II. Pertumbuhan dan aktivitas makhluk hidup
Kompetensi: Setelah mengikuti kuliah
mahasiswa dapat menjelaskan aktivitas
makhluk hidup yang dapat dimanfaatkan untuk pengelolaan lingkungan
A. Sifat pertumbuhan makhluk hidup Apabila sel diberi suatu larutan hara esensial pada kondisi suhu dan pH yang sesuai, maka sel akan tumbuh. Ini berlaku untuk semua sel makhluk hidup, baik mikro maupun makro organisme. Hal ini menunjukkan pertumbuhan berhubungan dengan aktivitas makhluk hidup. Aktivitas makhluk hidup ini berkaitan dengan komposisi selular untuk membentuk sel yang baru dan berkaitan dengan kondisi lingkungan. Pertumbuhan sel ditunjukkan oleh bertambahnya biomassa, dan bahan untuk aktivitas biosintesis penyusun sel berasal dari persenyawaan dalam media tempat tumbuh sel tersebut. Pada saat bersamaan, sel dapat mengekskresikan produkproduk hasil reaksi metabolisme keluar sel. Dengan demikian terdapat transport senyawa masuk ke dalam sel dan keluar sel. Dari penjelasan diatas, apabila dilihat dari kesetimbangan kimiawi, pertumbuhan sel dapat dipandang sebagai suatu rangkaian reaksi kimia yang mengendalikan biosintesis penyusun biomassa sel. Proses ini mengikuti hukum kekekalan massa. Dengan demikian pertumbuhan sel makhluk hidup dinyatakan dalam reaksi kimia sebagai berikut: Substrat (S)
sel + produk (P)
enzim Sumber Karbon (S1) Nitrogen (S2) Oksigen (S3) Fosfor (S…) Belerang (S…) Mineral (S…) a1S1+a2S2 + a3S3 + a…S…
metabolit CO2 H2O
Biomassa +b1P1+b2P2+b3P3+b…P…
Di dalam reaksi tersebut peran enzim sangat penting. Enzim merupakan protein yang mengkatalisis seluruh proses biokimiawi dalam sel makhluk hidup.
4
5 Enzim sering disebut sebagai biokatalisator. Enzim sangat spesifik dan hanya efektif untuk reaksi tertentu pada kondisi lingkungan yang tertentu pula. Proses produksi biomassa atau produk reaksi metabolisme (disebut metabolit), merupakan hasil dari suatu rangkaian reaksi biokatalisis (reaksi enzimatik) di dalam sel. Pada reaksi enzimatik, substrat diadsorbsi masuk ke dalam sel dan diubah menjadi produk. Substrat merupakan senyawa esensial yang terdapat di dalam media tumbuh sel, yaitu dapat berupa sumber karbon (senyawa C-organik atau CO2), nitrogen (NH4, NO3, N2, NOx), oksigen (O2, NOx, SOx), fosfor (HPO4, P-organik), belerang (SO4, SOx, S0, sulfida), dan mineral lain (logam-logam atau alkali tanah). Produk biosintesis berupa bimassa sel. Produk metabolit yang diekskresikan dapat berupa senyawa-senyawa tertentu hasil reaksi biokatalisis, seperti CO2, H2O, O2, CH4, alkohol, asam organik, dan lain-lain. Perubahan konsentrasi substrat dan produk dapat dilihat pada gambar sebagai berikut:
Perubahan Substrat dan Produk
Reaksi biokatalisis yang terjadi di dalam sel sangatlah kiompleks. Ada mekanisme pengaturan reaksi di dalam sel. Reaksi enzimatis dapat dikendalikan dengan penghambatan oleh senyawa aktivator, inhibitor, substrat, & produk. Aktivator adalah beberapa senyawa yang dapat meningkatkan aktivitas enzim. Inhibitor adalah senyawa yang berfungsi menghambat aktivitas enzim. Penghambatan ada yang bersifat kompetitif dan non-kompetitif. Sebagian besar reaksi enzimatik menghasilkan produk yang pada konsentrasi tertentu bersifat menghambat aktivitas
6 enzim. Substrat yang terlalu tinggi konsentrasinya juga dapat menghambat laju konversi menjadi produk.
