TINJAUAN PUSTAKA Muara Sungai Sungai Cimandiri merupakan bagian dari kawasan Daerah Aliran Sungai (DAS) yang terletak di bagian timur Teluk Pelabuhan Ratu. Posisi geografis kawasan Teluk Pelabuhan Ratu adalah 6º57´-7º07´ LS dan 106º22´-106º33´ BT (Sanusi 1994). 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 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 yang menunjukkan muara Sungai Cisadane tercemar adalah rendahnya kandungan oksigen terlarut, tingginya konsentrasi amonium dan nitrit serta suhu air yang tinggi (Syahputra 2008). Muara Sungai Cimandiri dan Muara Sungai Cisadane merupakan ekosistem estuaria yang terdapat di daerah tropikal. Ekosistem estuaria merupakan bagian dari wilayah pesisir (Dahuri et al. 1996). Chester (1990), menyatakan bahwa estuari merupakan bentuk pantai yang sebagian tertutup, dimana air tawar dan air laut bertemu dan bercampur. Terjadinya proses percampuran kedua masa air ini sangat bervariasi karena masing-masing memiliki karakteristik yang berbeda dan dipengaruhi oleh kekuatan tiga unsur yaitu daratan, lautan dan atmosfir. Namun demikian yang sangat mempengaruhinya adalah kekuatan masukkan dari sungai. Muara sungai berfungsi sebagai media penyaring bagi semua bahan organik dan anorganik yang akan masuk ke dalam perairan laut. Bahan-bahan organik dan anorganik di muara sungai yang ada diendapkan, terlarut, dan terbawa oleh arus
5 ke laut. Proses biologi sangat mempengaruhi konsentrasi bahan organik dan anorganik yang ada di dalamnya (Chester 1990). Pada kedua muara sungai tersebut senyawa nitrogen umumnya berasal dari limbah organik rumah tangga, yang mengalami dekomposisi, limbah pupuk nitrogen anorganik dari areal pertanian, dan senyawa nitrogen anorganik tanah yang mengalami erosi tepi sungai. Sumber senyawa nitrogen lain adalah berasal dari proses nitrifikasi, proses dekomposisi mikroorganisma, dan eksresi organisma di habitat muara sungai serta gas oksida nitrogen dari udara yang terlarut melalui air hujan.
Senyawa Nitrogen Sumber utama nitrogen adalah nitrogen bebas (N2) yang terdapat di atmosfir, yang takarannya mencapai 78 persen volume, dan sumber lainnya yang terdapat di kulit bumi dan perairan. Nitrogen juga terdapat dalam bentuk yang komplek, tetapi hal ini tidak begitu besar pengaruhnya sebab sifatnya yang mudah larut dalam air. Derivat nitrogen pada umumnya sangat penting bagi kebutuhan dasar nutrisi organisme, tetapi dalam kenyataannya substansi nitrogen adalah hal yang menarik sebagai polutan di lingkungan. Perubahan global senyawa nitrogen dapat terjadi di lingkungan oleh adanya interaksi antara nitrogen oksida dengan ozon di zona atmosfir. Nitrogen dalam air dapat berada dalam berbagai bentuk : nitrit, nitrat, amonia atau N yang terikat oleh bahan organik atau anorganik. Nitrit dan nitrat merupakan bentuk nitrogen teroksidasi dengan tingkat oksidasi +3 dan +5. Nitrit biasanya tidak bertahan lama dan merupakan keadaan sementara dari proses oksidasi antara amonia dan nitrat yang dapat terjadi dalam air sungai. Laju penambahan nitrogen yang diakibatkan oleh aktivitas manusia, terutama penggunaan pupuk nitrogen dan pembakaran bahan bakar fosil, kontribusinya mencapai 55% (140 Tg N per tahun) dari total senyawa nitrogen baru yang masuk ke lingkungan (Vitousek et al. 1997). Kennish (1994) menyatakan bahwa nitrogen adalah nutrien pembatas utama untuk produsen primer di daerah estuari, selain fosfat dan silikat. Nitrogen juga berperan penting bagi pertumbuhan organisme karena menjadi unsur utama dalam pembentuk
6 protein (Kirchman 2000).
