Penapisan bacillus dan karakterisasi protease dan amilase ekstraseluler yang dihasilkan untuk degradasi sisa pakan pada budi daya udang
PENAPISAN Bacillus DAN KARAKTERISASI PROTEASE
DAN AMILASE EKSTRASELULER YANG DIHASILKAN
UNTUK DEGRADASI SISA PAKAN
PADA BUDI DAYA UDANG
IT JAMILAH
SEKOLAH PASCA SARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
2011
PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN SUMBER
INFORMASI
Dengan ini saya menyatakan bahwa disertasi Penapisan Bacillus dan
Karakterisasi Protease dan Amilase Ekstraseluler yang Dihasilkan untuk
Degradasi Sisa Pakan pada Budi daya Udang adalah karya saya sendiri dan
belum diajukan dalam bentuk apapun kepada perguruan tinggi manapun. Sumber
informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun yang
tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan
dalam Daftar Pustaka di bagian akhir disertasi ini.
Bogor, Maret 2011
It Jamilah
NIM G361020051
ABSTRACT
IT JAMILAH. Screening of Bacillus and Characterization of Extracelullar
Protease and Amylase Produced for Degradation of Shrimp Feed Excess in
Shrimp Aquaculture. Under the direction of ANJA MERYANDINI, IMAN
RUSMANA, ANTONIUS SUWANTO AND NISA RACHMANIA MUBARIK.
Accumulation of excess feed in shrimp ponds could decrease water quality.
Protein and starch are the primary component of shrimp feed. Bacillus spp.
produce extracelullar enzymes, primarily proteases and amylases. The aim of this
study was to screen Bacillus isolated from shrimp ponds and study its proteases
and amylases for degradation of protein and carbohydrate of shrimp feed excess
in shrimp aquaculture. Bacteria were isolated from soil, water, sediment and
shrimp digestive system of sample collected from shrimp ponds of Karawang,
West Java. There were 71 proteolytic and amylolytic isolates isolated. Based on
proteolytic and amylolytic index (PI and AI), nine isolates were selected for
further characterization including morphology characteristic, growth and ability to
reduce total suspended solid (TSS) generated from commercial shrimp feed.
Bacillus sp. DA 5.2.3 and L5 had the highest activity in reducing total suspended
solid (TSS) of shrimp feed which were 37 and 29% respectively. The protease and
amylase activitiy of Bacillus sp. DA 5.2.3 were higher than that of L5. The
maximum specific activity (40.9 U mg-1) of protease of Bacillus sp. DA 5.2.3 was
reached at 48 hours, while its amylase reached it (47.3 U mg-1) at 24 hours.
The activity of both enzymes were measured at pH and salinity range mimic
to shrimp ponds condition. Further characterization of DA 5.2.3 isolate show
that, protease of Bacillus sp. DA 5.2.3 had the maximum activity at pH 8 while its
amylase showed the maximum activity at pH 6 when produced at commercial
shrimp feed medium. These enzymes significantly active at salinity range 1.53.5% with activity more than 50%. Stability of both enzymes was measured at
optimum condition of enzyme activity and at general condition of shrimp ponds.
In general condition of shrimp ponds protease activity was retained above 65%
for 3 hours while amylase relatively stable for 6 hours at activity above 80%.
SDS-PAGE, Native-PAGE and zymogram analysis of crude extract of both
enzymes showed that the size of protease was ±150 kDa, while its amylase had
two types of protein with the molecular weight in the range of 123 and 27 kDa.
Bacillus sp. DA 5.2.3 was able to reduce total suspended solid (TSS) of shrimp
feed in liquid medium up to 50% in 48 hours and better than commercial probiotic
isolate. Based on 16S rRNA gene sequences Bacillus sp. DA 5.2.3 was 99%
homolog with Bacillus cereus. Based on the characterization of isolate and its
proteases and amylases, this isolate has potential application to reduce proteins,
carbohydrates and TSS in water column of shrimp ponds.
Key words: Bacillus sp. DA 5.2.3, protease, amylase, TSS
RINGKASAN
IT JAMILAH. Penapisan Bacillus dan Karakterisasi Protease dan Amilase
Ekstraseluler yang Dihasilkan untuk Degradasi Sisa Pakan pada budi daya Udang.
Dibimbing oleh ANJA MERYANDINI, IMAN RUSMANA, ANTONIUS
SUWANTO, dan NISA RACHMANIA MUBARIK.
Seiring dengan berkembangnya budidaya udang di berbagai negara, diikuti
pula oleh berbagai kendala seperti perkembangan penyakit dan penurunan kualitas
air yang menyebabkan turunnya produksi udang. Penurunan kualitas air pada
tambak udang, terutama pada sistem budidaya udang intensif dan semi intensif,
dapat disebabkan oleh penumpukan sisa pakan buatan yang seluruhnya disuplai
dari luar tambak berupa pakan buatan pabrik. Pakan ini sering tidak dapat
dimanfaatkan secara optimal oleh hewan, sehingga tersisa sebagai limbah dalam
air dan sedimen. Pakan udang merupakan bahan kaya protein, lemak dan
karbohidrat di samping bahan-bahan lainnya. Kandungan sisa pakan yang tinggi
di perairan tambak menyebabkan peningkatan kadar senyawa organik dan
senyawa toksik dalam air. Di samping itu, hal ini dapat menyebabkan tingginya
padatan tersuspensi (total suspended solid [TSS]), tingginya kebutuhan oksigen
biologis (biological oxygen demand [BOD]), turunnya oksigen terlarut (dissolved
oxygen [DO]), eutrofikasi, dan keracunan terhadap udang. Faktor-faktor tersebut
dapat mengganggu pertumbuhan, daya tahan bahkan menyebabkan kematian.
Banyak laporan tentang peranan Bacillus spp. sebagai agen biokontrol di
tambak udang, tetapi hanya sedikit laporan tentang peranan kelompok bakteri ini
dalam degradasi sisa pakan pada perairan tambak udang melalui pendekatan
enzim-enzim ekstraseluler. Hal ini dapat mengatasi pencemaran senyawa toksik
di perairan seperti amonia, nitrat, nitrit dan penumpukan senyawa organik di
perairan tambak. Tujuan penelitian ini ialah: 1) menapis dan mengkarakterisasi
Bacillus proteolitik dan amilolitik yang diisolasi dari tambak udang, 2)
mengkarakterisasi enzim protease dan amilase yang dihasilkan isolat terpilih dan
3) mengukur kemampuan isolat terpilih dalam menurunkan total padatan
tersuspensi pada kultur cair pakan udang.
Penapisan Bacillus spp. dilakukan dengan pemanasan sampel pada suhu 80
0
C selama 15 menit kemudian disebar pada medium sea water complete (SWC)
50% yang ditambahkan 1% susu skim untuk produksi protease atau 1% pati
terlarut untuk produksi amilase. Penapisan isolat berdasarkan kepada indeks
hidrolisis, pertumbuhan, penurunan TSS, serta aktivitas protease dan amilase.
Sebanyak 71 isolat proteolitik dan amilolitik telah berhasil diisolasi dari sampel
tanah, sedimen, air dan saluran pencernaan udang. Berdasarkan penghitungan
nilai indeks proteolitik (IP) dan amilolitik (IA) yang dihasilkan pada medium
yang mengandung protein dan pati, dipilih 9 isolat yang memiliki IP dan IA
tertinggi (≥2.5). Selanjutnya dilakukan uji pertumbuhan isolat-isolat tersebut pada
media pakan udang 1.2% dalam air laut (bv-1) selama 48 jam dengan
penghitungan jumlah sel setiap 24 jam. Kemampuan isolat-isolat tersebut dalam
menurunkan TSS diuji dengan metoda penyaringan padatan tersuspensi dari
kultur bakteri pada media pakan udang komersial dan air laut 1.2% (bv-1) (media
Shrimp Feed [SF]). Hasil uji pertumbuhan dan uji TSS menunjukkan bahwa
Bacillus sp. L5 dan DA 5.2.3 memiliki pertumbuhan terbaik dan kemampuan
tertinggi dalam menurunkan TSS berturut-turut sebesar 37 dan 29% jika
dibandingkan dengan isolat-isolat lainnya. Kedua isolat tersebut selanjutnya
digunakan untuk produksi protease dan amilase pada media SF 1.2%. Aktivitas
protease diukur berdasarkan modifikasi metode Walter (1984), amilase
berdasarkan metode Bernfeld (1955) dan kadar protein mengacu kepada metode
Bradford (1976). Protease dan amilase ekstrak kasar isolat DA 5.2.3 yang
diproduksi pada media SF 1.2%, memiliki aktivitas yang lebih tinggi
dibandingkan dengan isolat L5. Aktivitas spesifik protease isolat DA 5.2.3 ialah
40.9 U mg-1, sedangkan isolat L5 23 U mg-1. Aktivitas spesifik amilase Bacillus
sp. DA 5.2.3 diperoleh sebesar 47.3 U mg-1, sedangkan isolat L5 hanya sebesar
9.1 U mg-1, oleh sebab itu Bacillus sp. DA 5.2.3 dipilih untuk dikarakterisasi lebih
lanjut dalam penelitian ini.
Protease ekstrak kasar Bacillus sp. DA 5.2.3 yang diproduksi pada media SF
1.2% mencapai aktivitas maksimum pada awal fase pertumbuhan stasioner setelah
48 jam (20.5 U mg-1) sedangkan amilasenya mencapai aktivitas maksimum pada
fase pertumbuhan eksponensial setelah 24 jam (23.5 U mg-1). Kedua enzim aktif
pada rentangan pH tambak (6-9) dan salinitas (1.5-3.5%). Aktivitas protease
maksimum diperoleh pada pH 8 dan amilase pada pH 6. Pada rentangan salinitas
1.5-3.5%, aktivitas protease berkisar di atas 60% dari aktivitas maksimumnya
pada kondisi tanpa NaCl (salinitas 0) sedangkan amilase berkisar di atas 50% dari
aktivitas maksimumnya pada salinitas 1.5%. Stabilitas protease pada kondisi pH
8, salinitas 2.5% bertahan selama 3 jam dengan aktivitas berkisar di atas 65%
sedangkan aktivitas amilase berkisar di atas 80% selama 6 jam inkubasi. Protease
dan amilase isolat DA 5.2.3 aktif secara signifikan pada kondisi pH dan salinitas
air tambak udang pada media pakan udang dan air laut. Oleh sebab itu isolat ini
memungkinkan untuk diaplikasikan di tambak udang.
Protease Bacillus sp. DA 5.2.3 memiliki bobot molekul (BM) sekitar 150
kDa, sedangkan amilase terdiri atas 2 tipe enzim dengan BM berkisar 123 kDa
dan 27 kDa yang diduga merupakan isoenzim. Uji TSS isolat DA 5.2.3 pada
kultur cair media SF 1.2% selama 4 hari menunjukkan bahwa isolat ini mampu
menurunkan TSS sebanyak 50% pada hari ke-2. Hal tersebut lebih cepat daripada
Bacillus sp. SP yang diisolasi dari probiotik komersial. Belum ada informasi
mengenai hal ini sebelumnya dari Bacillus. Bacillus sp. DA 5.2.3 mempunyai
karakteristik : mereduksi nitrat, tidak tumbuh pada suhu 50 0C dan kadar NaCl
7%. Analisis sekuen gen 16S rRNA isolat DA 5.2.3 dengan program Blast
(NCBI) menunjukkan bahwa isolat ini memiliki kesamaan 99% dengan Bacillus
cereus. Berdasarkan karakter yang dimiliki, Bacillus sp. DA 5.2.3 berpotensi
untuk diaplikasikan di perairan tambak udang khususnya untuk menurunkan
konsentrasi protein dan karbohidrat dari sisa pakan.
Kata kunci: Bacillus sp. DA 5.2.3, protease, amilase, TSS
©Hak cipta milik IPB, tahun 2011
Hak cipta dilindungi undang-undang
Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa
mencantumkan atau menyebutkan sumbernya. Pengutipan hanya untuk
kepentingan pendidikan, penelitian, penulisan karya ilmiah, penyusunan
laporan, penulisan kritik atau tinjauan suatu masalah; dan pengutipan
tersebut tidak merugikan kepentingan yang wajar IPB.
Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atau seluruh karya
tulis dalam bentuk apapun tanpa izin IPB.
PENAPISAN Bacillus DAN KARAKTERISASI PROTEASE
DAN AMILASE EKSTRASELULER YANG DIHASILKAN
UNTUK DEGRADASI SISA PAKAN
PADA BUDI DAYA UDANG
IT JAMILAH
Disertasi
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Doktor pada
Program Studi Biologi
SEKOLAH PASCA SARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
2011
Penguji pada Ujian Tertutup : Prof. Dr. Maggy T. Suhartono
Dr. Dinamella Wahyuningrum
Penguji pada Ujian Terbuka
: Dr. Tri Widiyanto, M.Si.
Dr. Yopi
Penapisan Bacillus dan Karakterisasi Protease dan Amilase
Ekstraseluler yang Dihasilkan untuk Degradasi Sisa Pakan
pada Budi daya Udang
: It Jamilah
: G361020051
Judul Disertasi :
Nama
NIM
Disetujui
Komisi Pembimbing
Dr. Ir. Iman Rusmana, M.Si.
Anggota
Dr. Anja Meryandini, M.S.
Ketua
Prof. Dr. Ir. Antonius Suwanto, M.Sc.
Anggota
Dr. Nisa Rachmania Mubarik, M.Si.
Anggota
Diketahui
Ketua Program Studi Biologi
Dekan Sekolah Pascasarjana
Dr. Ir. Dedy Duryadi S., DEA.
Prof. Dr. Ir. Khairil A. Notodiputro, MS.