B. Biosorpsi dan ekskresi Aktivitas sel sangat ditentukan oleh kemampuan sel mengabsorbsi senyawa esensial dari media untuk dimasukkan ke dalam sel. Semua sel makhluk hidup mempunyai membran sel, yang tersusun dari lapisan lipida ganda (lipid bilayer) yang didalam lapisan tersebut terdapat pula protein enzim. Struktur membran sel dapat dilihat pada gambar sebagai berikut:
Ujung hidrofil 1 lapis lipida
Ujung hidrofob
1 lapis lipida
STRUKTUR MEMBRAN SEL TEMPAT ABSORBSI SUBSTRAT OLEH MAKHLUK HIDUP
Lipid bilayer/ dua lapis lipida
LIPID BILAYER
sitoplasma Cairan ekstraseluler
Membran sel berfungsi sebagai tempat absorbsi substrat. Tidak semua senyawa bisa melalui membran sel tersebut, sehingga sering disebut sebagai membran selektif permeabel. Hanya senyawa-senyawa esensial yang diperlukan untuk reaksi metabolisme di dalam sel saja yang dapat masuk. Dalam hal ini peran protein enzim pada lapisan membran mengatur penyerapan secara aktif senyawasenyawa dari luar ke dalam sel. Kemampuan penyerapan senyawa oleh sel juga dipengaruhi oleh faktor lingkungan. Jenis makhluk hidup yang tumbuh di lingkungan darat maupun
7 lingkungan perairan masing-masing mempunyai kemampuan spesifik. Apabila aktivitas penyerapan senyawa oleh sel, dikaitkan dengan kemampuan menyerap senyawa-senyawa pencemar yang mengganggu lingkungan, maka harus dipelajari terlebih dahulu penyebaran senyawa kimia antar fase-fase di dalam lingkungan. Lingkungan dapat digambarkan sebagai fase padat, cair, dan gas. Senyawa kimia di lingkungan tidak statis tetapi dinamis. Senyawa yang ada di dalam fase padat dapat menyebar ke fase cair dan gas dengan sifat reaksi dapat balik. Penyebarannya dapat digambarkan dalam diagram sebagai berikut:
Permasalahan di masa kini dengan adanya kemajuan teknologi di berbagai bidang, termasuk teknologi pembuatan senyawa sintetik, menyebabkan banyaknya senyawa xenobiotik pencemar yang bersifat persisten (tidak mudah rusak). Senyawa xenobiotik adalah senyawa yang asing terhadap kehidupan. Senyawa persisten sulit diuraikan kembali menjadi unsur—unsur pembentuknya. Senyawa persisten juga menyebar pada semua fase-fase di lingkungan. Di semua lingkungan terdapat makhluk hidup yang tumbuh, sehingga penyebaran senyawa persisten juga terjadi dari komponen abiotik ke komponen biotik. Komponen abiotik merupakan
8 lingkungan media tumbuh makhluk hidup. Komponen biotik merupakan makhluk hidup yang tumbuh dalam lingkungan tersebut. Penyebaran senyawa persisten antara komponen abiotik-biotik dapat dilihat pada diagram sebagai berikut:
C. Bioakumulasi Setelah sel beraktivitas menyerap senyawa dari media di lingkungannya, maka senyawa tersebut di dalam sel akan mengalami berbagai proses reaksi. Untuk senyawa esensial yang memang dibutuhkan oleh sel normal, maka akan mengalami rekasi metabolisme untuk kelangsungan hidup sel tersebut. Akan tetapi untuk senyawa-senyawa non-esensial termasuk senyawa xenobiotik, maka akan mengalami hal yang berbeda. Tergantung kemampuan sel, maka senyawa xenobiotik dapat
