Mikrobiologi

MIKROBIOLOGI PERTANIAN

A.   Sejarah Mikrobiologi :

Mikrobiologi merupakan ilmu yang khusus mempelajari mengenai mikrobia, atau seperti yang dikatakan Pelczar, et al. (1958) yaitu mempelajari organisme-organisme yang berukuran mikro (mikroorganisme). Mikroorganisme adalah organisme hidup yang pertama kali di planet bumi, dan mereka dapat hidup di mana pun selama kehidupan memungkinkan, Jumlah mikroorganisme lebih banyak dibandingkan organisme lain di bumi Seluruh ekosistem tergantung pada aktivitas mikroorganisme, dan mikroorganisme mempengaruhi masyarakat manusia.

Ilmu mikrobiologi pun terus dipelajari dan selalu berkembang dari tahun ke tahun, terutama sejak ditemukannya lensa dan kemudian dirangkai menjadi sebuah mikroskop pada sekitar abad 16 M. Bila diperhatikan, waktu awal berkembangnya mikrobiologi ini sudah jauh ketinggalan dibanding perkembangan ilmu-ilmu sains lainnya seperti mengenai anatomi zoologi dan botani. Menurut penulis, hal ini jelas dipengaruhi karena sebelum saat itu belum ditemukan mikroskop, sedangkan mikrobia atau mikroorganisme yang ukurannya sangat kecil tentu hanya dapat dilihat dengan bantuan mikroskop. Selain itu, pada zaman sebelum itu manusia lebih banyak mempelajari kesehatan dan kedokteran dari sisi anatomi dan fisiologi.

Walaupun demikian, sekitar abad 4 M, seorang filsuf yang bernama Aristoteles sudah membuat pernyataan yang sedikit menyinggung tentang materi-materi berukuran kecil. Ia mengatakan bahwa setiap organisme hidup berkembang dari materi-materi kecil tak hidup. Dengan demikian terlihat bahwa manusia pun sudah mulai memikirkan mengenai materi-materi kecil di sekitar mereka.

Penelitian mengenai mikroorganisme ataupun materi-materi hidup berukuran kecil (mikro) diketahui dimulai oleh Robert Hooke pada sekitar tahun 1660. Ia mengamati irisan gabus dengan menggunakan mikroskop (yang paling baik pada zaman itu), dan ia menemukan ruang-ruang kosong yang berukuran kecil dan tersusun rapat pada irisan gabus tersebut. Ruang-ruang kosong tersebut kemudian dideskripsikan sebagai sel yang menyusun tubuh makhluk hidup.

Anton van Leeuwenhoek merupakan orang pertama yang meneliti dan mempublikasikan mikroorganisme dengan deskripsi dan gambar yang jelas yaitu sekitar tahun 1676. Dengan menggunakan mikroskop yang lebih baik, ia dapat mendeskripsikan protozoa serta menemukan bakteri-bakteri di berbagai tempat disekitarnya seperti pada air hujan bahkan pada air liurnya sendiri. Penemuan dari Leeuwenhoek ini.

Pada kurun waktu yang sama, di kalangan masyarakat, baik yang awam maupun beberapa ilmuwan, berkembang konsep bahwa organisme hidup dapat berkembang dari materi tidak hidup, yakni dalam artian misalnya seekor katak dapat saja berasal dari lumpur. Hal ini, menurut penulis, dapat dipengaruhi oleh usulan maupun penelitian-penelitian sebelumnya, dimana Aristoteles mengemukakan hal yang sama, serta penemuan Robert Hooke dan Leeuwenhoek mengenai adanya organisme hidup pada materi-materi tak hidup. Dapat dikatakan bahwa pada saat itu merupakan saat-saat yang gelap bagi perkembangan ilmu pengetahuan dikarenakan teori-teori yang sulit diterima akal sehat tersebut. Namun kemudian seorang ilmuwan bernama Francesco Redi dapat membantah teori tersebut dengan menunjukkan bahwa belatung pada daging busuk berasal dari telur lalat yang meletakkan telur pada daging tersebut, bukan dari daging itu sendiri.

