebut adalah isolat FR1, FR2 (berasal dari muara sungai Cimandiri) dan isolat HF7, LF6 (berasal dari muara sungai Cisadane). Tingkat pencemaran muara sungai Cisadane lebih tinggi dari pada muara sungai Cimandiri. Metoda penelitian dilakukan melalui tiga tahap, yaitu (1) Konfirmasi dan peremajaan isolat, (2) Seleksi aktivitas reduksi nitrat pada sumber karbon asetat, suksinat, glukosa, gliserol, dan (3) Kinetika aktivitas reduksi nitrat isolat terpilih pada sumber karbon asetat dan suksinat. Aktivitas reduksi nitrat dan senyawa-senyawa yang dihasilkan diukur dengan analisis nitrat metoda Greenberg, analisis nitrit metoda Sulfanilamid, dan analisis amonium metoda Phenate. Hasil penelitian tahap seleksi menunjukkan bahwa kerapatan sel cenderung meningkat sesuai dengan fase pertumbuhan sampai fase eksponensial karena isolat mampu memanfaatkan karbon sebagai sumber energi. Aktivitas reduksi nitrat cenderung menurun setelah inkubasi jam ke 36 dan diikuti dengan meningkatnya akumulasi amonium pada media uji. Isolat FR2 dan HF7 memiliki kemampuan mereduksi nitrat paling tinggi, dengan perkiraan gas N 2 O yang dihasilkan lebih sedikit dibandingkan isolat FR1 dan LF6. Kedua isolat tersebut dijadikan sebagai isolat terpilih untuk diamati laju pertumbuhan dan kinetika aktivitas reduksi nitratnya. Isolat FR2 dan HF7 menunjukkan bahwa sumber karbon mempengaruhi laju pertumbuhan dan reduksi nitrat. Laju pertumbuhan spesifik maksimum (µ maks ) dari isolat FR2 pada sumber karbon asetat dengan sumber nitrat media 49,41 mm pada kondisi aerob dan anaerob adalah 0,06/jam dan 0,01/jam sedangkan laju pertumbuhan spesifik maksimun (µ maks ) dari isolat HF7 pada sumber karbon asetat dengan sumber
nitrat media 49,41 mm pada kondisi aerob dan anaerob adalah 0,03/jam dan 0,01 /jam. Kemampuan mereduksi nitrat medium oleh isolat FR2 dan HF7 sumber karbon asetat, dan suksinat dengan nitrat medium 49,41 mm, untuk masa inkubasi 72 jam. Reduksi nitrat tertinggi dari isolat FR2 pada sumber karbon asetat dengan sumber nitrat media 49,41 mm pada kondisi aerob sebesar 93,67% dan kondisi anaerob sebesar 93,44%. Laju reduksi nitrat tertinggi dari isolat HF7pada sumber karbon asetat dengan sumber nitrat media 49,41 mm pada kondisi aerob sebesar 95,39% dan kondisi anaerob sebesar 94,93%. Dari hasil penelitian menunjukkan bahwa sumber karbon sangat berpengaruh terhadap kinetika aktivitas reduksi nitrat bakteri DNRA yang berasal dari muara sungai daerah tropik. Pengaruh sumber karbon terhadap kinetika aktivitas reduksi nitrat tergantung pada sensitivitas sistem nitrat reduktase yang dimiliki oleh isolat bakteri dan sumber karbon yang paling efisien untuk aktivitas metabolisme bakteri. Asetat lebih besar pengaruhnya dalam aktivitas reduksi nitrat dibanding dengan sumber karbon yang lain. Karena asetat merupakan sumber karbon yang menghasilkan energi sedikit, untuk memenuhi kebutuhan energinya maka isolat tersebut mereduksi nitrat menjadi amonium untuk memenuhi kebutuhan energi agar bakteri dapat survival di lingkungannya. Kata kunci : bakteri nitrat amonifikasi disimilatif, reduksi nitrat, sumber karbon, asetat, suksinat, glukosa, dan gliserol.
Hak Cipta milik IPB, tahun 2009 Hak Cipta dilindungi Undang-Undang Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa mencantumkan atau menyebutkan sumber. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan, penelitian, penulisan karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik atau tinjauan suatu masalah; dan pengutipan tersebut tidak merugikan kepentingan yang wajar IPB Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atau seluruh karya tulis dalam bentuk apa pun tanpa izin IPB.
