Kebutuhan tumbuh mikroba: oksigen, pH, suhu kardinal, aktivitas air dan tekanan osmotik, nutrien dan media, dan artinya bagi penyimpanan, linen basah, tangki, dan peralatan

Pengering laundry sebuah rumah sakit rusak pada Jumat sore, dan sekitar 300 kg linen hasil peras menunggu di troli tertutup sampai Sabtu siang di ruang bersuhu 31 °C. Penyelia mengusulkan dua jalan pintas: memindahkan sebagian troli ke ruang pendingin dapur yang kosong, dan menyemprot linen dengan pewangi berdisinfektan supaya "kumannya tidak tumbuh". Jawabannya ada pada kebutuhan tumbuh mikroba. Linen basah menyediakan air hampir penuh, suhu ruang tropis berada di rentang optimum bakteri dari tubuh manusia, pH linen yang sudah dibilas mendekati netral, dan bagian dalam tumpukan miskin oksigen. Ruang pendingin tidak menghentikan bakteri yang tahan dingin, dan membawa linen ke ruang pangan membuka jalur pencemaran baru. Bab ini mengukur rentang setiap faktor, lalu menerapkannya pada penyimpanan, linen basah, tangki, dan peralatan.

Batas pembahasan

Bab ini membahas faktor lingkungan yang menentukan apakah mikroba dapat tumbuh, secara kuantitatif: oksigen, pH, suhu, aktivitas air dan tekanan osmotik, nutrien dan cahaya, dan media biakan. Model pembelahan dan fase pertumbuhan ada di Bab 1 tentang pertumbuhan mikroba; aktivitas air dan kelembapan relatif untuk kapang di Bab 9 tentang kapang; suhu pangan dan zona suhu berbahaya di Bab 7 tentang sanitasi dapur; kelompok dan genus bakteri di Bab 14 tentang keragaman bakteri; cara menghitung koloni di Bab 15 tentang menghitung mikroba; dan metabolisme serta gas di Bab 17 tentang metabolisme mikroba. Bab ini tidak memberi wewenang menetapkan kelayakan pangan, linen, atau air.

Titik kardinal dan jendela tumbuh

Setiap faktor mempunyai tiga titik. Untuk suhu, suhu optimum memberi laju tumbuh tertinggi, suhu minimum adalah suhu terendah tempat organisme masih bertahan dan membelah, dan suhu maksimum adalah suhu tertinggi tempat pertumbuhan masih terjadi. Suhu kardinal (cardinal temperatures) adalah sebutan bagi tiga suhu yang mencirikan pertumbuhan satu mikroba, yaitu suhu minimum, optimum, dan maksimum. Pasangan yang sama berlaku untuk pH dan oksigen. Rentang di bab ini hanya perkiraan dan dapat bergeser menurut faktor lingkungan lain.

Kurva laju tumbuh terhadap suhu miring ke arah optimum, diduga karena protein cepat rusak ketika suhu melewati optimum; beberapa derajat di atas optimum karena itu menurunkan laju lebih tajam daripada beberapa derajat di bawahnya.

Gagasan jendela tumbuh merangkum titik-titik itu: satu mikroba hanya tumbuh bila semua faktor berada di dalam rentangnya sekaligus,

$$T_{\min} \le T \le T_{\max}, \quad \mathrm{pH}_{\min} \le \mathrm{pH} \le \mathrm{pH}_{\max}, \quad a_w \ge a_{w,\min}$$

dengan $T$ suhu (°C), $\mathrm{pH}$ keasaman, dan $a_w$ aktivitas air (tanpa satuan), ditambah syarat oksigen menurut golongannya. Cukup satu faktor di luar jendela untuk menghentikan pertumbuhan organisme itu, tetapi menghentikan pertumbuhan belum tentu membunuh. Vibrio cholerae, misalnya, tumbuh paling baik pada pH 8,0 tetapi bertahan pada pH 11,0.

