NITROGEN CYCLING AND BACTERIAL DIVERSITY

MUHAMMAD FAHRI.
BRAWIJAYA UNIVERSITY MALANG
2009

Bacteria are essential organisms in the cycling of organic matter in natural environments, but the mechanisms controlling these processes are vaguely known. In addition to quality of the organic matter, availability of elements such as N, P, Fe and S often influences the microbial capacity for degradation of the organic matter. In the present study, we focussed on dissolved organic nitrogen (DON) as a representative type of natural organic matter. The cycling of DON was related to uptake or release of inorganic N and composition of the bacterial communities.
The main working hypothesis has been that the diversity of natural bacterial communities explains the frequent unpredictable variation in cycling of organic and inorganic nitrogen in aquatic environments.

The experimental work has been carried out by PhD Lone Frette as a partial fulfilment for her PhD thesis (Thesis title: Population dynamics in aquatic bacterioplankton, accepted January 2002).

Main conclusion of the experimental work is given in the following manuscripts:
1. Genetic and functional diversity of pelagic, culturable chemoorganotrophic bacteria from marine and estuarine environments
Bacteria from Kattegat (3.5 m depth), Skagerrak (30 and 79 m depth) and Roskilde Fjord were isolated on 10% ZoBell agar. From each locality 30 randomly picked isolates were chosen for identification by 16S rDNA sequencing. The isolates were further characterized with respect to enzymatic potential and growth on different C and N sources
Main results: Although a bacterial community may include a large variation in species composition, only a limited number of species will be numerically dominant at a certain locality at a given time. This is due to a close interplay between bacteria and the environment [link to manuscript abstract]
2. Interactions between protozoan grazing, availability of dissolved nitrogen, and bacterial community composition in experimental model systems

Preliminary experiments demonstrated that some of the bacterial isolates (manuscript above) had a preferential uptake of specific N compounds when grown in pure cultures. This selective uptake of N compounds may lead to different N profiles in the environment, e.g., if non-protein degrading bacteria dominate, this may lead to a higher ambient protein content. To examine whether different bacterial species, each with a different N preference, actually can influence the ambient N composition, four-species microcosms were offered typical, natural N compounds such as amino acids, protein, DNA, urea, nitrate and ammonium. In an additional series of experiments, the effect of bacterial grazing by the ciliate Uronema on the species dynamics was studied.

Main results: The environment (water and bacteria) influences the composition of the bacterial community through both a selective removal (grazing) and a selective growth stimulation (amount of N). However, due to a superfluous bacterial enzyme capacity for utilization of the tested N compounds (all were common N sources in aquatic systems), the bacterial activity in the different microcosms did not lead to major differences in the final ambient N pools. Thus, although natural microbial populations vary, this difference seems not to cause differences in the ambient N pools. Fig. 1 (pdf file): Preliminary graph demonstrating growth of four bacterial species as a function of N source.

In addition, a new, cellulose-degrading species species was identified:

3. Characterisation of Tenacibaculum cellulophagum sp. nov., a cellulose-utilising bacterium isolated from the pelagic of Skagerrak, Denmark
In this work two isolated bacteria within the Cythophaga-Flavobacter-Bacteroides group are described. These bacteria are known to be important in the degradation of polymer compounds. Although they are often isolated from marine surfaces, the present two species were pelagic organisms from Skagerrak.
Analysis of 16S rDNA sequences demonstrated that the two isolated species belonged to the recently described genera Tenacibaculum

AQUATIC FUNGI AS DECOMPOSERS OF ORGANIC MATTER
Fungi are traditionally considered to be dominant in organic matter cycling in terrestrial environments, while bacteria correspondingly are superior in aquatic areas. However, fungi are commonly found in sea and lake water, and their importance in nutrient cycling may be higher than expected.

Most research on aquatic fungi have focussed on either taxonomy and morphology, e.g. of spores, and on degradation of leaves and plant debris. Little is known about their growth physiology and ability to grow on planktonic cell remains such as dead phytoplankton cells.

Presence of fungi in natural waters raise interesting questions such as (1) is occurrence of fungi in water unintended (transport into the water due to wind and rain?) (2) do aquatic fungi form hyphae like terrestrial species and if yes, how do they cope with waves etc.? (3) can the fungi grow on minute surfaces such as dead planktonic algae? and (4) how do the fungi survive in an environments crowed by bacteria that are expected to have a high uptake capacity for organic matter?
In an attempt to answer these questions, an array of preliminary experiments have been conducted.

Experiments
Aquatic fungi were isolated from estuarine and marine environments by spreading a small volume of water onto petri dishes with potato-starch agar. About 10 colonies/species with a acceptable growth potential were reisolated and used for experiments.

Suspensions of the fungi (whirl-mixed hyphae in water) were added to cultures of dead Chlorella sp. algae in natural lake or sea water. After a week the fungal biomass had increased up to 20-fold (based on ergosterol content), while the density of the bacteria only increased slightly. Analysis of the proteolytic, extracellular activity (leu-MCA assay) in the water demonstrated an up to 6-fold higher activity when fungi were present.

These preliminary tests show that aquatic fungi in lake water with a moderate algal biomass can compete with bacteria for degradation of dead algae. This suggests that the organic matter content - at least in eutrophic environments - can support a successful growth of aquatic fungi.

Future?
The research on aquatic fungi is currently on hold due to lack of funding. Any suggestions to future collaboration - and financing - are most welcome!

DECOMPOSER
For the Matches album of the same name, see Decomposer.
The fungi on this tree are decomposers.

Decomposers (or saprotrophs) are organisms that consume dead organisms, and, in doing so, carry out the natural process of decomposition. Like herbivores and predators, decomposers are heterotrophic, meaning that they use organic substrates to get their energy, carbon and nutrients for growth and development. Decomposers use deceased organisms and non-living organic compounds as their food source. The primary decomposers are bacteria and fungi.

1 Importance of decomposers in the ecosystem
2 Bacteria
3 Fungi
4 Decomposers and detritivores
5 References

IMPORTANCE OF DECOMPOSERS IN THE ECOSYSTEM
When a plant or animal dies, it leaves behind nutrients and energy in the organic material that comprised its body. Scavengers and detritivores can feed on the carcasses, but they will inevitably leave behind a considerable amount of unused energy and nutrients. Unused energy and nutrients will be present both in the unconsumed portions (bones, feathers or fur in the case of animals, wood and other indigestable litter in the case of plants) and in the feces of the scavengers and detritivores. Decomposers eat things by breaking down this remaining organic matter by breaking it into pieces. Decomposers eventually convert all organic matter into carbon dioxide (which they respire) and nutrients. This releases raw nutrients (such as nitrogen, phosphorus, and magnesium) in a form usable to plants and algae, which incorporate the chemicals into their own cells. This process resupplies nutrients to the ecosystem, in turn allowing for greater primary production.

Although decomposers are generally located on the bottom of ecosystem diagrams such as food chains, food webs, and energy pyramids, decomposers in the biosphere are crucial to the environment. By breaking down dead material, they provide the nutrients that other organisms need to survive. As decomposers feed on dead organisms, they leave behind nutrients. These nutrients then become part of the soil.

Therefore, more plants can grow and thrive.

Bacteria
Bacteria are the primary decomposers of dead animals (carrion) and are the primary decomposers of dead plant matter (litter) in some ecosystems. In soils, where active fungal hyphae, and bacteria in such ecosystems are much more important in the recycling of nutrients. Bacteria can also be very important in agricultural fields, because tillage usually increases the abundance of bacteria relative to fungi.

Fungi
Fungi are the primary decomposers of litter in many ecosystems. Unlike bacteria, which are unicellular, most saprotrophic fungi grow as a branching network of hyphae. While bacteria are restricted to growing and feeding on the exposed surfaces of organic matter, fungi can use their hyphae to penetrate larger pieces of organic matter. Additionally, only fungi have evolved the enzymes necessary to decompose lignin, a chemically complex substance found in wood. These two factors make fungi the primary decomposers in forests, where litter has high concentrations of lignin and is often in large pieces. Also, if manufactured with other organisms, may grow elsewhere from its chemical pursuit, leaving behind the same type of bacteria left on the plant, tree organism, etc.

DECOMPOSERS AND DETRITIVORES
Some animals, like millipedes and woodlice, are commonly called decomposers, because such animals consume dead organic matter and contribute to the process of decomposition. Scientists, however, refer to such organisms as detritivores. This distinction is made because bacteria and fungi are capable of digesting many complex chemical molecules that animals are incapable of digesting. Additionally, bacteria and fungi digest and decompose organic matter more fully than detritivores, reducing it to inorganic material. For these reasons, bacteria and fungi play a more fundamental role in the processes of decomposition and nutrient recycling than animals. There are a lot of other kinds of decomposers around the world, including slugs and worms.

DETRITIVORE
Earthworms are a good example of soil-dwelling deposit feeders
Detritivores, also known as detritus feeders or saprophages, are heterotrophs that obtain nutrients by consuming detritus (decomposing organic matter). By doing so, they contribute to decomposition and the nutrient cycles.
Detritivores are an important aspect of many ecosystems. They can live on any soil with an organic component, and even live in marine ecosystems where they are termed interchangeably with bottom feeders.

Typical detritivorous animals include millipedes, woodlice, dung flies, many terrestrial worms, burying beetles, some sedentary polychaetes such as amphitrite, terebellids and fiddler crabs.

Many species of bacteria, fungi and protists, unable to ingest discrete lumps of matter, instead live by absorbing and metabolising on a molecular scale. Scavengers are typically not thought to be detritivores, as they generally consume larger quantities of organic matter. Coprovores are also usually treated separately as they exhibit a slightly different feeding behaviour. The eating of wood, whether live or dead, is known as xylophagy.

ECOLOGY
Woodlice can commonly be found eating damp rotting wood
In food webs, detritivores generally play the role of decomposers. Detritivores are often eaten by consumers and therefore commonly play important roles as recyclers in ecosystem energy flow and biogeochemical cycles.

Many detritivores live in mature woodland, though the term can be applied to certain bottom-feeders in wet environments. These organisms play a crucial role in benthic ecosystems, forming essential food chains and participating in the nitrogen cycle.
Fungi, acting as decomposers, are important in today's terrestrial environment. During the Carboniferous period, fungi and bacteria had yet to evolve the capacity to digest lignin, and so large deposits of dead plant tissue accumulated during this period, later becoming the fossil fuels[citation needed].

By feeding on sediments directly to extract the organic component, some detritivores accidentally concentrate toxic pollutants.

SAPROPHYTES
'Saprophyte' (-phyte meaning 'plant') is a botanical term that is now considered obsolete. There are no truly saprotrophic organisms that are embryophytes, and fungi and bacteria are no longer placed in the Plant Kingdom. Plants that were once considered saprophytes, such as non-photosynthetic orchids and monotropes, are now known to be parasites on fungi. These species are now termed myco-heterotrophs.[3][4][5]

DECOMPOSITION
For other uses, see Decomposition (disambiguation). Signs of death
1. Pallor mortis
2. Algor mortis
3. Rigor mortis
4. Livor mortis
5. Decomposition
6. Skeletonization

Decomposition (or spoilage) refers to the process by which tissues of dead organisms break down into simpler forms of matter. Such a breakdown of dead organisms is essential for new growth and development of living organisms because it recycles the finite chemical constituents and frees up the limited physical space in the biome. Bodies of living organisms begin to decompose shortly after death. It is a cascade of processes that go through distinct phases. It may be categorized in two stages by the types of end products. The first stage is limited to the production of vapors. The second stage is characterized by the formation of liquid materials; flesh or plant matter begin to decompose. The science which studies such decomposition generally is called taphonomy from the Greek word taphos - which means grave. Besides the two stages mentioned above, historically the progression of decomposition of the flesh of dead organisms has been viewed also as four phases: (1) fresh (autolysis), (2) bloat (putrefaction), (3) decay (putrefaction and carnivores) and (4) dry (diagenesis).

ANIMAL DECOMPOSITION
Ants cleaning dead snake
Decomposition begins at the moment of death, caused by two factors: autolysis, the breaking down of tissues by the body's own internal chemicals and enzymes and putrefaction, the breakdown of tissues by bacteria. These processes release gases that are the chief source of the unmistakably putrid odor of decaying animal tissue. Most decomposers are bacteria or fungi. Scavengers play an important role in decomposition. If the body is accessible to insects and other animals, they are typically the next agent of decomposition. The most important insects that are typically involved in the process include the flesh-flies (Sarcophagidae) and blow-flies (Calliphoridae). The green-bottle fly seen in the summer is a blowfly. The most important animals that are typically involved in the process include larger scavengers, such as coyotes, dogs, wolves, foxes, rats, and mice. Some of these animals also remove and scatter bones. Then they digest the bones.