Tanggal Ujian:
Tanggal lulus:
PRAKATA
Berkat rahmat Tuhan Yang Maha Esa penulis telah dapat menyelesaikan
penulisan disertasi ini. Puji dan syukur penulis ucapkan kehadirat Allah atas
nikmat ilmu yang telah diberikan. Disertasi yang berjudul Penapisan Bacillus dan
Telaah Enzim Protese dan Amilase yang Dihasilkan untuk Degradasi Sisa Pakan
pada Budidaya Udang, disusun berdasarkan hasil penelitian penulis di IPB dari
akhir tahun 2005 sampai pertengahan 2009.
Penghargaan yang tinggi dan ucapan terima kasih ditujukan kepada komisi
pembimbing, yang terdiri atas Dr. Anja Meryandini M.S. sebagai ketua, Dr. Ir.
Iman Rusmana, M.Si., Prof. Dr. Ir. Antonius Suwanto, M.Sc. dan Dr. Nisa
Rachmania Mubarik, M.Si. sebagai anggota, yang telah memberikan arahan,
kritikan, dan saran untuk kesempurnaan penelitian dan penyusunan tulisan ini.
Ucapan terima kasih juga disampaikan kepada semua pihak yang telah
memberikan dukungan finansial untuk pendidikkan dan penelitian ini. Dana
pendidikan dan penelitian diperoleh dari proyek BPPS (2002-2006) dan Hibah
Doktor 2009 dari Direktorat Jendral Pendidikan Tinggi (DIKTI), Departemen
Pendidikan Nasional (Depdiknas), bantuan dana pendidikan dan penelitian dari
Universitas Sumatera Utara (USU), dan bantuan bahan kimia dari Dr. Ir Iman
Rusmana, M.Si. dan para pembimbing lainya.
Penulis sangat berterima kasih kepada Ibu Heni, Ibu Ika, dan Ibu Dewi atas
bantuan teknis di laboratorium, dan beberapa staf PT Syahputra atas izin
menggunakan produk probiotiknya kepada penulis. Ucapan terima kasih
selanjutnya penulis tujukan kepada teman-teman di Laboratorium Mikrobiologi
Program Studi Biologi-IPB: Elsi, Isramilda, Rina Puji Astuti, Khairul Syahputra,
Huria Marnis, Hasrul Satria, Niken Finansia, Rika Indri Astuti, Roswita, Alberta
Rika Pratiwi, Sri Rahayu, dan Aziz atas kerja samanya. Kepada sahabat sejati
Magdaliza, terima kasih atas persahabatan dan dukungannya selama studi.
Demikian pula kepada Nursahara Pasaribu dan teman-teman lainnya yang tidak
dapat disebutkan satu persatu, penulis juga mengucapkan terima kasih atas
dukungan, bantuan tenaga dan fikirannya.
Ucapan terima kasih dan penghargaan yang tinggi disampaikan kepada
suami tercinta Tri Mulia Saragih dan anak-anak: Muhammad Fadhil Ilman,
Hanisah Sabrina dan Sarah Nurdini atas dukungan, cinta dan kasih sayangnya
sehingga penulis dapat menjalani masa-masa sulit selama studi. Penulis berterima
kasih tiada henti kepada ayahanda Djama’an, ibunda almarhumah Rostina yang
telah membesarkan dan membimbing penulis sehingga dapat sampai ke tahap
seperti sekarang. Selanjutnya penulis mengucapkan rasa terima kasih yang
mendalam kepada bapak dan ibu mertua, kakak-kakak, dan adik-adik ipar yang
telah meringankan beban penulis dalam mengurus anak-anak selama studi S3.
Semoga apa yang telah dihasilkan dari penelitian ini dapat bermanfaat bagi
kemajuan ilmu pengetahuan. Amin.
Bogor, Maret 2011
It Jamilah
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Padang pada tanggal 12 Oktober 1963 sebagai anak ke
tiga dari 4 bersaudara dari pasangan Djama’an dan Rostina. Pendidikan sarjana
ditempuh di Departemen Biologi, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan
Alam, Universitas Andalas dari tahun 1984 sampai 1990. Berkat rahmat Tuhan
Yang Maha Esa, pada tahun 1991 penulis diterima sebagai staf pengajar di
Jurusan Biologi, Universitas Sumatera Utara (USU) di Medan.
Pada tahun 1991 sampai 1992, penulis berkesempatan mengikuti pelatihan
Bahasa Inggris di Pusat Bahasa Universitas Sriwijaya (UNSRI), Palembang dan di
The British Institute (TBI), Bandung. Pelatihan ini dilanjutkan di Economic
Institute, Colorado University di Boulder, USA sampai pertengahan tahun 1993.
Kegiatan ini disponsori oleh Higher Education Developments Support (HEDS)
Project dari pemerintah Indonesia, bekerjasama dengan United State Aid for
Development (USAID) dari pemerintah Amerika Serikat. Atas sponsor yang sama
pula penulis dapat menempuh pendidikan di jenjang Master pada tahun 19931996 di Department of Food Science and Technology, Mississippi State
University, Mississsippi, USA di bidang Mikrobiologi Pangan. Penulis telah
menghasilkan 2 publikasi ilmiah di jurnal Food and Dairy Science pada tahun
1998. Setelah lulus S 2 penulis kembali mengabdi di USU dan tahun 1998 penulis
meraih penghargaan sebagi Dosen Teladan Tingkat USU. Pada tahun yang sama
penulis diberi kesempatan menjabat sebagai Kepala Laboratorium Mikrobiologi,
Jurusan Biologi, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam-USU, sampai
tahun 2002.
Penulis kembali ke bangku pendidikan pada tahun 2002 menempuh program
Doktor pada Program Studi Biologi, subprogram Mikrobiologi di IPB atas
beasiswa BPPS dari Direktorat Jendral Pendidikan Tinggi (DIKTI), Departemen
Pendidikan Nasional (DEPDIKNAS) priode 2002-2006. Setelah itu sampai tahun
2010 biaya penelitian dibantu oleh beberapa pihak seperti yang telah disebutkan
sebelumnya dan atas biaya sendiri.
Selama mengikuti program S3 di IPB penulis menjadi anggota Perhimpunan
Mikrobiologi Indonesia. Beberapa karya ilmiah yang merupakan bagian dari
disertasi ini telah dipresentasikan 1) pada International Microbiology and
Biotechnology Confrence (IMBC) dalam bentuk poster dengan judul Selection and
Characterization of Proteolytic and Amylolytic Bacillus spp. Isolated from Shrimp
Ponds, di Universitas Atmajaya, Jakarta pada bulan November, 2008, 2) pada
Seminar Nasional Sains dengan judul Karakterisasi Protease dan Amilase
Bacillus sp. DA 5.2.3 yang Diisolasi dari Tambak Udang, bulan Oktober, 2009 di
IPB. Sebuah publikasi ilmiah yang berkaitan dengan penelitian ini telah
diterbitkan pula secara bersama-sama dengan komisi pembimbing pada jurnal
ilmiah terakreditasi A, Microbiology Indonesia, volume 3 nomor 2 tahun 2009,
dengan judul Activity of Proteloytic and Amylolytic Enzymes of Bacillus spp.
Isolated from Shrimp Ponds.
DAFTAR ISI
Halaman
DAFTAR TABEL ..........................................................................................
xxi
DAFTAR GAMBAR ..............................................................................…..
xxiii
DAFTAR LAMPIRAN . ...............................................................................
xxiv
PENDAHULUAN
Latar Belakang .........................................................................................
Tujuan Penelitian ......................................................................................
Manfaat Penelitian ....................................................................................
1
4
4
TINJAUAN PUSTAKA
Pencemaran Perairan Tambak Udang .....................................................
Pakan Udang ............................................................................................
Total Padatan Tersuspensi (TSS) pada Perairan Budidaya Udang .........
Bacillus ....................................................................................................
Enzim Protease ........................................................................................
Enzim Amilase ........................................................................................
Identifikasi Mikrobe Berdasarkan Gen Penyandi 16S rRNA .................
7
10
12
13
15
17
19
BAHAN DAN METODE
Tempat dan Waktu Penelitian .................................................................
Pengambilan Sampel Bakteri ..................................................................
Isolasi dan Penapisan Bacillus Proteolitik dan Amilolitik ......................
Media, Kondisi Pertumbuhan dan Seleksi......................................
Pertumbuhan Isolat .........................................................................
Uji Total Padatan Tersuspensi ......................................................
Produksi Protease dan Amilase Ekstraseluler ................................
Pengukuran Aktivitas Protease .......................................................
Pengukuran Aktivitas Amilase .......................................................
Karakterisasi Protease dan Amilase Isolat Terpilih ........................................
Pengaruh pH dan salinitas Terhadap Aktivitas Protease
dan Amilase ............................................................................................
Stabilitas Protease dan Amilase ..............................................................
Penentuan Bobot Molekul (BM)Protease dan Amilase ..........................
Identifikasi Isolat Terpilih...............................................................................
Ciri-ciri Morfologi dan Fisiologi ............................................................
Identifikasi Berdasarkan Sekuen Gen Penyandi 16S rRNA ...................
HASIL DAN PEMBAHASAN
Isolasi dan Penapisan Bacillus Proteolitik dan Amilolitik .......................
Pertumbuhan Isolat .................................................................................
Total Padatan Tersuspensi .......................................................................
21
21
21
21
22
23
24
24
25
25
25
26
26
27
27
27
31
38
39
Pengaruh Waktu terhadap Produksi Protease dan Amilase
Bacillus sp. L5 dan DA 5.2.3 .................................................................
Produksi Protease, Amilase dan Pertumbuhan Sel Bacillus sp.
DA 5.2.3.... ................................................................................................
Aktivitas Protease Bacillus sp. DA 5.2.3 pada Rentangan pH ..............
Aktivitas Amilase Bacillus sp. DA 5.2.3 pada Rentangan pH...............
Aktivitas Protease Bacillus sp. DA 5.2.3 pada Rentangan Salinitas .....
Aktivitas Amilase Bacillus sp. DA 5.2.3 pada Rentangan Salinitas ......
Stabilitas Protease Bacillus sp. DA 5.2.3 ...............................................
Stabilitas Amilase Bacillus sp. DA 5.2.3 ...............................................
SDS-PAGE, Native-PAGE, dan Zimografi ...........................................
Total Padatan Tersuspensi Kultur Bacillus sp. DA 5.2.3 ......................
Ciri-ciri Morfologi dan Fisiologi Bacillus sp. DA 5.2.3 ........................
Identifikasi Bacillus Terpilih Berdasarkan Sekuen
Gen Penyandi 16S-rRNA .......................................................................
41
43
46
49
49
50
50
51
54
59
61
63
SIMPULAN DAN SARAN ............................................................................
Simpulan ...............................................................................................
Saran .………………………………………………………………......
67
67
68
DAFTAR PUSTAKA .....................................................................................
69
LAMPIRAN ...................................................................................................... 83
DAFTAR TABEL
Halaman
1
Kriteria dan katagori kualitas air tambak secara fisik dan kimiawi .........
10
2
Protease ekstraseluler yang dihasilkan beberapa mikrob perairan ............
17
3
Bacillus penghasil protease ekstraseluler ..................................................
18
4
Isolat-isolat yang diisolasi dari tanah sekitar tambak udang (A) Isolat
proteolitik yang memiliki aktivitas amilolitik dan (B) isolat amilolitik
yang memiliki aktivitas proteolitik ........................................................
5
32
Isolat-isolat yang diisolasi dari sedimen tambak udang (A) I solat
proteolitik yang memiliki aktivitas amilolitik dan (B) isolat amilolitik
yang memiliki aktivitas proteolitik ………………..................................... 33
6
Isolat- isolat yang diisolasi dari air tambak udang (A) Isolat
proteolitik memiliki aktivitas amilolitik dan (B) isolat amilolitik
yang memiliki aktivitas proteolitik …...………………………………….. 34
7
Isolat-isolat proteolitik yang diisolasi dari saluran pencernaan
udang P. vannamei. (A) Isolat proteolitik yang memiliki/tidak
memiliki aktivitas amilolitik dan (B) isolat amilolitik yang
memiliki/tidak memiliki aktivitas proteolitik ………………………….... 34
8
Isolat-isolat yang memiliki indeks proteolitik dan amilolitik ≥ 2.5 .......... 35
9
Rekapitulasi jumlah isolat dan aktivitas enzim yang dimiliki dari
setiap sampel yang diisolasi dari tambak udang di Karawang,
Jawa Barat ................................................................................................
36
10 Indeks amilolitik sepuluh Bacillus terpilih pada media pakan
udang (SF) dan SWC-pati ........................................................................
38
11 TSS dan persentase penurunan TSS isolat Bacillus terseleksi pada
kultur cair pakan udang 1.2% yang diinkubasi selama 96 jam pada
pH 7.5, salinitas 2.5%, di suhu ruang dengan penggoyangan 120 rpm ... 41
12 Respon Bacillus sp. DA 5.2.3 terhadap kriteria pengukuran secara
in vitro ....................................................................................................... 43
13 Karakteristik enzim protease ekstraseluler yang dihasilkan oleh
beberapa Bacillus spp. ................................................................................ 47
14 Karakteristik enzim amilase ekstraseluler yang dihasilkan oleh
beberapa Bacillus spp. ................................................................................ 48
15 Ciri-ciri morfologi dan fisiologi Bacillus sp. DA 5.2.3............................... 62
16 Perbandingan karakteristik fisiologi Bacillus sp. DA 5.2.3 dengan
spesies Bacillus lainnya ............................................................................. 63
DAFTAR GAMBAR
Halaman
1
Kerangka pemikiran penelitian .....................................................................
2
Diagram alir tahapan penelitian .................................................................... 30
3
A) Zona proteolitik pada media SWC- milk 1%, (1) dan
(3) isolat DA 5.2.3, (2) isolat KAs 7.1.2 B) zona amilolitik
pada media SWC-starch 1%, (1) isolat DP 5.1.2 (2) dan
(3) isolat DP 2.1.1 ........................................................................................