Kemudian pada abad 18, Lazzaro Spallanzani menunjukkan bahwa labu yang ditutup dan kemudian dididihkan tidak ada mikroorganisme yang tumbuh, dan menyatakan bahwa udara yang masuk ke labu medium membawa benih, dan udara mungkin diperlukan untuk mendukung pertumbuhan organisme yang sudah ada di medium. Juga Louis Pasteur pada abad setelahnya, menguatkan teori tersebut dengan menjebak organisme yang terbawa udara dalam kapas, dia juga memanaskan leher labu angsa, mensterilkan media, dan membiarkan labu terbuka. Hasil percobaan menunjukkan tidak ada pertumbuhan organisme sebab partikel debu yang membawa organisme tidak mencapai medium, namun debu terjebak dalam leher labu dan jika leher labu dipecah, debu akan mencapai medium dan organisme akan tumbuh. Dengan cara ini, Pasteur telah mematahkan teori generasi spontan yang tidak masuk akal tersebut.

Penemuan Pasteur ini tentunya membuka jalan bagi penelitian-penelitian mengenai mikrobiologi selanjutnya, terutama setelah kemudian diketahui adanya hubungan antara mikroorganisme dengan penyakit-penyakit yang banyak diderita, sehingga ilmu ini banyak dikembangkan untuk kebutuhan kedokteran. Contohnya Joseph Lister pada sekitar abad 19, menunjukkan suatu sistem pembedahan yang dirancang untuk mencegah mikroorganisme menginfeksi luka bedah, sehingga pasien jauh lebih sedikit yang terinfeksi pascaoperasi. Penemuan Lister ini memberikan bukti tidak langsung bahwa mikroorganisme adalah agen penyebab penyakit manusia. Setelah itu, mulai dikembangkan teknik untuk mempelajari patogen-patogen dari mikroba, serta kajian-kajian mengenai Imunologi seperti vaksinasi untuk berbagai macam penyakit, contohnya Louis Pasteur yang mengembangkan vaksin untuk penyakit kolera ayam, antraks, dan rabies.

Kemudian mikrobiologi juga berkembang dalam industri baik industri makanan, minuman, pertanian, serta dalam pengendalian lingkungan, terutama pada abad 20 hingga sekarang ini, perkembangan pada bidang-bidang tersebut semakin pesat. Hal ini dapat disebabkan oleh tuntutan keadaan dan kondisi alam serta perekonomian dunia, dimana sumber makanan tidak sebanding dengan kebutuhan sehingga manusia harus berupaya membuat makanan dan minuman yang bergizi namun mudah didapat dengan harga yang minimal. Begitupula dengan pengendalian lingkungan, misalnya dengan memberlakukan pengolahan limbah, baik limbah pabrik maupun limbah pertambangan, menggunakan bakteri-bakteri ataupun mikroorganisme lain yang dapat menguraikan limbah tersebut secara alami. Berdasarkan perkembangan mikrobiologi seperti yang dijelaskan di atas, sangat jelas bahwa mikrobiologi, sejak penemuannya, memiliki arti dan peran sangat penting. Peran mikrobiologi sendiri tidak hanya seputar kesehatan, pertanian, ilmu pangan, dan ekologi, namun juga terhadap penelitian-penelitian masa kini seperti dalam bidang genetika, biokimia, dan biologi molekuler.

B.   Peran Mikrobiologi :

1.      Mikrobiologi dalam Masalah Pangan

Kehidupan mikroorganisme sangat luas, seperti di air, tanah, udara, tubuh hewan, tubuh manusia, tubuh tumbuhan dan lain-lain, sehingga dikatakan habitatnya kosmopolit. Karena sifat kosmopolit ini dapat mengakibatkan bahan makanan mudah rusak bila bercampur berbagai bacteri. Bahan pangan selain merupakan sumber gizi bagi manusia, juga merupakan sumber gizi makanan bagi perkembangan mikroorganisme. Pertumbuhan mikroorganisme selain yang merusak bahan makanan, ada pula yang bersifat menguntungkan melalui fermentasi. Fermentasi adalah suatu proses perombakan dari senyawa yang lebih kompleks menjadi lebih sederhana dengan bantuan mikroorganisme.
Mikroorganisme yang paling banyak berperan dalam proses fermentrasi maupun pembusukan bahan makanan adalah bacteri dan jamur. Dalam beberapa hal pertumbuhan mikroorganisme pada bahan pangan yang menguntungkan sangat diharapkan seperti untuk perbaikan mutu gizi, perbaikan daya cerna atau citra rasa.
- Kue Mikroba

Pada tahun 1521 Bernel Dioz Castilo telah mengenal bahwa penduduk Mexico talah mengkomsumsi kue dengan aroma seperti keju yang dibuat dari suatu lendir. Lendir ini adalah Spirulina maxima, ialah ganggang yang hidup di danau Texcoco. Penduduk Kanembu di Chad Afrika mengkonsumsi mikroba Spiruline platensis.