PRINCETON ECOLOGY EDUCATION SERVICES
Nature Notes: Recycling Nutrients - The Decomposition Process
Recycling is an excellent stewardship activity since it can reduce the depletion of Earth's natural resources, as well as the number of landfills needed for storing our waste. However, in the natural world, recycling is not an optional event. Every living thing is made up of a variety of elements (e.g., carbon, hydrogen, and nitrogen) that are essential for existence. The total amount of these elements on planet Earth has not changed over millions of years. For example, the amount of water (hydrogen and oxygen elements combined) present today is the same amount that existed when dinosaurs roamed the Earth. If these elements were not recycled, life would cease to exist since nature would rapidly exhaust its supply of these nutrients.
Technically we call the circular movement of elements biogeochemical cycles since these chemicals, over a period of time, move through the living and nonliving environment. The term "nutrient cycle" is really a generalized designation for the different biogeochemical cycles of many different elements. It could, for example, be the water cycle, the oxygen cycle, the carbon cycle, the phosphorus cycle or the nitrogen cycle. When inorganic elements pass through living organisms they often become bound up as complex organic substances (e.g., organic molecules called carbohydrates contain the inorganic elements carbon, hydrogen and oxygen). When organisms die in both terrestrial and aquatic ecosystems, their bodies represent a reservoir of inorganic elements (nutrients). However, nature needs to separate the elements from their bound up state so that they can be recycled. All dead organic matter (dead bodies of all living things, as well as animal feces and shed body parts like snake skin) is called detritus. Some elements are removed from detritus by the leaching action of water. However, most removal occurs from the action of organisms called detritivores (pronounced di try' ti vores) and decomposers.

Detritivores digest the organic matter internally after ingesting it. They speed up decay by shredding the dead matter, thereby increasing the surface area for attack by the decomposers - bacteria and fungi (e.g., mushrooms). Both bacteria and fungi have the capacity to release enzymes that break apart the organic molecules, thereby releasing the inorganic elements into the environment (e.g., soil or water). This process is called decomposition. Some of these elements are then taken inside the bacteria or fungus to provide them with nutrients, as well as energy; those that are not taken in may be absorbed by plants and are eventually passed to herbivores and carnivores in the food chain. Nutrient cycling within an ecosystem is not a perfect process because some nutrients may be lost from the ecosystem as a result of soil erosion.

Detritivores and decomposers play a vital ecological role in assuring the survival of plants, and thus all life, by recycling nutrients back to them. Also, detritivores and decomposers are nature's garbage collectors - insuring that an ecosystem will not suffocate under a mass of dead matter.

Some books erroneously list organisms such as termites and earthworms as decomposers. They loosely use the terms detritivore and decomposer synonymously. This is a mistake. While detritivores increase the surface area for decomposition, they are not true decomposers since they do not convert dead tissue into inorganic elements.
The rate of decomposition is affected by a variety of abiotic (nonliving) factors. For example, decomposition is reduced by low temperature, poor aeration of the soil, a lack of moisture and acidic conditions.

A gardener who composts lawn matter and food remains works to overcome these limitations in order to accelerate decomposition. By creating the proper environment for detritivores and decomposers, the outcome will be nutrient rich matter that will stimulate the growth of plant life. Composting is an excellent stewardship activity, in which students can observe the decomposition process, detritivores and decomposers.

Detritus - Dead organic matter. It includes the dead bodies of all organisms, as well as fecal matter and shed body parts (e.g., snake skin, outer shell of crayfish after it is molted).

Detritivore - Organism that eats detritus. These are important in decomposition, but they are not decomposers. The term scavenger specifically refers to animals that feed on dead animals or their remains.

Decomposer - Organism (bacteria or fungi) that is able to release enzymes outside of its body in order to digest organic matter into inorganic elements.
Decomposition - gradual disintegration of dead organic matter resulting in the release of energy and inorganic elements from their organic state.

REFERENCES
Wetzel, R. G. 2001. Limnology: Lake and River Ecosystems. Academic Press. 3rd. p.700.
Nitrogen in Benthic Food ChainsPDF, Tenore, K.R., SCOPE publication.
Hershey DR. 1999. Myco-heterophytes and parasitic plants in food chains. American Biology Teacher 61:575-578.
Leake JR. 2005. Plants parasitic on fungi: unearthing the fungi in myco-heterotrophs and debunking the ‘saprophytic’ plant myth. The Mycologist 19:113-122.
Werner PG. 2006. Myco-heterotrophs: Hacking the mycorrhizal network. Mycena News 57:1,8.
Beare MH, Parmelee RW, Hendrix PF, Cheng W (1992) Microbial and faunal interactions and effects on litter nitrogen and decomposition in agroecosystems. Ecological Monographs 62: 569-591
Hunt HW, Coleman DC, Ingham ER, Ingham RE, Elliot ET, Moore JC, Rose SL, Reid CPP, Morley CR (1987) "The detrital food web in a shortgrass prairie". Biology and Fertility of Soils 3: 57-68
Smith TM, Smith RL (2006) Elements of Ecology. Sixth edition. Benjamin Cummings, San Francisco, CA.
Swift MJ, Heal OW, Anderson JM (1979) Decomposition in Terrestrial Ecosystems. University of California Press, Berkeley, CA.
Read More......

BIOTEKNOLOGI MOLEKULAR

1. PENDAHULUAN
Bioteknologi berasal dari kata: Bios􀃆hidup; Teuchos􀃆alat; Logos􀃆ilmu. Bioteknologi adalah penggunaan organisme atau sistem hidup untuk memecahkan suatu masalah atau untuk menghasilkan produk yang berguna. Atau Seperangkat teknik yang memanfaatkan organisme hidup atau bagian dari organisme hidup, untuk menghasilkan atau memodifikasi produk, meningkatkan kemampuan tumbuhan dan hewan, mengembangkan mikroorganisme untuk penggunaan khusus yang berguna bagi kehidupan manusia.

Tabel 1. Sejarah Perkembangan Bioteknologi
Tahun Perkembangan / Penemuan
1917 Karl Ereky memperkenalkan istilah bioteknologi
1943 Penisilin diproduksi dalam skala industri
1944 Avery, MacLeod, McCarty mendemonstrasikan bahwa DNA adalah bahan genetik
1955 Watson & Crick menentukan struktur DNA
1961 Jurnal Biotechnology and Bioengineering ditetapkan
1961-1966 Seluruh sandi genetic terungkapkan
1970 Enzim restriksi endonuklease pertamakali diisolasi
1972 Khorana dan kawan-kawan berhasil mensintesa secara kimiawi seluruh gen tRNA
1973 Boyer dan Cohen memaparkan teknologi DNA rekombinan
1975 Kohler dan Milstein menjabarkan produksi antibody monoklonal
1976 Perkembangan teknik-teknik untuk menentukan sekuen DNA
1978 Genetech menghasilkan insulin manusia dalam E.coli
1980 US Supreme Court: mikroorganisme hasil manipulasi dapat dipatenkan
1981 Untuk pertama kalinya automated DNA synthesizers dijual secara komersial
1981 Untuk pertama kalinya kit diagnostik berdasar antibody disetujui untuk dipakai di Amerika Serikat

Teknik-Teknik dalam Bioteknologi :
1. Fermentation
2. Analisis Genetik
3. Seleksi dan Pemuliaan
4. Analisis DNA
5. Kultur Sel dan Jaringan
6. Rekayasa Genetik atau DNA Rekombinan

Fermentation
Menggunakan mikroba untuk mengubah suatu senyawa seperti pati atau gula menjadi senyawa lain seperti etanol. Digunakan pada: Bioteknologi klasik, Industri farmasi, Bio pulping, Bahan baker, Bio plastic.

Analisis Genetik
Mempelajari bagaimana sifat/karakter atau gene diwariskan dari generasi ke generasi dan bagaimana gen dan lingkungan berinteraksi untuk menghasilkan suatu sifat. Dapat digunakan untuk: Diagnosis, Pertanian,Bahan bakar

Seleksi dan Pemuliaan
Manipulasi mikroba, tanaman atau hewan dan pemilihan individu atau populasi yang diinginkan sebagai stok genetic untuk perbaikan generasi baru. Dapat digunakan untuk: Bioteknologi klasik (fermentasi), Produksi bahan pangan, Bioplastik

Analisis DNA
PCR (Polymerase chain reaction) �apat membuat copy segmen DNA. RFLP Mapping mendeteksi keberadaan suatu gen pada DNA. Dapat digunakan untuk: Diagnosis suatu penyakit, Konseling genetik, Terapi gen

Kultur Sel dan Jaringan
Menumbuhkan tanaman atau jaringan hewan atau sel secara steril didalam tabung reaksi atau tabung gelas lainnya. Dapat digunakan untuk: Perbanyakan tanaman, Produksi tanaman transgenic, Produksi bahan kimia, Penelitian kedokteran

Rekayasa Genetika
Trasfer segmen DNA dari suatu organisme ke DNA organis melain. Kedua organisme tersebut dapat tidak saling berkerabat satu sama lain. Dapat digunakan untuk: Produksi bahan pangan, Industri farmasi, Konseling genetic, Terapi gen

2. CENTRAL DOGMA BIOTEKNOLOGY MOLEKULAR

DNA ---------------------------> RNA ------------------------------> PROTEIN
Transkripsi Translasi

Secara umum bioteknologi molekular berkaitan dengan tiga bahan molekul yang yang menjadi dasar adri aplikasi teknik-teknik biologi molekular, yaitu ; DNA, RNA dan portein. Perubahan DNA menjadi RNA dapat terjadi adalam proses yang disebut dengan transkripsi, sedangkan RNA ke protein dapat dihasilkan dengan proses Translasi.

3. SIFAT FISIK DAN KIMIA DNA
Dalam menghasilkan keturunan baru, informasi genetic diwariskan dari orang tua kepada keturunannya. Proses demikian disebut dengan Hareditas. Gen adalah bagian dari DNA kromosom yang mengkode satu buah molekul RNA spesifik, yang selanjutnya mengkode untuk polipeptida tertentu. Gen tersusun dari DNA (Deoxy-ribo Nucleic Acid). DNA bersama-sama dengan protein histon dan non histon membentuk benang-benang kromatin yang selanjutnya menyusun kromosom.

DNA merupakan dasar secara kimiawi dari hereditas. Percobaan yang membuktikan bahwa DNA mengandung informasi genetik, dilakukan pertama kali oleh Frederick Griffith dan co-workers, sbb:

Dikenal 2 strain Streptococcus pneumoniae:
a) Sel virulen : sel yang diselubungi oleh kapsul dan bila di tumbuhkan pada cawan-petri akan membentuk koloni dengan permukaan lembut.
b) Sel non virulen : sel yang tidak diselubungi oleh kapsul dan bila ditumbuhkan pada cawan-petri akan membentuk koloni dengan permukaan kasar.

Gambar. 1. Frederick Griffith menunjukkan transformasi informasi gen dari bakteri yang telah dipanasi ke dalam bakteri hidup dari strain yang berbeda. (Wolf, 1993)

Percobaan tersebut dilanjutkan oleh Avery dkk:

Gambar 2. Menggunakan S. pneumoniae yang virulen dan non virulen, diparlukan dengan 3 macanm enzim, extrak tsb. Selanjutnya ditambahkan kedalam strain non verulen. Hasilnya menunjukkan bahwa hanya sel yang ditambahkan extrak dengan enzim deoksiribonuklease yang tidak menunjukkan adanya transformasi sel (wolf, 1993)
Selanjutnya Hershey-Chase menggunakan radioaktif untuk membuktikan bahwa hanya DNA virus yang diperlukan untuk memproduksi virus baru di dalam sel bakteri.

Mula-mula phage/ virus yang menginfeksi bakteri, ditumbuhkan pada medium yang mengandung sulfur dan fosfor radioaktif. Virus kemudian mengandung protein yang bersifat radioaktif pada coatnya, dan DNA radioaktif. Selanjutnya virus tersebut di biarkan menginfeksi bakteri yang menyebabkan sel bakteri menjadi lisis. Setelah dianalisis, virus tersebut hanya mengandung materi genetic yang bersifat radioaktif, sedang proteinnya tidak.

Gb. 3. Hershey-Chase mendemonstrasikan bahwa hanya DNA dari virus bakteri yang diperlukan untuk menghasilkan virus baru (Wolf, 1993).

3.1. DNA
DNA adalah polimer dari nukleotida-nukleotida. Nukleotida-nukleotida dalam DNA dihubungkan satu dengan yang lainnya oleh ikatan fosfodiester, yaitu ikatan yang terjadi antara Carbon katida dari satu nukleotida terdiri dari sebuah gula pantosa (deoksiribosa), satu buah fosfat dan satu basa nitrogen. Basa nitrogen tersebut berikatan dengan carbon pertama dari gula deoksiribosa, sedangkan fosfat berikatan dengan Carbon kelima dari gula yang sama. Basa nitrogen yang menyusun nukleotida dikelompokan menjadi 2 yaitu:

Purine, yaitu basa nitrogen yang strukturnya berupa dua cincin. Termasuk diantaranya adalah : adenin dan guanin.
Primidin, yaitu basa nitrogen yang strukturnya berupa satu cincin. Termasuk diantaranya adalah : citosin dan timin.

Gambar 5. Struktur kimia dari DNA. Setiap molekul DNA terdiri dari sub unit deoksiribonukleotida monofosfat. Setiap unit tersebut tersusun dari kelompok fosfat yang berikatan dengan gula pada atom karbon no. 5 dengan Carbon no.3 dari gula berikutnya disebut ikatan fosfodiester (Wolf, 1993)

Hukum Chargaff:
Chargaff meneliti proporsi relatif dari purin dan purimidin dalam suatu DNA dari sejumlah organisma. Hasil penelitiannya menunjukkan bahwa dalam DNA dari organisma apapun jumlah A=T dan C=G. Dengan menggunakan difraksi sinar X diketahui bahwa DNA mempunyai susunan helix.

Watson dan Crick:
Watson dan Crick menemukan bahwa DNA berbentuk doubel helix. Setiap molekul DNA terdiri dari dua rantai polinukleotida yang tersusun secara anti paralel membentuk struktur duobel helix.

