biogeokimia 2 revisi 2015.ppt

52
Foundations in Microbiology Sixth Edition Chapter 26 Environmental and Applied Microbiology Talaro Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.

Upload: claudianuriendita

Post on 23-Dec-2015

248 views

Category:

Documents


1 download

TRANSCRIPT

  • Foundations in MicrobiologySixth EditionChapter 26Environmental and Applied MicrobiologyTalaroCopyright The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.

  • Environmental Microbiology. Ilmu yang mempelajari tentang mikroorganisme dan aktivitasnya di alam untuk memahami peranannya dalam mempertahankan biosfer dan potensinya dalam proses me-remediasi (memperbaiki) lingkungan yang rusak

  • Microbial EcologyEkologi mikrobial adalah ilmu yang mempelajari interaksi di dalam populasi mikroorganisme, dan interaksi antara populasi mikroorganisme dengan organisme lain.Mikroorganisme menghubungkan benda hidup dan benda mati dalam lingkungan. Mikroorganisme mempertahankan dan mendaur unsur-unsur penting secara biologi C,N,P dan SMikroba merupakan komponen pertama dan terakhir dari piramida energi (lihat gambar)

  • Ruang Lingkup Mikrobiologi LingkunganSoilmicrobiologyAero-microbiologyHazardous waste/bioremediationAquaticmicrobiologyWater qualityIndustrial microbiologyFood safetyOccupationalhealth/InfectioncontrolDiagnostic microbiologyBiotechnology

  • MICROORGANISME DI LINGKUNGANTerdapat dimana-mana - di semua tempatDi luar dan di dalam tubuh terdapat pada benda yang kita sentuh, digunakan, dimakan dan diminumPermukaan basah biofilmsTumbuhanlaut dalamExtraterrestrial? (diluar planet bumi)

  • Microorganisms in the EnvironmentVirus patogen terhadap hewan dan tumbuhan, bahkan bakteri -- bacteriophages (virus bakteri)pelopor penghasil antibiotik, bakteriopag dipelajari sebagai anti bakteri. Bakteri beberapa bersifat patogen dan komensalisme (tidak merugikan), bberapa bersifat sapropit (hidup dari sisa-sisa mahluk hidup), beberpa bersifat kemolitotrop dan beberapa dapat berfotosintesis (cyanobacteri, alga)

  • Kelompok Microorganisme di LingkunganArchaeaAlga produsen primer dan beberapa patogen Fungi mikroscopi to makroscopikProtozoa parasit & saprofit

  • monitoring lingkunganTantangan:mempelajari struktur komunikasi mikroba dan fungsinya dalam kondisi insitumengisolasi mikroorganisme dari lingkungan alamiah dan mempelajari di lingkungan buatan laboratorium mungkin menjadi tidak diperlukan lagi, Mengapa?Mengisolasi satu populasi mikroba dari populasi lain mungkin menjadi sulit

  • Modern Environmental MicrobiologyMenemukan dan mengidentifikasi mikroba baru, aktivitas mikroba dan produk mikroba yang melindungi lingkungan menggunakan produk mikrobisl sebagai pestisida dan menggantikan pestisida sintetik (kimia) yang dapat hidup lama di lingkungan. Microbially enhanced oil recovery. Example of a product?meningkatkan mineral tanah oleh mikroba (mengembalikan kesuburan tanah)Bioremediasi

  • *Ekologi: The Interconnecting Web of LifeMikrobiologi lingkungan atau ekologi mikrobiologi mempelajari mikroba pada habitat aslinya Mikrobiologi Aplikasi mempelajari penggunaan mikroba ddalam pengolahan makanan, produksi industri dan bioteknologi Ecologi Mikrobial - mempelajari interaksi antara mikroba dan lingkungannya yang melibatkan komponen mahluk hidup dan benda mati

  • *Ekosistem adalah sekumpulan organisme dan Faktor fisik dan kimia disekelilingnyaEkosistem terdiri dari :Biosfir lapisan kehidupan (flora dan fauna) yang terdapat padapermukaan bumi. Made up of:hidrosfir (air)litosfir (tanah)atmosfir (udara)Mempertahankan dan menciptakan kondisi dari Suhu, cahaya, gas, uap air dan mineral yang dibutuhkan dalam proses kehidupan Bioma- daerah iklim tertentu, padang pasir, hutan hujan tropis, padang rumput,pegunungan dll