32
Morfologi koloni kelompok Bacillus yang diisolasi dari
tambak dan saluran pencernaan udang A) isolat DP 5.1.2, B)
isolat KAs 7.1.2 C) isolat KAt 5.1 ...............................................................
38
Pertumbuhan isolat-isolat terseleksi pada media SF 1.2 %, pH 7.5,
salinitas 2.5% di suhu ruang (±28 0C) dengan penggoyangan
120 rpm. .......................................................................................................
39
Aktivitas spesifik protease isolat L5 dan DA 5.2.3 pada substrat kasein
1% pH 7.5, salinitas 2.5%. Enzim diproduksi pada suhu ruang
di media SF 1.2% dengan penggoyangan 120 rpm ……………………….
42
4
5
6
5
7
Aktivitas spesifik amilase isolat L5 dan DA 5.2.3 pada substrat pati
terlarut 1%, pH 7.5, salinitas 2.5%). Enzim diproduksi pada suhu ruang
dengan peggoyangan 120 rpm dan media SF 1.2% ..................................... 42
8
Produksi protease dan amilase Bacillus sp. DA 5.2.3 pada interval
waktu pertumbuhan yang berbeda .............................................................
44
Aktivitas relatif protease Bacillus sp. DA 5.2.3 pada rentangan
pH 6-9, substrat kasein 1%, salinitas 2.5% di suhu ruang .........................
46
10 Aktivitas relatif amilase Bacillus sp. DA 5.2.3 pada rentangan
pH 6- 9, salinitas 2.5% pada pati terlarut 1% di suhu ruang ......................
49
11 Aktivitas relatif protease Bacillus sp. DA 5.2.3 pada rentangan
salinitas 0-3.5%, pH 7.5 pada kasein 1%, di suhu ruang ...........................
49
9
12 Aktivitas relatif amilase Bacillus sp. DA 5.2.3 pada salinitas 0- 3.5%,
pH 7.5 pada pati terlarut 1% di suhu ruang ……………………………….. 50
13 Aktivitas protease Bacillus sp. DA 5.2.3, pada A) pH 8 salinitas 0%
(kondisi optimum) dan B) pada pH 8 salinitas 2.5%
(kondisi umum tambak udang) ....................................................................
51
14 Aktivitas amilase Bacillus sp. DA 5.2.3 A) pada pH 6, salinitas 1.5%
(kondisi optimum) dan B) pada pH 8, salinitas 2.5%
(kondisi umum tambak udang) .................................................................
52
15 A) Profil SDS-PAGE protein ekstrak kasar Bacillus sp. DA 5.2.3
B) Profil native- PAGE protein ekstrak kasar Bacillus sp. DA 5.2.3 ........
56
16 A) Profil casein-SDS-zimography protease Bacillus sp. DA 5.2.3.
B) Profil casein-native-zimography protease Bacillus sp. DA 5.2.3 ..........
56
17 A) Profil SDS-starch-zimography protein ekstrak kasar amilase
Bacillus sp. DA 5.2.3. B) Profil native-starch-zimography amilase
Bacillus sp. DA 5.2.3 ................................................................................... 57
18 Nilai TSS kultur cair Bacillus sp. DA 5.2.3 pada media
pakan udang 1.2% yang diinkubasi pada suhu ruang ............................. ....
60
19 Bentuk morfologi Bacillus sp. DA 5.2.3. A) morfologi koloni,
B) morfologi sel dan, C) endospora pada perbesaran 400 X ……………... 63
20 Amplikon DNA gen 16S-rRNA Bacillus sp. DA 5.2.3 hasil
PCR sekitar 1.3 kb ........................................................................................ 64
21 Pohon filogenetik berdasarkan sekuen gen 16S rRNA dari
Bacillus sp. DA 5.2.3. yang dibandingkan dengan beberapa
spesies Bacillus lainnya ..............................................................................
66
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman
1
Prosedur uji aktivitas protease (modifikasi dari Walter 1984) .................. 85
2
Prosedur uji aktivitas amilase (Bernfeld 1959) .......................................... 86
3
Pertumbuhan sepuluh Bacillus terseleksi pada media pakan udang
(SF) 1.2% .................................................................................................. 89
4
Aktivitas protease Bacillus sp. L5 dan DA 5.2.3 ....................................... 89
5
Aktivitas amilase Bacillus sp L5 dan DA 5.2.3 ........................................ 90
6
Waktu produksi protease, amilase, dan pertumbuhan sel
Bacillus sp. DA 5.2.3 ................................................................................ 90
7
Aktivitas protease Bacillus sp. DA 5.2.3 pada rentangan pH .................... 91
8
Aktivitas amilase Bacillus sp.DA 5.2.3 pada rentangan pH ...................... 91
9
Aktivitas protease Bacillus sp. DA 5.2.3 pada rentangan salinitas ............ 91
10
Aktivitas amilase Bacillus sp. DA 5.2.3 pada rentangan salinitas ............. 91
11
Stabilitas protease Bacillus sp. DA 5.2.3 pada kondisi optimum reaksi
enzim (pH 8, salinitas 0) ............................................................................ 92
12
Stabilitas protease Bacillus sp. DA 5.2.3 pada kondisi umum tambak
udang (pH 8, salinitas 2.5%) ...................................................................... 92
13
Stabilitas amilase Bacillus sp. DA 5.2.3 pada kondisi optimum reaksi
enzim (pH 6, salinitas 1.5%) ...................................................................... 92
14
Stabilitas amilase Bacillus sp. DA 5.2.3 pada kondisi umum tambak
udang (pH 8, salinitas 2.5%) ...................................................................... 92
15
Komposisi larutan untuk SDS-PAGE ........................................................ 93
16
TSS dari kultur Bacillus sp. DA 5.2.3 pada media pakan udang
(SF) 1.2% ................................................................................................... 95
17
Sekuen gen penyandi 16S rRNA Bacillus sp. DA 5.2.3 ............................ 96
18
Hasil analisis Blast gen 16S rRNA Bacillus sp. DA 5.2.3 ......................... 97
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Udang merupakan salah satu primadona ekspor perikanan Indonesia, yang
telah memberikan pemasukan devisa yang cukup besar bagi negara. Indonesia
merupakan salah satu negara pengekspor udang terpenting di dunia di samping
Cina, Thailand, India, Vietnam dan beberapa negara di Amerika Latin. Pada tahun
2004 produksi udang Indonesia berada di urutan ke-6 dunia (FAO 2006). Negara
tujuan ekspor terpenting bagi Indonesia adalah Amerika Serikat dan Jepang.
Indonesia merupakan pengekspor produk udang beku nomor dua terbesar bagi
Jepang, sedangkan untuk Amerika Serikat Indonesia berada di tempat ketiga
(Rangkuti 2007).
Jenis udang yang dikembangkan pada awal perkembangan budi daya udang di
Indonesia ialah Penaeus monodon (jumbo tiger prawn) dan P. marquensis (udang
putih). Serangan penyakit dan penurunan kualitas air tambak menyebabkan
produksi udang tersebut terus menurun dari tahun 1990-an sampai 2000-an. Tahun
1992 total produksi nasional sekitar 98.350 ton, produksi menurun menjadi 83.193
ton pada tahu 1994. Pada tahun 1998 produksi ini turun lagi menjadi 74.824 ton
(Departemen Perikanan dan Kelautan 2002).
Tahun 2000 para pengusaha mulai beralih pada jenis udang P. vannamei
karena dianggap lebih tahan penyakit. Sistem budi daya yang dikembangkanpun
lebih kepada sistem semiintensif maupun intensif. Keberhasilan budi daya udang
P. vannamei mengalami puncak pada tahun 2005, dengan peningkatan produksi
tiga kali lipat (Rangkuti 2007). Keberhasilan ini juga tidak berlangsung lama
karena beberapa tahun terakhir produksi udang inipun tidak stabil dan cenderung
menurun meskipun tidak secara drastis. Dari tahun 2008-2009 produksi udang
budi daya turun sebanyak 15% (Kementrian Kelautan & Perikanan 2009).
Masalah utama penurunan produksi udang ialah penurunan kualitas air dan
serangan penyakit. Pada budi daya udang secara intensif, penurunan kualitas air
dapat terjadi dengan cepat disebabkan oleh faktor internal seperti akumulasi sisa
pakan akibat kelebihan pemberian pakan (overfeeding) dan hasil metabolisme
hewan peliharaan (Moriarty 1999). Sisa pakan berupa protein di perairan dapat
terurai menjadi senyawa-senyawa toksik bagi hewan air seperti amonia, nitrit dan
2
nitrat (Intan et al. 2005). Christoper et al. (2003) menyatakan bahwa pada budi
daya udang, sebahagian besar nitrogen (±90%) masuk ke kolam sebagai pakan
buatan, 22% dikonversi menjadi udang yang dipanen, 14% tersisa pada sedimen,
dan sisanya 57% dikeluarkan ke lingkungan.
Protein merupakan sumber nitrogen bagi bakteri.
protein akan diuraikan oleh
Pada sistem perairan
bakteri heterotrofik maupun fermentatif menjadi
senyawa-senyawa seperti amonia dan nitrit yang bersifat racun bagi hewan air
(Boyd & Fast 1992). Karbohidrat digunakan sebagai sumber energi bagi ikan
selain itu digunakan sebagai bahan pengikat pada proses pembuatan pakan (Craig
2002). Selain diubah menjadi senyawa-senyawa toksik diperairan, akumulasi sisa
pakan yang tinggi di perairan tambak
akan menurunkan kualitas air dengan
menurunnya DO (dissolved oxygen) dan meningkatnya BOD (biologycal oxygen
demand).
Hal ini dapat mengganggu ketahanan udang,
menurunkan laju
pertumbuhan bahkan dapat menyebabkan laju kematian yang tinggi (Moriarty
1999).
Peningkatkan aktivitas degradasi senyawa organik pada sistem akuatik dapat
dilakukan dengan pemanfaatan bakteri melalui produksi enzim ekstraseluler
(Devaraja et al. 2002). Protease ekstraseluler mikrob adalah kunci dalam hidrolisis
senyawa protein menjadi peptida yang lebih sederhana dan asam amino yang
dimanfaatkan oleh mikrob untuk proses metabolismenya. Secara tidak langsung
proses ini dapat mengurangi cemaran amonia, nitrit dan nitrat
dalam suatu
ekosistem (Bach et al. 2001).
Penelitian tentang potensi penggunaan bakteri yang menguntungkan
(probiotik) pada budi daya udang sudah banyak dilaporkan diantaranya dapat
memberikan efek positif terhadap ketahanan dan pertumbuhan udang (Veschuere
et al. 2000), menghambat pertumbuhan bakteri patogen udang (Rengpipat et al.
1998, Vaseeharan & Ramasamy 2003, Decamp & Moriarty 2007), merangsang
sistem imun udang (Rengpipat et al 2000, Gullian et al. 2004) dan meningkatkan
kualitas air tambak (Widiyanto et al. 1998, Widiyanto et al. 2005, Widiyanto et al.
2008) yang dapat menurunkan kadar H 2 S, nitrat, nitrit dan amonia. Ziai-Nejad et
al. (2006) mendapatkan isolat bakteri yang dapat meningkatkan aktivitas enzim
pencernaan pada usus udang.
3
Bacillus spp. telah dilaporkan sebagai agen biokontrol terhadap patogen
udang seperti Vibrio harveyi (Moriarty 1999, Veschuere et al 2000). Lalloo et al.
(2007) dan Zhou et al. (2009) menyatakan bahwa penambahan Bacillus spp. ke air
pemeliharaan udang dapat meningkatkan kualitas air dengan menurunkan kadar
ion amonium, nitrit, nitrat, dan fosfor. Kelompok Bacillus dikenal sebagai
penghasil enzim-enzim ekstraseluler yang potensial sebagai pengurai bahan
organik di alam seperti protease
(Mabrouk et al. 1999, Patel et al.
2006,
Essakkiraj et al. 2008) ) dan amilase ( Srivasta 1987, Hagihara et al. 2001, Anto et
al. 2006, dan Ling et al. 2009). Kelompok bakteri probiotik yang telah dilaporkan
untuk budi daya perairan seperti ikan, kerang dan udang ialah bakteri fotosintetik,
Lactobacillus, Bacillus (Zhou et al. 2009), dan Vibrio (Widanarni 2005, Niwane
& Selvin 2009).
Genus Bacillus terdiri atas kelompok bakteri berbentuk batang, Gram
positif, yang dicirikan oleh kemampuannya untuk menghasilkan endospora (Todar
2005). Umumnya spesies Bacillus tidak berbahaya terhadap mamalia, termasuk
manusia dan secara komersial penting sebagai penghasil berbagai macam
metabolit sekunder dalam jumlah yang tinggi seperti antibiotik, bioinsektisida,
dan enzim (Ferrari et al 1993, Olmos-Soto 2003). Isolat DA 5.2.3 yang dipilih
untuk karakterisasi enzim lanjut dalam penelitian ini pada uji awal yang dilakukan
dapat menghambat pertumbuhan V. harveyi secara in vitro (data tidak
dipublikasikan).
Penelitian dilakukan untuk mengatasi pencemaran sisa pakan udang di
perairan yaitu dengan menggunakan Bacillus proteolitik dan amilolitik. Bakteri
diisolasi dari tambak dan saluran pencernaan udang. Penapisan isolat dilakukan
berdasarkan angka indeks proteolitik dan amilolitik, pertumbuhan, nilai TSS, dan
termasuk uji aktivitas enzim. Karakterisasi enzim protease dan amilase yang
dihasilkan dilakukan pada kondisi lingkungan seperti yang umum di perairan
kolam udang seperti pH dan salinitas. Untuk melihat potensi isolat terpilih dalam
degradasi protein dan karbohidrat, digunakan pakan udang komersial dan air laut
sebagai media pertumbuhan dan produksi enzim. Uji TSS dilakukan untuk
mengetahui
kemampuan isolat terpilih dalam menurunkan
total padatan
tersuspensi dari media cair pakan udang. Konsep pemikiran penelitian ini
dipaparkan secara skematis pada Gambar 1.