Gambar 6. DNA doubel helix. (a) Pengaturan gula, kelompok fosfat dan basa dalam DNA. (b) Letak atom-atom dan ikatan-ikatan dalam DNA. Basa-basa berpasangan dalam posisi mendatar, (c) Diagram yang menunjukkan DNA dalam konformasi B (Wolf, 1993).

1.Dua rantai polinukleotida tersebut tersusun dalam “a coiled double helix”
2.Rantai gula dan fosfat membentuk rangka luar dari helix.
3.Basa nitrogen-basa nitrogen yang melekat pada gula menonjol ke dalam pusat helix.
4.Jarak antara 2 strand adalah 1,1 nm yang diisi oleh basa nitrogen
5.Jarak antara 2 basa adalah 3,4 A
6.Setiap putaran dalam helix terdapat 10 basa
7.Setiap putaran dalam helix mempunyai jarak 34 A
8.Kedua stran (rantai polinukleotida) anti paralel artinya suatu rantai mempunyai arah yang berlawanan dengan rantai pasangannya. Misalnya suatu stran berakhir dengan gugus 5 fosfat sedang rantai pasangannya berakhir dengan gugus 3 OH (hidroksil).
9.Kedua rantai polinukleotida komplementer artinya urytan nukleotida pada suatu rantai menentukan urutan nukleotida pada rantai pasangannya.
10.Antara satu basa nitrogen dengan basa pasangannya dihubungkan oleh ikatan hidrogen.

*) Dua ikatan hidrogen antara A dan T
*) Tiga ikatan hidrogen antara C dan G
1.Basa nitrogen A hanya dapat berpasangan dengan T, sedangkan C dengan G
2.Kemungkinan jumlah urutan basa adalah tidak terbatas, urutan yang berbeda menkode informasi yang berlainan.

Gb. 7. (a) Ikatan antara nukleotida-nukleotida membentuk asam nukleat dalam DNA dan (b) RNA (Wolf, 1993).

Gb. 8. Struktur fisik DNA. Perhatikan bahwa dua rantai gula-fosfat mempunyai arah yang berbeda. Orientasi demikian memungkinkan basa-basa nitrogen berpasangan secara komplemen (Wolf, 1993).

Gb. 9. Diagram skematis yang menunjukkan ikatan hidrogen antara Adenin dengan Timin dan antara Goanin dengan Citosin (Wolf, 1993).

3.2. TEKNOLOGI DNA REKOMBINAN
Organisme transgenic adalah organisme yang membawa gen yang berasal dari jenis organisme lainnya. Organisme transgenic dihasilkan melalui Rekayasa Genetika menggunakan Teknologi DNA Rekombinan

Teknologi DNA Rekombinan adalah kumpulan teknik atau metoda yang digunakan untuk mengkombinasikan gen-gen secara buatan. (Proses: rekombinasi; Hasil: rekombinan) Teknologi DNA Rekombinan meliputi: -Teknik untuk mengisolasi DNA.-Teknik untuk memotong DNA.-Teknik untuk menggabung atau menyambung DNA.-Teknik untuk memasukkan DNA kedalam sel hidup sehingga DNA rekombinan dapat bereplikasi dan dapat diekspresikan.

Percobaan Lederberg dan Tatum (1946) menunjukkan : bakteri mempunyai mekanisme seksual :

- menyebabkan terbentuknya kombinasi gen-gen yang berasal dari dua sel yang berbeda.
- merupakan pertukaran DNA atau gen dari satu sel ke sel lainnya. Mekanisme seksual pada bakteri ini tidak bersifat reproduktif (tidak menghasilkan anak atau zuriat).
DNA dapat masuk kedalam sel bakteri melalui 3 cara:

1.Konjugasi
2.Transformasi
3.Transduksi
Teknologi DNA Rekombinan berdasarkan mekanisme yang ada pada bakteri:
Plasmid:
1.Terdapat pada bakteri
2.DNA selain kromosom
3.Berbentuk sirkuler
4.Umumnya berukuran kecil (lebih kecil dari ukuran kromosom bakteri)
5.Jenis, jumlah, dan ukurannya bervariasi antar sel dan antar jenis bakteri

Perangkat utama yang digunakan pada pembentukan DNA rekombinan:
1.plasmid
2.enzim restriksi
3.DNA ligase
4.bakteri

Enzim Restriksi untuk memotong DNA :
Contoh : Enzim EcoRI telah di isolasi pertama kali oleh Herbert Boyer pada tahun1969 dari E.coli. Enzim EcoRI memotong pada bagian antara basa G dan A pada sekuens GAATTC.

Setiap enzim restriksi (endonuklease restriksi) mengenal sekuen pemotongan yang khas dan memotong DNA pada situs pemotongan yang khas.

Nama Enzim Sekuens Pengenal Organisme asal
EcoRI G↓AATTC Escherichia coli
HindIII A↓AGCTT Haemophilus influenzae
HhaI GCG↓C Haemophilus haemolyticus
TaqI T↓CGA Thermus aquaticus
BsuRI GG↓CC Bacillus subtilis
BalI TGG↓CCA Brevibacterium albidum
NotI GC↓GGCCGC Nocardia otidiscaviarum
BamHI G↓GATCC Bacillus amyloliquefaciens
SmaI CCC↓GGG Serratia marcescens

Enzim DNA ligase untuk menyambung DNA,
Menggunakan enzim restriksi dan DNA ligase: Jackson, Simon & Berg (1972) berhasil membuat DNA rekombinan.

Bagaimana menyimpan seluruh informasi genetik dari suatu organisme. Pustaka Genom digunakan untuk menyimpan gen atau fragmen DNA yang telah diklonkan. Isolasi gen menggunakan pendekatan “shotgun” dapat menghasilkan ribuan potongan DNA (fragmen DNA)�otongan disimpan untuk sementara waktu didalam pustaka plasmid atau pustaka fage 15.

3.3. MANFAAT BIOTEKNOLOGI MOLEKULAR
Teknologi DNA rekombinan telah memberikan manfaat dibidang lmu pengetahuan maupun dibidang terapan.

A. Bidang Kesehatan:
1. Insulin manusia telah diproduksi secara missal menggunakan bakteri E.coli dan telah diperdagangkan untuk mengobati penyakit diabetis. Merek dagang: HumulinR
2. Hormon tumbuh manusia (GH) diproduksi menggunakan E.coli dan digunakan untuk mengobati kelainan pertumbuhan (misal: cebol).
3. Vaksin hepatitis B digunakan untuk mencegah infeksi virus hepatitis. Telah diproduksi secara komersial menggunakan S.cereviciae dalam skala industri
4. Therapi gen untuk penyakit. Dilakukan dengan menggantikan gen yang mengalami kerusakan dengan gen yang normal, digunakan untuk mengobati penyakit-penyakit keturunan (genetic disorders) dan penyakit lain yang disebabkan oleh kerusakan gen (misal: kanker)
B. Bioteknologi Kelautan
Penggunaan hormon pertumbuhan untuk meningkatkan ukuran ikan

3.4. GEN
Era penemuan materi genetik telah dibuka oleh F Miescher dengan menggunakan mikroskop sederhana, dia telah menetapkan bahwa bahan aktif yang ada di dalam nukleus disebut sebagai nuclein. Peneliti ini belum bisa menetapkan apakah nuclein ini kromosom ataukah DNA. Kromosom ditemukan pada awal abad ke 19 merupakan struktur seperti benang pada nukleus sel eukariot yang nampak pada saat sel mulai membelah. Kromosom berjumlah diploid pada setiap selnya, dan pada autosomal maupun seks-kromosom membawa gen-gen yang berpasangan, kecuali pada kromosom-Y.

Gambar 1. Diagram skematik kromosom, gene dan struktur heliks DNA.

Gena adalah unit heriditas suatu organisme hidup. Gen ini dikode dalam material genetik organisme, yang kita kenal sebagai molekul DNA, atau RNA pada beberapa virus, dan ekspresinya dipengaruhi oleh lingkungan internal atau eksternal seperti perkembangan fisik atau perilaku dari organisme itu. Gen tersusun atas daerah urutan basa nukleotida baik yang mengkode suatu informasi genetik (coding-gene region as exon) dan juga daerah yang tidak mengkode informasi genetik (non-coding-gene region as intron ), hal ini penting untuk pembentukan suatu protein yang fungsinya diperlukan di tingkat sel, jaringan, organ atau organisme secara keseluruhan.

Molekul DNA membawa informasi hereditas dari sel dan komponen protein (molekul-molekul histon) dari kromosom mempunyai fungsi penting dalam pengemasan dan pengontrolan molekul DNA yang sangat panjang sehingga dapat muat didalam nucleus dan mudah diakses ketika dibutuhkan. Selama reproduksi, Jumlah kromosom yang haploid dan material genetik DNA hanya separoh dari masing-masing parental, dan disebut sebgai genom.

3.5. Struktur DNA
Pada tahun 1953, James Watson and Francis Crick telah membuka wawasan baru tentang penemuan model struktur DNA. Publikasi dari model double heliks DNA ini disusun berdasarkan penemuan:

1. Penemuan struktur asam nukleat dari Pauling & Corey
2. Pola difraksi DNA (Single-crystal X-ray analysis) dari Wilkins & Franklin
3. Pola perbandingan jumlah A-T, G-C (1:1) dari Chargaff atau dikenal sebagai Hukum Ekivalen Chargaff :

• Jumlah purin sama dengan pirimidin
• Banyaknya adenin sama dengan timin, juga jumlah glisin sama dengan sitosin.
DNA terbentuk dari empat tipe nukleotida, yang berikatan secara kovalen membentuk rantai polinukleotida (rantai DNA atau benang DNA) dengan tulang punggung gula-fosfat tempat melekatnya basa-basa. Dua rantai polinukleotida saling berikatan melalui ikatan hydrogen antara basa basa nitrogen dari rantai yang berbeda. Semua basa berada di dalam double helix dan tulangpunggung gula-fosfat berada di bagian luar. Purin selalu berpasangan dengan pirimidin (A-T, G-C). Perpasangan secara komplemen tersebut memungkinkan pasangan basa dikemas dengan susunan yang paling sesuai. Hal ini bisa terjadi bila kedua rantai polinukleotida tersusun secara antiparalel.

Gambar 2. Struktur basa pirimidine (Cytosine, Thimine, Urasil), purine (Adenine, Guanine), Gula pentosa, ribonucleic acid, dan deoxyribonucleic acid.

Gambar 3. Pembentukan secara skematik struktur dsDNA dari gula fosfat sebagai ‘backbone‛ dan basa nukleotida (A). Dua ikatan hidrogen dari AT dan 3 ikatan hidrogen untuk GC (B).

Gambar 4. Bentuk skematik double-helix DNA
Untuk memaksimumkan pengemasan pasangan basa tersebut, kedua tulang punggung gula-fosfat tersebut berpilin membentuk double heliks, dengan satu putaran komplementer setiap 10 pasang basa. Polaritas dari rantai DNA ditunjukkan dengan sebutan ujung 5‛ dan ujung 3‛. Arah pembacaan basa nukleotida dari ujung-5‛ menuju ujung-3‛.

Gambar 4. Jarak antara basa nukleotida dan lekukan minor dan major dari molekul dsDNA
3‛ membawa gugus –OH bebas pada posisi 3‛ dari cincin gula, dan ujung 5‛ membawa gugus fosfat bebas pada posisi 5‛ dari cincin gula. DNA dobel heliks dapat dikopi secara persis karena masing-masing untai mengandung sekuen nukleotida yang persis berkomplemen dengan sekuen untai pasangannya.
Masing-masing untai dapat berperan sebagai cetakan untuk sintesis dari untai komplemen baru yang identik dengan pasangan awalnya.

Gambar 4. Proses replikasi sederhana molekul DNA.

3.6. Sintesis Protein
Proses sintesis protein terbagi atas transkripsi dan translasi. Seperti kita ketahui DNA sebagai media untuk proses transkripsi suatu gen berada di kromosom dan terikat oleh protein histon. Saat menjelang proses transkripsi berjalan, biasanya didahului signal dari luar akan kebutuhan suatu protein atau molekul lain yang dibutuhkan untuk proses pertumbuhan, perkembangan, metabolisme, dan fungsi lain di tingkat sel maupun jaringan. Kemudian RNA polymerase II akan mendatangi daerah regulator element dari gen yang akan ditranskripsi. Kemudian RNA polymerase ini akan menempel (binding) di daerah promoter spesifik dari gene yang akan disintesis proteinnya, daerah promoter ini merupakan daerah consesus sequences, pada urutan -10 dan -35 dari titik inisiasi (+1) yang mengandung urutan TATA-Box sebagai basal promoter. Setelah itu, polimerase ini akan membuka titik inisiasi (kodon ATG) dari gene tersebut dan mengkopi semua informasi secara utuh baik daerah exon maupun intron, dalam bentuk molekul immature mRNA (messenger RNA ). Kemudian immature mRNA ini diolah pada proses splicing dengan menggunakan smallnuclearRNA (snRNA) complex yang akan memotong hanya daerah intron, dan semua exon akan disambungkan menjadi satu urutan gen utuh tanpa non-coding area dan disebut sebagai mature mRNA.

Pada tahap berikutnya, mRNA ini diproses lebih lanjut pada proses translasi di dalam ribosom, dalam tiga tahapan pokok yaitu inisiasi sebagai mengawali sintesis polipeptida dari kodon AUG yang ditranslasi sebagai asam amino methionine. Proses ini berlangsung dengan bantuan initiation factor (IF-1, IF-2 dan IF3) dan enzim tRNA-methionine synthethase (pada bakteri diawali oleh formylmethionine) sehingga tRNA dan asam amino methionine membentuk ikatan cognate dan bergerak ke ribosom tempat sintesis protein berlangsung. Langkah selanjutnya adalah elongasi atau pemanjangan polpeptida sesuai denga urutan kodon yang dibawa oleh mRNA.

