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 bahan-

bahan 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).

(2)

(1)

(3)

NH4

NH3

N2N2H2NH2OH

NO3-

N2N2O NO

NO2-

N2O

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.

NO3

- NO2- NO NOH

N2O

NH4+N2O2H2 NH2OH

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 bakteri-

bakteri ini dalam mereduksi nitrat juga bergantung pada kondisis lingkungan,

seperti konsentrasi bahan organik dan suhu. Jika kondisi sedimen yang kaya NO3-

dan 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).