Selanjutnya Kennish (1994) menyatakan, bahwa
terdapat tiga bentuk nitrogen anorganik yang terlarut di estuari yaitu amoniak, nitrit dan nitrat, sedangkan nitrogen organik terdapat pada bahan organik yang terlarut dan dalam bentuk partikel tersuspensi. Menurut Hutagalung dan Rozak (1997) komposisi nitrogen sangat dipengaruhi oleh kandungan oksigen bebas dalam air. Pada saat oksigen rendah nitrogen akan bergerak menuju amonia, sedangkan pada oksigen tinggi nitrogen akan bergerak menuju nitrat. Menurut Rompas (1998) dalam kondisi tertentu masih terdapat ion nitrit dan sebagian besar dari nitrogen terikat dalam nitrogen organik (47,9%), yaitu bahanbahan yang berprotein, juga terdapat dalam bahan pencemar seperti asam sianida (HCN), asam etilen diamin tetra asetat (EDTA) atau dalam bentuk asam nitrilotriasetat (NTA). Siklus nitrogen dapat dilihat pada Gambar 1.
N2
Gambar 1 Siklus Nitrogen (Sitaresmi 2002) Nitrogen dalam air terjadi dalam berbagai bentuk senyawa. Nitrogen yang terbanyak dalam bentuk N-molekuler (N2) yang berlipat ganda jumlahnya daripada nitrit (NO2) atau nitrat (NO3), tetapi tidak dalam bentuk yang berguna bagi jasad hidup (Davis 1986). Komponen N di atmosfir dapat berbentuk amonia (NH3), molekul nitrogen (N2), dinitrit oksida (N2O), nitrogen oksida (NO),
7 nitrogen dioksida (NO2), asam nitrit (HNO2), asam nitrat (HNO3), basa amino (R3-N) (Soderlund dan Rosswall, 1980). Transformasi senyawa nitrogen dapat melibatkan organisme ataupun tidak melibatkan organisme. Lima fase transformasi dalam siklus nitrogen secara mikrobiologi meliputi: asimilasi nitrogen, nitrifikasi, denitrifikasi, fiksasi nitrogen, dan amonifikasi. Asimilasi nitrogen merupakan proses pemanfaatan nitrogen untuk pembentukan asam amino dalam protoplasma bagi fitoplankton, alga, dan bakteri. Amonia juga dapat mengalami asimilasi menjadi asam amino dan dapat diasimilasi secara langsung oleh diatom, alga seluler, dan tanaman tingkat tinggi. Nitrifikasi merupakan reaksi oksidasi, yaitu proses pembentukan nitrat dari amonia. Proses nitrifikasi dapat berlangsung secara bakteriologis atau kimiawi. Denitrifikasi merupakan reaksi reduksi nitrat menjadi nitrit, nitrit oksida, nitrous oksida, dan terakhir dibentuk gas dinitrogen. Fiksasi nitrogen merupakan pengikatan gas nitrogen menjadi amonia dan nitrogen organik. Proses ini dapat terjadi pada daerah pantai, yang umumnya melibatkan simbiosis alga dengan bakteri. Amonifikasi adalah proses pembentukan amonia dari materi organik (Dong et al. 2002).
Senyawa Nitrat Menurut Kirchman (2000), nitrat ( NO3- ) adalah bentuk nitrogen yang dinamis dan manjadi bentuk yang paling dominan pada air limpasan (run-off), masukan sungai, keluarnya air tanah, dan deposisi atmosfir ke laut. Nitrat adalah nutrien utama bagi pertumbuhan alga. Nitrat sangat mudah larut dalam air dan bersifat stabil. Nitrat dihasilkan dari proses oksidasi sempurna senyawa nitrogen dan amonia di perairan (Effendi 2000). Sumber utama nitrat berasal dari erosi tanah, limpasan dari daratan termasuk pupuk, dan limbah (Chester 1990). Konsentrasi nitrat pada perairan dipengaruhi oleh proses nitrifikasi. Rusmana (2003b) menyatakan bahwa terdapat tiga proses reduksi nitrat disimilatif pada bakteri yaitu: denitrifikasi, reduksi nitrat menjadi amonium disimilatif, dan oksidasi
amonium disimilatif (anaerob
ammonia
oxidation,
anammox).