Gambar5. Proses splicing dari pematangan mRNA.
Pada proses elongasi ini diperlukan elongation factor complex. Seperti juga proses inisiasi enzim tRNA-amino acid synthethase berperan dalam pembentukan cognate antara tRNA dan asam amino lainya dari sitoplasma yang sesuai dengan urutan kodon mRNA tersebut. Proses elongasi akan berhenti sampai kodon terminasi dan poly-adenyl (poly-A), dan diakhiri sebagai proses terminasi yang dilakukan oleh rho-protein. Polipeptida akan diproses sebagai molekul protein yang fungsional setelah melalui proses posttranslation di retikulum endoplasmik (RE) hingga tingkat jaringan.

3.7. Regulasi gen
Sebelum penemuan DNA, telah diketahui bahwa gen adalah unit fisik dan fungsional dari hereditas yang mengandung informasi untuk sintesis protein. Jadi gen mengandung informasi hereditas. Gen-gen membawa informasi yang harus dikopi secara akurat untuk ditransmisikan kepada generasi berikutnya. Sekarang pertanyaannya adalah bagaimana suatu informasi dapat diformulasikan dalam bentuk molekul kimia? Bagaimana molekul tersebut dapat dikopi secara akurat? Pada tahun 1940-an, peneliti menemukan bahwa informasi genetik terutama terdiri dari instruksi untuk membentuk protein. Protein adalah molekul makro yang berperan dalam hampir semua fungsi sel yaitu: sebagai bahan pembangun struktur sel dan membentuk enzim-enzim yang mengkatalisis reaksi-reaksi kimia di dalam sel; meregulasi ekspresi gen, memungkinkan sel untuk bergerak dan berkomunikasi antar sel.

Jadi fungsi paling penting dari DNA adalah membawa gen yang mengandung informasi yang menentukan jenis protein yang harus disintesis, kapan, dalam tipe sel yang mana, dan seberapa banyak jumlah protein yang harus disintesis.

Gambar 6. Proses sintesis protein pada prokariota.

Dengan semakin berkembangnya pengetahuan molekuler maka definisi dari gen adalah :
• Keseluruhan sekuen asam nukleat yang dapat ditranskrip menjadi RNA fungsional dan protein, pada waktu dan tempat yang tepat selama pertumbuhan dan perkembangan oraganisma.
• Komposisi gen adalah: daerah pengkode (exon and intron) yang mengkode RNA atau protein + sekuen-sekuen pengaturan (Regulatory sequences: termasuk. promoter yang menginisiasi terjadinya transkripsi, enhancer/silencer yang menentukan tinggi rendahnya aktivitas transkripsi, polyadenylation site, splicing sites serta signal terminasi transkripsi).
• Produk gen :
RNA yang kemudian ditranslasi menjadi protein Hanya RNA seperti rRNA, tRNA, snRNA, snoRNA dan miRNA
• Satu gen mempunyai potensi menghasilkan banyak produk karena adanya : promoter- promoter yang berbeda, alternative, splicing.

Gambar 7. Daerah regulasi gen, exon, intron, dan signal akhir proses Transkripsi dari gen prokariota dan eukaryota.


DAFTAR PUSTAKA

Stryer, L. 1988, Biochemistry, third edition. Stanford University, W.H. Freeman and Company, New York
Wolf, L.S., 1993, Molecular and Cellular Biology. California: Wardsworth Publishing Company
Grunstein, M. and Hogness, D. 1975. Colony hybridization: a method for the isolation of cloned DNAs that
contain a specific gene. Proceedings of the National Academy of Science USA, 72: 3961.
Lobban, P. and Kaiser, A.D. 1973. Enzymatic end-to-end joining of DNA molecules. Journal of Molecular Biology, 78: 453.
Mertz, J. and Davies, R. 1972. Cleavage of DNA: RI restriction enzyme generates cohesive ends. Proceedings of the National Academy of Science USA, 69: 3370.
Sambrook, J., Fritsch, E.F., and Maniatis, T. 1989. Molecular Cloning: A Laboratory Manual. Cold Spring Harbor, NY: Cold Spring Harbor Laboratory.
AKAM, M., 1987 The molecular basis for metameric pattern in the Drosophila embryo. Development 101: 1-22.
ASHBURNMER., ,1989 Drosophila: A Laboratory Manual.C old Spring Harbor Laboratory, Cold Spring Harbor, N.Y.
ATHERTODN.,, and J. GALL1, 972 Salivary gland squashes for in situ nucleic acid hybridization studies. Drosophila Inf. Sew. 49:
BIGGSJ,. , N. TNPOULAES., HERSPERGECR. ,D EAROLaFnd A. SHEARN, 1988 Analysis of the lethal interaction between the prune and iZlerofprunemutations o f Drosophila.G enesDev. 2: 1333-1343.
BREENT,. R., and I. M. DUNCA1N9,8 6 Maternal expression of genes that regulate the bithorax complex of Drosophila melanagaster. Dev. Biol. 118: 442-456.
BREENT,. R., and P. J. HARTE,1 991 Molecular characterization of the in Drosophila. Mech. Dev. 35: 113-127. tn'thorax gene, a positive regulator of homeotic gene xpression
BREENT, . R., and P. J. HARTE 1993 trithorax regulates multiple homeotic genes in the bithorax and Antennapedia complexes and exerts different tissue-specific, parasegmentspecific and promoter-specific effects on each. Development 117: 119-134.
BUTLEAR.,, A. WEI,I C BAKERa nd L. SALKOF1F9, 89 A family of putative potassium channel genes in Drosophila. Science 243: 943-947.
CAIRNS, B. R., Y.3. KIMM, . H. S A ~B. ,C. LAURENT and R. D. KORNBERG, 1994 A multisubunit complex containing the SWIl/ADR6, SWI2/SNF2, SWI3, SNF5, SNF6 gene products isolated from yeast. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 91: 1950-1954.
CAPDEVMIL. AP.,, and A. GARCIA-BELL. 1981 , Genes involved in the activation of the bithorax complex of Drosophila. Roux's Arch. Dev. Biol. 190 339-350.
CASTELLI-GAJ.I ER.,, and A. GARCIA-BELL. 1990, Interactions of Polycomb and trithorax with cis regulatory regions of Ultrabithoraduring the development of Drosophila melanogaster. EMBO J. 9:
CELNIKESR. E, ., S. SHARMDA., J. KEELAN and E. B. LEWIS, 1990. The molecular genetics of the bithorax complex of Drosophila: ®ulation in the Abdominal-B domain. EMBO J. 9: DENELRL., E ., and R. D. FREDERICK 1,9 83 Homoeosis in Drosophila:
a description of the Polycomb lethal syndrome. Dev. Biol. 97:34-47.
Read More......

TRANSFER RNA (tRNA). PENGENDALIAN GEN TRANSKRIPSIONAL

MUHAMMAD FAHRI.
BRAWIJAYA UNIVERSITY MALANG 2009

TRANSFER RNA (tRNA)
PENGENDALIAN GEN TRANSKRIPSIONAL

Dalam biosintesis RNA, pemanjangan rantai nukleotida berlangsung arah 5' á 3' RNA, dikatalisis oleh suatu enzim, yang diberi nama RNA polimerase. Sewaktu RNA polimerase berinteraksi dengan promotor di daerah pengawalan dari suatu gen, maka sintesis RNA dimulai pada titik berangkat (startpoint), bergerak sepanjang DNA cetakan, dan menyalin salah satu rantai DNA cetakan (coding sequence) ke dalam rantai RNA sampai mencapai umtan DNA yang disebut terminator. Hasilnya adalah suatu molekul tunggal RNA yang disebut terjemahan utama (primary transcript). Dari titik pengawalan sampai ke terminator didefinisikan sebagai satuan transkripsi, dan dapat mencakup lebih dari satu gen. Urutan DNA sebelum titik pengawalan transkripsi disebut hulu (upstream) dan urutan DNA setelah terminator disebut hilir (downstream).

Terkadang,urutan DNA ditulis hanya menunjukan daerah yang mengandung sandi, yang sama dengan urutan RNA. Posisi basa dalam DNA itu dinotasi mulai dari titik pengawalan sebagai +1 membesar ke arah hilir. Notasi sebelum titik pengawalan adalah -1 kemudian bilangan negatifmeningkat ke arah hulu. mRNA sebagai terjemahan utama bersifat tidak stabil. Dalam prokarion, mRNA mudah dihancurkan atau diproses membentuk hasil akhir yang matang. Dalam eukarion, mRNA dimodifikasi pada ujung-ujungnya, dan semua jenis RNA diproses ke arah pematangan dengan membuang sub-sub perintah yang memungkinkan setiap RNA berfungsi secara seluler. Transkripsi yang dipercepat reaksinya oleh RNA polimerase, berlangsung dalam apa yang disebut gelembung transkripsi (trancription bubble) yaitu daerah dimana ikatan hidrogen dalam DNA dilelehkan sementara.

Gelembung transkripsi, yang berukuran -18 pb itu, bergerak sejalan dengan bergeraknya RNA polimerase meneliti dengan cermat dan membaca salah satu rantai DNA yang mengandung sandi (coding region) serta menyalinnya ke dalam rantai tunggal.

RNA disintesis, terbentuklah hibrida RNA-DNA yang diprediksi (berdasarkan struktur RNA dalam kompleks RNA polymerase) berukuran lebih pendek dari gelembung transkripsi, sekitar -12 pb. Eksperimen pemotongan dalam kompleks RNA polimerase oleh ribonuklease bahkan menunjukan bahwa dapat dipotong sampai sedekat 3 basa dari titik pertumbuhan RNA, yang menunjukan bahwa asosiasi pada DNA hanya sekitar 2-3 basa saja. Lebih pendek dari itu, RNA melakukan pengikatan sangat kuat dengan RNA polimerase. Jadi, kompleks sementara RNA-DNA berlangsung dalam waktu yang sangat singkat dan dalam ukuran yang sangat pendek, yang hanya cukup untuk memberikan keadaan mantap kepada hibrida RNA -DNA yang menentukan spesifisitas penambahan nukleotida. Sewaktu RNA polimerase bergerak maju, ikatan hidrogen yang ada pada bagian belakang gelebung transkrip berpasang-kembali. RNA yang terbentuk bergerak bebas kecuali sekitar 25 nukleotida masih tetap berasosiasi dengan kompleks enzim, dan mungkin berada pada saluran yang berukuran 25A di dalam RNA polimerase. Semua asam-asam nukleat disintesis dari senyawa prekursor, nukleosida 5' trifosfat, melalui reaksi kondensasi antara gugus 5' trifosfat dari nukleotida yang datang mendekat pada kompleks DNA-RNA polimerase dengan gugus 3'-OH dari nukleotida terakhir yang ditambahkan ke dalam rantai RNA yang bam dibentuk. Akibat serangan nukleofilik ini, nukleotida yang datang kehilangan 2 gugus fosfat terminal (g dan b). Gugus fosfat pada posisi a digunakan dalam pembentukan ikatan fosfodiester dengan rantai RNA yang sedang disintesis. Dengan demikian, rantai RNA disintesis dari ujung 5' kearah ujung 3', dengan kecepatan reaksi 40 nukleotida/detik pada suhu 37"C pada RNA polimerase bakteri. Reaksi ini jauh lebih lambat ketimbang replikasi DNA, yang berlangsung dengan kecepatan 800 pb/detik. Sambutan (acceptability) nukleotida yang datang ke dalam kompleks transkripsi didasarkan pada kecocokannya dengan -salah satunya adalah tiga pasangan basa (kodon) ada dalam rantai DNA. Nukleotida yang datang itu mungkin mengalami supervisi dari RNA polimerase, untuk dilihat apakah nukleotida yang datang sesuai atau tidak. Ikatan fosfodiester diiakan teijadi hanya apbilah terdapat kecocokan dengan komplek polimerase-DNA. Jika syarat kecukupan tidak dipenuhi maka nukleotidanya dilempar keluar kompleks transkripsi. Dengan demikian, diskriminasi berlangsung dan videlitas dijaga, namun tidak hanya didasarkan pada berpasangannya basa nukleotida, karena beberapa senyawa analog dapat disambut dengan baik dan menjadi bagian dari RNA. Proses transkripsi dapat dibagi ke dalam beberapa tahapan :

(1) Tahapan pengakuan cetakan (template recognition), (2) Tahapan pengawalan (initiation), (3) Tahapan pemanjangan (elongation), dan (4) Tahapan pengakhiran (termination).

Dalam Tahapan Pengakuan Cetakan
RNA polimerase membentuk kompleks dengan rantai ganda DNA, ikatan hidrogen dilelehkan, dan menciptakan gelembung transkripsi. Daerah yang dibutuhkan oleh RNA polimerase membentuk kompleks dengan rantai ganda DNA disebut promotor.
Tahapan pengawalan mendeskripsikan pembentukan ikatan nukleotida pertama dalam RNA. Enzim RNA polimerase tetap berada di daerah promotor sambil mensintesis 9 nukleotida pertama. Namun demikian, pembentukan nukleotida pendek ini terkadang mengalami keguguran (abortion), yaitu: enzim mensintesis transkrip kurang dari 9 basa, melepaskannya kembali, dan memulai kembali mensintesis RNA baru. Tahapan pengawalan berakhir apabila ensim mampu mensintesis rantai RNA baru melewati batas panjang ini.
Tahapan pemanjangan adalah selang selama enzim bergerak sepanjang DNA cetakan dan memperpanjang rantai RNA. Sambil ia bergerak, ia membuka rantai ganda DNA dan menyingkapkan sandi rantai tunggal DNA dengan nukleotida-nukleotida yang datang menyerang ujung 3' dari rantai RNA yang sedang mengalami pemanjangan, membentuk molekul hibrida RNA-DNA di daerah yang dibuka gulungannya. Persis dibelakang gulungan DNA yang terbuka ini, rantai tunggal DNA berpasangan kembali membentuk rantai ganda dengan pasangan aslinya. RNA kemudian muncul sebagai rantai tunggal yang bebas, yang ujung pemanjangannya masih terkait dengan kompleks DNA-RNA-enzim.

