TINJAUAN PUSTAKA Muara Sungai Menurut Dahuri et al. (1996) ekosistem muara sungai adalah merupakan bagian dari wilayah pesisir. Muara adalah bentuk pantai yang tertutup, dimana air tawar dan air laut bertemu dan bercampur (Chester 1990). Proses percampuran kedua masa air ini sangat bervariasi karena masing-masing memiliki karakteristik yang berbeda dan dipengaruhi oleh tiga unsur yaitu daratan, lautan dan atmosfir. Muara sungai mendapat masukan berbagai senyawa dari daratan, tetapi karena kondisinya yang selalu berubah maka diversitasnya cendrung lebih sedikit dibanding lingkungan perairan lainya. Jumlah mikroba di muara sungai sangat banyak, tetapi keragamannya rendah (Dyer 1973). Dahuri et al. (1996) mengemukakan bahwa komposisi kimia di muara sungai sangat dipengaruhi oleh senyawa-senyawa yang terbawa aliran sungai. Pengaruh nyata akan terjadi jika sungai tersebut merupakan tempat pembuangan limbah baik limbah industri, domestik dan pertanian. Limbah yang masuk ke muara Sungai dapat mengadung senyawa nitrogen seperti, NO3-, NO2-, dan NH3. Muara sungai berfungsi sebagai filter bagi semua bahan organik dan anorganik yang terdapat diperairan. Semua bahan tersebut dari sungai masuk ke laut melalui muara. Bahan-bahan organik dan anorganik tersebut ada yang di endapkan, terlarut dan terbawa oleh arus ke laut. Salah satu proses yang mempengaruhi konsentrasi bahan organik dan anorganik yang ada di dalamnya adalah proses biologi ( Chester 1990). Senyawa nitrogen seperti NO3-, NO2- dan NH3 hanya dapat didegradasi melalui proses biologi . Proses tersebut banyak dilakukan oleh bakteri denitrifikasi. Muara Sungai Cimandiri merupakan muara sungai yang tercemar dengan berbagai polutan. Pada daerah muara ini terakumulasi berbagai bahan yang dibawa di sepanjang aliran sungai. Berbagai sampah rumah tangga, limbah pertanian dan bahan-bahan lain yang menurunkan kualitas air muara Sungai Cimandiri. Selain limbah yang masuk aktivitas penambangan pasir sepanjang
4 DAS menyebabkan warna air menjadi coklat sampai cukup jauh ke daerah pantai (Marnis 2008). Muara Sungai Cisadane selain sebagai sumber air untuk berbagai keperluan sehari-hari juga dimanfaatkan untuk pengairan pertanian. Selain itu sungai ini berfungsi juga sebagai tempat pembuangan limbah rumah tangga, industri, pertanian dan peternakan. Tingkat pencemaran muara Sungai Cisadane lebih tinggi dari muara Sungai Cimandiri. Beberapa parameter kualitas air menunjukkan muara Sungai Cisadane tercemar adalah rendahnya kandungan oksigen terlarut, tingginya konsentrasi amonium dan nitrit serta suhu air yang tinggi (Syahputra 2008). Senyawa Nitrogen Nitrogen adalah senyawa yang tersebar secara luas di biosfir. Atmosfir bumi mengandung sekitar 78% gas nitrogen. Di perairan nitrogen berupa nitrogen organik dan anorganik. Nitrogen organik terdiri atas amonia (NH3), amonium (NH4+), nitrit (NO2-), nitrat (NO3-), dan nitrogen (N2). Nitrogen organik berupa asam amino, protein, dan urea. Bentuk-bentuk tersebut mengalami transformasi sebagai bagian dari siklus nitrogen (Effendi 2003). Senyawa amonia pada perairan merupakan hasil reduksi senyawa nitrat, atau nitrit oleh mikroorganisme akuatik (Hutagalung dan Rozak 1997). Effendi (2003) menambahkan bahwa sumber amonia di perairan merupakan pemecahan nitrogen organik (protein dan urea) dan nitrogen anorganik yang terdapat dalam tanah dan air, yang berasal dari tumbuhan dan biota akuatik yang telah mati. Reduksi nitrat oleh aktivitas mikroba juga menghasilkan amonia, nitrous oksida dan dinitrogen. Amonia yang terukur diperairan berupa amonia total (NH3 dan NH4-). Amonia bebas tidak dapat terionisasi, sedangkan amonium dapat terionisasi. Senyawa nitrit pada perairan merupakan hasil reduksi senyawa nitrat atau oksidasi amonia oleh mikroorganisme. Nitrit biasanya ditemukan dalam jumlah yang sedikit, karena bersifat tidak stabil dan mudah teroksidasi dengan adanya oksigen. Nitrit merupakan peralihan antara amonia dengan nitrat (nitrifikasi), atau antara nitrat dengan gas nitrogen pada proses denitrifikasi (Effendi 2003).