Denitrifikasi adalah proses reduksi nitrat menjadi N2O atau N2. Pada proses ini bakteri menggunakan nitrat sebagai penerima elektron terakhir untuk memperoleh
8 energi pada kondisi O2 terbatas atau anaerob (Zumft 1997; Ricardson 2000; Ricardson et al. 2001). Reduksi nitrat menjadi amonium disimilatif adalah proses untuk menghilangkan kelebihan tenaga pereduksi dan menunjang pertumbuhan bakteri pada kondisi anaerob (Cole 1996). Anamoks adalah oksidasi amonia secara anaerobik dimana terjadi perubahan amonium dan nitrat atau nitrit menjadi gas nitrogen. Pada metabolisma ini membentuk senyawa antara hidroksil amin dan hidrazin (Jetten et al. 2001). Tiga lintasan proses reduksi nitrat oleh aktivitas bakteri dapat digambarkan sebagai berikut (Rusmana 2003b).
NO
N2O
N2
(1)
N2O NO3-
NO2-
(2)
NH4 NH2OH
N2H2
N2
(3)
NH3
Gambar 2 Lintasan reduksi nitrat oleh aktivitas bakteri (1) Denitrifikasi, (2) Reduksi nitrat amonifikasi disimilatif, (3) Oksidasi amonia secara anaerob. Enzim-Enzim yang Berperan dalam Reduksi Nitrat Kelompok bakteri pereduksi nitrat baik denitrifikasi, bakteri DNRA maupun anamoks memiliki enzim-enzim tertentu untuk mengkatalisasi reaksi-reaksi reduksi nitrat. Enzim pada bakteri denitrifikasi adalah nitrat reduktase (Nar dan
9 Nap), Nitrit reduktase (Nir), Nitrit oksid reduktase (Nor), Nitrous oksid reduktase (Nos) (Moreno - Vivian et al. 1999; Zumft 1997; Ricardson et al. 2001). Bakteri DNRA memiliki enzim nitrat reduktase (Nap dan Nar) yang mereduksi nitrat menjadi nitrit dan dua enzim yang mereduksi nitrat menjadi amonium yaitu Nir B (Harbone et al. 1992) dan enzim formate dependent nitrite reduction to amonium atau Nrf (Cole 1996). Pada spesies tertentu seperti Wollinella succinogens dan Campylobacter fetus memiliki enzim nitrous oksida reduktase (Nos). Enzim ini mereduksi gas N2O menjadi gas Nitrogen (Zumft 1997).