4
Tujuan Penelitian
1) menapis dan mengkarakterisasi Bacillus proteolitik dan amilolitik yang
diisolasi dari tambak dan saluran pencernaan udang,
2) mengkarakterisasi protease dan amilase ekstraseluler yang dihasilkan isolat
terpilih, dan
3) melihat kemampuan isolat terpilih dalam menurunkan total padatan
tersuspensi pada kultur cair pakan udang.
Manfaat Penelitian
Penelitian ini dapat digunakan sebagai bahan informasi tentang suatu
pendekatan dalam mengatasi pencemaran air pada suatu sistem budi daya perairan
menggunakan bakteri, dan sebagai salah satu dasar dan acuan dalam pengendalian
senyawa-senyawa toksik pada sistem budi daya udang. Isolat bakteri dari
Indonesia yang diperoleh dari penelitian ini dapat dikembangkan untuk
penanggulangan masalah penurunan kualitas air pada sistem budi daya udang
sehingga dapat meningkatan produksi udang Indonesia di masa yang akan datang.
5
Tambak udang
Pakan udang
Bakteri
Sisa pakan di perairan
Kandungan bahan
organik di air tinggi
Seleksi dan karakterisasi
Bacillus proteolitik & amilolitik
Isolat potensial
Udang mengalami
gangguan
pertumbuhan
Protein
Karbohidrat
Protease
Amilase
Kandungan protein
dan karbohidrat
di air turun
Kualitas air meningkat
Produktivitas udang
meningkat
Gambar 1 Kerangka pemikiran penelitian.
7
TINJAUAN PUSTAKA
Pencemaran Perairan Tambak Udang
Tingginya permintaan konsumen terhadap produk perikanan terutama
udang dari tahun ketahun memacu perkembangan industri budi daya udang yang
sangat pesat. Selain itu, tingginya nilai produk udang budi daya dan siklus hidup
yang relatif singkat menyebabkan sektor ini menarik minat banyak pengusaha
(New 1999). Pada pengembang budi daya udang skala besar dilakukan sistem
budi daya intensif. Pada sistim ini dilakukan pengaturan yang ketat terhadap
kondisi kolam seperti sistem pengairan, pakan dan perbenihan. Target utama
sistim ini ialah jumlah produksi yang tinggi pada area tambak yang kecil, oleh
sebab itu dilakukan padat tebar benih yang tinggi dan pemberian pakan dalam
jumlah serta kualitas yang tinggi ( Fast 1992).
Berkembangnya budi daya udang sistim intensif, diikuti pula oleh berbagai
permasalahan. Masalah yang umum pada sistem budi daya udang ini ialah
sedikitnya proporsi pakan yang digunakan oleh hewan, akibatnya sebagian besar
pakan tersisa sebagai limbah di air (Antony & Philip 2006) yang diikuti oleh
eutrofikasi dan pengayaan material organik yang tinggi pada dasar kolam.
Penurunan kualitas lingkungan seperti ini menurunkan produktivitas tambak, dan
meningkatkan tekanan pada udang yang menyebabkan udang rentan terhadap
penyakit, sehingga menurunkan produksi di berbagai daerah (Boyd & Musig
1992, Browdy & Hopskin 1995). Umumnya pengusaha tambak bergantung
kepada pergantian air yang relatif tinggi untuk menjaga kualitas air pada sistim
produksi, akibatnya terjadi pengeluaran material limbah pakan dan berbagai
metabolit langsung ke lingkungan terdekat (Browdy & Hopskin 1995).
Selain berdampak negatif terhadap lingkungan, intensifikasi budi daya
udang juga menyebabkan peningkatan resiko penyakit yang potensial terhadap
hewan. Penyakit yang berkembang di tambak udang di Indonesia ialah penyakit
yang disebabkan oleh virus White Spot Syndrome (WSS) dan Yellow Head Virus
(YHV) dan penyakit bakteri berpendar Vibrio harveyi. Selain itu pemakaian
antibiotik menjadi cara yang dianggap efektif untuk menanggulangi bakteri
patogen di perairan tambak pada sistem budi daya ini, tetapi dengan
8
ditemukannya residu antibiotik yang tinggi pada udang asal
Indonesia,
mengakibatkan dikeluarkannya larangan ekspor udang Indonesia ke beberapa
negara tujuan (Rangkuti 2007).
Analisis komunitas mikrob dari tambak udang memainkan peranan yang
penting pada produksi udang, menyediakan sumber makanan, mendaur ulang
nutrien dan mengurai tumpukan bahan organik melalui berbagai proses
metabolisme. Komunitas mikrob sebaliknya juga dapat mempengaruhi kualitas air
dengan meningkatkan kebutuhan oksigen akibat konsumsi karbon organik labil
yang dihasilkan dari sisa pakan, alga, dan pelepasan dari bakteri sedimen akibat
penguraian bahan organik (Hansen & Blackburn 1991).
Berbagai cara dicoba dilakukan untuk mengatasi pencemaran air dan
degradasi kualitas tambak udang di antaranya yang paling populer ialah dengan
pemanfaatan mikrob (Devaraja et al. 2002). Bioremediasi adalah salah satu cara
yang menggunakan mikrob atau enzim di kolam yang digunakan untuk
meningkatkan kualitas air dan menjaga kesehatan dan stabilitas sistem budi daya
air. Bioremediasi melibatkan mineralisasi bahan organik menjadi CO 2 ,
merangsang produksi udang, nitrifikasi dan denitrifikasi untuk: 1) menghilangkan
sisa nitrogen dari kolam, dan 2) menjaga keragaman dan menstabilkan komunitas
kolam dengan memusnahkan patogen dari sistim dan mempertahankan spesies
yang diinginkan. Pada bioremediasi digunakan bakteri heterotrofik pendegradasi
bahan organik, bakteri nitrifikasi, denitrifikasi dan bakteri fotosintetik (Antony
dan Philip 2006).
Penggunaan bakteri untuk kesejahteraan manusia seperti kesehatan dan
pertanian sangat menarik perhatian lebih dari satu dekade terakhir. Probiotik
sudah digunakan di berbagai produk seperti susu dan makanan tambahan. Di
bidang peternakan probiotik sudah diaplikasikan pada pakan, dan di bidang
pertanian digunakan sebagai pupuk. Probiotik merupakan mikrob hidup baik
dalam bentuk kultur tunggal maupun campuran yang ditambahkan ke dalam
makanan hewan atau manusia yang dapat menguntungkan inang dengan menjaga
keseimbangan mikrob ususnya (Fuller 1992; Salminen & Wright 1998). Defenisi
ini kemudian dikembangkan lagi oleh Verschuere et al. (2000) untuk aplikasi
probiotik pada budi daya perairan.
Deskripsi yang diberikan
sesuai dengan
modus aksi probiotik tersebut, yaitu mikrob hidup yang menguntungkan bagi
9
inang dengan memodifikasi hubungan komunitas mikrob yang berasosiasi dengan
inang atau lingkungannya, meningkatkan penggunaan makanan atau nilai nutrisi,
memacu respon inang terhadap penyakit, atau dengan meningkatkan kualitas
lingkungan. Berdasarkan definisi di atas probiotik dapat mencakup mikrob yang
mencegah perkembangbiakan patogen pada rongga pencernaan, pada struktur
permukaan, dan pada lingkungan peternakan, menjamin penggunaan pakan secara
optimal dengan membantu sistem pencernaan inang, meningkatkan kualitas air,
dan merangsang sistem ketahanan inang (Verschuere et al. 2000).
Berbagai produk probiotik untuk akuakultur dipromosikan memiliki
berbagai keunggulan yang bervariasi;
mereduksi nitrat, nitrit, amonia, H 2 S,
menghilangkan logam berat, bahan organik, menurunkan BOD, mengatasi
penumpukan lumpur, penghambatan pertumbuhan Vibrio sp. dan bakteri patogen
lainnya. Tetapi banyak dari keuntungan yang diiklankan tidak memiliki
konfirmasi, dan merupakan riset yang tidak dikendalikan secara terpadu (Antony
& Philip 2006).
Penelitian yang dilakukan oleh Fernandes et al. (2010) untuk menguji suatu
sistim aerasi untuk mengatasi pencemaran air
di tambak udang, didapatkan
bakteri heterotrofik melampaui jumlah bakteri nitrifikasi, denitrifikasi dan
pereduksi sulfat. Jumlah bakteri heterotrofik berkisar 10-3 sampai 10-4 CFU mL-1
dan selalu tinggi di air yang diaerasi maupun tidak di aerasi. Tingginya
kelimpahan bakteri ini dapat disebabkan tingkat ketersediaan karbon organik di
tambak. Drakare (2002) menjelaskan bahwa di samping memecah senyawa
organik, bakteri heterotrofik juga merupakan kompetitor yang unggul dalam
pemanfaatan fosfat dan dapat menjaga tingkat nutrien yang optimal. Rao dan
Karusanagar (2000) menyatakan udang memiliki kemampuan konversi makanan
yang rendah dimana lebih dari 50% pakan terbuang ke air.
Di Indonesia kriteria kualitas air untuk tambak memiliki kisaran pH 7.8-9.0,
suhu 26-32 0C, kadar nitrat kurang dari 0.3-0.5 ppm, nitrit kurang dari 0.1 ppm
dan suspensi terlarut berkisar dari 20-40 ppm (Tabel 1). Daerah yang paling
cocok untuk pertambakan udang adalah daerah pasang surut dengan fluktuasi
antara lain 2-3 meter (DKP 2007).
10
Tabel 1 Kriteria dan katagori kualitas air tambak secara fisik dan kimiawi
Saat
Penebaran
Parameter kualitas air
Suhu (°C)
26 – 29
DO minimum (ppm)
4
Air di
petakan/reservoir
27 – 32
> 3.5
BOD (ppm O 2 )
Pertengahan dan
akhir
pemeliharaan
27 – 32
27 – 32
4.5
3
< 0.2
< 10
Air
pembuangan
pH
7.8 – 8.5
7.8 – 8.5
7.8 – 8.4
7–9
Alkalinitas (ppm)
90 – 150
90 – 150
90 – 150
100 – 150
Transparansi (cm)
40 – 50
30 - 50
30 – 40
30 – 40
< 30
< 20
< 40
< 30
Salinitas (ppt)
10 – 35
10 – 35
10 – 35
10 - 35
Amonia (ppm)
< 0.5
< 0.3
< 0.4
< 0.5
Nitrat (ppm)
< 0.5
< 0.3
< 0.4
< 0.5
Nitrit (ppm)
< 0.1
< 0.1
< 0.1
< 0.1
Fosfat (P 2 O 3 ) (ppm)
< 0.25
0.30
Suspensi
terlarut
(ppm)
Total Vibrio (CFU/ml)
2
3
0.35
4
3
0.25
4
10
10 - 10
10 - 10
< 104
Logam berat
1.
Hg (ppm)
< 0.17 ppm
< 0.17 ppm
< 0.17 ppm
< 0.17 ppm
2.
Pb (ppm)
< 1.16 ppm
< 1.16 ppm
< 1.16 ppm
< 1.16 ppm
Sumber: DKP Jepara (2007)
Pakan Udang
Pakan dalam budi daya udang, memegang peranan yang sangat vital. Pakan
buatan merupakan sumber nutrien utama untuk pertumbuhan udang yang dibudi
dayakan. Secara umum nutrisi di dalam pakan diperlukan oleh tubuh untuk
proses pemeliharaan, aktivitas, pertumbuhan dan reproduksi. Ketersediaan pakan
dalam jumlah yang cukup, tepat waktu dan bernilai gizi baik merupakan salah
satu faktor yang sangat penting dalam kegiatan usaha budi daya. Penyediaan
pakan yang tidak sesuai dengan jumlah udang yang dipelihara menyebabkan laju
pertumbuhan udang menjadi lambat, akibatnya produksi yang dihasilkan tidak
sesuai dengan yang diharapkan. Pada dasarnya, sumber pakan berasal dari pakan
alami dan pakan buatan. Oleh karena jumlah pakan alami di kolam pemeliharaan
tidak memadai untuk budi daya intensif dan semi intensif, maka untuk mencapai
laju pertumbuhan udang yang baik perlu diberikan pakan buatan.
11
Pakan buatan adalah pakan yang dibuat untuk memenuhi kebutuhan nutrisi
dan gizi udang, dibuat dalam skala industri yang diberikan saat ketersediaan
pakan alami yang kurang atau tidak memadai. Berdasarkan komposisi kandungan
nutrisinya pakan buatan mempunyai formulasi yang sudah disesuaikan dengan
kebutuhan pertumbuhan udang. Pakan udang yang dibuat secara komersial
merupakan bahan campuran hasil penggilingan yang mengapung, melayang atau
pelet yang tenggelam di air. Udang termasuk hewan yang menyukai makanan
yang tenggelam, tetapi kebanyakan udang dapat dilatih untuk menerima makanan
yang mengapung (Craig 2002).
