Kolom Winogradsky
Kolom Winogradsky adalah suatu miniatur ekosistem buatan untuk membiakkan mikroba yang menyerupai kondisi ekologis sebenarnya dengan menyediakan sumber bakteri jangka panjang untuk pengkayaan kultur. Kolom Winogradsky adalah salah satu cara sederhana untuk mempelajari hubungan silang antara dua komponen suatu lingkungan alami di laboratorium.
Kolom Winogradsky merupakan ide seorang ilmuwan Rusia bernama Sergei Winogradsky (1856-1953) dibantu oleh Martinus Beijerinck. Keduanya adalah ilmuwan yang pertama kali mempelajari mikrobiologi lingkungan, di mana saat itu penelitian mengenai mikrobiologi hanya berkisar pada bakteri patogen, dan penelitiannya memberi banyak kontribusi pada pemahaman mikrobiologi lingkungan dan siklus nutrisi, seperti sulfur dan nitrogen..
Kolom ini pertama kali digunakan pada tahun 1880 untuk mengamati mikroorganisme yang hidup di tanah. dengan cara mengamati siklus sulfur, nitrogen, fosfor, ataupun nutrien lain yang umumnya terjadi di antara segmen permukaan yang sifatnya membutuhkan oksigen (aerob) dan di segmen bawah yang bersifat tidak membutuhkan oksigen (anaerob).
Kolom ini juga digunakan sebagai model untuk mempelajari interaksi populasi bakteri pada berbagai komunitas perairan dan sedimen perairan.. Kolom Winogradsky menggambarkan bagaimana mikroorganisme yang berbeda membentuk hubungan interdependen, dimana aktivitas suatu organisme mampu memengaruhi organisme lain untuk tumbuh atau sebaliknya.
Tujuan lain pembuatan kolom Winogradski adalah mengamati perbedaan metabolisme tiap organisme, seperti organisme yang membutuhkan cahaya (fototrof), kimia (kemotrof), dan membuat makanannya sendiri (autotrof), atau mengambil makanan dari organisme lain (heterotrof). Selain itu juga mengamati bagaimana mikroorganisme menggunakan kebutuhan karbon dan mineral berdasarkan toleransi lingkungan, dan perannya dalam siklus materi.
Pada kolom Winogradsky juga dapat diamati mekanisme sintropi, siklus energi dan materi pada suatu ekosistem, yang sifatnya seimbang. Pada mekanisme sintropi, hasil metabolisme mikroorganisme A akan dipakai oleh mikroorganisme B, hasil metabolisme mikroorganisme B akan dipakai oleh mikroorganisme C, dan hasil metabolisme mikroorganisme C akan dipakai oleh mikroorganisme A sehingga tercipta kondisi yang seimbang.
Secara umum, pembuatan kolom Winogradsky dilakukan dengan memadatkan lumpur yang diperoleh dari lingkungan dan kemudian ditambahkan air yang diambil dari lingkungan yang sama. Pengkayaan ("enrichment") dilakukan dengan penambahan:
Penyusunan dalam bentuk kolom memungkinkan terbentuknya kondisi kaya oksigen ("aerob") di permukaan kolom dan kondisi miskin oksigen (mikroaerofil) atau tanpa oksigen (anoksik) di bagian bawah. Bagian permukaan kolom terekspos dengan oksigen, dan semakin ke bagian bawah kolom semakin kekurangan oksigen sampai ke bagian dasar merupakan zona anaerob. Bagian permukaan dan tepi kolom terekspos dengan cahaya sehingga dapat menggambarkan spektrum pertumbuhan organisme dari yang memutuhkan oksigen dan cahaya sampai organisme yang membutuhkan cahaya tetapi tidak membutuhkan oksigen..
Lumpur dan sedimen yang digunakan mengandung substrat senyawa organik karbon, sulfida, dan sulfat. Hal ini yang mengakibatkan perkembangan sejumlah bakteri heterotrof dan fotoautotrof, termasuk bakteri sulfur fotosintetik anaerob. Kolom ini dapat diisi dengan tanah, lumpur, dan air dari berbagai macam lingkungan dan dapat dimodifikasi dengan kultur pengkayaan.
Dalam beberapa minggu akan terdapat pertumbuhan mikroorganisme yang dapat hidup secara anaerob di dalam tanah, seperti metanogen yang menghasilkan gas metana (CH) dan bakteri pereduksi sulfat yang menghasilkan gas hidrogen sulfida (HS). Beberapa bakteri metanogen yang ada antara lain "Methanobacterium", "Methanocaldococcus", dan "Methanosarcina" sedangkan bakteri pereduksi sulfat yang ada antara lain: "Desulfovibrio", "Desulfobacter", dan "Desulfuromonas".
Mikroorganisme berkembang biak dan membentuk zona-zona berbeda. Mikroorganisme aerobik akan berkumpul di permukaan, biasanya alga, cyanobacteria, dan bakteri pengoksidasi sulfur karena adanya oksigen, sedangkan organisme yang butuh kadar oksigen rendah atau tidak butuh sama sekali akan menempati lapisan bawahnya, seperti contohnya bakteri sulfur ungu dan bakteri non-sulfur ungu.
Air yang ada pada bagian kolom yang terkena cahaya matahari terlihat lebih keruh karena adanya pertumbuhan bakteri fotoautotrof yang tumbuh secara aerob seperti "Cyanobacter sp." dan "Chlorobium" dan bakteri pengoksidasi sulfat seperti "Thiobacillus sp." Warna hitam di permukaan tanah dapat terjadi karena hidrogen sulfida (HS) yang bereaksi dengan zat besi (Fe) membentuk endapan.
Adanya pertumbuhan bakteri secara aerob dan anaerob dapat terjadi di dalam kolom Winogradsky karena adanya mekanisme sintropi. Dalam hal ini, hasil metabolisme dari bakteri pereduksi sulfat yang menghasilkan gas HS, digunakan oleh bakteri pengoksidasi sulfat untuk mengoksidasi sulfat. Selain itu, bakteri metanogen yang menghasilkan gas CH dapat digunakan untuk pertumbuhan bakteri metanotrof yang menggunakan CH sebagai sumber karbon untuk menghasilkan gas CO. Secara tidak langsung dapat diketahui bahwa telah terjadi aliran energi dan siklus materi yang seimbang pada kolom Winogradsky sehingga dapat terjadi pertumbuhan yang baik pada bakteri kondisi aerob dan anaerob.
Gas-gas yang terbentuk akan membuat terbentuknya rongga udara pada kolom yang semakin lama akan semakin membesar dan akan mengangkat tanah diatasnya semakin tinggi. Kebalikan dengan oksigen yang semakin ke bawah semakin berkurang, hidrogen sulfida makin bertambah.
Saat kolom tersebut dibuka, akan tercium bau belerang yang disebabkan oleh gas HS dari bakteri-bakteri pereduksi sulfat, contohnya "Desulfovibrio sp." Selain itu juga terbentuk warna kehitam-hitaman di lumpur bagian atas yang disebabkan oleh kegiatan bakteri-bakteri aerob yang menghasilkan ion sulfat (S0) seperti contohnya "Thiobacillus sp." dan "Beggiatoa sp."