9 diekskresikan keluar sel kembali, atau diubah menjadi senyawa lain yang tidak mengganggu sel, atau diakumulasi di dalam atau di bagian tertentu dari sel sebagai mekanisme sel bertahan hidup. Proses terjadinya bioakumulasi senyawa pencemar oleh sel makhluk hidup, ditentukan oleh biokonsentrasi senyawa tersebut dalam sel. Biokonsentrasi adalah perpindahan senyawa kimia xenobiotik dari berbagai sumber di dalam lingkungan ke makhluk hidup, yang menghasilkan suatu kepekatan yang umumnya lebih tinggi di dalam makhluk hidup dibandingkan sumbernya. Biokonsentrasi dapat dilihat sebagai proses kesetimbangan yang ditentukan jumlah pengambilan (biosorpsi) dan pelepasan (ekskresi) suatu senyawa oleh sel makhluk hidup di lingkungannya. Jadi memerikan proses perpindahan senyawa antara fase-fase di lingkungan dengan sel makhluk hidup. Jumlah pengambilan senyawa ditentukan kemampuan absorbsi. Sehingga jumlah senyawa yang diekskresikan menentukan konsentrasi senyawa tersebut pada sel. Senyawa dapat ditimbun dalam sel, dapat pula diubah atau didegradasi apabila sel mampu. Penimbunan senyawa persisten maupun logam berat umumnya terjadi karena sifat lipofilik dari senyawa tersebut. Dalam proses absorbsi oleh sel juga melalui membran yang tersusun dari lipida.
10 Di alam, proses terjadinya akumulasi senyawaan sering tidak dapat digambarkan dengan suatu kesetimbangan yang relatif sederhana. Adanya perpindahan senyawa xenobiotik dari makanan ke konsumer dalam rantai makanan, mengakibatkan proses perpindahan senyawa menjadi kompleks. Masing-masing makhluk hidup yang terlibat dalam rantai makanan, mengalami perpindahan senyawa dengan fase di lingkungannya, dan perpindahan senyawa juga terjadi dari makhluk hidup yang satu sebagai makanan dan yang lain sebagai konsumer. Proses ini yang disebut sebagai biomagnifikasi. Dalam proses biomagnifikasi juga menghasilkan kepekatan yang jauh lebih tinggi pada konsumer dibandingkan makanan. Jalur-jalur bioakumulasi senyawa xenobiotik dalam lingkungan dapat digambarkan sebagai diagram berikut:
Faktor lingkungan dapat mempengaruhi proses terjadinya akumulasi senyawa xenobiotik. Faktor tersebut adalah suhu, kadar garam, ph, bahan organik, pengkhelat, dan surfaktan. Berikut merupakan contoh diagram proses biomagnifikasi di lingkungan perairan dan dalam rantai makanan.
11
12
D. Biodegradasi dan biokonversi Senyawa yang masuk ke dalam sel maupun di permukaan sel dapat mengalami biodegradasi (perombakan oleh makhluk hidup) maupun biokonversi (perubahan oleh makhluk hidup). Kemampuan makhluk hidup melakukan biodegradasi maupun biokonversi sangat spesifik tergantung jenisnya. Interaksi senyawa xenobiotik pencemar dengan sel makhluk hidup digambarkan sebagai berikut:
Kemampuan biodegradasi dapat digunakan untuk mengatasi masalah pencemaran limbah seperti senyawa hidrokarbon kompleks (limbah minyak, sampah organik), dan senyawa xenobiotik seperti HOED, organoklor, DDT, PCB, TCDD, dan lain-lain. Pencemar yang mengandung karbon, nitrogen, fosfor, atau belerang dapat di daur ulang menggunakan sel makhluk hidup tertentu. Faktor kondisi lingkungan yang mempengaruhi biodegradasi atau biokonversi adalah adanya oksigen (aerob-anaerob), kompleksitas struktur kimia/toksisitas senyawa, pH, suhu, dan nutrien.