Pada budi daya udang nutrisi merupakan masalah yang kritis dan
membutuhkan 40-50% dari biaya produksi. Industri pakan udang berkembang
secara dramatis pada beberapa tahun terakhir ini dengan pengembangan formulasi
makanan baru yang seimbang untuk memacu pertumbuhan dan kesehatan yang
optimal (Craig 2002). Pakan udang buatan dapat dalam bentuk lengkap atau
tambahan. Pakan lengkap menyediakan semua bahan (protein, karbohidrat, lemak,
vitamin dan mineral) yang diperlukan untuk pertumbuhan yang optimal dan
kesehatan ikan, biasanya terdiri atas protein (18-50%), lemak (10-25%),
karbohidrat (15-20%), abu (
DAN AMILASE EKSTRASELULER YANG DIHASILKAN
UNTUK DEGRADASI SISA PAKAN
PADA BUDI DAYA UDANG
IT JAMILAH
SEKOLAH PASCA SARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
2011
PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN SUMBER
INFORMASI
Dengan ini saya menyatakan bahwa disertasi Penapisan Bacillus dan
Karakterisasi Protease dan Amilase Ekstraseluler yang Dihasilkan untuk
Degradasi Sisa Pakan pada Budi daya Udang adalah karya saya sendiri dan
belum diajukan dalam bentuk apapun kepada perguruan tinggi manapun. Sumber
informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun yang
tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan
dalam Daftar Pustaka di bagian akhir disertasi ini.
Bogor, Maret 2011
It Jamilah
NIM G361020051
ABSTRACT
IT JAMILAH. Screening of Bacillus and Characterization of Extracelullar
Protease and Amylase Produced for Degradation of Shrimp Feed Excess in
Shrimp Aquaculture. Under the direction of ANJA MERYANDINI, IMAN
RUSMANA, ANTONIUS SUWANTO AND NISA RACHMANIA MUBARIK.
Accumulation of excess feed in shrimp ponds could decrease water quality.
Protein and starch are the primary component of shrimp feed. Bacillus spp.
produce extracelullar enzymes, primarily proteases and amylases. The aim of this
study was to screen Bacillus isolated from shrimp ponds and study its proteases
and amylases for degradation of protein and carbohydrate of shrimp feed excess
in shrimp aquaculture. Bacteria were isolated from soil, water, sediment and
shrimp digestive system of sample collected from shrimp ponds of Karawang,
West Java. There were 71 proteolytic and amylolytic isolates isolated. Based on
proteolytic and amylolytic index (PI and AI), nine isolates were selected for
further characterization including morphology characteristic, growth and ability to
reduce total suspended solid (TSS) generated from commercial shrimp feed.
Bacillus sp. DA 5.2.3 and L5 had the highest activity in reducing total suspended
solid (TSS) of shrimp feed which were 37 and 29% respectively. The protease and
amylase activitiy of Bacillus sp. DA 5.2.3 were higher than that of L5. The
maximum specific activity (40.9 U mg-1) of protease of Bacillus sp. DA 5.2.3 was
reached at 48 hours, while its amylase reached it (47.3 U mg-1) at 24 hours.
The activity of both enzymes were measured at pH and salinity range mimic
to shrimp ponds condition. Further characterization of DA 5.2.3 isolate show
that, protease of Bacillus sp. DA 5.2.3 had the maximum activity at pH 8 while its
amylase showed the maximum activity at pH 6 when produced at commercial
shrimp feed medium. These enzymes significantly active at salinity range 1.53.5% with activity more than 50%. Stability of both enzymes was measured at
optimum condition of enzyme activity and at general condition of shrimp ponds.
In general condition of shrimp ponds protease activity was retained above 65%
for 3 hours while amylase relatively stable for 6 hours at activity above 80%.
SDS-PAGE, Native-PAGE and zymogram analysis of crude extract of both
enzymes showed that the size of protease was ±150 kDa, while its amylase had
two types of protein with the molecular weight in the range of 123 and 27 kDa.
Bacillus sp. DA 5.2.3 was able to reduce total suspended solid (TSS) of shrimp
feed in liquid medium up to 50% in 48 hours and better than commercial probiotic
isolate. Based on 16S rRNA gene sequences Bacillus sp. DA 5.2.3 was 99%
homolog with Bacillus cereus. Based on the characterization of isolate and its
proteases and amylases, this isolate has potential application to reduce proteins,
carbohydrates and TSS in water column of shrimp ponds.
Key words: Bacillus sp. DA 5.2.3, protease, amylase, TSS
RINGKASAN
IT JAMILAH. Penapisan Bacillus dan Karakterisasi Protease dan Amilase
Ekstraseluler yang Dihasilkan untuk Degradasi Sisa Pakan pada budi daya Udang.
Dibimbing oleh ANJA MERYANDINI, IMAN RUSMANA, ANTONIUS
SUWANTO, dan NISA RACHMANIA MUBARIK.
Seiring dengan berkembangnya budidaya udang di berbagai negara, diikuti
pula oleh berbagai kendala seperti perkembangan penyakit dan penurunan kualitas
air yang menyebabkan turunnya produksi udang. Penurunan kualitas air pada
tambak udang, terutama pada sistem budidaya udang intensif dan semi intensif,
dapat disebabkan oleh penumpukan sisa pakan buatan yang seluruhnya disuplai
dari luar tambak berupa pakan buatan pabrik. Pakan ini sering tidak dapat
dimanfaatkan secara optimal oleh hewan, sehingga tersisa sebagai limbah dalam
air dan sedimen. Pakan udang merupakan bahan kaya protein, lemak dan
karbohidrat di samping bahan-bahan lainnya. Kandungan sisa pakan yang tinggi
di perairan tambak menyebabkan peningkatan kadar senyawa organik dan
senyawa toksik dalam air. Di samping itu, hal ini dapat menyebabkan tingginya
padatan tersuspensi (total suspended solid [TSS]), tingginya kebutuhan oksigen
biologis (biological oxygen demand [BOD]), turunnya oksigen terlarut (dissolved
oxygen [DO]), eutrofikasi, dan keracunan terhadap udang. Faktor-faktor tersebut
dapat mengganggu pertumbuhan, daya tahan bahkan menyebabkan kematian.
Banyak laporan tentang peranan Bacillus spp. sebagai agen biokontrol di
tambak udang, tetapi hanya sedikit laporan tentang peranan kelompok bakteri ini
dalam degradasi sisa pakan pada perairan tambak udang melalui pendekatan
enzim-enzim ekstraseluler. Hal ini dapat mengatasi pencemaran senyawa toksik
di perairan seperti amonia, nitrat, nitrit dan penumpukan senyawa organik di
perairan tambak. Tujuan penelitian ini ialah: 1) menapis dan mengkarakterisasi
Bacillus proteolitik dan amilolitik yang diisolasi dari tambak udang, 2)
mengkarakterisasi enzim protease dan amilase yang dihasilkan isolat terpilih dan
3) mengukur kemampuan isolat terpilih dalam menurunkan total padatan
tersuspensi pada kultur cair pakan udang.
Penapisan Bacillus spp. dilakukan dengan pemanasan sampel pada suhu 80
0
C selama 15 menit kemudian disebar pada medium sea water complete (SWC)
50% yang ditambahkan 1% susu skim untuk produksi protease atau 1% pati
terlarut untuk produksi amilase. Penapisan isolat berdasarkan kepada indeks
hidrolisis, pertumbuhan, penurunan TSS, serta aktivitas protease dan amilase.
Sebanyak 71 isolat proteolitik dan amilolitik telah berhasil diisolasi dari sampel
tanah, sedimen, air dan saluran pencernaan udang. Berdasarkan penghitungan
nilai indeks proteolitik (IP) dan amilolitik (IA) yang dihasilkan pada medium
yang mengandung protein dan pati, dipilih 9 isolat yang memiliki IP dan IA
tertinggi (≥2.5). Selanjutnya dilakukan uji pertumbuhan isolat-isolat tersebut pada
media pakan udang 1.2% dalam air laut (bv-1) selama 48 jam dengan
penghitungan jumlah sel setiap 24 jam. Kemampuan isolat-isolat tersebut dalam
menurunkan TSS diuji dengan metoda penyaringan padatan tersuspensi dari
kultur bakteri pada media pakan udang komersial dan air laut 1.2% (bv-1) (media
Shrimp Feed [SF]). Hasil uji pertumbuhan dan uji TSS menunjukkan bahwa
Bacillus sp. L5 dan DA 5.2.3 memiliki pertumbuhan terbaik dan kemampuan
tertinggi dalam menurunkan TSS berturut-turut sebesar 37 dan 29% jika
dibandingkan dengan isolat-isolat lainnya. Kedua isolat tersebut selanjutnya
digunakan untuk produksi protease dan amilase pada media SF 1.2%. Aktivitas
protease diukur berdasarkan modifikasi metode Walter (1984), amilase
berdasarkan metode Bernfeld (1955) dan kadar protein mengacu kepada metode
Bradford (1976). Protease dan amilase ekstrak kasar isolat DA 5.2.3 yang
diproduksi pada media SF 1.2%, memiliki aktivitas yang lebih tinggi
dibandingkan dengan isolat L5. Aktivitas spesifik protease isolat DA 5.2.3 ialah
40.9 U mg-1, sedangkan isolat L5 23 U mg-1. Aktivitas spesifik amilase Bacillus
sp. DA 5.2.3 diperoleh sebesar 47.3 U mg-1, sedangkan isolat L5 hanya sebesar
9.1 U mg-1, oleh sebab itu Bacillus sp. DA 5.2.3 dipilih untuk dikarakterisasi lebih
lanjut dalam penelitian ini.
Protease ekstrak kasar Bacillus sp. DA 5.2.3 yang diproduksi pada media SF
1.2% mencapai aktivitas maksimum pada awal fase pertumbuhan stasioner setelah
48 jam (20.5 U mg-1) sedangkan amilasenya mencapai aktivitas maksimum pada
fase pertumbuhan eksponensial setelah 24 jam (23.5 U mg-1). Kedua enzim aktif
pada rentangan pH tambak (6-9) dan salinitas (1.5-3.5%). Aktivitas protease
maksimum diperoleh pada pH 8 dan amilase pada pH 6. Pada rentangan salinitas
1.5-3.5%, aktivitas protease berkisar di atas 60% dari aktivitas maksimumnya
pada kondisi tanpa NaCl (salinitas 0) sedangkan amilase berkisar di atas 50% dari
aktivitas maksimumnya pada salinitas 1.5%. Stabilitas protease pada kondisi pH
8, salinitas 2.5% bertahan selama 3 jam dengan aktivitas berkisar di atas 65%
sedangkan aktivitas amilase berkisar di atas 80% selama 6 jam inkubasi. Protease
dan amilase isolat DA 5.2.3 aktif secara signifikan pada kondisi pH dan salinitas
air tambak udang pada media pakan udang dan air laut. Oleh sebab itu isolat ini
memungkinkan untuk diaplikasikan di tambak udang.
Protease Bacillus sp. DA 5.2.3 memiliki bobot molekul (BM) sekitar 150
kDa, sedangkan amilase terdiri atas 2 tipe enzim dengan BM berkisar 123 kDa
dan 27 kDa yang diduga merupakan isoenzim. Uji TSS isolat DA 5.2.3 pada
kultur cair media SF 1.2% selama 4 hari menunjukkan bahwa isolat ini mampu
menurunkan TSS sebanyak 50% pada hari ke-2. Hal tersebut lebih cepat daripada
Bacillus sp. SP yang diisolasi dari probiotik komersial. Belum ada informasi
mengenai hal ini sebelumnya dari Bacillus. Bacillus sp. DA 5.2.3 mempunyai
karakteristik : mereduksi nitrat, tidak tumbuh pada suhu 50 0C dan kadar NaCl
7%. Analisis sekuen gen 16S rRNA isolat DA 5.2.3 dengan program Blast
(NCBI) menunjukkan bahwa isolat ini memiliki kesamaan 99% dengan Bacillus
cereus. Berdasarkan karakter yang dimiliki, Bacillus sp. DA 5.2.3 berpotensi
untuk diaplikasikan di perairan tambak udang khususnya untuk menurunkan
konsentrasi protein dan karbohidrat dari sisa pakan.
Kata kunci: Bacillus sp. DA 5.2.3, protease, amilase, TSS
©Hak cipta milik IPB, tahun 2011
Hak cipta dilindungi undang-undang
Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa
mencantumkan atau menyebutkan sumbernya. Pengutipan hanya untuk
kepentingan pendidikan, penelitian, penulisan karya ilmiah, penyusunan
laporan, penulisan kritik atau tinjauan suatu masalah; dan pengutipan
tersebut tidak merugikan kepentingan yang wajar IPB.
Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atau seluruh karya
tulis dalam bentuk apapun tanpa izin IPB.
PENAPISAN Bacillus DAN KARAKTERISASI PROTEASE
DAN AMILASE EKSTRASELULER YANG DIHASILKAN
UNTUK DEGRADASI SISA PAKAN
PADA BUDI DAYA UDANG
IT JAMILAH
Disertasi
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Doktor pada
Program Studi Biologi
SEKOLAH PASCA SARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
2011
Penguji pada Ujian Tertutup : Prof. Dr. Maggy T. Suhartono
Dr. Dinamella Wahyuningrum
Penguji pada Ujian Terbuka
: Dr. Tri Widiyanto, M.Si.
Dr. Yopi
Penapisan Bacillus dan Karakterisasi Protease dan Amilase
Ekstraseluler yang Dihasilkan untuk Degradasi Sisa Pakan
pada Budi daya Udang
: It Jamilah
: G361020051
Judul Disertasi :
Nama
NIM
Disetujui
Komisi Pembimbing
Dr. Ir. Iman Rusmana, M.Si.
Anggota
Dr. Anja Meryandini, M.S.
Ketua
Prof. Dr. Ir. Antonius Suwanto, M.Sc.
Anggota
Dr. Nisa Rachmania Mubarik, M.Si.
Anggota
Diketahui
Ketua Program Studi Biologi
Dekan Sekolah Pascasarjana
Dr. Ir. Dedy Duryadi S., DEA.
Prof. Dr. Ir. Khairil A. Notodiputro, MS.