- SCP (Single cell Protein)
Istilah protein sel tunggal atau single cell protein (SCP) mengacu pda sel mikroorganisme yang dikeringkan seperti ganggang, kapang, bakteri, yang ditumbuhkan dalam sistem biakan berskala besar dan terutama digunakan sebagai sumber protein dalam pangan. Namun demikian di dalam sel mikroba terdapat juga karbohidrat, lemak, vitamin, mineral dan lain-lain. Protein mikroba ini diharapkan dapat menggantikan protein dari hewan maupun tumbuhan yang diperlukan semakin banyak sehingga dapat mengurangi penggunaan bahan pangan dari kedelai, daging, ikan dan sebagainya.

Produk-produk protein sel tunggal telah banyak dijual, walaupun harganya masih cukup mahal, misalnya sun chlorella, spirulina dan lain-lain. Produk protein sel tunggal pertama kali telah dibuat pada masa Perang Dunia I, ketika di Jerman orang memanfaatkan khamir roti Saccharomyces cereviciae ditumbuhkan pada melase sebagai sumber karbon dan energi, serta garam amonium sebagai sumber nitrogen, dan hasilnya dikonsumsikan sebagai pengganti protein. Pada Perang Dunia II menggunakan spesies candida. Di Inggris khamir digunakan diet selama bertahun-tahun dan kelebihan produk dijual untuk makanan ternak.
Rank Houvis Mc Dougall membuat SCP yaitu mikroprotein untuk konsumsi manusia menggunakan Fusarium.

·   Mikroorganisme: Bahan dasar Produk/hasil

- Acetobacter xylinum Air kelapa Nata de coco
- Monascus purpureus Nasi merah Angkak
- Ragi Beras ketan, singkong Fermentasi
- Aspergillus wentii Kedelai Kecap
- Rhizopus oryzae idem Tempe

2.      Mikroorganisme Penghasil Obat :

Mikroorganisme tertentu memiliki kemampuan menghasilkan suatu produk untuk menyembuhkan penyakit yang disebabkan oleh mikroorganisme lain atau penyakit karena gangguan fisiologis. Dua produk yang erat kaitannya dengan dengan mikroorganisme adalah vaksin dan antibiotik. Penemuan vaksin cacar pertama kali ditemukan oleh Edward Jenner (1796) sehingga mendorong para ahli biologi lain untuk meneliti vaksin maupun antibiotik melalui bioteknologi. Penemuan vaksin diawali ketika Jenner melihat seorang pemerah susu sapi yang jari tangannya teredapat bekas luka ketika menderita cacar, padalah pada waktu itu sedang terjadi wabah cacar. Demikian juga seseorang yang telah sembuh dari penyakit cacar, dengan meninggalkan bekas-bekas luka ternyata kebal terhadap penyakit cacar. Dengan sifat kekebalan cacar tersebut Jenner mulai malakukan percobaan untuk mendapatkan vaksin dadar dari serum darah tersebut. Sekarang kita tahu bahwa penyakit cacar disebabkan oleh virus Variola, dan penyakit cacar sapi disebabkan oleh virus yang serupa walaupun berbeda. Dimasukannya virus cacar sapi yang telah dilemahkan ke dalam tubuh pasien, akan merangsang tubuh untuk membentuk antibodi yang efektif untuk melawan suatu infeksi lanjutan dari virus cacar yang serupa. Cara yang dilakukan dengan memasukan mikroorganisme yang dilemahkan ke dalam tubuh manusia untuk memberikan kekabalan terhadap mikroorganisme berbahaya disebut vaksinasi.