  • *Komunitas asosiasi organisme-organisme yang hidup bersama dan memperlihatkan dengan jelas keterkaitan gizi atau perilakuPopulasi organisme dari spesies yang sama dan berada dalam satu komunitas Habitat lingkungan Fisik tempat organisme tinggal dan beradaptasiNiche (relung) Peran keseluruhan spesies, atau organisme dalam komunitas; asupan gizi, posisi dalam komunitas, dan laju pertumbuhannya

  • *Insert figure 26.2Levels of organizationLEVEL ORGANISMEDI DALAM SUATUEKOSISTEMbiosfir

  • *Aliran energi dan nutrisi dalam ekosistemOrganisme mendapat energi dan nutrisi dari lingkungannya.Rantai makanan atau piramida energi merangkum tingkat makan sbb:produsen menyediakan sumber energi dasar/utama (karbohidrat, lemak) : organisme yang menghasilkan senyawa-senyawa organik dengan mengasimilasi karbon dari atmosfir; sebagian besar fotosintesis dan disebut autotrop consumers memakan organisme hidup lain dan memperoleh energi dari ikatan kimia; primer, sekunder, tersier ...decomposers terutama mikroba, memecah dan menyerap bahan organik dari organisme mati; mendaur ulang bahan organik menjadi mineral anorganik dan gas, nutrisi dgn mineral

  • *Insert figure 26.3Trophic and energy pyramidPIRAMIDA ENERGI

  • *Energi tidak didaur ulangEnergi ditransfer ke tingkat berikutnya dalam piramida energi, sebagian besar energi akan hilang dan tidak dapat digunakan dalam sistem.Hubungan proses memakan diwakili oleh jaring makanan yang mewakili struktur gizi /nutrisi sebenarnya dari sebuah komunitas.

  • *Insert figure 26.5Food web

  • *Interaksi ekologikal antara organisme-organisme yang ada dalam komunitas Keterkaitan dinamis berdasarkan nutrisi dan habitat bersamaMutualisme saling menguntungkankomensalisme satu untung dan yang lain tidak merugi atau membahayakan

    sintrofisme produk metabolit dari suatu organisme digunakan oleh organisme lain Sinergisme kolaborasi dua organisme untuk memecah nutrien yang tidak di produksi sendiri

  • *Parasitisme satu organisme memperoleh nutrien dan habitatnya dari organisme lain (host/inang) yang umumnya merugikan si inangnyakompetisi satu anggota mengeluarkan zat antagonis yang menghambat atau membunuh spesies rentan yang hidup bersama dalam habitatnyaPredator konsumen yang aktif mencari dan mencerna mangsa hidupScavengers memakan berbagai macam makanan termasuk bangkai

  • *The Natural Recycling of BioelementsProses dimana bioelemen dan "essential building blocks of protoplasm (sel)" didaur ulang (recycled) diantara lingkungan biotik dan abiotik Elemen penting yang di-recycle (di daur ulang) melalui, mekanisme geologi, biologi dan kimia Siklus biogeokimia.Mikroorganisme mengubah elemen dari anorganik dan menjadikan masuk ke dalam jaring makanan (sebagai bahan organik).semua unsur asalnya dari benda tak hidup (an-organik), tersimpan lama dalam tanah (litosfir), air (hidrosfir) dan udara (atmosfir). N2, PO4unsur-unsur akan berputar dari lingkungan abiotik (benda mati) ke lingkungan biotik (hidup)

  • Daur ulang (recycle)mempertahankan keseimbangan nutrien di biosfir sehingga mereka tidak ditambah atau dikurangi (INGAT JIKA TERJADI KESEIMBANGAN)siklus/daur adalah sistem komplek yang sangat bergantung pada peran Produsen, konsumen dan Dekonposer. seringkali hasil buangan (limbah) uatu organisme menjadi sumber energi bagi organisme lainsemua organisme berpartisipasi dalam proses siklus nutrien akan tetapi hanya mikroorganisme tertentu yang memiliki jalur metabolisme yang dapat mengubah senyawa anorganik menjadi nutrisi bagi organisme lain. contoh : bakteri tertentu dapat menangkap (Fiksasi) N2 diudara dan mengubagnya menjadi nirat yang merupakan sumber nutrisi N untuk tumbuhan

  • sejak jutaan tahun mikroba berperanan penting dalam membentuk dan mempertahankan kerak bumi, mengembangkan batuan dan mineral serta membantu pembentukan fossil fuels (minyak bumi)hal tersebut membuktikan peran biologi mempengaruhi proses geologik di bumi, di tanah ataupun di air bahkan udara. sehingga menimbulkan bidang ilmu baru : GEOMIKROBIOLOGIgeomikrobiologi mempelajari komunitas mikroba dan mendokumentasikan ratusan spesies bakteri yang terlibat dalam transformasi bio-elemen organik dan mineral seperti Fe, Zn, Mn dllMIKROBA DAPAT MENGUBAH IKLIM BUMI ??