Tanggal Ujian:
Tanggal lulus:
PRAKATA
Berkat rahmat Tuhan Yang Maha Esa penulis telah dapat menyelesaikan
penulisan disertasi ini. Puji dan syukur penulis ucapkan kehadirat Allah atas
nikmat ilmu yang telah diberikan. Disertasi yang berjudul Penapisan Bacillus dan
Telaah Enzim Protese dan Amilase yang Dihasilkan untuk Degradasi Sisa Pakan
pada Budidaya Udang, disusun berdasarkan hasil penelitian penulis di IPB dari
akhir tahun 2005 sampai pertengahan 2009.
Penghargaan yang tinggi dan ucapan terima kasih ditujukan kepada komisi
pembimbing, yang terdiri atas Dr. Anja Meryandini M.S. sebagai ketua, Dr. Ir.
Iman Rusmana, M.Si., Prof. Dr. Ir. Antonius Suwanto, M.Sc. dan Dr. Nisa
Rachmania Mubarik, M.Si. sebagai anggota, yang telah memberikan arahan,
kritikan, dan saran untuk kesempurnaan penelitian dan penyusunan tulisan ini.
Ucapan terima kasih juga disampaikan kepada semua pihak yang telah
memberikan dukungan finansial untuk pendidikkan dan penelitian ini. Dana
pendidikan dan penelitian diperoleh dari proyek BPPS (2002-2006) dan Hibah
Doktor 2009 dari Direktorat Jendral Pendidikan Tinggi (DIKTI), Departemen
Pendidikan Nasional (Depdiknas), bantuan dana pendidikan dan penelitian dari
Universitas Sumatera Utara (USU), dan bantuan bahan kimia dari Dr. Ir Iman
Rusmana, M.Si. dan para pembimbing lainya.
Penulis sangat berterima kasih kepada Ibu Heni, Ibu Ika, dan Ibu Dewi atas
bantuan teknis di laboratorium, dan beberapa staf PT Syahputra atas izin
menggunakan produk probiotiknya kepada penulis. Ucapan terima kasih
selanjutnya penulis tujukan kepada teman-teman di Laboratorium Mikrobiologi
Program Studi Biologi-IPB: Elsi, Isramilda, Rina Puji Astuti, Khairul Syahputra,
Huria Marnis, Hasrul Satria, Niken Finansia, Rika Indri Astuti, Roswita, Alberta
Rika Pratiwi, Sri Rahayu, dan Aziz atas kerja samanya. Kepada sahabat sejati
Magdaliza, terima kasih atas persahabatan dan dukungannya selama studi.
Demikian pula kepada Nursahara Pasaribu dan teman-teman lainnya yang tidak
dapat disebutkan satu persatu, penulis juga mengucapkan terima kasih atas
dukungan, bantuan tenaga dan fikirannya.
Ucapan terima kasih dan penghargaan yang tinggi disampaikan kepada
suami tercinta Tri Mulia Saragih dan anak-anak: Muhammad Fadhil Ilman,
Hanisah Sabrina dan Sarah Nurdini atas dukungan, cinta dan kasih sayangnya
sehingga penulis dapat menjalani masa-masa sulit selama studi. Penulis berterima
kasih tiada henti kepada ayahanda Djama’an, ibunda almarhumah Rostina yang
telah membesarkan dan membimbing penulis sehingga dapat sampai ke tahap
seperti sekarang. Selanjutnya penulis mengucapkan rasa terima kasih yang
mendalam kepada bapak dan ibu mertua, kakak-kakak, dan adik-adik ipar yang
telah meringankan beban penulis dalam mengurus anak-anak selama studi S3.
Semoga apa yang telah dihasilkan dari penelitian ini dapat bermanfaat bagi
kemajuan ilmu pengetahuan. Amin.
Bogor, Maret 2011
It Jamilah
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Padang pada tanggal 12 Oktober 1963 sebagai anak ke
tiga dari 4 bersaudara dari pasangan Djama’an dan Rostina. Pendidikan sarjana
ditempuh di Departemen Biologi, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan
Alam, Universitas Andalas dari tahun 1984 sampai 1990. Berkat rahmat Tuhan
Yang Maha Esa, pada tahun 1991 penulis diterima sebagai staf pengajar di
Jurusan Biologi, Universitas Sumatera Utara (USU) di Medan.
Pada tahun 1991 sampai 1992, penulis berkesempatan mengikuti pelatihan
Bahasa Inggris di Pusat Bahasa Universitas Sriwijaya (UNSRI), Palembang dan di
The British Institute (TBI), Bandung. Pelatihan ini dilanjutkan di Economic
Institute, Colorado University di Boulder, USA sampai pertengahan tahun 1993.
Kegiatan ini disponsori oleh Higher Education Developments Support (HEDS)
Project dari pemerintah Indonesia, bekerjasama dengan United State Aid for
Development (USAID) dari pemerintah Amerika Serikat. Atas sponsor yang sama
pula penulis dapat menempuh pendidikan di jenjang Master pada tahun 19931996 di Department of Food Science and Technology, Mississippi State
University, Mississsippi, USA di bidang Mikrobiologi Pangan. Penulis telah
menghasilkan 2 publikasi ilmiah di jurnal Food and Dairy Science pada tahun
1998. Setelah lulus S 2 penulis kembali mengabdi di USU dan tahun 1998 penulis
meraih penghargaan sebagi Dosen Teladan Tingkat USU. Pada tahun yang sama
penulis diberi kesempatan menjabat sebagai Kepala Laboratorium Mikrobiologi,
Jurusan Biologi, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam-USU, sampai
tahun 2002.
Penulis kembali ke bangku pendidikan pada tahun 2002 menempuh program
Doktor pada Program Studi Biologi, subprogram Mikrobiologi di IPB atas
beasiswa BPPS dari Direktorat Jendral Pendidikan Tinggi (DIKTI), Departemen
Pendidikan Nasional (DEPDIKNAS) priode 2002-2006. Setelah itu sampai tahun
2010 biaya penelitian dibantu oleh beberapa pihak seperti yang telah disebutkan
sebelumnya dan atas biaya sendiri.
Selama mengikuti program S3 di IPB penulis menjadi anggota Perhimpunan
Mikrobiologi Indonesia. Beberapa karya ilmiah yang merupakan bagian dari
disertasi ini telah dipresentasikan 1) pada International Microbiology and
Biotechnology Confrence (IMBC) dalam bentuk poster dengan judul Selection and
Characterization of Proteolytic and Amylolytic Bacillus spp. Isolated from Shrimp
Ponds, di Universitas Atmajaya, Jakarta pada bulan November, 2008, 2) pada
Seminar Nasional Sains dengan judul Karakterisasi Protease dan Amilase
Bacillus sp. DA 5.2.3 yang Diisolasi dari Tambak Udang, bulan Oktober, 2009 di
IPB. Sebuah publikasi ilmiah yang berkaitan dengan penelitian ini telah
diterbitkan pula secara bersama-sama dengan komisi pembimbing pada jurnal
ilmiah terakreditasi A, Microbiology Indonesia, volume 3 nomor 2 tahun 2009,
dengan judul Activity of Proteloytic and Amylolytic Enzymes of Bacillus spp.
Isolated from Shrimp Ponds.
DAFTAR ISI
Halaman
DAFTAR TABEL ..........................................................................................
xxi
DAFTAR GAMBAR ..............................................................................…..
xxiii
DAFTAR LAMPIRAN . ...............................................................................
xxiv
PENDAHULUAN
Latar Belakang .........................................................................................
Tujuan Penelitian ......................................................................................
Manfaat Penelitian ....................................................................................
1
4
4
TINJAUAN PUSTAKA
Pencemaran Perairan Tambak Udang .....................................................
Pakan Udang ............................................................................................
Total Padatan Tersuspensi (TSS) pada Perairan Budidaya Udang .........
Bacillus ....................................................................................................
Enzim Protease ........................................................................................
Enzim Amilase ........................................................................................
Identifikasi Mikrobe Berdasarkan Gen Penyandi 16S rRNA .................
7
10
12
13
15
17
19
BAHAN DAN METODE
Tempat dan Waktu Penelitian .................................................................
Pengambilan Sampel Bakteri ..................................................................
Isolasi dan Penapisan Bacillus Proteolitik dan Amilolitik ......................
Media, Kondisi Pertumbuhan dan Seleksi......................................
Pertumbuhan Isolat .........................................................................
Uji Total Padatan Tersuspensi ......................................................
Produksi Protease dan Amilase Ekstraseluler ................................
Pengukuran Aktivitas Protease .......................................................
Pengukuran Aktivitas Amilase .......................................................
Karakterisasi Protease dan Amilase Isolat Terpilih ........................................
Pengaruh pH dan salinitas Terhadap Aktivitas Protease
dan Amilase ............................................................................................
Stabilitas Protease dan Amilase ..............................................................
Penentuan Bobot Molekul (BM)Protease dan Amilase ..........................
Identifikasi Isolat Terpilih...............................................................................
Ciri-ciri Morfologi dan Fisiologi ............................................................
Identifikasi Berdasarkan Sekuen Gen Penyandi 16S rRNA ...................
HASIL DAN PEMBAHASAN
Isolasi dan Penapisan Bacillus Proteolitik dan Amilolitik .......................
Pertumbuhan Isolat .................................................................................
Total Padatan Tersuspensi .......................................................................
21
21
21
21
22
23
24
24
25
25
25
26
26
27
27
27
31
38
39
Pengaruh Waktu terhadap Produksi Protease dan Amilase
Bacillus sp. L5 dan DA 5.2.3 .................................................................
Produksi Protease, Amilase dan Pertumbuhan Sel Bacillus sp.
DA 5.2.3.... ................................................................................................
Aktivitas Protease Bacillus sp. DA 5.2.3 pada Rentangan pH ..............
Aktivitas Amilase Bacillus sp. DA 5.2.3 pada Rentangan pH...............
Aktivitas Protease Bacillus sp. DA 5.2.3 pada Rentangan Salinitas .....
Aktivitas Amilase Bacillus sp. DA 5.2.3 pada Rentangan Salinitas ......
Stabilitas Protease Bacillus sp. DA 5.2.3 ...............................................
Stabilitas Amilase Bacillus sp. DA 5.2.3 ...............................................
SDS-PAGE, Native-PAGE, dan Zimografi ...........................................
Total Padatan Tersuspensi Kultur Bacillus sp. DA 5.2.3 ......................
Ciri-ciri Morfologi dan Fisiologi Bacillus sp. DA 5.2.3 ........................
Identifikasi Bacillus Terpilih Berdasarkan Sekuen
Gen Penyandi 16S-rRNA .......................................................................
41
43
46
49
49
50
50
51
54
59
61
63
SIMPULAN DAN SARAN ............................................................................
Simpulan ...............................................................................................
Saran .………………………………………………………………......
67
67
68
DAFTAR PUSTAKA .....................................................................................
69
LAMPIRAN ...................................................................................................... 83
DAFTAR TABEL
Halaman
1
Kriteria dan katagori kualitas air tambak secara fisik dan kimiawi .........
10
2
Protease ekstraseluler yang dihasilkan beberapa mikrob perairan ............
17
3
Bacillus penghasil protease ekstraseluler ..................................................
18
4
Isolat-isolat yang diisolasi dari tanah sekitar tambak udang (A) Isolat
proteolitik yang memiliki aktivitas amilolitik dan (B) isolat amilolitik
yang memiliki aktivitas proteolitik ........................................................
5
32
Isolat-isolat yang diisolasi dari sedimen tambak udang (A) I solat
proteolitik yang memiliki aktivitas amilolitik dan (B) isolat amilolitik
yang memiliki aktivitas proteolitik ………………..................................... 33
6
Isolat- isolat yang diisolasi dari air tambak udang (A) Isolat
proteolitik memiliki aktivitas amilolitik dan (B) isolat amilolitik
yang memiliki aktivitas proteolitik …...………………………………….. 34
7
Isolat-isolat proteolitik yang diisolasi dari saluran pencernaan
udang P. vannamei. (A) Isolat proteolitik yang memiliki/tidak
memiliki aktivitas amilolitik dan (B) isolat amilolitik yang
memiliki/tidak memiliki aktivitas proteolitik ………………………….... 34
8
Isolat-isolat yang memiliki indeks proteolitik dan amilolitik ≥ 2.5 .......... 35
9
Rekapitulasi jumlah isolat dan aktivitas enzim yang dimiliki dari
setiap sampel yang diisolasi dari tambak udang di Karawang,
Jawa Barat ................................................................................................
36
10 Indeks amilolitik sepuluh Bacillus terpilih pada media pakan
udang (SF) dan SWC-pati ........................................................................
38
11 TSS dan persentase penurunan TSS isolat Bacillus terseleksi pada
kultur cair pakan udang 1.2% yang diinkubasi selama 96 jam pada
pH 7.5, salinitas 2.5%, di suhu ruang dengan penggoyangan 120 rpm ... 41
12 Respon Bacillus sp. DA 5.2.3 terhadap kriteria pengukuran secara
in vitro ....................................................................................................... 43
13 Karakteristik enzim protease ekstraseluler yang dihasilkan oleh
beberapa Bacillus spp. ................................................................................ 47
14 Karakteristik enzim amilase ekstraseluler yang dihasilkan oleh
beberapa Bacillus spp. ................................................................................ 48
15 Ciri-ciri morfologi dan fisiologi Bacillus sp. DA 5.2.3............................... 62
16 Perbandingan karakteristik fisiologi Bacillus sp. DA 5.2.3 dengan
spesies Bacillus lainnya ............................................................................. 63
DAFTAR GAMBAR
Halaman
1
Kerangka pemikiran penelitian .....................................................................
2
Diagram alir tahapan penelitian .................................................................... 30
3
A) Zona proteolitik pada media SWC- milk 1%, (1) dan
(3) isolat DA 5.2.3, (2) isolat KAs 7.1.2 B) zona amilolitik
pada media SWC-starch 1%, (1) isolat DP 5.1.2 (2) dan
(3) isolat DP 2.1.1 ........................................................................................