·   Jenis vaksin Penyakit yang disembuhkan
- Vaksin hepatitis B Hepatitis B
- Vaksin BCG BCG (Baccillus Calmette Guirin)
- Vaksin rabies Anjing gila
- Vaksin DPT Dipteri, pertusis, tetanus
- Vaksin polio Polio melimylitis

Salah satu kelemahan vaksin-vaksin yang dibuat dengan cara seperti di atas ternyata menimbulkan rasa sakit setelah diberi suntikan vaksin tersebut, misalnya demam. Dewasa ini dengan bioteknologi mulai dibuat vaksin yang tidak menyebabkan rasa sakit jika disuntikan ke tubuh orang sehat. Pembuatan vaksin ini adalah sebagai berikut. Bacteri atau virus penyebab penyakit pada umumnya memiliki permukaan protein yang khusus. Dengan penyisipan gen dihasilkan copy salinan dari permukaan tersebut. Salinan permukaan protein tersebut kemudian digunakan untuk memvaksin. Contoh vaksin aman telah dihasilkan hepatitis B, Chlamyda dan malaria. Antibiotik pertama kali ditemukan oleh Louis Pasteur dari jamur Penisillium sp. Alexander Flemming (Inggris, 1928) menemukan koloni jamur Penicillium notatum yang dapat menghambat pertumbuhan bacteri Staphulococcus aureus dan sekitanya. Bacteri yang resisten terhadap penisilin dapat dibunuh dengan sefalospurin C dari jamur jenis Cephalospurium yang ditemukan oleh Prentis tahun 1984. Antibiotik adalah bahan-bahan bersumber hayati berkadar rendah yang mampu menghambat pertumbuhan mikroorganisme, sehingga dalam perkembangannya dapat digunakan untuk mengobati suatu penyakit. Mikroorganisme yang mampu membuat zat antibiotik tertama adalah fungi (jamur) Actinomycetes, Aspergillus dan beberapa jenis bacteri. Sampai sekarang ini ditemukan lebih dari 2000 karakter antibiotik. Dengan adanya perkembngan bioteknologi, sekarang mulai dikembangkan jenis-jenis mikroorganisme tertentu yang telah diubah susunan genetiknya sehingga mampu menghasilkan antibiotik dalam jumlah lebih besar dalam waktu yang singkat.

Jenis mikroorganisme Antibiotik yang diproduksi:

- Penicillium notatum Penisilin
- Penicillium chrysogenum Penisilin
- Cephalosporium (fungsi) Sefalosporium
- Streptomyces gruceus Streptomisin
- Streptomyces venecuelae Kloromisetin atau kloromfemikol
- Streptomyces aureofaciens Teraksiklin
- Sterpomyces fradial Neuromisin
- Sterptomyces rimosus Teramisin

Antibiotik lain berasal dari mikrooganisme berfilamen (Sterptomyces griseus) di namakan stertomisin. Streptomisin dapat menjinakan mikroorganisme yang telah tahan terhadap penisilin dan sefalosporin.

Streptomisin terutama digunakan dalam pengobatan tuberkulosis. Selain pembentukan antibiotika yang dimodifikasi seperti di atas, fusi/peleburan sel dapat pula memprodusir antibiotika baru dengan cara mengaktifkan gen yang semula tidak aktif. Fusi sel membentuk sel hibrid atau rekombinan yang mengandung substansi genetik dari dua sel atau lebih. Sel yang akan berfusi mungkin dari spesies yang berlainan sama sekali. Tujuan teknik ini ialah untuk memperoleh senyawa genetik yang baru, yaitu kombinasi yang mungkin jarang sekali ditemukan di alam. Dengan demikian, dapat dikatakan bahwa rekayasa genetika dapat digunakan untuk membentuk antibiotika yang termodifikasi. Salah satu produk pertama dari teknologi ini adalah interferon, yaitu sekelompok senyawa anti virus yang mempunyai nilai (manfaat) dalam mengobati beberapa bentuk kanker. Sebelum rekayasa genetik, sel-sel manusia merupakan satu-satunya sumber interferon khas manusia. Tidak hanya sel-sel manusia yang secara relatif sulit untuk dikembangbiakkan, tetapi interferon yang mereka hasilkan juga diliputi oleh protein yang tidak diinginkan. Memisahkan interferon dari bahan kimia adalah sangat mahal, dan tidak mungkin untuk memperoleh kemurnian yang memadai. Sekarang bakteri yang direkayasa secara genetik dan mengandung gen interferon mengeluarkan sejumlah besar obat-obatan ke dalam medium kultur yang mudah dikembangbiakkan dan dimurnikan. Sebelum rekayasa genetik, masing-masing senyawa dalam daftar berikut tidak dapat diperoleh atau dihasilkan dari hewan mamalia (atau sel-sel mamalia yang dikembangbiakkan di laboratorium) dalam jumlah yang sangat sedikit. Sekarang senyawa-senyawa tersebut diproduksi oleh mikroba-mikroba yang direkayasa secara genetik (walaupun banyak di antaranya yang masih dalam tingkat eksperimental).