Bakteri Nitrat Amonifikasi Disimilatif (DNRA) Beberapa genus DNRA pada kondisi yang sesuai dapat mereduksi nitrit menjadi amonia melalui proses reduksi nitrat disimilasif. Prosesnya berlangsung pada saat kandungan senyawa nitrit tinggi (Kelso et al. 1997). Kelompok bakteri ini bersifat fermentatif (Rusmana & Nedwell 2004), dapat memanfaatkan senyawa organik untuk pembentukan energi melalui transfer elektron di sitoplasma (Purwoko 2007). Purwoko (2007), mengemukakan bahwa sebagian besar prokariota fermentatif menghasilkan semua Adenosin Tri Fosfat (ATP) melalui fosforilasi tingkat subtrat, kemudian ATP dihidrolisis oleh ATP sintetase, sehingga dapat menghasilkan perbedaan potensial yang digunakan untuk aktivitas membran. Organisma fermentatif memerlukan akseptor elektron untuk menerima elektron dari NADH. Kelompok bakteri pereduksi nitrat dapat memanfaatkan senyawa nitrat sebagai penerima elektron alternatif untuk mendapatkan energi dibawah kondisi oksigen terbatas (Ricardson et al. 2001). Kelompok bakteri DNRA mereduksi senyawa nitrat sejalan dengan penambahan senyawa nitrit. Ketika konsentrasi nitrat rendah terjadi penambahan senyawa amonium (Kelso et al. 1997). Pada beberapa pengamatan di lapangan menunjukkan bahwa proses nitrat amonifikasi disimilatif banyak terjadi pada suhu tinggi (Herbert dan Nedwell 1990). Bakteri DNRA lebih dominan pada lingkungan dengan rasio C/N nya tinggi (Nedwell 1982). Bakteri DNRA lebih
10 kompetitif dari pada bakteri denitrifikasi pada lingkungan dengan konsentrasi bahan organik yang tinggi. Bakteri-bakteri nitrat amonifikasi disimilatif diantaranya adalah Bacillus pyocyanes, Clostridium pasteurianum, Desulfovibrio desulfuricans (Moat et al. 2002). Bacillus licheniformis, Wollinella succinogenes, Citrobacter freundii, Klebsiella oxytoca, K. Pneumonia, Escherichia coli (Rusmana 2003a). Rusmana (2003a) telah mengisolasi dan mengkarakterisasi Klebsiella pneumonia yang dapat mereduksi nitrat menjadi amonium dan menghasilkan N2O sebagai produk sampingnya. Syahputra (2007) telah mengisolasi dan menyeleksi bakteri nitrat amonifikasi disimilatif dari muara sungai Cisadane. Isolat terpilih setelah dikarakterisasi mempunyai kemiripan dengan Escherichia sp 21 CR dengan tingkat kemiripan 97%.
Sebagian besar famili Enterobacteriaceae
mereduksi nitrat dan bersifat fermentatif (Holt et al. 1994). Proses pembentukan N2O pada kelompok bakteri nitrat amonifikasi disimilatif bukan sebagai senyawa antara seperti pada kelompok bakteri denitrifikasi, akan tetapi merupakan produk samping melalui reaksi kimia dalam menghasilkan amonium (Rusmana 2003a). Bagan proses reaksi kimia reduksi nitrat menjadi amonium dengan produk samping N2O, dapat dilihat pada Gambar 3.
N2O
NO3-
NO2-
NO
N2O2H2
NOH
NH2OH
NH4+
Gambar 3 Bagan pembentukan N2O pada reduksi nitrat oleh bakteri DNRA (Darjamurni 2003)
Pada kelompok bakteri DNRA terjadi dua tahap reaksi enzimatik yaitu tahap pertama oleh enzim Nap dan Nar yang mereduksi nitrat menjadi nitrit seperti pada bakteri dinitrifikasi, sedangkan tahap kedua reduksi nitrit menjadi amonium yang dikatalisis oleh multiheme cytochrome c nitrit reductase (Nrf) (Richardson 2000).