Oksigen

Kebutuhan oksigen tampak di tabung tioglikolat, medium yang hampir bebas oksigen dan menerima oksigen yang perlahan berdifusi dari permukaan. Aerob obligat (obligate aerobe) adalah mikroorganisme yang tidak dapat tumbuh tanpa pasokan oksigen yang cukup. Anaerob obligat (obligate anaerobe) adalah mikroorganisme yang dibunuh oksigen. Anaerob fakultatif (facultative anaerobe) adalah mikroorganisme yang tumbuh lebih baik dengan oksigen tetapi juga tumbuh tanpa oksigen melalui fermentasi atau respirasi anaerob. Anaerob aerotoleran (aerotolerant anaerobe) adalah mikroorganisme yang tidak memakai oksigen tetapi tidak dirugikan olehnya. Mikroaerofil (microaerophile) adalah bakteri yang memerlukan oksigen pada kadar rendah, sekitar 1 sampai 10 persen, jauh di bawah 21 persen di udara.

Spesies oksigen reaktif (reactive oxygen species, ROS) adalah ion dan molekul tidak stabil hasil reduksi sebagian oksigen yang dapat merusak hampir setiap makromolekul. Contohnya hidrogen peroksida dan ion hipoklorit, bahan aktif pemutih. Tiga enzim mengurainya: superoksida dismutase (SOD), peroksidase, dan katalase, yang menjalankan reaksi

$$2\,\mathrm{H_2O_2} \rightarrow 2\,\mathrm{H_2O} + \mathrm{O_2}$$

Sebaran enzim itu menurut golongan tercantum di tabel. Disinfektan oksidator di Bab 4 tentang disinfektan bekerja dengan jenis kerusakan yang sama, dan bakteri penghasil katalase dapat bertahan pada hidrogen peroksida kadar rendah seperti di Bab 13 tentang ketahanan mikroba terhadap disinfektan.

Lingkungan tanpa oksigen ada di rawa, saluran limbah, dan usus. Pada infeksi campuran, anaerob fakultatif menghabiskan oksigen sehingga anaerob obligat dapat tumbuh, dan endospora membuat Clostridium bertahan di udara. Hal yang sama terjadi di dasar biofilm, endapan tangki, perangkap lemak, dan tumpukan linen basah; gas yang dihasilkan dan bahaya ruang terbatasnya dibahas di Bab 17 tentang metabolisme mikroba dan gas.

pH

Keasaman diukur sebagai

$$\mathrm{pH} = -\log_{10} [\mathrm{H^+}]$$

dengan $[\mathrm{H^+}]$ kadar ion hidrogen dalam mol/L, sehingga selisih satu satuan pH berarti kadar sepuluh kali. Komponen sel yang paling peka pH adalah protein, dan pH ekstrem merusak semua makromolekul. Rentang golongannya:

Neutrofil (neutrophile) adalah mikroorganisme yang tumbuh optimal pada pH dalam satu atau dua satuan dari pH netral 7. Bagi dapur, pH optimum Salmonella 7,0 sampai 7,5, tetapi pH minimumnya mendekati 4,2 (Contoh 1). Jamur menyukai pH agak asam, 5,0 sampai 6,0, dan bakteri asam laktat pada yogurt dan acar berkembang pada pH sekitar 4,0. Pangan asam bertahan lama karena kebanyakan mikroba pembusuk tumbuh paling baik pada pH mendekati netral dan kurang tahan asam.

Lingkungan mikro dapat berbeda dari sekitarnya: Helicobacter pylori, sebuah neutrofil, bertahan di lambung dengan memecah urea menjadi amonium yang menaikkan pH di dekatnya. Karena itu pH air bilasan belum tentu sama dengan pH di dalam lapisan kotoran atau biofilm. Larutan basa membantu melepas kotoran, tetapi V. cholerae yang bertahan pada pH 11,0 menunjukkan bahwa kebasaan saja bukan disinfeksi (Contoh 2). Pengaruh pH pada klorin dibahas di Bab 4 tentang disinfektan.

Suhu

Mikroba dibagi menurut rentang suhu tumbuh:

Psikrotrof (psychrotroph) adalah mikroorganisme yang lebih menyukai lingkungan sejuk, dari sekitar 4 °C suhu lemari pendingin sampai sekitar 25 °C, dan bertanggung jawab atas pembusukan pangan dingin. Mesofil (mesophile) adalah mikroorganisme yang beradaptasi pada suhu sedang dengan suhu optimum dari sekitar 20 °C sampai sekitar 45 °C. Suhu tubuh manusia 37 °C berada di dalam rentang mesofil, dan suhu ruang tropis yang sering 30 °C atau lebih, seperti dicatat Bab 7 tentang sanitasi dapur, juga berada di dalamnya.