Tahapan pengakhiran melibatkan pengakuan titik dimana tidak ada lagi basa yang ditambahkan ke dalam rantai. Untuk mengakhiri transkripsi, pembentukan ikatan fosfodiester harus dihentikan, dan kompleks transkripsi harus dibubarkan. Sewaktu nukleotida terakhir ditambahkan akan diikuti oleh runtuhnya gelembung transkripsi, dan dilepaskannya hibrida RNA-DNA. DNA kembali ke keadaan rantai ganda, RNA dan enzim dibebaskan. rutan basa nukleotida dalam DNA yang digunakan agar teijadinya pengakhiran transkripsi disebut terminator.

Uraian Transkripsi RNA
Seorang petani, yang menanam jagung di ladang akan sangat kaget kalau tanaman yang ditanamnya bersamaan, menghasilkan tanaman-tanaman yang waktu berbunganya berbeda-beda. la tentunya tidak dapat memanen tanamaimya secara bersamaan. Mengapa demikian? Jika ternyata sang petani memang menanam benihnya dari campuan berbagai varietas, maka hal ini dapat dengan mudah dipahami sumber permasalahannya. Namun andaikan bahwa petani menanam varietas yang sama pada lingkungan tumbuh yang homogen. Berapa besar kemungkinan bunga-bunga itu akan bermunculan pada waktu yang berbeda-beda? Dalam kenyataannya, sang petani begitu yakin bahwa tanamannya akan berbunga, bertongkol dan panen pada umur-umur tertentu dan bersifat serempak. Peluang untuk menyimpang dari umur yang telah ditentukan sangatlah kecil, atau secara praktis tidak ada.

Kepercayaan petani tersebut dari sudut pandang pengendalian aktifitas gen sangatlah beralasan bahwa munculnya kuncup bunga tanaman jagung merupakan proses yang sangat terkendali. Informasi genetika yang menentukan waktu berbunganya jagung diaktifkan setelah jagung mencapai umur tertentu.
Read More......

CLINICAL, PATHOLOGICAL and HAEMATOLOGICAL EFFECTS of Micrococcus luteus INFECTION

MUHAMMAD FAHRI.
BRAWIJAYA UNIVERSITY MALANG 2009

BAB I. PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang
Infeksi / peradangan yang kronis dan sporadis pada ikan di dalam suatu perairan belum mendaptkan perhatian yang besar. Bagaimanapun, dampak dari penyakit ini dapat meningkat dan berkembang tergantung pada umur dan jenis ikan dan serangan patogen, kebanyakan yang terserang adalah benih-benih ikan. Disamping itu pada suatu ekosistem perairan dihuni berbagai macam jenis biota air sehingga tingkat penularan dari satu biota ke biota yang lain relatif besar, dan sangat sulit untuk dicegah.

Micrococcus luteus ada di dalam microbial tumbuh-tumbuhan, isi perut ikan air tawar yang normal, yang merupakan suatu bakteri ikan yang bersifat patogen. Infeksi dan peradangan pada ikan yang terjangkit oleh Micrococcus luteus telah diteliti dan diamati oleh para ahli.

Haematological Parameter secara luas digunakan untuk menentukan hubungan sistematis dan adaptasi fisiologis yang mencakup penilaian kondisi kesehatan ikan yang umum dan menjadi lebih cepat untuk mengetahui suatu kondisi ikan yang lemah karena telah terjangkit patogen. Pada ikan yang telah terjangkit patogen biasannya akan mengalami perubahan komponen pada sel darahnya.

1.2 Tujuan
Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mempelajari karakteristik haematological dan perawatan alami pada ikan air tawar (ikan pelangi) yang telah terjangkit Micrococcus luteus dan telah mengalami infeksi/peradangan. Penelitian ini dilakukan disetasiun riset atau hatcery Ataturk University, Fisheries Faculty Turkey antara tahun 1993 dan 1996.

BAB II. MATERI DAN METODE
2.1 Materi Penelitian
Penelitian ini dilaksanakan di Ataturk University Turkey, ikan yang digunakan pada penelitian ini adalah rainbow fish atau ikan pelangi yang dibenihkan didalam hatchery. Kualitas air yang digunakan adalah pH 7,8 – 8,9 mg/l, dissolved oxygen 2,11 mg/l, HCO3 2,45 milliequivalent/l Ca++ dan Mg++, suhu antara 6,5 – 90 C. Keadaan pada waktu ikan sakit, kematian ikan dicatat dan diamati setiap harinya. Pada bagian-bagian organ dalam ikan yang telah terinfeksi diambil untuk kemudian dilakukan penelitian untuk mengetahui sejauh mana efek patogenitas yang menyerang organ ikan uji. Pengujian haematologi dilakukan untuk membandingkan parameter darah yaitu dengan mengambil 10 sampel darah ikan yang sehat dan 10 sampel darah ikan yang sudah terinfeksi (dilakukan pada awal penelitian tahun 1995). Dan 30 sampel ikan yang telah terinfeksi dan dirawat selama penelitian dilakukan pemeriksaan pada bagian dalam organ tubuh yang terinfeksi (dilakukan pada tahun 1996).

2.2 Isolasi dan Identifikasi Bakteri
Isolasi dan identifikasi bakteri dilakukan dengan mengambil sampel organ ikan uji yang telah terinfeksi penyakit antara tahun 1995 - 1996 (pada waktu musim dingin). Inokula bakteri diperoleh pada organ ginjal, hati, limfa, otot ikan yang telah terinfeksi dan ditumbuhkan pada media triptone soya agar (TSA) (Merck, Germany) dan diinkubasi pada suhu 220 C selama 48 jam hingga didapatkan Koloni pada media (plumb and Bowser, 1983).

2.3 Uji invitro desinfektan dan anti biotik
Dibuat media dari kultur kaldu murni sebagai media untuk mengisolasikan bakteri pada masing-masing sampel. Pada tiap-tiap kultur telah ditambahkan kedalamnya larutan dapar fosfat steril dengan konsentrasi yang telah disesuaikan dengan penggunaan spektrofotometer sampai 30% transmitans (525 nm) dengan penyangga fosfat steril. Uji kepekaan bakteri terhadap zat kemoterapi menggunakan larutan formalin sebanyak 80 ml konsentrasi 90% + alkohol 20 ml 10%, sedangkan uji kepekaan terhadap antibiotik menggunakan enrofloxacin dengan dosis 20mg/kg setiap hari dan diberikan secara peroral, selama 4 hari.

Pengujian histopatologi menggunakan jaringan tisu/metode sweb yaitu dengan memotong tipis jaringan permukaan kulit (5um) untuk kemudian ditempelkan pada preparat parafin dan disiapkan dengan menggunakan haematoxylin-eosin, dan diamati dengan menggunakan mikroskop cahaya.

2.4 Haematology
Diambil 2-3 ml darah pada pembuluh darah ikan yang terdapat pada ekor dan segera ditempatkan kedalam tabung reaksi yang telah berisi larutan EDTA 4mg/ml (Bullock, 1989). Banyaknya jumlah leukosit dalam darah telah dihitung dengan menggunakan cairan Dacie’s, sedangkan untuk menghitung banyaknya jumlah trombosit dengan menggunakan cairan Natt-Herrick. Sedangkan penghitungan hemoglobin dengan menggunakan cyanmethaemoglobin (bahan reaksi drabkin’s), dan penghitungan haematocrit menggunakan metode microhaematocrit. Rata-rata berat ikan yang digunakan untuk penelitian ini adalah 68,6g. Analisis data menggunakan Anova non parametrik (sig P < 0,05).

BAB III. PEMBAHASAN
Hasil percobaan identifikasi Micrococcus luteus yang telah dilakukan mencakup pengujian menggunakan metyl red, hidolisis urea, pengujian darah dan produksi asam yang berasal dari fruktosa, rafinosa dan adonitol sebelumnya belum pernah dilaporkan. Bakteri Micrococcus luteus banyak ditemui pada tumbuh-tumbuhan air sehingga secara langsung dapat memepengaruhi kehidupan ikan yang ada pada perairan tersebut. Bakteri ini biasanya dapat menyebabkan peradangan maupun infeksi yang kronis pada ikan-ikan dewasa maupun ikan-ikan stadia larva. Pada penelitian sebelumnya juga telah disebutkan bahwa serangan bakteri ini sudah pernah terjadi pada jenis ikan rainbow trout (Austin and Stobie, 1992).

Micrococcus luteus resisten terhadap antibiotik seperti klorampenicol, sulphonamid, dan oxitetraciclin (Austin and Stobie, 1992). Menurut hasil penelitian terbaru diduga Micrococcus luteus tidak tahan terhadap jenis-jenis antibiotik seperti enrofloxacin dan ofloxacin. Dalam penelitian ini diketahui bahwa ikan stadia larva lebih rentan mengalami kematian dibandingkan dengan ikan dewasa, hal ini dikarenakan pada ikan stadia larva masih belum memiliki organ tubuh yang sempurna. Ikan yang diperihara di dalam kolam tanah juga dilaporkan lebih tahan terhadap Micrococcus luteus dibandingkan dengan ikan yang diperihara pada kolam beton (Scoot, 1993).

Efek dari patogenitas Micrococcus luteus yang menyebabkan pendarahan pada organ tubuh bagian tertentu seperti pada hati, limfa, dan ginjal ikan (Austin, 1999). Pada ikan yang telah terinfeksi juga diketahui penurunan jumlah leukosit yang disebut juga dengan leukositosis (Ellis, 1977). Sementara menurut Studnica and Siwikci, (1986) infeksi Micrococcus luteus disamping menyebabkan penurunan jumlah leukosit ternyata juga menyebabkan penurunan jumlah sel darah yang lainnya seperti eritrosit, trombosit, hematocrit dan hemoglobin.

BAB IV. KESIMPULAN
• Bakteri Micrococcus luteus merupakan bakteri patogen yang dapat menyebabkan infeksi peradangan pada jenis ikan rainbow trout.
• Micrococcus luteus disamping dapat menyebabkan penurunan jumlah leukosit ternyata juga menyebabkan penurunan jumlah sel darah yang lainnya seperti eritrosit, trombosit, hematocrit dan hemoglobin.

DAFTAR PUSTAKA
Read More......

APPLIKASI PROBIOTIK UNTUK PENCEGAHAN PENYAKIT DI LINGKUNGAN TAMBAK

MUHAMMAD FAHRI.
BRAWIJAYA UNIVERSITY MALANG 2009

1. PENDAHULUAN
I.1. Latar Belakang
Kemajuan teknologi budidaya perikanan pada satu sisi dapat meningkatkan produksi sektor perikanan, namun disisi lain, dengan padat tebar yang tinggi serta pemberian pakan yang berlebihan, menyebabkan pergeseran keseimbangan antara lingkungan, ikan yang dipelihara dan patogen penyebab penyakit. Pergeseran keseimbangan ini menyebabkan stress pada ikan, sehingga mekanisme pertahanan diri yang dimilikinya menjadi lemah dan akhirnya terserang oleh penyakit.

Masalah serangan penyakit merupakan hal utama yang tidak boleh diabaikan, karena menyangkut dari sukses tidaknya pemilihan benih yang pakai, apakah tahan atau bebas dari penyakit dan mengelolaan lingkungan sebagai media perkembangan penyakit. Kerugian yang disebabkan serangan bukan hanya kematian tetapi bisa berakibat penghentian usaha produksi. Gangguan ini bila ditinjau dari segi ekonomi jelas sangat merugikan dalam usaha budidaya ikan yang membutuhkan investasi yang tidak sedikit.

Kerugian yang ditimbulkan akibat serangan suatu penyakit dapat berbentuk kematian, pertumbuhan yang lambat atau produksi benih menurun (bahkan bisa berhenti sama sekali). Ikan yang pernah terserang penyakit bisa menjadi sumber penyakit, yaitu menjadi agen (perantara) terhadap timbulnya penyakit baru sehingga dapat berakibat fatal bagi usaha budidaya ikan.

Menurut Handajani dan Samsundari (2005) dalam Syarif, et al (2007) penyakit merupakan suatu keadaan dimana organisme tidak dapat mempertahankan keadaan normal, karena adanya gangguan fungsi fisiologis yang dapat disebabkan oleh organisme patogen maupun faktor-faktor lainnya. Dengan demikian timbulnya serangan penyakit pada ikan dapat disebabkan oleh organisme lain, pakan maupun keadaan lingkungan.