32
Morfologi koloni kelompok Bacillus yang diisolasi dari
tambak dan saluran pencernaan udang A) isolat DP 5.1.2, B)
isolat KAs 7.1.2 C) isolat KAt 5.1 ...............................................................
38
Pertumbuhan isolat-isolat terseleksi pada media SF 1.2 %, pH 7.5,
salinitas 2.5% di suhu ruang (±28 0C) dengan penggoyangan
120 rpm. .......................................................................................................
39
Aktivitas spesifik protease isolat L5 dan DA 5.2.3 pada substrat kasein
1% pH 7.5, salinitas 2.5%. Enzim diproduksi pada suhu ruang
di media SF 1.2% dengan penggoyangan 120 rpm ……………………….
42
4
5
6
5
7
Aktivitas spesifik amilase isolat L5 dan DA 5.2.3 pada substrat pati
terlarut 1%, pH 7.5, salinitas 2.5%). Enzim diproduksi pada suhu ruang
dengan peggoyangan 120 rpm dan media SF 1.2% ..................................... 42
8
Produksi protease dan amilase Bacillus sp. DA 5.2.3 pada interval
waktu pertumbuhan yang berbeda .............................................................
44
Aktivitas relatif protease Bacillus sp. DA 5.2.3 pada rentangan
pH 6-9, substrat kasein 1%, salinitas 2.5% di suhu ruang .........................
46
10 Aktivitas relatif amilase Bacillus sp. DA 5.2.3 pada rentangan
pH 6- 9, salinitas 2.5% pada pati terlarut 1% di suhu ruang ......................
49
11 Aktivitas relatif protease Bacillus sp. DA 5.2.3 pada rentangan
salinitas 0-3.5%, pH 7.5 pada kasein 1%, di suhu ruang ...........................
49
9
12 Aktivitas relatif amilase Bacillus sp. DA 5.2.3 pada salinitas 0- 3.5%,
pH 7.5 pada pati terlarut 1% di suhu ruang ……………………………….. 50
13 Aktivitas protease Bacillus sp. DA 5.2.3, pada A) pH 8 salinitas 0%
(kondisi optimum) dan B) pada pH 8 salinitas 2.5%
(kondisi umum tambak udang) ....................................................................
51
14 Aktivitas amilase Bacillus sp. DA 5.2.3 A) pada pH 6, salinitas 1.5%
(kondisi optimum) dan B) pada pH 8, salinitas 2.5%
(kondisi umum tambak udang) .................................................................
52
15 A) Profil SDS-PAGE protein ekstrak kasar Bacillus sp. DA 5.2.3
B) Profil native- PAGE protein ekstrak kasar Bacillus sp. DA 5.2.3 ........
56
16 A) Profil casein-SDS-zimography protease Bacillus sp. DA 5.2.3.
B) Profil casein-native-zimography protease Bacillus sp. DA 5.2.3 ..........
56
17 A) Profil SDS-starch-zimography protein ekstrak kasar amilase
Bacillus sp. DA 5.2.3. B) Profil native-starch-zimography amilase
Bacillus sp. DA 5.2.3 ................................................................................... 57
18 Nilai TSS kultur cair Bacillus sp. DA 5.2.3 pada media
pakan udang 1.2% yang diinkubasi pada suhu ruang ............................. ....
60
19 Bentuk morfologi Bacillus sp. DA 5.2.3. A) morfologi koloni,
B) morfologi sel dan, C) endospora pada perbesaran 400 X ……………... 63
20 Amplikon DNA gen 16S-rRNA Bacillus sp. DA 5.2.3 hasil
PCR sekitar 1.3 kb ........................................................................................ 64
21 Pohon filogenetik berdasarkan sekuen gen 16S rRNA dari
Bacillus sp. DA 5.2.3. yang dibandingkan dengan beberapa
spesies Bacillus lainnya ..............................................................................
66
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman
1
Prosedur uji aktivitas protease (modifikasi dari Walter 1984) .................. 85
2
Prosedur uji aktivitas amilase (Bernfeld 1959) .......................................... 86
3
Pertumbuhan sepuluh Bacillus terseleksi pada media pakan udang
(SF) 1.2% .................................................................................................. 89
4
Aktivitas protease Bacillus sp. L5 dan DA 5.2.3 ....................................... 89
5
Aktivitas amilase Bacillus sp L5 dan DA 5.2.3 ........................................ 90
6
Waktu produksi protease, amilase, dan pertumbuhan sel
Bacillus sp. DA 5.2.3 ................................................................................ 90
7
Aktivitas protease Bacillus sp. DA 5.2.3 pada rentangan pH .................... 91
8
Aktivitas amilase Bacillus sp.DA 5.2.3 pada rentangan pH ...................... 91
9
Aktivitas protease Bacillus sp. DA 5.2.3 pada rentangan salinitas ............ 91
10
Aktivitas amilase Bacillus sp. DA 5.2.3 pada rentangan salinitas ............. 91
11
Stabilitas protease Bacillus sp. DA 5.2.3 pada kondisi optimum reaksi
enzim (pH 8, salinitas 0) ............................................................................ 92
12
Stabilitas protease Bacillus sp. DA 5.2.3 pada kondisi umum tambak
udang (pH 8, salinitas 2.5%) ...................................................................... 92
13
Stabilitas amilase Bacillus sp. DA 5.2.3 pada kondisi optimum reaksi
enzim (pH 6, salinitas 1.5%) ...................................................................... 92
14
Stabilitas amilase Bacillus sp. DA 5.2.3 pada kondisi umum tambak
udang (pH 8, salinitas 2.5%) ...................................................................... 92
15
Komposisi larutan untuk SDS-PAGE ........................................................ 93
16
TSS dari kultur Bacillus sp. DA 5.2.3 pada media pakan udang
(SF) 1.2% ................................................................................................... 95
17
Sekuen gen penyandi 16S rRNA Bacillus sp. DA 5.2.3 ............................ 96
18
Hasil analisis Blast gen 16S rRNA Bacillus sp. DA 5.2.3 ......................... 97
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Udang merupakan salah satu primadona ekspor perikanan Indonesia, yang
telah memberikan pemasukan devisa yang cukup besar bagi negara. Indonesia
merupakan salah satu negara pengekspor udang terpenting di dunia di samping
Cina, Thailand, India, Vietnam dan beberapa negara di Amerika Latin. Pada tahun
2004 produksi udang Indonesia berada di urutan ke-6 dunia (FAO 2006). Negara
tujuan ekspor terpenting bagi Indonesia adalah Amerika Serikat dan Jepang.
Indonesia merupakan pengekspor produk udang beku nomor dua terbesar bagi
Jepang, sedangkan untuk Amerika Serikat Indonesia berada di tempat ketiga
(Rangkuti 2007).
Jenis udang yang dikembangkan pada awal perkembangan budi daya udang di
Indonesia ialah Penaeus monodon (jumbo tiger prawn) dan P. marquensis (udang
putih). Serangan penyakit dan penurunan kualitas air tambak menyebabkan
produksi udang tersebut terus menurun dari tahun 1990-an sampai 2000-an. Tahun
1992 total produksi nasional sekitar 98.350 ton, produksi menurun menjadi 83.193
ton pada tahu 1994. Pada tahun 1998 produksi ini turun lagi menjadi 74.824 ton
(Departemen Perikanan dan Kelautan 2002).
Tahun 2000 para pengusaha mulai beralih pada jenis udang P. vannamei
karena dianggap lebih tahan penyakit. Sistem budi daya yang dikembangkanpun
lebih kepada sistem semiintensif maupun intensif. Keberhasilan budi daya udang
P. vannamei mengalami puncak pada tahun 2005, dengan peningkatan produksi
tiga kali lipat (Rangkuti 2007). Keberhasilan ini juga tidak berlangsung lama
karena beberapa tahun terakhir produksi udang inipun tidak stabil dan cenderung
menurun meskipun tidak secara drastis. Dari tahun 2008-2009 produksi udang
budi daya turun sebanyak 15% (Kementrian Kelautan & Perikanan 2009).
Masalah utama penurunan produksi udang ialah penurunan kualitas air dan
serangan penyakit. Pada budi daya udang secara intensif, penurunan kualitas air
dapat terjadi dengan cepat disebabkan oleh faktor internal seperti akumulasi sisa
pakan akibat kelebihan pemberian pakan (overfeeding) dan hasil metabolisme
hewan peliharaan (Moriarty 1999). Sisa pakan berupa protein di perairan dapat
terurai menjadi senyawa-senyawa toksik bagi hewan air seperti amonia, nitrit dan
2
nitrat (Intan et al. 2005). Christoper et al. (2003) menyatakan bahwa pada budi
daya udang, sebahagian besar nitrogen (±90%) masuk ke kolam sebagai pakan
buatan, 22% dikonversi menjadi udang yang dipanen, 14% tersisa pada sedimen,
dan sisanya 57% dikeluarkan ke lingkungan.
Protein merupakan sumber nitrogen bagi bakteri.
protein akan diuraikan oleh
Pada sistem perairan
bakteri heterotrofik maupun fermentatif menjadi
senyawa-senyawa seperti amonia dan nitrit yang bersifat racun bagi hewan air
(Boyd & Fast 1992). Karbohidrat digunakan sebagai sumber energi bagi ikan
selain itu digunakan sebagai bahan pengikat pada proses pembuatan pakan (Craig
2002). Selain diubah menjadi senyawa-senyawa toksik diperairan, akumulasi sisa
pakan yang tinggi di perairan tambak
akan menurunkan kualitas air dengan
menurunnya DO (dissolved oxygen) dan meningkatnya BOD (biologycal oxygen
demand).
Hal ini dapat mengganggu ketahanan udang,
menurunkan laju
pertumbuhan bahkan dapat menyebabkan laju kematian yang tinggi (Moriarty
1999).
Peningkatkan aktivitas degradasi senyawa organik pada sistem akuatik dapat
dilakukan dengan pemanfaatan bakteri melalui produksi enzim ekstraseluler
(Devaraja et al. 2002). Protease ekstraseluler mikrob adalah kunci dalam hidrolisis
senyawa protein menjadi peptida yang lebih sederhana dan asam amino yang
dimanfaatkan oleh mikrob untuk proses metabolismenya. Secara tidak langsung
proses ini dapat mengurangi cemaran amonia, nitrit dan nitrat
dalam suatu
ekosistem (Bach et al. 2001).
Penelitian tentang potensi penggunaan bakteri yang menguntungkan
(probiotik) pada budi daya udang sudah banyak dilaporkan diantaranya dapat
memberikan efek positif terhadap ketahanan dan pertumbuhan udang (Veschuere
et al. 2000), menghambat pertumbuhan bakteri patogen udang (Rengpipat et al.
1998, Vaseeharan & Ramasamy 2003, Decamp & Moriarty 2007), merangsang
sistem imun udang (Rengpipat et al 2000, Gullian et al. 2004) dan meningkatkan
kualitas air tambak (Widiyanto et al. 1998, Widiyanto et al. 2005, Widiyanto et al.
2008) yang dapat menurunkan kadar H 2 S, nitrat, nitrit dan amonia. Ziai-Nejad et
al. (2006) mendapatkan isolat bakteri yang dapat meningkatkan aktivitas enzim
pencernaan pada usus udang.
3
Bacillus spp. telah dilaporkan sebagai agen biokontrol terhadap patogen
udang seperti Vibrio harveyi (Moriarty 1999, Veschuere et al 2000). Lalloo et al.
(2007) dan Zhou et al. (2009) menyatakan bahwa penambahan Bacillus spp. ke air
pemeliharaan udang dapat meningkatkan kualitas air dengan menurunkan kadar
ion amonium, nitrit, nitrat, dan fosfor. Kelompok Bacillus dikenal sebagai
penghasil enzim-enzim ekstraseluler yang potensial sebagai pengurai bahan
organik di alam seperti protease
(Mabrouk et al. 1999, Patel et al.
2006,
Essakkiraj et al. 2008) ) dan amilase ( Srivasta 1987, Hagihara et al. 2001, Anto et
al. 2006, dan Ling et al. 2009). Kelompok bakteri probiotik yang telah dilaporkan
untuk budi daya perairan seperti ikan, kerang dan udang ialah bakteri fotosintetik,
Lactobacillus, Bacillus (Zhou et al. 2009), dan Vibrio (Widanarni 2005, Niwane
& Selvin 2009).
Genus Bacillus terdiri atas kelompok bakteri berbentuk batang, Gram
positif, yang dicirikan oleh kemampuannya untuk menghasilkan endospora (Todar
2005). Umumnya spesies Bacillus tidak berbahaya terhadap mamalia, termasuk
manusia dan secara komersial penting sebagai penghasil berbagai macam
metabolit sekunder dalam jumlah yang tinggi seperti antibiotik, bioinsektisida,
dan enzim (Ferrari et al 1993, Olmos-Soto 2003). Isolat DA 5.2.3 yang dipilih
untuk karakterisasi enzim lanjut dalam penelitian ini pada uji awal yang dilakukan
dapat menghambat pertumbuhan V. harveyi secara in vitro (data tidak
dipublikasikan).
Penelitian dilakukan untuk mengatasi pencemaran sisa pakan udang di
perairan yaitu dengan menggunakan Bacillus proteolitik dan amilolitik. Bakteri
diisolasi dari tambak dan saluran pencernaan udang. Penapisan isolat dilakukan
berdasarkan angka indeks proteolitik dan amilolitik, pertumbuhan, nilai TSS, dan
termasuk uji aktivitas enzim. Karakterisasi enzim protease dan amilase yang
dihasilkan dilakukan pada kondisi lingkungan seperti yang umum di perairan
kolam udang seperti pH dan salinitas. Untuk melihat potensi isolat terpilih dalam
degradasi protein dan karbohidrat, digunakan pakan udang komersial dan air laut
sebagai media pertumbuhan dan produksi enzim. Uji TSS dilakukan untuk
mengetahui
kemampuan isolat terpilih dalam menurunkan
total padatan
tersuspensi dari media cair pakan udang. Konsep pemikiran penelitian ini
dipaparkan secara skematis pada Gambar 1.