Listeria monocytogenes berbiak pada 4 sampai 10 °C dan dalam literatur ada yang menggolongkannya sebagai psikrofil. Karena bakteri itu juga tumbuh di tubuh manusia, sifatnya lebih cocok dengan definisi psikrotrof di atas.

Dingin memperlambat, tidak membunuh. Lemari pendingin pada 0 sampai 7 °C memperlambat pertumbuhan secara nyata, kecuali bagi mikroba yang menyukai dingin; pembekuan di bawah −2 °C dapat menghentikan pertumbuhan dan membunuh sebagian organisme, tetapi pertumbuhan berlanjut setelah pangan dicairkan, dan biakan bakteri justru disimpan beku pada −70 °C atau lebih rendah. Satu daftar periksa layanan restoran memakai 0 sampai 4 °C untuk lemari pendingin dan −18 °C atau lebih rendah untuk pembeku.

Panas merusak protein dan asam nukleat; sterilisasi dan pasteurisasi dibahas di Bab 22 tentang sterilisasi, dan enzim tahan panas dari termofil untuk deterjen air panas berkaitan dengan enzim pencucian di Bab 7 · Laundry tentang enzim dalam pencucian. Untuk air gedung, lembar fakta WHO menyebut Legionella hidup dan tumbuh di sistem air pada 20 sampai 50 °C dengan optimum 35 °C, dan menyarankan air panas di atas 50 °C, air dingin di bawah 25 °C dan sebaiknya di bawah 20 °C, serta pembilasan mingguan keran yang jarang dipakai. Bab 13 · Bangunan & Fasilitas tentang air panas gedung memakai rentang 20 sampai 45 °C; kedua sumber menempatkan suhu ruang Indonesia di dalam rentang tumbuh (Contoh 3).

Aktivitas air dan tekanan osmotik

Aktivitas air (water activity) adalah perbandingan tekanan uap air suatu bahan terhadap tekanan uap air suling murni pada suhu yang sama. Dalam rumus,

$$a_w = \frac{p}{p_0}$$

dengan $p$ tekanan uap air di atas bahan (kPa) dan $p_0$ tekanan uap air murni pada suhu yang sama (kPa). Air murni bernilai 1,0. Bakteri memerlukan $a_w$ tinggi, 0,97 sampai 0,99, sedangkan jamur tahan keadaan lebih kering. Pengeringan mengendalikan pertumbuhan, tetapi mungkin tidak membunuh semua mikroba atau endosporanya. Hubungan $a_w$ dengan kelembapan relatif untuk kapang dibahas di Bab 9 tentang kapang.

Tekanan osmotik (osmotic pressure) adalah tekanan yang timbul karena perbedaan kadar zat terlarut di kedua sisi membran semipermeabel. Dalam larutan pekat garam atau gula, air keluar dari sel, membran plasma mengerut menjauhi dinding sel (plasmolisis), dan sel dapat mati; itulah dasar pengawetan dengan air garam dan penggaraman. Madu berisi 80 persen sukrosa dan hanya sedikit mikroba yang mampu tumbuh di dalamnya, tetapi kapang dan khamir lebih tahan kekeringan dan tekanan osmotik tinggi sehingga masih dapat mencemari selai dan bahan bergula. Mikroba seperti itu sering disebut osmotoleran.

Halofil (halophile) adalah mikroorganisme yang memerlukan kadar garam tinggi untuk tumbuh. Halofil laut hidup pada kadar garam sekitar 3,5 persen; halofil ekstrem hidup di Great Salt Lake, yang 3,5 sampai 8 kali lebih asin daripada laut, dan di Laut Mati, yang 10 kali lebih asin (Contoh 4); protein Halobacterium kehilangan aktivitas di bawah 1 sampai 2 M garam. Halotoleran (halotolerant) adalah sifat mikroorganisme yang tidak memerlukan garam tinggi tetapi tetap bertahan dan membelah di dalamnya. Stafilokokus, mikrokokus, dan korinebakteri di kulit bersifat halotoleran, dan S. aureus, Bacillus cereus, dan V. cholerae yang halotoleran menghasilkan enterotoksin dan menjadi penyebab utama keracunan makanan. S. aureus tumbuh pada agar manitol garam yang berisi 7,5 persen NaCl, dan Listeria tahan sampai 10 persen NaCl. Pangan asin tidak otomatis aman dari bakteri tahan garam.