  • MIKROORGANISME DAN LINGKUNGAN (BIOGEOKIMIA)Atom-atom yang terkandung di bumi adalah atom-atom yang sama yang terkandung dalam mahluk hidup (abiotik) dan lingkungan abiotik lainnya Dari 50-70 unsur unsur yang banyak dijumpai dilingkungan hidup hanya 15 unsur yang dikenal sebagai unsur penyusun biomasa Dari 15, hanya separuhnya saja yang telah dipelajari secara intensif sirkulasinya dalam ekosistem

  • Biogeokimia/siklus nutrien adalah :jalur siklus unsur-unsur kimia atau molekul yang bergerak dari lingkungan biotik (biosfir) ke lingkungan abiotik (litosfir, hidrosfir dan atmosfir) dan sebaliknya.Siklus nutrient dalam suatu ekosistem, adalah proses pergerakan atom-atom dari mahluk hidup ke atmosfir, tanah, batu-batuan dan air serta proses sebaliknya.

  • The Big Six (building blocks): H, C, O, N,P, S

  • PERUBAHAN SENYAWA AN-ORGANIK ORGANIK

  • Atmosfir merupakan reservoir (cadangan) CO2, O2 dan H2O. Senyawa anorganik bisa keluar masuk ke lingkungan Biota (hidup) melalui proses fotosintesis dan respirasi.Kandungan utama Atmosfir adalah N2 (80%) yang keluar masuk lingkungan biotic dengan bantuan bakteri.

    Atmosfir merupakan sumber nutrien anorganik

  • Siklus Karbon, Hidrogen dan Oksigen dalam EkosistemC,H dan O adalah unsur utama kehidupan, dihasilkan dari penguraian biomassa tumbuhanCO2 and O2 masuk ke biota dari atmosfirProduser mengolah CO2 dan H2O menjadi karbohidrat dan O2Produser, konsumen dan dekomposer mengubah karbohidrat menjadi CO2 and H2O kembali dengan bantuan O2

  • Siklus Carbon

    CH41. CO2 difiksasi (ditangkap) oleh kelompok mikroba fotoautotrop dan kemoautotrop.2. Metanogenesis adalah perubahan dari materi anorganik(CO2+H2) menjadi materi organik , metana

  • Mikroorganisme : Siklus karbon Penangkap Karbonfotoautotrop (sumber C an-organik dan energi matahari)

    Anaerobik : Chromatium (ungu, bacteria Sulfur ) Aerobik cyanobacteriaKemoautotrop (Sumber C an-organik, sumber energi reaksi kimia (redoks) - anaerobic

    Metanotrop: Methylomonas (sumber C nya gas metan CH4) Sulfur oxidizer: Thiobacillus

  • *Insert figure 26.6The carbon cycle

  • Mikroorganisme : Siklus karbonMetanogenesis adalah:mikroba (bakteri) yang mendegradasi karbon secara anaerob (hanya oleh mikroba) menghasilkan gas metana

    Kemoheterotrop (sumber C organik, energi dari reaksi kimia):

    AcetoclasticAcetate menjadi CO2 dan metanaKemoautotrop: (sumber C anorganik dan energi dari reaksi kimia)H2 or formate as energy & electron sourceCO2 menjadi metana dan komponen sel lain

  • Habitat dari mikroba Methanogen (penghasil gas metan)

  • Siklus NitrogenKandungan Nitrogen diudara ~80%Umumnya Mahluk hidup tidak bisa menggunakan N2 dari udara untuk membuat asam-amino, protein dan asam nukleatMahluk hidup sangat tergantung pada bakteri fiksasi Nitrogen, untuk mengubah N2 menjadi NH3(NH4+).Kandungan Nitrogen di alam ditambah dengan aktivitas pemupukan