Tabel senyawa yang diproduksi oleh mikroba yang direkayasa

N a m a :
1. Interferon
2. Interleukin 2 (dulu di kenal sebagai faktor pertumbuhan T-sel.
3. Insulin
4. Hormon pertumbuhan
5. Aktivator plasminogen
6. Faktor nekrosis tumor
7. Eritropoietik
8. Beta endorfins
9. Enzim
10.Vaksin protein

Fungsi:
1. Melawan infeksi yang disebabkan oleh virus, meningkatkan sistem kekebalan ; mungkin efektif untuk melawan melanoma (kanker kulit) dan beberapa bentuk leukimia ; dapat membantu menyembuhkan reumatik tulang.
2. Mengaktifkan sistem kekebalan dan karena itu dapat membantu mengobati kanker dan kerusakan atau gangguan sistem kekebalan.
3. Mengontrol gejala-gejala sakit gula atau diabetes melitus.
4. Melawan kekredilan akibat ketidaknormalan kelenjar putiari (kelenjar endokrin di bawah otak) ; juga meningkatkan penyembuhan.
5. Melarutkan pembekuan darah, mengurangi kemungkinan “stroke” dan serangan jantung.
6. Menyerang dan membunuh tumor (penyembuhan kanker).
7. Memacu produksi sel darah merah dan dengan demikian dapat digunakan untuk melawan anemia.
8. Mengurangi rasa sakit (nyeri). Merupakan morfin alami dalam tubuh.
9. Melakukan berbagai macam pelayanan, dari menggerakan atau memacu reaksi-reaksi kimia untk industri sampai ke penambahan enzim-enzim makanan (diet) manusia.
10.Memacu kekebalan tubuh terhadap satu atau dua antigen patogen tanpa resiko yang berkaitan dengan vaksin konvensional.

3.      Mikroorganisme untuk Membasmi Hama Tanaman :

Dalam bidang pertanian telah dapat dibentuk tanaman dengan memanfaatkan mikroorganisme dalam fiksasi nitogen yang dapat membuat pupuknya sendiri sehingga dapat menguntungkan pada petani. Demikian pula terciptanya tanaman yang tahan terhadap tanah gersang. Mikroba yang di rekayasa secara genetik dapat meningkatkan hasil panen pertanian, demikian juga dalam cara lain, seperti meningkatkan kapasitas mengikat nitrogen dari bacteri Rhizobium. Keturunan bacteri yang telah disempurnakan atau diperbaiki dapat meningkatkan hasil panen kacang kedelai sampai 50%. Rekayasa genetik lain sedang mencoba mengembangkan turunan dari bacteri Azotobacter yang melekat pada akar tumbuh bukan tumbuhan kacang-kacangan (seperti jagung) dan mengembangbiakan, membebaskan tumbuhan jagung dari ketergantungan pada kebutuhan pupuk amonia (pupuk buatan).