5 Nitrat merupakan bentuk utama nitrogen diperairan alami. Selain itu nitrat merupakan senyawa yang sangat penting untuk pertumbuhan tanaman dan dan alga. Nitrat sangat mudah larut dalam air dan bersifat stabil. Konsentrasi nitrat yang tinggi ditemukan muara sungai. Tingginya kadar nitrat tersebut disebabkan oleh masuknya limbah domestik atau pertanian yang mengandung nitrat (Hutagalung dan Rozak 1997). Siklus Nitrogen Nitrogen memegang peranan penting dalam siklus organik dalam menghasilkan asam-asam amino penyusun protein. Dalam siklus nitrogen, tumbuh-tumbuhan menyerap nitrogen anorganik dalam salah satu gabungan atau sebagai nitrogen molekuler. Tumbuh-tumbuhan ini membuat protein yang kemudian dimakan hewan dan diubah menjadi protein hewani. Jaringan organik yang mati diurai oleh berbagai jenis bakteri, termasuk didalamnya bakteri pengikat nitrogen yang mengikat nitrogen molekuler. Kennish (1994) menyatakan bahwa nitrogen adalah nutrien pembatas utama dalam produktivitas primer di estuari selain fosfat dan silikat. Nitrogen berperan penting bagi pertumbuhan organisme karena unsur utama pembentuk protein (Kiirchman 2000). Selanjutnya Kennish (1994) juga menyatakan terdapat tiga bentuk nitrogen anorganik utama yang terlarut di muara sungai yaitu amonia, nitrit dan nitrat, meskipun demikian pada bahan organik yang terlarut dan yang berbentuk partikel juga terdapat sumber nitrogen yang penting dan berguna. Komposisi nitrogen tersebut menurut Hutagalung dan Rozak (1997) sangat dipengaruhi oleh kandungan oksigen bebas dalam air. Pada saat konsentrasi oksigen
rendah nitrogen akan bergerak menuju amonia, sedangkan pada
konsentrasi oksigen tinggi nitrogen akan bergerak menuju nitrat. Distribusi nitrogen di perairan juga sangat dipengaruhi oleh suhu, salinitas dan kelarutan. Terdapat lima fase dalam siklus nitrogen yaitu amonifikasi, nitrifikasi, asimilasi nitrogen, denitrifikasi dan fiksasi nitrogen. Amonifikasi adalah proses pembentukan amonia dari materi organik. Amonia juga dapat mengalami deaminasi menjadi asam amino dan dapat diasimilasi secara langsung oleh
6 diatom, alga selular dan tanaman tingkat tinggi. Nitrifikasi merupakan reaksi oksidasi yaitu proses pembentukan nitrat yang berasal dari amonia menjadi nitrit dan hasil akhirnya berupa nitrat. Proses ini dapat berlangsung secara fotokimia, bakteriologi maupun kimia. Asimilasi nitrogen ini merupakan fungsi utama bagi fitoplankton, alga bentik dan bakteri sebagai proses pemanfaatan nitrogen untuk pembentukan asam amino dalam protoplasma. Denitrifikasi merupakan reaksi reduksi terhadap nitrat dimana nitrat direduksi menjadi nitrit, nitrit oksida, nitrous oksida dan terakhir dibentuk gas dinitrogen. Fiksasi nitrogen yaitu proses pengambilan nitrogen bebas, hal ini hanya dapat terjadi pada daerah pantai, simbiosis alga, dan pencampuran nitrogen dari lingkungan/atmosfir. Siklus nitrogen dapat dilihat pada Gambar 1.