  • Peranan mikroba dalam siklus Nitrogen

  • 8 Siklus Nitrogen :1. Nitrogen fixation N2 NH3 (aerobic) hidup bebas: Azotobacter, cyanobacteria; symbiotic: Rhizobium, Frankia (anaerobic): Clostridium perfringens, purple & green sulfur phototrophs.2. NH3 assimilation (aerobic & anaerobic)3. Ammonification : pembentukkan ammoniak (organic N NH3)

  • 4. Nitrosification (aerobic), Nitrosomonas5. Nitrification (aerobic), Nitrobacter6. Asimilasi Nitrat (NO3 NH3 asam amino)7. Dissimilatory nitrate reduction (NO3 - NO2-)8. Denitrification (NO3- N2) Bacillus, Pseudomonas,

  • *peristiwa sederhana dalam siklusNitrogen

  • *Insert figure 26.11Nitrogen fixation through symbiosis

  • Sumber biologi dari Nitrogen tanahHanya beberapa spesies bakteri dan sianonbakteri yang dapat menangkap nitrogen (fiksasi) Beberapa hidup bebas dan yang lain melakukan simbiosa mutuaalistik dengan tumbuhan.Beberapa diantaranya adalah lichens.

  • Biological Nitrogen FixationFiksasi Nitrogen adalah sumber utama dari nitrogen di tanah dalam ekosistem yang naturalFree-living soil bacteria dan cyanobacteria (blue-green algae) mampu mengubah N2 menjadi ammonia (NH3) ammonium (NH4+). Simbiosa bakteri (Rhizobium) dalam nodul-nodul (benjolan2) dari tanaman kacang-kacangan atau tanaman lain tertentu juga dapat menambah fiksasi nitrogen.

  • Kosumsi Nitrogen oleh tumbuhanTumbuhan dapat menyerap ammonium (NH4+) atau nitrat (NO3-) dan membuat asam amino dan asam nukleatMolekul2 tersebut digunakan sebagai the building blocks protein DNA, RNA, ATP, NADPThe building blocks dari kehidupan diregenerasi melalui kosumsi dan dekomposisi

  • Ammonification Decomposers mengubah nitrogen organik (CHON) menjadi ammonia (NH3) dan ammonium (NH4+). Sejumlah besar spesies bakteri dan fungi mampu mengubah molekul organik menjadi ammonia

  • DenitrificationSejumlah besar spesies bakteri dapat mengubah nitrit, nitrat and nitrous oxides (N2O) menjadi molekuler nitrogen.(N2).Dilakukan dalam kondisi anaerob They do this under anaerobic conditions as a means of obtaining oxygen (O2).Thus, the recycling of N is complete.

  • Mikroba pengguna NitrogenCyanobacteria blue-green algaebakteri tanahRhizobia:simbiosa bakteri yang hidup di akar tumbuhanbeberapa genus, Bacillus, Pseudomonas , Spirillum dan Thiobacillus melakukan denitrifikasi

    NO3- NO2- NO N2 O N2

    *There are two general types of nitrogen fixers

    Cyanobacteria primary producers, e.g., blue/green algae fix their own carbohydratesBacteria that require a source of carbohydratesGet it from dead organic matter in soilGet it directly from plants in a symbiotic relationship - mychorhizae

  • Sulfur cycle

  • Thiobacillus thiooxidans bakteri yang menghasilkan sulfur dalam jumlah besar kelingkungan: Na2S2O3 + H2O Na2SO4 + H2SO4 + 4S. Strictly aerobicGram-negativeRod shapedPolarly flagellatedNon-spore formingBest growth at 25-35 CObligate autotrophsGrow best at neutral pH (Some spp. are able to live in highly acidic environments)

  • SULFUR OXIDIZING FUNGIAspergillus japonicusPenicillium nalgiovense

  • PHOSPOR CYCLEMany fungi and bacteria (for example, Aspergillus, Penicillium, Bacillus and Pseudomonas) are agents in the dissolution of phosphates

  • *Insert figure 26.13Phosphorous cycleSIKLUS POSPAT

  • Siklus besiOksidasi Besi :Thiobacillus ferrooxidansGallionella

    Reduksi besi:Pseudomonas

    *There are two general types of nitrogen fixers

    Cyanobacteria primary producers, e.g., blue/green algae fix their own carbohydratesBacteria that require a source of carbohydratesGet it from dead organic matter in soilGet it directly from plants in a symbiotic relationship - mychorhizae