4
Tujuan Penelitian
1) menapis dan mengkarakterisasi Bacillus proteolitik dan amilolitik yang
diisolasi dari tambak dan saluran pencernaan udang,
2) mengkarakterisasi protease dan amilase ekstraseluler yang dihasilkan isolat
terpilih, dan
3) melihat kemampuan isolat terpilih dalam menurunkan total padatan
tersuspensi pada kultur cair pakan udang.
Manfaat Penelitian
Penelitian ini dapat digunakan sebagai bahan informasi tentang suatu
pendekatan dalam mengatasi pencemaran air pada suatu sistem budi daya perairan
menggunakan bakteri, dan sebagai salah satu dasar dan acuan dalam pengendalian
senyawa-senyawa toksik pada sistem budi daya udang. Isolat bakteri dari
Indonesia yang diperoleh dari penelitian ini dapat dikembangkan untuk
penanggulangan masalah penurunan kualitas air pada sistem budi daya udang
sehingga dapat meningkatan produksi udang Indonesia di masa yang akan datang.
5
Tambak udang
Pakan udang
Bakteri
Sisa pakan di perairan
Kandungan bahan
organik di air tinggi
Seleksi dan karakterisasi
Bacillus proteolitik & amilolitik
Isolat potensial
Udang mengalami
gangguan
pertumbuhan
Protein
Karbohidrat
Protease
Amilase
Kandungan protein
dan karbohidrat
di air turun
Kualitas air meningkat
Produktivitas udang
meningkat
Gambar 1 Kerangka pemikiran penelitian.
7
TINJAUAN PUSTAKA
Pencemaran Perairan Tambak Udang
Tingginya permintaan konsumen terhadap produk perikanan terutama
udang dari tahun ketahun memacu perkembangan industri budi daya udang yang
sangat pesat. Selain itu, tingginya nilai produk udang budi daya dan siklus hidup
yang relatif singkat menyebabkan sektor ini menarik minat banyak pengusaha
(New 1999). Pada pengembang budi daya udang skala besar dilakukan sistem
budi daya intensif. Pada sistim ini dilakukan pengaturan yang ketat terhadap
kondisi kolam seperti sistem pengairan, pakan dan perbenihan. Target utama
sistim ini ialah jumlah produksi yang tinggi pada area tambak yang kecil, oleh
sebab itu dilakukan padat tebar benih yang tinggi dan pemberian pakan dalam
jumlah serta kualitas yang tinggi ( Fast 1992).
Berkembangnya budi daya udang sistim intensif, diikuti pula oleh berbagai
permasalahan. Masalah yang umum pada sistem budi daya udang ini ialah
sedikitnya proporsi pakan yang digunakan oleh hewan, akibatnya sebagian besar
pakan tersisa sebagai limbah di air (Antony & Philip 2006) yang diikuti oleh
eutrofikasi dan pengayaan material organik yang tinggi pada dasar kolam.
Penurunan kualitas lingkungan seperti ini menurunkan produktivitas tambak, dan
meningkatkan tekanan pada udang yang menyebabkan udang rentan terhadap
penyakit, sehingga menurunkan produksi di berbagai daerah (Boyd & Musig
1992, Browdy & Hopskin 1995). Umumnya pengusaha tambak bergantung
kepada pergantian air yang relatif tinggi untuk menjaga kualitas air pada sistim
produksi, akibatnya terjadi pengeluaran material limbah pakan dan berbagai
metabolit langsung ke lingkungan terdekat (Browdy & Hopskin 1995).
Selain berdampak negatif terhadap lingkungan, intensifikasi budi daya
udang juga menyebabkan peningkatan resiko penyakit yang potensial terhadap
hewan. Penyakit yang berkembang di tambak udang di Indonesia ialah penyakit
yang disebabkan oleh virus White Spot Syndrome (WSS) dan Yellow Head Virus
(YHV) dan penyakit bakteri berpendar Vibrio harveyi. Selain itu pemakaian
antibiotik menjadi cara yang dianggap efektif untuk menanggulangi bakteri
patogen di perairan tambak pada sistem budi daya ini, tetapi dengan
8
ditemukannya residu antibiotik yang tinggi pada udang asal
Indonesia,
mengakibatkan dikeluarkannya larangan ekspor udang Indonesia ke beberapa
negara tujuan (Rangkuti 2007).
Analisis komunitas mikrob dari tambak udang memainkan peranan yang
penting pada produksi udang, menyediakan sumber makanan, mendaur ulang
nutrien dan mengurai tumpukan bahan organik melalui berbagai proses
metabolisme. Komunitas mikrob sebaliknya juga dapat mempengaruhi kualitas air
dengan meningkatkan kebutuhan oksigen akibat konsumsi karbon organik labil
yang dihasilkan dari sisa pakan, alga, dan pelepasan dari bakteri sedimen akibat
penguraian bahan organik (Hansen & Blackburn 1991).
Berbagai cara dicoba dilakukan untuk mengatasi pencemaran air dan
degradasi kualitas tambak udang di antaranya yang paling populer ialah dengan
pemanfaatan mikrob (Devaraja et al. 2002). Bioremediasi adalah salah satu cara
yang menggunakan mikrob atau enzim di kolam yang digunakan untuk
meningkatkan kualitas air dan menjaga kesehatan dan stabilitas sistem budi daya
air. Bioremediasi melibatkan mineralisasi bahan organik menjadi CO 2 ,
merangsang produksi udang, nitrifikasi dan denitrifikasi untuk: 1) menghilangkan
sisa nitrogen dari kolam, dan 2) menjaga keragaman dan menstabilkan komunitas
kolam dengan memusnahkan patogen dari sistim dan mempertahankan spesies
yang diinginkan. Pada bioremediasi digunakan bakteri heterotrofik pendegradasi
bahan organik, bakteri nitrifikasi, denitrifikasi dan bakteri fotosintetik (Antony
dan Philip 2006).
Penggunaan bakteri untuk kesejahteraan manusia seperti kesehatan dan
pertanian sangat menarik perhatian lebih dari satu dekade terakhir. Probiotik
sudah digunakan di berbagai produk seperti susu dan makanan tambahan. Di
bidang peternakan probiotik sudah diaplikasikan pada pakan, dan di bidang
pertanian digunakan sebagai pupuk. Probiotik merupakan mikrob hidup baik
dalam bentuk kultur tunggal maupun campuran yang ditambahkan ke dalam
makanan hewan atau manusia yang dapat menguntungkan inang dengan menjaga
keseimbangan mikrob ususnya (Fuller 1992; Salminen & Wright 1998). Defenisi
ini kemudian dikembangkan lagi oleh Verschuere et al. (2000) untuk aplikasi
probiotik pada budi daya perairan.
Deskripsi yang diberikan
sesuai dengan
modus aksi probiotik tersebut, yaitu mikrob hidup yang menguntungkan bagi
9
inang dengan memodifikasi hubungan komunitas mikrob yang berasosiasi dengan
inang atau lingkungannya, meningkatkan penggunaan makanan atau nilai nutrisi,
memacu respon inang terhadap penyakit, atau dengan meningkatkan kualitas
lingkungan. Berdasarkan definisi di atas probiotik dapat mencakup mikrob yang
mencegah perkembangbiakan patogen pada rongga pencernaan, pada struktur
permukaan, dan pada lingkungan peternakan, menjamin penggunaan pakan secara
optimal dengan membantu sistem pencernaan inang, meningkatkan kualitas air,
dan merangsang sistem ketahanan inang (Verschuere et al. 2000).
Berbagai produk probiotik untuk akuakultur dipromosikan memiliki
berbagai keunggulan yang bervariasi;
mereduksi nitrat, nitrit, amonia, H 2 S,
menghilangkan logam berat, bahan organik, menurunkan BOD, mengatasi
penumpukan lumpur, penghambatan pertumbuhan Vibrio sp. dan bakteri patogen
lainnya. Tetapi banyak dari keuntungan yang diiklankan tidak memiliki
konfirmasi, dan merupakan riset yang tidak dikendalikan secara terpadu (Antony
& Philip 2006).
Penelitian yang dilakukan oleh Fernandes et al. (2010) untuk menguji suatu
sistim aerasi untuk mengatasi pencemaran air
di tambak udang, didapatkan
bakteri heterotrofik melampaui jumlah bakteri nitrifikasi, denitrifikasi dan
pereduksi sulfat. Jumlah bakteri heterotrofik berkisar 10-3 sampai 10-4 CFU mL-1
dan selalu tinggi di air yang diaerasi maupun tidak di aerasi. Tingginya
kelimpahan bakteri ini dapat disebabkan tingkat ketersediaan karbon organik di
tambak. Drakare (2002) menjelaskan bahwa di samping memecah senyawa
organik, bakteri heterotrofik juga merupakan kompetitor yang unggul dalam
pemanfaatan fosfat dan dapat menjaga tingkat nutrien yang optimal. Rao dan
Karusanagar (2000) menyatakan udang memiliki kemampuan konversi makanan
yang rendah dimana lebih dari 50% pakan terbuang ke air.
Di Indonesia kriteria kualitas air untuk tambak memiliki kisaran pH 7.8-9.0,
suhu 26-32 0C, kadar nitrat kurang dari 0.3-0.5 ppm, nitrit kurang dari 0.1 ppm
dan suspensi terlarut berkisar dari 20-40 ppm (Tabel 1). Daerah yang paling
cocok untuk pertambakan udang adalah daerah pasang surut dengan fluktuasi
antara lain 2-3 meter (DKP 2007).
10
Tabel 1 Kriteria dan katagori kualitas air tambak secara fisik dan kimiawi
Saat
Penebaran
Parameter kualitas air
Suhu (°C)
26 – 29
DO minimum (ppm)
4
Air di
petakan/reservoir
27 – 32
> 3.5
BOD (ppm O 2 )
Pertengahan dan
akhir
pemeliharaan
27 – 32
27 – 32
4.5
3
< 0.2
< 10
Air
pembuangan
pH
7.8 – 8.5
7.8 – 8.5
7.8 – 8.4
7–9
Alkalinitas (ppm)
90 – 150
90 – 150
90 – 150
100 – 150
Transparansi (cm)
40 – 50
30 - 50
30 – 40
30 – 40
< 30
< 20
< 40
< 30
Salinitas (ppt)
10 – 35
10 – 35
10 – 35
10 - 35
Amonia (ppm)
< 0.5
< 0.3
< 0.4
< 0.5
Nitrat (ppm)
< 0.5
< 0.3
< 0.4
< 0.5
Nitrit (ppm)
< 0.1
< 0.1
< 0.1
< 0.1
Fosfat (P 2 O 3 ) (ppm)
< 0.25
0.30
Suspensi
terlarut
(ppm)
Total Vibrio (CFU/ml)
2
3
0.35
4
3
0.25
4
10
10 - 10
10 - 10
< 104
Logam berat
1.
Hg (ppm)
< 0.17 ppm
< 0.17 ppm
< 0.17 ppm
< 0.17 ppm
2.
Pb (ppm)
< 1.16 ppm
< 1.16 ppm
< 1.16 ppm
< 1.16 ppm
Sumber: DKP Jepara (2007)
Pakan Udang
Pakan dalam budi daya udang, memegang peranan yang sangat vital. Pakan
buatan merupakan sumber nutrien utama untuk pertumbuhan udang yang dibudi
dayakan. Secara umum nutrisi di dalam pakan diperlukan oleh tubuh untuk
proses pemeliharaan, aktivitas, pertumbuhan dan reproduksi. Ketersediaan pakan
dalam jumlah yang cukup, tepat waktu dan bernilai gizi baik merupakan salah
satu faktor yang sangat penting dalam kegiatan usaha budi daya. Penyediaan
pakan yang tidak sesuai dengan jumlah udang yang dipelihara menyebabkan laju
pertumbuhan udang menjadi lambat, akibatnya produksi yang dihasilkan tidak
sesuai dengan yang diharapkan. Pada dasarnya, sumber pakan berasal dari pakan
alami dan pakan buatan. Oleh karena jumlah pakan alami di kolam pemeliharaan
tidak memadai untuk budi daya intensif dan semi intensif, maka untuk mencapai
laju pertumbuhan udang yang baik perlu diberikan pakan buatan.
11
Pakan buatan adalah pakan yang dibuat untuk memenuhi kebutuhan nutrisi
dan gizi udang, dibuat dalam skala industri yang diberikan saat ketersediaan
pakan alami yang kurang atau tidak memadai. Berdasarkan komposisi kandungan
nutrisinya pakan buatan mempunyai formulasi yang sudah disesuaikan dengan
kebutuhan pertumbuhan udang. Pakan udang yang dibuat secara komersial
merupakan bahan campuran hasil penggilingan yang mengapung, melayang atau
pelet yang tenggelam di air. Udang termasuk hewan yang menyukai makanan
yang tenggelam, tetapi kebanyakan udang dapat dilatih untuk menerima makanan
yang mengapung (Craig 2002).
Pada budi daya udang nutrisi merupakan masalah yang kritis dan
membutuhkan 40-50% dari biaya produksi. Industri pakan udang berkembang
secara dramatis pada beberapa tahun terakhir ini dengan pengembangan formulasi
makanan baru yang seimbang untuk memacu pertumbuhan dan kesehatan yang
optimal (Craig 2002). Pakan udang buatan dapat dalam bentuk lengkap atau
tambahan. Pakan lengkap menyediakan semua bahan (protein, karbohidrat, lemak,
vitamin dan mineral) yang diperlukan untuk pertumbuhan yang optimal dan
kesehatan ikan, biasanya terdiri atas protein (18-50%), lemak (10-25%),
karbohidrat (15-20%), abu (