N2
Gambar 1 Siklus Nitrogen (Sitaresmi 2002)
Reduksi Nitrat. Kelompok bakteri pereduksi senyawa nitrat
terlibat dalam pengubahan
senyawa Nitrat menjadi produk akhir gas Nitrogen atau senyawa amonium. Rusmana (2003c) menyatakan ada tiga proses reduksi nitrat disimilatif pada bakteri yaitu denitrifikasi, reduksi nitrat menjadi amonium disimilatif dan oksidasi amonium disimilatif (anamoks). (Gambar 2).
7 NO
NO3-
NO2-
N2O
N2
1
NH4+
2
N2O NH2OH
N2H2
N2
3
N2O
Gambar 2 Lintasan reduksi nitrat oleh aktivitas bakteri: (1) Denitrifikasi, (2) Reduksi nitrat menjadi amonium disimilasif dan (3) Oksidasi amonia secara anaerobik (Rusmana 2003c). Di lingkungan perairan senyawa nitrat banyak dimanfaatkan oleh kelompok mikroorganisme yang bersifat heterotrofik untuk membentuk bahan organik sel. Sedangkan pada kondisi anaerobik ion nitrit atau nitrat akan digunakan sebagai penerima elektron terakhir pada proses respirasi nitrat atau dissimilasi nitrat (Madigan et al. 2003). Di alam banyak bakteri fermentatif bersifat anaerob fakultatif sehingga keberadaan oksigen berpengaruh pada aktivitasnya. Bakteri yang dapat melakukan reduksi nitrat antara lain Alcaligenes, Paracoccus denitrificans, Thiobacillits denitrificans, dan Pseudomonas (Atlas dan Bartha 1998). Pada kondisi anaerobik kelompok bakteri denitrifikasi akan aktif mereduksi senyawa nitrat menjadi nitrit, nitrit oksida (NO), nitrous oksida (N2O), dan dinitrogen (N2). Pada kondisi yang sesuai, beberapa genus dapat mereduksi nitrit menjadi amonia melalui proses reduksi nitrat disimilasi. Prosesnya tersebut berjalan saat kandungan senyawa nitrit tinggi (Kelso et al. 1997). Bakteri ini memanfaatkan senyawa nitrat sebagai penerima elektron alternatif untuk mendapatkan energi di bawah kondisi oksigen terlarut terbatas (Richardson et al. 2001). Selain itu juga terdapat bakteri fermentatif yang dapat memanfaatkan senyawa nitrat sebagai penerima elektron terakhir pada kondisi anaerobik, antara lain jenis Aeromonas, Bacillus, Klebsiella dan Vibrio (Richardson et al. 2001).
8 Reduksi nitrat menjadi amonium dissimilatif (DNRA) dilakukan oleh mikroorganisma dengan tipe metabolisme fermentatif. Bakteri ini mereduksi nitrat menjadi amonium. Reduksi nitrat menjadi amonium dissimilatif adalah proses untuk menghilangkan kelebihan tenaga pereduksi dan menunjang pertumbuhan bakteri pada kondisi anaerob (Chole 1996). Proses reduksi nitrat menjadi amonium disimilatif melibatkan dua tahap reaksi, yaitu reduksi nitrat menjadi nitrit yang dikatalis oleh dua enzim seperti pada denitrifikasi dan reduksi nitrit menjadi amonium yang dikatalis oleh multiheme cytochrome nitrit reductase (Nrf) (Richardson 2000). Enzim yang terlibat pada proses reduksi nitrat bakteri DNRA dapat dilihat pada Gambar 3. NO2-
NH4+ NrfA
NapA NapB NO3-
NO2-
NrfB
NO3- NO2NrfC
Periplasma NapC
NrfD
NarI
sitoplasma
NO3- NO2-
NarH NarG
NO3-
NO2-
Gambar 3 Enzim-enzim yang terlibat pada proses reduksi nitrat bakteri DNRA (Rusmana 2003c; Richardson 2000) Anamoks adalah proses metabolisme yang mengubah amonium, nitrat atau nitrit menjadi N2. Dalam proses ini dibentuk dua senyawa antara, yaitu hidroksilmina (NH2OH) dan hidrazina (N2H4). Bakteri ini memiliki struktur khusus yang disebut anammoxosomes yang menempati kurang lebih 30-60% dari total volume sel. Proses metabolisme anamoks terjadi dalam struktur khusus ini. Anamoks dikatalis oleh enzim nitrit reducing enzym (NR) yang mengkatalis reaksi nitrit menjadi hidroksilamina, hidrazina hydrolase (HH) yang mengkatalis hidroksilamina menjadi hidrazina dan hidrazine–oxidising enzyme mengkatalis terbentuknya N2 (Rusmana 2003c)