Nutrien, faktor tumbuh, dan cahaya

Kebutuhan karbon, nitrogen, dan unsur lain diuraikan di Bab 1 tentang pertumbuhan mikroba. Ada dua tambahan. Pertama, sebagian bakteri sangat pemilih: organisme fastidius tidak dapat membuat nutrien tertentu sehingga nutrien itu harus ditambahkan ke medium, misalnya Haemophilus influenzae yang memerlukan hemin dan NAD. Kedua, sebagian bakteri justru hidup dengan nutrien sangat sedikit. Sebagian Alphaproteobacteria adalah oligotrof yang mampu hidup di lingkungan miskin nutrien, dan hampir setiap permukaan dalam cairan yang bernutrien sedikit pun akhirnya ditumbuhi biofilm. Air bersih di tangki dan pipa tetap cukup untuk biofilm, sehingga pengendaliannya bertumpu pada aliran, suhu, dan pembersihan seperti di Bab 5 tentang biofilm.

Cahaya diperlukan bakteri fotosintetik. Fotoautotrof seperti sianobakteri memakai cahaya pada panjang gelombang 400 sampai 700 nm, dan ledakan sianobakteri di air tawar menghasilkan mikrosistin yang dapat merusak hati bila terminum; pupuk nitrogen dan fosfor yang terbawa ke air memicu ledakan alga. Tangki yang terbuka atau tembus cahaya memberi cahaya dan nutrien bagi alga dan sianobakteri, sehingga tutup rapat dan kedap cahaya termasuk pengendalian.

Media biakan

Media selektif (selective media) adalah media yang menghambat mikroorganisme yang tidak diinginkan dan mendukung organisme sasaran. Media diferensial (differential media) adalah media yang membedakan koloni berbagai bakteri melalui perubahan warna koloni atau medium. Contohnya:

Sebuah studi kasus menunjukkan pemakaiannya: setelah piknik, salad ayam berisi kokus Gram positif bergerombol yang katalase positif dan menguningkan agar manitol garam, sehingga S. aureus dipastikan; bakteri itu diduga masuk dari penjamah makanan dan berbiak ketika salad dibiarkan hangat selama pidato berjam-jam. Penyakitnya dibahas di Bab 20 tentang patogen bawaan makanan.

Hasil "tidak tumbuh" hanya berarti tidak tumbuh pada medium, suhu, atmosfer, dan waktu inkubasi yang dipilih, seperti prinsip membaca hasil di Bab 1 tentang pertumbuhan mikroba. Cara menghitung koloni dibahas di Bab 15 tentang menghitung mikroba.

Artinya bagi penyimpanan, linen basah, tangki, dan peralatan

Tabel berikut merangkum fakta di bab ini menurut tempatnya:

Pada kasus pembuka, linen tidak dipindahkan ke ruang pendingin pangan; beban dialihkan ke pengering lain atau laundry cadangan, dan bila waktu tunggu melewati batas prosedur, penyelia memutuskan pencucian ulang seperti di Bab 14 · Laundry tentang higiene linen dan Bab 19 · Laundry tentang gejala hasil cucian. Semprotan pewangi tidak mengubah satu pun faktor di jendela tumbuh (Contoh 6).

Contoh kerja

Angka dalam kasus pembuka dan contoh di bawah adalah angka latihan, kecuali disebut asalnya; tekanan uap air murni adalah sifat bahan.

Contoh 1: pH minimum Salmonella. Pada pH 4,2, $[\mathrm{H^+}] = 10^{-4{,}2} = 6{,}3 \times 10^{-5}$ mol/L, dan pada pH 7,0, $10^{-7}$ mol/L. Perbandingannya $10^{2{,}8} = 631$. Acar pada pH 4,0 hanya $10^{0{,}2} = 1{,}58$ kali lebih asam daripada pH 4,2, sehingga pengukuran pH yang teliti menentukan apakah pangan berada di bawah batas itu.