AKTIVITAS REDUKSI NITRAT BAKTERI AMONIFIKASI DISIMILATIF PADA SUMBER KARBON BERBEDA AHADIYANTO Tesis Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister Sains pada Mayor Mikrobiologi SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2009
Judul Tesis Nama NRP : Aktivitas Reduksi Nitrat Bakteri Amonifikasi Disimilatif pada Sumber Karbon Berbeda : Ahadiyanto : G351070211 Disetujui Komisi Pembimbing Dr. Ir. Iman Rusmana, M. Si Ketua Dr. Tri Widiyanto, M. Si Anggota Diketahui Koordinator Mayor Mikrobiologi Dekan Sekolah Pascasarjana Dr. Ir. Gayuh Rahayu Prof. Dr. Ir. Khairil Anwar Notodiputro, M.S Tanggal Ujian: 14 Agustus 2009 Tanggal Lulus:
Penguji Luar Komisi pada Ujian Tesis: Dr. Ir. Munti Yuhana, M.Si.
PRAKATA Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT atas limpahan rahmat, karunia dan ridho-nyalah tesis yang berjudul Aktivitas Reduksi Nitrat Bakteri Amonifikasi Disimilatif pada Sumber Karbon Berbeda dapat diselesaikan. Pelaksanaan penelitian dan penulisan tesis ini tidak terlepas dari bantuan dan bimbingan dari berbagai pihak. Oleh karena itu penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada: 1. Bapak Dr. Ir. Iman Rusmana, M.Si dan Bapak Dr. Tri Widiyanto, M.Si selaku komisi pembimbing atas bantuan, bimbingan dan pengarahan yang telah diberikan selama penelitian dan penulisan tesis ini, sehingga penulis dapat menyelesaikan dengan baik. 2. Departemen Agama RI yang telah memberikan beasiswa pendidikan. 3. Ketua Program Studi Biologi, Ketua Mayor Mikrobiologi, Ketua dan Staf Laboratorium Mikrobiologi Departemen Biologi, Fakultas Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor yang telah membantu dalam menyediakan fasilitas hingga terlaksananya penelitian ini. 4. Isteriku, Papa, Ibunda dan anak-anakku tersayang serta Kakak dan Adik, seluruh keluarga dan rekan-rekan di MAN Model Jambi yang telah banyak memberikan dukungan, hingga penulis dapat menyelesaikan studi ini. 5. Rekan-rekan angkatan 2007 Program Studi Biologi, rekan-rekan Lab Mikrobiologi, Teti, dan Syuvi atas bantuan dan kerjasamanya. Akhir kata penulis menerima saran dan kritik dari pembaca untuk kesempurnaan isi, semoga tesis ini bermanfaat bagi kita semuanya. Amin. Bogor, Agustus 2009 Penulis
RIWAYAT HIDUP Penulis dilahirkan di Kab. Solok pada tanggal 11 Desember 1966 dari ayah H. Sjamsoe. N dan ibu Nurbaini. Penulis merupakan anak kedua dari delapan bersaudara. Penulis menyelesaikan program sarjana (SI) Jurusan Biologi Fakultas Pendidikan Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam STKIP PGRI Padang pada tahun 1991. Penulis bertugas sebagai staf Pengajar Biologi pada Madrasah Aliyah Negeri Kuala Tungkal dari tahun 1994 sampai tahun 2002. Sejak tahun 2002 sampai sekarang penulis pindah menjadi staf Pengajar Biologi pada Madrasah Aliyah Negeri Model Jambi. Pada bulan Juli 2007 penulis melanjutkan kuliah ke sekolah Pascasarjana Institut Pertanian Bogor Program Studi Biologi Mayor Mikrobiologi melalui beasiswa pendidikan Departemen Agama RI.
DAFTAR ISI Halaman. DAFTAR ISI... i DAFTAR TABEL... iii DAFTAR GAMBAR... iv DAFTAR LAMPIRAN... vi PENDAHULUAN...1 Latar Belakang...1 Tujuan Penelitian...3 TINJAUAN PUSTAKA...4 Muara Sungai...4 Senyawa Nitrogen...5 Senyawa Nitrat...7 Enzim-Enzim yang Berperan Dalam Reduksi Nitrat...8 Bakteri Nitrat Amonifikasi Disimilatif (DNRA)...9 Peranan Sumber Karbon bagi Bakteri DNRA...12 METODE PENELITIAN...13 Waktu dan Tempat penelitian...13 Bahan Penelitian...13 Konfirmasi dan Peremajaan Isolat...13 Seleksi Aktivitas Reduksi Nitrat pada Sumber Karbon Berbeda...14 Analisis Nitrit...15 Analisis Nitrat...15 Analisis Amonium...15 Perhitungan Pembentukan Gas....16 Kinetika Aktivitas Reduksi Nitrat Isolat Terpilih...17 HASIL...19 Konfirmasi dan Peremajaan Isolat...19 Seleksi Aktivitas Reduksi Nitrat pada jenis Sumber Karbon yang berbeda...21 Pertumbuhan isolat Terpilih...26 Kinetika Aktivitas Reduksi Nitrat...27