9 Bakteri Denitrifikasi Denitrifikasi merupakan konversi biologis senyawa nitrat (NO3-) menjadi nitrit (NO2-), nitrous oxide (N2O) dan molekul nitrogen (N2). Proses denitrifikasi dijalankan secara teratur dan bertahap oleh beberapa bakteri fakultatif anaerob. ( Piñar 1997). Denitrifikasi merupakan proses reduksi senyawa nitrat menjadi gas nitrogen dan atau gas nitrogen oksida. Denitrifikasi adalah suatu proses enzimatik dimana terjadi tahapan reduksi nitrat menjadi nitrit, nitrit oksida, nitrous oksida dan dinitrogen yang berhubungan dengan transport elektron. Denitrifikasi merupakan proses yang merupakan empat tahapan reaksi yang dikatalis enzim. Ada dua jenis enzim yang mengkatalis reaksi tahap pertama (reaksi nitrat menjadi nitrit), yaitu periplasmic nitrate reductase (Nap) dan membrane-bound nitrate reductase (Nar). Pada tahap kedua (reduksi Nitrit mnjadi nitric oxide), dikatalis enzim Cytochrome nitrite reductase (NirS) dan copper nitrite reductase (NirK). Reaksi tahap ketiga melibatkan enzim nitric oxide reductase (Nor) dan reaksi tahap keempat yang dikatalis enzim nitrous oxide reductase (Nor) (Rusmana 2003). Enzim- enzim yang terlibat proses reduksi nitrat dapat dilihat pada Gambar 4. N2
NO NirS
NO2-
NirK NosZ NapA
NO2
NapB NO3-
N2O
NO3-
NapC NarI Nar H NarG
NO
Nor C
Periplasma Nor B
-
NO2
sitoplasma
Membran plasma
NO3-
Gambar 4 Enzim-enzim yang terlibat pada proses reduksi nitrat bakteri denitrifikasi (Rusmana 2003c; Zumft 1997; Richardson 2000)
10 Philipot dan Hojberg (1999) melaporkan bahwa struktur enzim nitrat reduktase terdiri dari dua bagian, yaitu nitrat reduktase yang berkaitan dengan membran sel (Nar) dan periplasma (Nap). Zumft (1992) mengemukakan bahwa enzim nitrat reduktase pada Paracoccus denitrificans aktif pada kondisi anaerob, sedangkan pada Thiosphaera panotropha aktif pada kondisi anaerob. Bakteri denitrifikasi lebih kompetitif hidup di lingkungan dengan kadar oksigen yang rendah, tetapi ada juga beberapa proses denitrifikasi yang berlangsung aerobik (Hallin dan Lindgren 1999; Zumft 1992). Ketersediaan oksigen di lingkungan pada bakteri denitrifikasi berkaitan erat dengan sistim regulator sensor mikroorganisme anaerob fakultatif. Bakteri ini memiliki memiliki kemampuan beradaptasi dari aerob ke anaerob dan sebaliknya. Menurut Dong et al. (2002) Reduksi nitrat dissimilatif yang terjadi di atas sedimen muara sungai adalah denitrifikasi. Sedangkan reduksi nitrat disimilatif yang dominan pada bagian sedimen muara sungai adalah reduksi nitrat amonifikasi disimilatif (Rusmana 2003a) Holt et al (1994) mengemukakan bahwa kelompok bakteri denitrifikasi pada umumnya bersifar Gram negatif, berbentuk bulat atau batang. Distribusinya tersebar hampir di semua habitat, termasuk air laut, air tawar, tanah, sawah, tumbuhan dan dalam tubuh organisme. Beberapa bakteri denitrifikasi yang dapat hidup pada sistem perairan laut atau estuari antara lain Alteromonas, Pseudomonas, Eryhrobacter, Alcaligenes dan Aquaspirillum (Zumf 1992).