11 Patereu et al. (1994) menyatakan bahwa terdapat dua tipe enzim yang mereduksi nitrat menjadi nitrit yaitu nitrat reduktase yang terdapat pada membran (Nar) dan nitrat reduktase yang terdapat pada periplasmik (Nap). Enzim Nar aktivitasnya berhubungan langsung dengan proses respirasi pembentukan ATP yang dapat dipengaruhi oleh konsentrasi oksigen, keberadaan Oksigen akan menghambat sistem transpor nitrat. Enzim Nap yang mereduksi nitrat dalam periplasma tidak sensitif terhadap keberadaan oksigen. Enzim Nar yang terdapat pada membran plasma mempunyai transmembran proton motive force (PMF), yaitu tempat terjadinya sintesis ATP (Moreno- Vivian et.al 1999). Menurut Carter et al. (1995) reduksi nitrat dalam periplasma tidak sensitif terhadap hambatan oksigen. Oleh karena itu, nitrat reduktase periplasmik berhubungan dengan kemampuan untuk respirasi nitrat dalam ketersediaan oksigen. Oksidasi quinol oleh nitrat reduktase periplasmik tidak terpusat untuk menghasilkan gradien proton elektrokimia, tetapi cukup bertindak sebagai katup untuk membantu keseimbangan regulasi reaksi redoks dan mempertahankan jalannya rantai respirasi aerobik. Kelompok bakteri DNRA memiliki kemampuan adaptasi dari kondisi aerob ke anaerob atau sebaliknya. Oksigen merepresi sintesis reduktase anaerob, sebaliknya pada kondisi oksigen terbatas akan merepresi sintesis α ketoglutarat dehidrogenase. Hal ini mengakibatkan perubahan kondisi jalur asam sitrat dari siklus tri carboxylic acid (TCA) oksidatif menjadi non siklus reduktif (White 1995). White (1995) menjelaskan bahwa pergantian respirasi oksidatif dan reduktif pada Escherichia coli sebagai salah satu bakteri DNRA diatur oleh tiga sistem, yaitu sistem Arc (Aerobic respiration control), sistem Nar (Nitrat anaerobic respiration) dan sistem Fnr. Sistem Arc merupakan sistem dua komponen. Sistem ini merepresi gen-gen aerob berupa enzim-enzim siklus asam sitrat, yaitu piruvat dehidrogenase, asam lemak oksidase, dan sitokrom oksidase. Selain itu sistem Arc menginduksi gen-gen mikroaerob (sitokrom d oksidase dan sintesis kobal alamin). Sistem Fnr merupakan sistem tunggal yang berperanan pada kondisi anaerob. Protein Fnr berperan sebagai regulator positif untuk transkripsi gen-gen
12 dalam pertumbuhan anaerob dan regulator negatif untuk transkripsi gen-gen pertumbuhan aerob (White 1995 ; Purwoko 2007).
Ketika bakteri hidup di
kondisi anaerob dan terdapat elektron akseptor nitrat atau fumarat maka bakteri akan melakukan respirasi secara anaerob. Hal ini dikarenakan oksigen merepresi sintesis nitrat reduktase atau fumarat reduktase, sehingga terlihat hierarki sitokrom pada respirasi bakteri sebagai berikut, sitokrom bo > sitokrom bd > nitrat reduktase > fumarat reduktase (Purwoko 2007).
Peranan Sumber Karbon bagi Bakteri DNRA Sumber karbon dibutuh sebagai donor elektron dalam kondisi anaerob. Perbandingan diantara sumber karbon sebagai elektron donor dan NO3- sebagai elektron aseptor sangat penting. Hal ini tidak hanya berpengaruh terhadap lintasan reduksi nitrat tetapi juga menentukan determinasi produk akhir.
Keberadaan
sumber karbon di lingkungan sangat menentukan kemampuan kompetisi bakteribakteri ini dalam mereduksi nitrat juga bergantung pada kondisis lingkungan, seperti konsentrasi bahan organik dan suhu. Jika kondisi sedimen yang kaya NO3dan miskin sumber karbon maka dominasi aktivitas kelompok bakteri denitrifikasi akan terlihat, sebaliknya jika pada sedimen kaya sumber karbon maka bakteri DNRA akan lebih dominan. Hal ini disebabkan dengan ketersediaan sumber karbon sangat disukai oleh bakteri fermentasi (Kelso et al 1999). Kemampuan bakteri untuk bertahan hidup di lingkungan sangat dipengaruhi oleh kemampuan bakteri untuk memanfaatkan berbagai sumber karbon yang tersedia ketika kondisi anaerob. Struktur kimia sumber karbon memiliki efek yang berbeda terhadap reduksi nitrat dan reduksi nitrit. Pengaruh sumber karbon terhadap aktivitas reduksi nitrat tergantung dari sensitivitas sistem nitrat reduktase yang dimilikinya dan kemampuan isolat untuk melakukan metabolisme sumber karbon yang tersedia dengan lebih efisien dan menghasilkan energi yang besar serta sedikit menghasilkan gas perantara dalam mereduksi nitrat (Monteith et al.1980).