Pengendalian penyakit dalam usaha budidaya udang/ikan masih mengandalkan antiseptik, disinfektan sampai antibiotik, namun tingkat keberhasilannya sangat terbatas. Penggunaan antibiotik yang tidak bijaksana telah meningkatkan kekhawatiran terhadap keamanan makanan dan kesehatan masyarakat, penggunaan antibiotik untuk pencegahan penyakit justru meningkatkan mikroba dan memacu resistensi pada beragam bakteri, sehingga untuk sejumlah kasus penyakit pengendaliannya lebih sulit. Berdasarkan kekhawatiran ini perlu adanya sistem pengelolaan terhadap kesehatan biota yang dibudidayakan beserta lingkungannya antara lain dengan penggunaan vaksin, imunostimulan non spesifik ataupun penggunaan probiotik atau kontrol biologis.
Penerapan Probiotik dalam usaha budidaya terbukti dapat meningkatkan resistensi biota yang dibudidayakan (udang/ikan) terhadap infeksi, karena itu penggunaan probiotik merupakan salah satu cara preventif yang dapat mengatasi penyakit. Probiotik (bakteri pengurai) adalah mikroorganisme hidup yang sengaja dimasukkan ke dalam tambak untuk memberikan efek menguntungkan bagi kesehatan udang. Tujuannya untuk memperbaiki dan mempertahankan lingkungan, menekan bakteri merugikan, menghasilkan enzim yang dapat membantu sistem pencernaan, menghasilkan nutrisi yang bermanfaat serta meningkatkan kekebalan udang.

1.1 Tujuan Dan Manfaat

Makalah ini bertujuan mempelajari penerapan tehnologi probiotik di tambak udang serta pengaruhnya dalam pencegahan penyakit.
Manfaat makalah ini diharapkan dapat memberikan informasi mengenai penerapan tehnologi probiotik serta perannya dalam pencegahan penyakit.

II. PEMBAHASAN
2.1 Lingkungan Tambak
Tambak udang/ikan dari segi prespektif ekologi merupakan sistem hidup dinamis yang dihuni oleh berbagai organisme (mikroflora, mikrofauna, makrofauna) yang saling berinteraksi membentuk suatu jaringan makanan (food web) Sebagai mahluk hidup organisme tersebut memerlukan energi dan makanan (nutrisi) sehingga berlangsungnya kehidupan di tambak sangat tergantung pada pasokan dan aliran energi kedalam ekosistem tambak. Lingkungan tambak yang sehat dan subur (healty pond) mencerminkan adanya interaksi yang harmonis, baik antara komponen biotik dengan abiotik maupun sesama komponen biotiknya.

Dalam lingkungan tambak phytoplankton merupakan produsen yang memanfaatkan sinar matahari dan menghasilkan senyawa organik yang dapat dimanfaatkan oleh organisme lainnya (konsumen dan pengurai). Selanjutnya hasil penguraian senyawa organik akan menghasilkan berbagai mineral (unsur hara) yang dapat digunakan oleh phytoplankton (produsen).

Biota dalam lingkungan tambak mengambil oksigen untuk mengoksidasi senyawa organik (bahan makanan dalam saluran pencernaan untuk menghasilkan energi) dengan respirasi/bernafas dengan mengeluarkan karbondioksida (CO2), selain itu dalam proses respirasi O2 berperan sebagai elektron akseptor pada akhir rantai pernafasan. Mikroba pengurai juga memerlukan oksigen untuk menguraikan/mengoksidasi berbagai senyawa organik dalam dasar tambak (sisa makanan, bahan organik mati). Oleh karena itu peranan O2 dalam tambak sangat penting karena tanpa O2 mahluk hidup yang aerob (zooplankton, bakteri aerob, udang) akan mati akibatnya proses ketersediaan makanan dalam rantai makanan akan terputus dan terjadinya akumulasi senyawa organik pada dasar tambak.

Sumber utama O2 dalam tambak adalah fotosintesa (phytoplakton), difusi udara (lambat) dan aerasi. Kandungan oksigen terlarut dalam air bersifat fluktuatif dan tergantung pada aktivitas fotosintesa dan konsumsi O2 . Pada siang hari dengan suhu sekitar 25 0 C kandungan O2 dapat mencapai 10 – 14 mg/l, sedangkan pada malam hari hanya terjadi konsumsi O2 hal ini menyebabkan terjadi penurunan kandungan O2 dan peningkatan CO2. Secara ideal kandungan O2 disajikan pada gambar dibawah ini (Gambar 1.)

Gambar 1. Kandungan O2 terlarut dalam tambak selama 24
jam (Iskandar, 2006)

Nitrogen merupakan unsur hara esensial bagi mahluk hidup, dalam penguraian berbagai senyawa organik akan dihasilkan berbagai senyawa N (NH4, NH3, NO3, NO2, N2O, N2) dalam lingkungan tambak amoniak dan nitrit bersifat toksis, selain itu peningkatan amoniak juga meningkat dengan kenaikan suhu. jika kandungannya tinggi dapat menyebabkan kematian pada udang. Sedangkan nitrat kurang berbahaya dibandingkan nitrit, secera keseluruhan bakteri berperan penting dalam proses detoksifikasi senyawa tersebut (Durborow, et al., 1997).

Kandungan amoniak (NH3) meningkat sejalan dengan kenaikan pH(>8), setiap kenaikan satu unit pH, kandungannya meningkat 10 kali. Jika kandungan NH3 > 0,6 mg/l, maka hanya dalam beberapa hari sudah dapat mematikan udang dan bila kandungannya sekitar 0,06 mg/l dalam waktu relatif lama dapat menimbulkan kerusakan insang dan penurunan pertumbuhan (Gambar 2.)

Gambar 2. Peningkatan kadar amoniak dengan kenaikan pH dan
pengaruhnya terhadap pertumbuhan ikan
(Simarmata,2006)

Didaerah pantai, delta dan estuarin seringkali dijumpai tanah-tanah masam (sulfat masam atau cat clay). Fero disulfida atau pyrite (FeS2) terbentuk dalam kondisi tereduksi yaitu reduksi sulfat menjadi sulfida (H2S) oleh bakteri Desulvovibrio desulturicans yang bereaksi dengan ion Fe.yang selanjutnya bereaksi dengan sulfur dan menghasilkan Fe2S (fero disulfida). Dalam ekosistem tambak biogenesis H2S terutama berasal dari dekomposisi sisa-sisa pakan dan bahan organik lainnya (detritus, kotoran udang) dalam suasana anaerob. H2S bersifat toksis dengan konsentrasi yang sangat rendah (0,01 – 0,05mg/l). Keberadaan H2S mudah terdeteksi, bila lumpur atau dasar tambak diaduk tercium bau busuk (seperti telur busuk). Toksisitasnya meningkat dengan kenaikan temperatur dan penurunan pH dibawah 8.

Kemasaman air (konsentrasi ion H+) tambak berpengaruh langsung pada berbagai reaksi keseimbangan dan aktivitas udang dalam tambak. Salah satu yang berpengaruh pada perubahan pH adalah peningkatan kadar CO2 dalam air. Peningkatan kadar CO2 dalam air akan menurunkan pH air. Kisaran pH optimum pada tambak udang sekitar 7,5 – 8,5 perubahan pH yang drastis (fluktuatif) akan mempengaruhi aktivitas udang secara signifikan.

Jadi jelas bahwa faktor lingkungan berperan penting dalam munculnya serangan penyakit di kolam/tambak. Usaha pencegahan lebih baik dilaksanakan agar munculnya penyakit dapat dihindari. Usaha pencegahan dapat dilakukan baik secara kimiawi, secara fisik maupun secara biologis. Penggunaan probiotik dapat dikatakan sebagai salah satu upaya dalam pencegahan penyakit secara biologis.

2.2 Mekanisme Timbulnya Penyakit

Penyakit pada individu atau populasi hewan, pada dasarnya bukan suatu kesatuan utuh. Timbulnya suatu penyakit adalah proses yang dinamis dan merupakan hasil interaksi antara ikan, jasad penyakit (virus, bakteri, fungi, parasit) dan lingkungan. Dalam interaksi ini lingkungan memegang peranan yang sangat penting karena dapat menimbulkan pengaruh positif dan negatif bagi ikan dan jasad penyakit. Sebenarnya di alam hubungan antara ketiga faktor tersebut dalam keadaan seimbang, sehingga tidak menimbulkan suatu wabah penyakit. Wabah penyakit akan timbul apabila hubungan antara ketiga faktor terganggu atau dalam keadaan labil.

Timbulnya suatu penyakit dalam suatu sistem budidaya ikan merupakan akibat interaksi komplek antara inang (ikan), jasad patogen dan lingkungan yang tidak seimbang (Anderson, 1974). Kondisi ini biasa terjadi pada usaha budidaya ikan secara intensif dengan kepadatan tinggi, pemberian pakan buatan, perubahan kondisi yang menyebabkab kualitas air menurun. Pada kondisi lingkungan yang jelek, dapat menyebabkan ikan mudah stres dan menurunnya sistem pertahanan tubuh ikan terhadap penyakit. Stres akibat lingkungan merupakan pemicu utama bagi timbulnya penyakit parasiter, bakterial dan viral (Warsito, 1995).

Menurut Afrianto (1992), faktor lain yang mendukung terjadi penyakit pada ikan adalah tingkat kepadatan tebar yang tinggi, karena kepadatan yang tinggi akan menyebabkan ikan berkompetisi memperebut oksigen dan makanan, aktivitas tersebut akan menimbulkan gesekan dengan sesama ikan sehingga ikan mudah mengalami luka. Munculnya luka tersebut memberikan kesempatan kepada bakteri atau jamur untuk menempel pada ikan. Selain itu menggunaan bahan kimia yang tidak tepat akan memudahkan penyebaran penyakit dalam usaha budidaya. Interaksi Faktor dalam Timbulnya suatu Penyakit dijelaskan pada gambar 3 dibawah ini

Gambar 3. Interaksi Faktor dalam Timbulnya suatu Penyakit
Beberapa penyakit yang diakibatkan oleh lingkungan perairan menurut Suprastyani (2008) adalah ; (1) melanosis yaitu warna hitam secara keseluruhan pada ikan dan terjadi secara alami (2) tumor, dialam ikan sangat jarang menunujukkan bentuk nyata dari tumor. Tumor terdiri dari gabungan jaringan yang disebut fibromata (tidak ganas) dan fibrosarcomata (tumor ganas).

Bahan-bahan kimia dan antibiotika banyak digunakan sebagai upaya pengobatan penyakit ikan di kalangan petani sebagai alternatif terapi. Namun penggunaan bahan-bahan kimia tersebut menimbulkan masalah bagi lingkungan perairan sekitarnya, juga keterbatasan yaitu perbedaan antara dosis teraupetika dan toksisitasnya sangat rendah (Ward,1989). Penggunaan kemoterapi tersebut hanya memberikan pertolongan sementara dan kemungkinan besar ikan masih rentan terhadap infeksi viral sekunder (Raa, 1992). Sedangkan antibiotika, walaupun tidak toksik terhadap inang, namun penggunaan yang berulang-ulang atau dalam jangka waktu lama dapat menginduksi strain yang resisten antibiotika. Disamping itu ikan yang terinfeksi sering mengalami anoreksia, sehingga pakan yang mengandung antibiotika tersebut tidak cukup termakan dan pada akhirnya sebagian yang tidak terobati menjadi mati (Ward, 1989 dan Roberts, 1989). Penyakit yang menyerang ikan/udang dapat dikelompokkan menjadi penyakit yang disebabkan karena parasit (jamur, bakteri, virus, protozoa dll) atau non parasiter (karena lingkungan yang buruk atau karena malnutrition (Afrianto (1992), Pencegahan terhadap penyakit ke tubuh udang/ikan adalah alternatif yang sering diupayakan untuk pengendalian penyakit ini.Selain itu peyakit pada udang/ikan dapat juga disebabkan karena serangan bakteri atau jamur. Untuk mengatasi kendala ini maka perlu digunakan alternatif lain sebagai upaya pencegahan terhadap penyakit yaitu melalui vaksinasi, pemberian imunostimulan atau dengan pengelolaan lingkungan yang dapat menghindarkan udang dari serangan penyakit misalnya dengan penggunaan tehnologi probiotik.

2.3 Penggunaan Tehnologi Probiotik
Probiotik adalah penggunaan mikroba hidup yang menguntungkan saluran pencernaan hewan untuk meningkatkan kesehatan inangnya. Jadi lebih difokuskan pada hewan/inangnya. Sejalan dengan kemajuan tehnologi, probiotik juga dimanfaatkan dalam akuakultur. Probiotik adalah penggunaan bakteri atau mikroba menguntungkan untuk meningkatkan kesehatan ekosistem tambak, kesehatan udang maupun meningkatkan sistem imun dari inang (udang) dan mengendalikan/menghambat mikroba patogen.

Menurut Poernomo, A, (2004) probiotik adalah mikroorganisme yang memiliki kemampuan mendukung pertumbuhan dan produktifitas udang. Penerapan probiotik pada udang selain berfungsi untuk meyeimbangkan mikroorganisme dalam pencernaan agar tingkat serapannya tinggi, probiotik juga bermanfaat menguraikan senyawa-senyawa sisa metabolisme dalam air . Sehingga probiotik dapat berfungsi sebagai bioremediasi, biokontrol, imunostimulan serta memacu pertumbuhan.