Hama tanaman merupakan salah satu kendala besar dalam budidaya tanaman pertanian. Untuk mengatasinya, selama ini digunakan pestisida. Namun ternyata pestisida banyak menimbulkan berbagai dampak negatif, antara lain matinya organigme nontarget, keracunan bagi hewan dan manusia, serta pencemaran lingkungan. Oleh karena itu, perlu dicari terobosan untuk mengatasi masalah, tersebut dengan cara yang lebih aman. Kita mengetahui bahwa mikroorganisme yang terdapat di alam sangat banyak, dan setiap jenis mikroorganisme tersebut memiliki sifat yang berbeda-beda. Dari sekian banyak jenis mikroorganisme, ada suatu kelompok yang bersifat patogenik (dapat menyebabkan penyakit) pada hama tertentu, namun tidak menimbulkan penyakit bagi makhluk hidup lain. Contoh mikroorganisme tersebut adalah bakteri Bacillus thuringiensis. Hasil penelitian menunjukkan bahwa Bacillus thuringiensis mampu menghasilkan suatu protein yang bersifat toksik bagi serangga, terutama seranggga dari ordo Lepidoptera. Protein ini bersifat mudah larut dan aktif menjadi menjadi toksik, terutama setelah masuk ke dalam saluran pencemaan serangga. Bacillus thuringiensis mudah dikembangbiakkan, dan dapat dimafaatkan sebagai biopestisida pembasmi hama tanaman. Pemakaian biopestisida ini diharapkan dapat mengurangi dampak negatif yang timbul dari pemakaian pestisida kimia. Dengan berkembangnya bioteknologi, sekarang dapat diperoleh cara yang lebih efektif lagi untuk membasmi hama. Pada saat ini sudah dikembangkan tanaman transgenik yang resisten terhadap hama. Tanaman transgenik diperoleh dengan cara rekayasa genetika. Gen yang mengkode pembentukan protein toksin yang dimiliki oleh B. thuringiensis dapat diperbanyak dan disisipkan ke dalam sel beberapa tanaman budidaya. Dengan cara ini, diharapkan tanaman tersebut mampu menghasilkan protein yang bersifat toksis terhadap serangga sehingga pestisida tidak diperlukan lagi.

4.      Mikroorganisme untuk Penyelesaian Masalah Pencemaran :

Dalam perkembangan bioteknologi manusia mulai mengembangkan penggunaan mikroorganisme untuk membantu melindungi lingkungan dari kerusakan atau ganguan lingkungan yang serius, seperti kerusakan lingkungan yang diakibatkan dari penyemprotan areal pertanian dengan menggunakan pestisida. Rekayasa genetika diharapkan dapat menghasilkan mikroba yang mampu membersihkan lingkungan yang semakin tercemar oleh limbah beracun. Misalnya terhadap polutan dan limbah beracun. Banyak polutan beracun seperti senyawa-senyawa sintesis yang baru, dimana mikroorganisme tidak mampu menghancurkan bahan-bahan kimia ini. Akibatnya senyawa-senyawa tersebut mengumpul sampai ke tingkat yang membahayakan di lingkungan. Perekayasa genetika berusaha mempercepat evolusi di laboratotium untuk mengembangkan bakteri yang dengan cepat dapat menurunkan beberapa bentuk senyawa beracun. Yang telah diusahakan dan dikembangkan adalah keturunan bakteri yang menyerang minyak tanah (suatu tumpahan minyak dapat menjadi makanan besar bagi bakteri ini). Sebagai biofilter, beberapa mikroorganisme mampu mengikat partikel atau zat tertentu yang menyebabkan pencemaran. Bahan-bahan yang diserap ini kemudian akan diuraikan oleh mikroorganisme tersebut menjadi bahan-bahan yang tidak berbahaya bagi lingkungan. Jadi dalam penanganan limbah dengan menggunakan mikroorganisme biofilter, limbah tersebut akan disaring oleh mikroorganisme jenis ini dengan cara mengikat zat atau partikel limbah, baru kemudian diuraikan. Contoh mikroorganismenya adalah Spirulina maxima yang mampu mengikat karbondioksida dari perairan.

Mikroorganisme juga dapat berperan dalam penanganan masalah pencemaran dengan cara memecah ikatan kimia bahan pencemar. Setelah ikatan kimia dipecah, bahan tersebut dapat diuraikan secara alamiah menjadi bahan yang tidak berbahaya lagi, atau dapat dimanfaatkan oleh mikroorganisme yang lain. Contoh mikroorganisme ini adalah jamur Chaetomium cellulolyticus yang mampu memecah ikatan kimia selulosa. Mikroorganisme yang lain dapat secara langsung berfungsi sebagai pengurai atau dekomposer limbah. Jadi bahan-bahan pencemar langsung diuraikan sehingga menjadi bagian yang tidak berbahaya lagi. Contohnya adalah Candida lypitica yang mampu menguraikan limbah minyak bumi.