Contoh 2: larutan basa. Air bilasan pertama bersifat pH 11. Kadar ion hidrogennya $10^{11-7} = 10^{4} = 10.000$ kali lebih rendah daripada air netral, dan pH 11 berada $11 - 10{,}5 = 0{,}5$ satuan di atas batas atas rentang alkalifil. Karena V. cholerae bertahan pada pH 11,0, larutan itu tidak dianggap disinfeksi.

Contoh 3: suhu air di titik pakai. Dua belas titik air sebuah rumah sakit terukur 60, 58, 55, 52, 49, dan 44 °C pada pipa panas, dan 31, 29, 27, 24, 19, dan 16 °C pada pipa dingin. Sebanyak $6/12 = 50$ persen titik berada di 20 sampai 50 °C, dan menurut saran WHO 2 titik panas di bawah 50 °C serta 3 titik dingin di atas 25 °C tidak memenuhi, yaitu $5/12 = 41{,}7$ persen.

Contoh 4: air garam dapur. Air garam 10 persen (berat per volume) untuk 20 L memerlukan $20 \times 100 = 2.000$ g garam. Larutan itu tidak menghentikan Listeria, yang tahan sampai 10 persen NaCl. Sebagai perbandingan, laut 3,5 persen, Great Salt Lake $3{,}5 \times 3{,}5 = 12{,}25$ sampai $3{,}5 \times 8 = 28$ persen, dan Laut Mati $3{,}5 \times 10 = 35$ persen.

Contoh 5: menghitung aktivitas air. Tekanan uap air murni pada 30 °C sekitar 4,246 kPa. Bahan dengan tekanan uap 4,08 kPa mempunyai $a_w = 4{,}08/4{,}246 = 0{,}961$, di bawah 0,97 untuk bakteri. Batas 0,97 setara $0{,}97 \times 4{,}246 = 4{,}12$ kPa.

Contoh 6: waktu tunggu linen basah. Pada kasus pembuka, keempat faktor berada di jendela tumbuh mesofil. Dengan model pertumbuhan Bab 1 dan waktu generasi 40 menit, menunggu 8 jam memberi $480/40 = 12$ generasi atau $2^{12} = 4.096$ kali, sedangkan dikeringkan dalam 2 jam memberi $2^{3} = 8$ kali. Selisihnya $4.096/8 = 512$ kali; waktulah faktor yang dapat dikendalikan, bukan semprotan.

Kondisi berhenti

Hentikan pekerjaan dan serahkan keputusan kepada penanggung jawab keamanan pangan, penyelia laundry, tim pencegahan infeksi, atau pengelola bila:

1. Suhu lemari pendingin di luar batas untuk waktu yang tidak diketahui; kelayakan bahan dinilai penanggung jawab keamanan pangan.
2. Ada usulan menyimpan linen, sampah, atau barang nonpangan di ruang pendingin pangan.
3. Linen basah melewati batas waktu tunggu prosedur atau berbau; keputusan cuci ulang ada pada penyelia laundry.
4. Suhu air panas atau dingin di rumah sakit berada di rentang tumbuh Legionella pada titik pakai; laporkan, dan jangan mengubah setelan pemanas di luar wewenang, karena suhu tinggi dan bahaya melepuh diselesaikan bersama seperti di Bab 13 · Bangunan & Fasilitas tentang air panas gedung.
5. Resep pengawetan dengan garam, gula, atau asam akan diubah tanpa validasi.
6. Pekerjaan memerlukan masuk ke perangkap lemak, tangki, atau ruang lain yang mungkin miskin oksigen; ikuti prosedur ruang terbatas di Bab 17.
7. Teknisi diminta membiakkan mikroba atau mengubah media dan inkubasi sendiri.

Salah tafsir yang sering terjadi

Hubungan dengan bab lain

Model pertumbuhan ada di Bab 1 tentang pertumbuhan mikroba, kelompok bakteri di Bab 14 tentang keragaman bakteri, hitungan koloni di Bab 15 tentang menghitung mikroba, dan gas metabolisme di Bab 17 tentang metabolisme mikroba. Penerapannya ada di Bab 9 tentang kapang, Bab 7 tentang suhu pangan, Bab 13 · Bangunan & Fasilitas tentang air panas, Bab 5 tentang biofilm, Bab 14 · Laundry tentang higiene linen, Bab 2 tentang ketahanan mikroba, dan Bab 20 tentang patogen pangan.

Latihan dan pembahasan

Referensi