Probiotik adalah mikroba yang merupakan bahan tambahan di peraian (Moriarty, 1998). Umumnya bakteri probiotik terdiri dari bakteri nitrifiying dan atau bakteri heterotrofik. Bakteri heterotrofik adalah bakteri yang mengkonsumsi oksigen untuk menghasilkan karbodioksida dan amoniak pada saat proses oksidasi. Sedangkan bakteri autrofik nitrtiying mengkonsumsi oksigen dan karbondioksida pada saat oksidasi amoniak dengan produk akhirnya nitrat (Moriarty, 1996)

Tujuan utama penggunaan probiotik (kultur tunggal atau multikultur), antara lain meningkatkan kualitas air dan dasar tambak, meningkatkan kesehatan udang dan sebagai agent hayati (biological control agents) untuk mengendalikan berbagai penyakit pada tambak. Probitotik adalah mikroorganisme hidup non phatogen yang diberikan pada hewan untuk perbaikan laju pertumbuhan, efesiensi konsumsi ransum dan kesehatan hewan. Selain itu dijelaskan bahwa probiotik adalah feed additive berupa mikroba hidup menguntungkan yang mempengaruhi induk semang melalui perbaikan keseimbangan mikroorganisme dalam saluran pencernaan. Probiotik dapat berupa satu atau beberapa jenis mikroorganisme (mikroorganisme tunggal atau kultur campuran). Spesies yang sering digunakan adalah Lactobacillus sp., Leuconoctoc sp., Pedioccus sp.,Propinibactereium sp. dan Bacillus sp. Dari spesies ragi meliputi Saccharomyces cerevissiae dan Candida pintolopesi, serta jamur meliputi Aspergillus niger dan Aspegillus oryzae Probiotik yang biasa digunakan dalam budidaya antara lain ; Bacillus lycheniforsis (Bakteri Nitrifikasi), merubah senyawa nitrat dasar tambak menjadi nitrit makanan plankton, bakteri Fotosintetik (Photo synthetic bacteria), menggunakan N – anorganik untuk mengoksidasi gas H2S menjadi sulfur melalui proses fotosintesa. Ringkasan penggunaan probiotik pada akuakultur sebagai agen hayati dijelaskankan pada tabel 1 dibawah ini.


Peranan bakteri probiotik sebagai kontrol biologis pada sistem budi daya adalah (1). Menekan pertumbuhan bakteri patogen (2.) Mempercepat degradasi bahan organik dan limbah (3). Meningkatkan ketersediaan nutrisi esensial (4). Meningkatkan aktivitas mikroorganisme indigenus yang menguntungkan pada tanaman, misal Mycorriza, Rhizobium dan bakteri pelarut pospat. (5). Memfiksasi nitrogen (6.) Mengurangi pupuk dan pestisida. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada gambar 4. contoh bakteri dan ragi yang digunakan pada tehnologi probiotik.

Gambar 4. Bakteri dan yang sering digunakan dalam tehnologi Probiotik (a) Asid Laktik Bakteria (b) Saccharomyces cerevissiae (c ) Phototropic bacteria (Sumber, Nature Agro, 2008)

Dengan adanya probiotik maka proses degradasi bahan organik pada dasar tambak akan lancar, sehingga menghasilkan zat-zat yang bermanfaat bagi pertumbuhan plankton. Bahan organik yang mengalami mineralisasi oleh jasad pengurai (probiotik) akan diubah menjadi bahan anorganik seperti nitrat dan pospat. Bahan organik ini dapat digunakan secara langsung oleh fitoplankon dalam air untuk kelangsungan hidupnya. Fitoplankton makanan bagi zooplankto, sehingga jumlahnya melimpah. Hal ini menyebabkan perairan tersebut menjadi subur. Zooplankton merupakan pakan alami bagi sebagian besar larva ikan, termasuk larva. Dengan demikian maka ketersediaan pakan alami bagi ikan akan tetap terjaga.

Pemberian probiotik melalui lingkungan (air dan dasar tambak) bertujuan Memperbaiki serta mempertahankan kualitas air dan dasar tambak, mengoksidasi senyawa organic sisa pakan, kotoran udang, plankton dan organisme mati, menurunkan senyawa metabolit beracun (ammonia, nitirt , H2S), mempercepat pembentukan dan kestabilan plankton, menurunkan pertumbuhan bakteri yang merugikan, penyedia pakan alami dalam bentuk flok bakteri dan menumbuhkan bakteri pengurai. Sedangkan pemberian bakteri melalui pakan bertujuan : Menyeimbangkan fungsi usus sehingga mampu menekan bakteri yang merugikan, menghasilkan enzim yang membantu sistem pencernaaan makanan, mengandung protin yang dapat dimanfaatkan oleh ikan dan udang yang memekannya, dan meningkatkan kekebalan tubuh udang dan ikan.

Probiotik dapat dibagi 2 kelompok yaitu ; bentuk cair merupakan mikroba dalam bentuk suspensi (inokulan tunggal maupun multikultur) antara lain Lactobacillus, Bacillus sp, Nitrobacteria dan bentuk padat yaitu mikroba diinokulasi (tunggal atau multikultur) dalam media carier. (Simarmata, 2006) Sedangkan jenis probiotik yang digunakan sesuai dengan kondisi lingkungan dapat dilihat pada tabel 1.

NO KONDISI DI TAMBAK KONDISI LINGKUNGAN JENIS PROBIOTIK
1 Bagian Atas air dalam kondisi aerob kelompok bakteri aerob
2 Bagian Dasar Tambak Air umumnya kekurangan Oksigen (Anaerob) kelompok bakteri anaerob
3 Fase Awal Budidaya Populasi plankton kurang pekat Bakteri prangsang prtumbuhan plankton
4 Fase Menjelang Panen Populasi plankton pekat bakteri pengendali
pertumbuhan plankton

Tabel 2. jenis probiotik yang digunakan sesuai dengan kondisi Lingkungan

Pengaruh penggunaan probiotik adalah untuk aplikasi probiotik rutin dengan sistem sedikit ganti air mempunyai pH cenderung tinggi, NH3 dan H2S relatif rendah, kecerahan lebih pekat, suhu, salinitas, warna air, DO, pH, memenuhi kebutuhan hewan yang dibudidayakan. Penggunaan probiotik pada usaha budidaya ikan dan udang dapat mengurangi penggunaan bahan kimia dan antibiotik, berpengaruh nyata terhadap kelangsungan hidup, pertumbuhan, FCR dan produksi ikan serta udang

Menurut Simarmata (2006) mekanisme penggunaan probiotik dalam meningkatkan kualitas air, kesehatan udang dan pengendalian secara biologis dapat diringkas sebagai berikut :
• Menguraikan senyawa toksis (detoksifikasi) dalam ekosistem tambak, terutama NH3 , NO2- dan H2S dan menguraikan timbunan bahan organik dan detritus pada dasar tambak.
• Antagonisme yaitu mikroba tersebut menghasilkan suatu senyawa yang dapat menghambat pertumbuhan patogen.
• Kompetisi yaitu mikroba probiotik berkompetisi dengan mikroba patogen dalam memanfaatkan faktor tumbuh.
• Immunostimulan yaitu mikroba probiotik meningkatkan sistem imun dari inang atau organisme menguntungkan dalam ekosistem tambak.
• Meningkatkan status nutrisi yaitu mikroba probiotik meningkatkan ketersediaan hara dan penguraian hara pada inang

Beberapa penelitian tentang penggunaan probiotik dalam budidaya udang antara lain; hasil penelitian Widanarni bertujuan mencari bakteri pembunuh yang alami. Ia menemukan adanya kompetisi antara Vibrio harveyi dengan bakteri probiotik. Kondisi ini terjadi saat Vibrio harveyi hendak melekatkan diri ke tubuh udang. Bakteri probiotik tersebut menurut Widanarti bisa diperoleh dengan cara menapisnya (screning) dari bakteri Vibrio juga, yang jenisnya adalah probiotik SKT-b kepanjangan dari Skeletonema. Dari hasil penelitiannya, diketahui bahwa kelangsungan hidup larva udang windu dengan penambahan probiotik SKT-b menjadi lebih besar (93%) dibandingkan tanpa SKT-b (68%). Penambahan probiotik SKT-b ternyata berhasil mengurangi populasi Vibrio harveyi di saluran pencernaan larva udang (Widanarti, 2005)

Sementara itu Murtiati dkk (2006) melakukan penelitian tentang penggunaan probiotik pada udang galah menjelaskan bahwa kolam perlakuan dengan biokatalisator ikan bandeng dan probiotik EM4 (B) maupun MBPI (C) memberikan pengaruh yang baik pada peningkatan kadar oksigen terlarut, yaitu pada kolam perlakuan ikan bandeng dan EM4 konsentrasi tertinggi mencapai 8,24 mg/l dan pada kolam perlakuan ikan bandeng dan MBPI 5,89 mg/l (Gambar 5)

Gambar 5. Fluktuasi O2 terlarut pada kolam dengan
perlakuan probiotik ( Murtiati, 2006)

Pada penelitian yang sama diketahui juga bahwa dengan penggunaan probiotik dapat menurunkan konsentrasi kandungan ammonia dan nitrit pada dasar tambak (Gambar 6).

Gambar 6. Kandungan ammonia dan nitrit pada kolam dengan
perlakuan probiotik (Murtiati, 2006).

Lingkungan yang bersih bebas dari timbunan sisa-sisa penguraian bahan organik (Ammonia, nitrit dan asam sulfida) serta kaya akan oksigen akan sangat membantu pertumbuhan udang dan menjaga kesehatan udang selama pemeliharaan.
Tehnik aplikasi penggunaan probiotik dalam budidaya udang biasanya dilakukan pada saat persiapan lahan seperti dijelaskan pada gambar 7. dibawah ini

Gambar 7. Tehnik pemberian probiotik pada dasar tambak

Setelah pemberian probiotik pada saat persiapan lahan maka probiotik dapat kembali diberikan setelah benur ditebarkan, dan sebaiknya diberikan secara rutin (Gambar 8)

Gambar 8 . Pemberian probiotik secara rutin setelah benur ditebarkan

Cara penggunaan probiotik seperti telah dijelaskan pada gambar 7 dan gambar 8 diatas adalah ; apabila diberikan di kolom air yang aerobik sebaiknya diencerkan dulu dengan air tambak, kemudian ditebar merata (untuk perbaikan kualitas air). Sedangkan apabila diberikan di dasarambak, penggunaannya dicampur dengan subtrat pembawanya missal dengan zeolit, caranya tuang zeolit ke dalam bak plastik campur dengan probiotik, aduk hingga merata dan tebarkan campuran tersebut di tambak terutama dibagian yang banyak endapan lumpur. Probiotik dapat juga digunakan dengan dicampur dengan pakan buatan, keringkan sebentar lalu menebarkan pakan tersebut.

III. KESIMPULAN DAN SARAN
3.1 Kesimpulan
Timbulnya suatu penyakit adalah proses yang dinamis dan merupakan hasil interaksi antara ikan, jasad penyakit (virus, bakteri, fungi, parasit) dan lingkungan. Dalam interaksi ini lingkungan memegang peranan yang sangat penting karena dapat menimbulkan pengaruh positif dan negatif bagi ikan dan jasad penyakit. . Pada kondisi lingkungan yang jelek, dapat menyebabkan ikan mudah stres dan menurunnya sistem pertahanan tubuh ikan terhadap penyakit. Stres akibat lingkungan merupakan pemicu utama bagi timbulnya penyakit parasiter, bakterial dan viral (Warsito, 1995).
Lingkungan tambak yang sehat dan subur (healty pond) mencerminkan adanya interaksi yang harmonis, baik antara komponen biotik dengan abiotik maupun sesama komponen biotiknya. Oleh karena itu peranan O2 dalam tambak sangat penting karena tanpa O2 mahluk hidup yang aerob (zooplankton, bakteri aerob, udang) akan mati akibatnya proses ketersediaan makanan dalam rantai makanan akan terputus dan terjadinya akumulasi senyawa organik pada dasar tambak. Dalam lingkungan tambak amoniak dan nitrit bersifat toksis, selain itu peningkatan amoniak juga meningkat dengan kenaikan suhu. jika kandungannya tinggi dapat menyebabkan kematian pada udang.
Probiotik adalah penggunaan bakteri atau mikroba menguntungkan untuk meningkatkan kesehatan lingkungan tambak, kesehatan udang maupun meningkatkan sistem imun dari inang (udang) dan mengendalikan/menghambat mikroba patogen.
Tujuan utama penggunaan probiotik (kultur tunggal atau multikultur), antara lain meningkatkan kualitas air dan dasar tambak, meningkatkan kesehatan udang dan sebagai agent hayati (biological control agents) untuk mengendalikan berbagai penyakit pada tambak. Spesies yang sering digunakan adalah Lactobacillus sp., Leuconoctoc sp., Pedioccus sp.,Propinibactereium sp. dan Bacillus sp. Dari spesies ragi meliputi Saccharomyces cerevissiae dan Candida pintolopesi, serta jamur meliputi Aspergillus niger dan Aspegillus oryzae Probiotik yang biasa digunakan dalam budidaya antara lain ; Bacillus lycheniforsis (Bakteri Nitrifikasi), merubah senyawa nitrat dasar tambak menjadi nitrit makanan plankton, bakteri Fotosintetik (Photo synthetic bacteria),

3.2 Saran
Melihat penerapan tehnologi probiotik yang sederhana maka disarankan untuk dapat diterapkan oleh para pembudidaya udang sebagai usaha pencegahan secara biologis terhadap serangan penyakit. Saat ini probiotik dalam usaha budidaya telah tersedia secara komersial, tetapi informasi yang secara ilmiah dianggap memadai belum tersedia. Kondisi inilah menyebabkan kesenjangan antara pelaksanaan di lapangan dengan landasan ilmiah yang mendukungnya. Oleh karena itu diperlukan kerjasama antar komponen petani tambak, pemerintah, institusi terkait (perusahaan produk, dan peneliti).