ii PEMBAHASAN...33 SIMPULAN DAN SARAN...41 Simpulan...41 Saran...41 DAFTAR PUSTAKA...42 LAMPIRAN...47
DAFTAR TABEL Halaman iii 1 Karakterisasi morfologi isolat FR1, FR2, HF7,dan LF6...19 2 Aktivitas reduksi nitrat dan senyawa yang dihasilkan oleh isolat FR2 pada uji kinetika dengan masa inkubasi 72 jam dalam kondisi aerob...31 3 Aktivitas reduksi nitrat dan senyawa yang dihasilkan oleh isolat HF7 pada uji kinetika dengan masa inkubasi 72 jam dalam kondisi anaerob...32 3 Aktivitas reduksi nitrat dan senyawa yang dihasilkan oleh isolat HF7 pada uji kinetika dengan masa inkubasi 72 jam dalam kondisi aerob...32
DAFTAR GAMBAR Halaman 1 Siklus Nitrogen...6 2 Lintasan reduksi nitrat oleh aktivitas bakteri (1) Denitrifikasi, (2).Reduksi nitrat amonifikasi disimilatif (3) Oksidasi amonia secara anaerob...8 3 Bagan pembentukan N 2 O pada reduksi nitrat oleh bakteri DNRA...10 4 Morfologi koloni dari isolat FR1, FR2, HF7, dan LF6 pada cawan dengan gores kuadran...20 5 Hasil uji fermentatif pada isolat FR1, FR2, HF7 dan LF6, setelah inkubasi 48 jam...21 6 Kerapatan sel Isolat FR1, FR2, HF7, dan LF6 pada kondisi aerob dan anaerob dengan sumber karbon berbeda...22 7 Reduksi nitrat oleh isolat FR1, FR2, HF7, dan LF6 pada kondisi aerob dan anaerob dengan sumber karbon berbeda...23 8 Akumulasi nitrit oleh isolat FR1, FR2, HF7 dan LF6 pada kondisi aerob dan anaerob dengan sumber karbon berbeda...24 9 Amonium yang terbentuk oleh isolatfr1, FR2, HF7,dan LF6 pada kondisi aerob dan anaerob dengan sumber karbon berbeda...25 10 Densitas isolat FR2 dan HF7 pada kondisi aerob dan anaerob dengan sumber karbon asetat...26 11 Densitas isolat FR2 dan HF7pada kondisi aerob dan anaerob dengan sumber karbon suksinat...27 12 Laju reduksi nitrat isolat FR2 dan HF7 pada kondisi aerob dan anaerob dengan sumberkarbon asetat...28 13 Laju reduksi nitrat isolat FR2dan HF7 pada kondisi aerob dan anaerob dengan sumber karbon suksinat...28 14 Akumulasi nitrit isolat FR2 dan HF7 pada kondisi aerob dan anaerob dengan sumber karbon asetat...29 15 Akumulasi nitrit isolat FR2 dan HF7 pada kondisi aerob dan anaerob dengan sumber karbon suksinat...30 iv
16 Akumulasi amonium isolat FR2 dan HF7 pada kondisi aerob dan anaerob dengan sumber karbon asetat...30 17 Akumulasi amonium isolat FR2 dan HF7 pada kondisi aerob dan anaerob dengan sumber karbon suksinat...31 v
DAFTAR LAMPIRAN Halaman 1 Pembentukan warna pada uji kadar nitrat (A), nitrit (B) dan amonium (C)...48 2 Kurva standar konsentrasi amonium (A) dan kurva standar konsentrasi nitrit (B)...49 3 Kurva standar pertumbuhan isolat FR2 dan HF7 pada kondisi nitrat medium 49,41 mm...50 4 Presentase nitrat tereduksi dan senyawa yang dihasilkan isolat FR1 dan FR2 pada asetat, suksinat, glukosa, dan gliserol sebagai sumber karbon lama inkubasi 72 jam...51 5 Presentase nitrat tereduksi dan senyawa yang dihasilkan isolat HF7 dan LF6 pada asetat, suksinat, glukosa, dan gliserol sebagai sumber karbon lama inkubasi 72 jam... 52 6 Aktivitas reduksi nitrat dan senyawa yang dihasilkan pada asetat sebagai sumber karbon oleh isolat FR2 pada uji kinetika masa Inkubasi 72 jam kondisi anaerob dan aerob...53 7 Aktivitas reduksi nitrat dan senyawa yang dihasilkan pada asetat Sebagai sumber karbon oleh isolat HF 7 pada uji kinetika masa Inkubasi 72 jam kondisi anaerob dan aerob...54 8 Aktivitas reduksi nitrat dan senyawa yang dihasilkan pada suksinat Sebagai sumber karbon oleh isolat HF 7 pada uji kinetika masa Inkubasi 72 jam kondisi anaerob dan aerob...55 9 Aktivitas reduksi nitrat dan senyawa yang dihasilkan pada suksinat Sebagai sumber karbon oleh isolat HF 7 pada uji kinetika masa Inkubasi 72 jam kondisi anaerob dan aerob...56 vi