DAFTAR PUSTAKA


Afrianto, E dan Liviawaty. 1992. Pengendalian Hama dan Penyakit Ikan. Penerbit Kanisisus. Yogyakarta. 89 hal.

Anderson, D. P. 1974. Immunostimulant. Adjuvants and Vaccine Carriers In Fish. US Fish and Wildlife Service. National Fish Health Research Laboratory. West Virginia. USA. 27 p.

Anwar Syarif, Henni Syawal, Yusni Ikhwan Siregar 2007, Kesehatan Ikan , Sensitivity of Aeromonas hydrophila toward bittermelon

Durborow, RM DM. Crosby and MW Brunson 1997. Ammonia in Fish Ponds SRAC Publication No. 463

Iskandar, Pengelolaan Plankton Pada Ekosistem Tambak Yang Ramah Lingkungan, Makalah pada Seminar Tehnologi Bioremediasi dan Probiotik, 29 – 30 Maret 2006, Banyuwangi

Murtiati, K. Simbolon, T. Wahyuni, Juyana, Penggunaan Biokatalisator Pada Budidaya Udang Galah, Jurnal Budidaya Air Tawar Volume 4 No. 1 Mei 2007 (19-26), 2006

Moriarty, D.J.W. Microbial Biotechnology : a key Inggradient for sustainable Aaquaculture. Infofish, 1996.

Nature Agro trd, Probiotik EM Effectife Microorganism, download 16 N ovember 2008

Poernomo,A. 2004. Technology of Probiotics to solve the problem in shrimp pond culture and the culture environment. Paper presented in the National Symposium on Develeopment Scienticfic and Technology Innovation Aquaculture, January 27 – 29, 2005. Patrajas Hotel, Semarang

Raa, J. 1992. The Use of Immunostimulant to Increase Resistensi of Aquatic Organisms to Microbial Infections. Manila. 39-50 p.

Tualar Simarmata, Revitalisasi Ekosistem Tambak Dengan Pemanfaatan Tehnologi Bioremediasi dan Probiotik, Makalah Pada Seminar Tehnologi Bioremediasi dan Probiotik, 29 – 30 Maret 2006, Banyuwangi.

Warsito. 1995. Penyakit Ikan Air Tawar dan Cara Penanggulangannya. Primadona ed. April. Jakarta. Hal 14-17.
Ward. 1982. The Development of Bacterial Vaccines for Fish. (Robert. RJ. Ed) Microbial Diseases of Fish. London : Academic Press. 47-58 p.
Widanarti , Penapisan Bakteri Probiotik untuk Biokontrol Vibriosis pada Larva Udang Windu: Konstruksi Penanda Molekuler dan Esei Pelekatan, download 3 November 2008

. Read More......

PENGARUH MANUSIA PADA SIKLUS NITROGEN

Muhammad fahri. Brawijaya University Malang. 2009

Pengenalan.

Suatu kunci pemahaman peredaran Nitrogen (N) adalah untuk menentukan gangguan kegiatan manusia (human-induced) pada peredaran N yang alami seperti penentuan melibatkan pemahaman pertama, menguraikan, dan mengukur peredaran N yang alami pada global, regional, dan skala lokal. Konsentrasi jenis N di lingkungan sangat bervariasi atas jarak yang singkat. Variabilitas alami ini dapat membuatnya sukar untuk mengevaluasi pengaruh manusia pada peredaran N. Idealnya, semua komponen yang alami peredaran N harus diukur dengan ketelitian dan ketepatan yang dikenal. Dalam praktek, ini adalah mustahil. Pada kenyataannya, perkiraan dibuat dari penting atau besarnya komponen utama peredaran N berdasar pada pengukuran yang tidak lengkap atau terpisah-pisah. Ada ketidak-pastian besar pada penting/besar perubahan terus menerus secara alami diperkirakan N dan penyimpanan N alami didalam reservoir N. Sebagai contoh, perkiraan fiksasi N laut sebesar 40-200 juta metrik tons/tahun, deposisi organik-N di atmosfir 10-100 juta metrik tons/tahun dan, emisi ammonia/ammonium terestrial (NH3/NH4+) sebesar 91-186 juta metric ton N/tahun. Satu alasan untuk ketidak-pastian yang besar seperti itu adalah bahwa dunia alami adalah heterogen dan besar dan secara luas dimodifikasi oleh berbagai pengaruh manusia. Ini membuat sangat sukar mengukur peredaran N alami.

Suatu perkiraan siklus N alami dibuat, kemudian perkiraan gangguan manusia pada siklus N alami dapat dibuat. Aktivitas Manusia mempengaruhi peredaran N melalui saling berinteraksi phisik, bahan kimia dan proses biologi. Didalam menaksir fiksasi N oleh pembakaran bahan bakar fosil (fossil-fuel), tingkat fiksasi N diperkirakan didasarkan pada data yang tersedia, sebagai contoh, suhu pembakaran, proses pembakaran, dan isi bahan bakar N. Fiksasi N oleh kacang-kacangan diperkirakan didasarkan pada penghitungan pengukuran fiksasi N pada sejumlah kecil penempatan yang spesifik.

Dalam beberapa situasi, adalah mudah untuk menentukan dengan kepercayaan bahwa peredaran N meningkat sehubungan dengan aktivitas manusia. Sebagai contoh, pemecatan langsung pemborosan manusia pada sungai dapat diukur dan konsentrasi dapat sangat tinggi bahwa tidak dapat dibantah hampir semua N dalam air adalah terkaitan dengan masukan oleh manusia. Dan sebaliknya, masukan N oleh manusia yang diukur dapat rendah, dimana mungkin saja lebih sukar untuk menyatakan dengan pasti masukan N manusia itu sudah meningkatkan N alami pada kandungan sungai, sebab masukan N manusia adalah dalam cakupan ketidak-pastian N alami yang diperkirakan dalam isi sungai. Itu dapat lebih sukar lagi untuk menentukan tingkat pada aktivitas manusia mana yang membingungkan peredaran N alami ketika keduanya baik peredaran N alami dan masukan manusia mempunyai ketidak-pastian yang tinggi.

Tantangan untuk menilai kontribusi alami dan proses human-induced relatif untuk peredaran N di bawah kondisi-kondisi ketidak-pastian. Untuk melakukan ini, suatu sistem perhitungan N penuh harus dimapankan dengan ditetapkan tingkat ketelitian. Dan sistem perhitungan harus meliputi aktivitas manusia yang menghabiskan reservoir N dan mengurangi peredaran N, seperti halnya meningkatkan peredaran N yang penting/besar.

Evolusi Pengaruhi Manusia Pada Siklus N.

Seperti yang dibahas di Biosphere, hampir dimana-mana manusia prasejarah tinggal mereka memodifikasi lingkungan untuk memanfaatkan dengan penggunaan api. Secara phisik memindahkan tutupan tumbuh-tumbuhan daratan, api meningkatkan perpindahan N dari daratan oleh angin dan erosi air dan dengan pelarutan dari N terlarut. Keteduhan yang direduksi dan suatu permukaan dibakar untuk membuat permukaan lebih hangat (dengan mengurangi evapotranspirasi) sering membuat daratan lebih panas. Ini secara biologi dirangsang oleh nitrifikasi dan denitrifikasi, dimana, pada gilirannya, meningkatkan lebih lanjut hilangnya N dari daratan ke hydrosphere dan atmospir, secara berturut-turut. Dengan cara yang sama, api secara kimiawi merangsang mineralisasi tanah bahan organik ke NH4+, banyak pohon dengan kayu keras yang bersifat sangat alkali yang ditinggalkan oleh api yang dikonversi ke gas NH3, lebih lanjut penambahan hilangnya lahan N ke atmospir. Apalagi, api itu sendiri secara kimiawi mengkonversi sebagian besar N yang terdapat pada tumbuh-tumbuhan yang terbakar ke gas N2 melalui suatu proses yang disebut dengan pyrodenitrifikasi.

Sebaliknya, api secara istimewa merangsang pertumbuhan tumbuhan yang mendukung fiksasi N secara mutualistik dan simbiotik seperti halnya populasi bakteri asymbiotik pemfiksasian N. Kendati hilangnya meningkatkan fire-induced N tanah ke hydrosphere dan atmospir, efek api meningkatkan fiksasi N menjadi sangat besar, pemandangan yang dibakar biasanya diperoleh N sebagai hasil api. Di Illinois, penggunaan api masa prasejarah oleh Orang Amerika Asli membantu untuk menggandakan kandungan dari N tanah dengan pemeliharaan kebanyakan dari daratan didalam padang rumput yang luas dibandingkan didalam hutan. Ini prairies (dan sisa-sisa hutan yang dibakar) mendukung populasi binatang pengaruh pada ekologi American yang dibentuk. Lebih lanjut meningkatkan perpindahan N ke atmospir dan hydrosphere. Tetapi, oleh api, pembedaan binatang meningkatkan fiksasi N lebih dari peningkatan perpindahan N.

Sebagai peradaban lebih konvensional perkembangan sejarah waktu, manusia mempengaruhi atas peredaran N bergeser dengan mengubah praktek pemanfaatan lahan daratan. Api masih digunakan, dikombinasikan dengan teknik lain. Daerah hutan dan padang rumput yang dibakar/terbakar mendukung binatang yang dipelihara. Pupuk yang kaya kandungan N dan air seni dari binatang telah bercampur dan dikomposisikan dengan pupuk miskin N secara relatif material tananam untuk menghasilkan suatu pelepasan/release yang lambat remarkably-consistent biokimia yang kaya organik. Pupuk organik ini diberlakukan untuk tilled dan mengolah cropland. Gangguan fisik memacu mineralisasi N didalam bahan organik ke NH4+ dan pengisian angin yang diproduksi oleh tille memacu konversi dari mineralisasi N ke NO3-, kedua bentuk dari N inorganik yang siap digunakan oleh tanaman musiman. Pada iklim hangat lembab, seperti Illinois, sekitar dua are padang rumput diperlukan untuk mendukung tiap-tiap are dari tanah pertanian (cropland) yang dibajak; sebagian dari cropland ini digunakan untuk lahan makanan binatang yang digunakan untuk pupuk didaur ulang kembali ke cropland. Meskipun demikian, cropland hilang kesuburan sehubungan dengan status alami. Sebagai contoh, di midwest USA Cornbelt, tilled croplands hilang hampir separuh kandungan N pada 60 tahun pertama. Pertanian Wetland dikembangkan oleh peradaban pada kedua masa baik masa lampau dan baru dengan tak terpisahkan pemfiksasian N tinggi dari kapasitas ekosistem wetland yang berarti pertanian wetland ini memerlukan sedikit atau tidak ada tambahan untuk mendukung kesuburan.

Ketika peradaban menjadi terindustrialisasi, manusia mempengaruhi pada peredaran N bergeser lagi. Tenaga binatang telah digantikan oleh tenaga mesin; pupuk telah digantikan oleh pupuk kimia dan penggunaan dari peningkatan pemfiksasian N kacang-kacangan. Tumbuhan dipelihara dan mengurangi hilangnya tanaman musiman pada rumput liar, serangga dan penyakit meningkat hasil setiap are dari tanaman musiman utama (seperti, jagung, gandum, padi) 10-fold, atau lebih, dalam perkembangan dunia. Sebagai contoh, U.S. produksi panen telah meningkat lebih dari 5-fold ketika area cropland berkurang dari 162 juta ha di sekitar Tahun 1900 sampai 113 juta ha pada Tahun 1990an. Area Illinois baris tanaman musiman meningkat dari 4 juta ha pada 1900 ke sekitar 9.3 juta ha pada akhir 1990an.

Produksi panen intensive masa kini memerlukan aplikasi pupuk N lebih besar dari penerapan pada pertengahan Tahun 1900an. Semakin pupuk N diterapkan semakin besar potensi untuk hilangnya N ke atmospir dan hydrosphere. Mengetahui permasalahan terkait dengan pupuk ini, pertanian sedang berhembang meningkat praktek manajemen terbaik (best management practices / BMPs) seperti manajemen slow-release permukaan air dibawah tanah dan pupuk kimia dan teknik lain untuk mengurangi tingkat nitrifikasi/denitrifikasi selama periode dari tumbuhan yang menuntut N rendah. Juga pertanian sedang bergeser ke suatu kombinasi membangun kembali lahan reservoir N organik dan meningkatkan jumlah tumbuhan rhizosphere untuk fiksasi N dan pengambilan N untuk berkurang ketergantungan pada pupuk N kimiawi.

Generasi energi melepaskan lapisan N tanah yang disimpan bahan bakar fosil dan juga memperbaiki O2 di atmosfir dan N2 dibawah kondisi-kondisi dari temperatur dan tekanan tinggi. Solusi rekayasa mempunyai dan melanjutkan untuk mengurangi jumlah fiksasi N yang diproduksi setiap satuan produksi energi.

Arus Perhatian Utama Atas Modifikasi Manusia Untuk Peredaran N.
Aktivitas Manusia yang utama hari ini yang mempengaruhi siklus N global adalah pembakaran bahan bakar fosil, produksi dan penggunaan dari pupuk kimia, dan pertumbuhan pemfiksasian N tanaman musiman. Aktivitas ini dilaporkan untuk menggandakan penting/besar fiksasi N diatas benua. Isu lingkungan yang utama sehubungan dengan peningkatan ini adalah perubahan iklim global, pengurang ozon stratospherik, asap regional, penurunan derajat jarak penglihatan, hujan asam, perusakan pemanfaatan air, dan eutrophikasi.
Read More......