APLIKASI BIOLOGI TERAPAN DALAM PENGOLAHAN LIMBAH/ MENGATASI MASALAH LINGKUNGAN (BIOREMIDIASI)APLIKASI BIOLOGI TERAPAN DALAM PENGOLAHAN LIMBAH/ MENGATASI MASALAH LINGKUNGAN (BIOREMIDIASI)

Defenisi

•       Remediasi merupakan tindakan/ upaya yang bertujuan untuk memulihkan kembali suatu lingkungan yang telah tercemar.

•       Bioremediasi didefinisikan sebagai proses penguraian limbah organik/anorganik polutan secara biologi dalam kondisi terkendali dengan tujuan mengontrol atau bahkan mereduksi bahan pencemar dari lingkungan.

PRINSIP BIOREMEDIASI

•       Bioremediasi merupakan proses yang memanfaatkan makhluk hidup terutama mikroorganisme (bakteri dan jamur) sebagai agen bioremediasi.

•       Saat bioremediasi terjadi, enzim-enzim yang diproduksi oleh mikroorganisme memodifikasi polutan beracun dengan mengubah struktur kimia polutan tersebut melalui peristiwa yang disebut biotransformasi.

•       Pada banyak kasus, biotransformasi berujung pada biodegradasi, dimana polutan beracun terdegradasi, strukturnya menjadi tidak kompleks, dan akhirnya menjadi metabolit yang tidak berbahaya dan tidak beracun.

•       Mikroorganisme yang digunakan dapat berupa indigenus mikroorganisme yang berasal dari daerah yang terkontaminasi yang kemudian dikembangkan sebagai biostimulasi atau bioaugmentasi.

Efektifitas bioremidiasi

•       Bioremediasi menjadi efektif jika mikroorganisme melakukan kontak secara enzimatis dengan polutan dan merubahnya menjadi bahan yang tidak berbahaya.

•       Efektifitas bioremediasi tercapai jika kondisi lingkungan mendukung pertumbuhan dan aktivitas mikroba.

PERKEMBANGAN TEKNOLOGI BIOREMEDIASI

•       Saat ini, bioremediasi telah berkembang pada pengolahan limbah buangan yang berbahaya (senyawa-senyawa kimia yang sulit untuk didegradasi), yang biasanya dihubungkan dengan kegiatan industri.

•       Bidang bioremediasi saat ini telah didukung oleh pengetahuan yang lebih baik mengenai bagaimana polutan dapat didegradasi oleh mikroorganisme, identifikasi jenis-jenis mikroba yang baru dan bermanfaat, dan kemampuan untuk meningkatkan bioremediasi melalui teknologi genetik.

•       Banyak aplikasi-aplikasi baru menggunakan mikroorganisme untuk mengurangi polutan yang sedang diujicobakan.

•       Polutan-polutan tersebut antara lain logam-logam berat, petroleum hidrokarbon, dan senyawa-senyawa organik terhalogenasi seperti pestisida, herbisida, dan lain-lain.

•       Teknologi genetik molekular sangat penting untuk mengidentifikasi gen-gen yang mengkode enzim yang terkait pada bioremediasi.

•       Karakterisasi dari gen-gen yang bersangkutan dapat meningkatkan pemahaman tentang bagaimana mikroba-mikroba memodifikasi polutan beracun menjadi tidak berbahaya.

•       Strain atau jenis mikroba rekombinan yang diciptakan di laboratorium dapat lebih efisien dalam mengurangi polutan.

•       Mikroorganisme rekombinan yang diciptakan dan pertama kali dipatenkan adalah bakteri “pemakan minyak”.

•       Akan tetapi, penemuan tersebut belum berhasil dikomersialkan karena strain rekombinan ini hanya dapat mengurai komponen berbahaya dengan jumlah yang terbatas.

•       Strain juga belum mampu mendegradasi komponen-komponen molekular yang lebih berat yang cenderung bertahan di lingkungan.

•       Bakteri ini dapat mengoksidasi senyawa hidrokarbon yang umumnya ditemukan pada minyak bumi.

•       Bakteri tersebut tumbuh lebih cepat jika dibandingkan bakteri-bakteri jenis lain yang alami atau bukan yang diciptakan di laboratorium yang telah diujicobakan. 

Tiga teknologi bioremidiasi

•      Wastewater treatment

•      Groudwater clean-up

•      Turning wastes into energy

Wastewater treatment
(Pengolahan limbah cair)

•      Langkah-langkahnya:

–      Air dari rumah tangga yang masuk ke dalam saluran air dipompa menuju fasilitas pengolahan di mana feses dan produk kertas dibuang ke tanah dan disaring menjadi partikel yang lebih kecil sehingga dihasilkan material berlumpur yang disebut sludge.

–     Sludge dialirkan ke dalam tangki pengolah anaerob yang mengandung bakteri anaerob yang akan mendegradasi sludge.

–     Bakteri ini menghasilkan gas karbon dioksida dan metana.

–     Gas metana yang dihasilkan ini sering dikumpulkan dan digunakan sebagai bahan bakar untuk menjalankan peralatan pada pengolahan sampah dengan menggunakan tanaman.

–     Cacing-cacing kecil yang sering muncul pada sludge, juga membantu menghancurkan sludge menjadi partikel-partikel kecil.

–     Sludge ini kemudian dikeringkan dan dapat digunakan sebagai lahan pertanian atau pupuk.

•      Ilmuwan telah menemukan bakteri yang disebut Candidatus brocadia-anammoxidans yang memiliki kemampuan untuk mendegradasi ammonium pada suasana anaerob (sebagian besar produk yang terdapat dalam urin).

•       Penting sekali untuk menghilangkan amonium dalam limbah cair sebelum air dialirkan ke sungai atau laut karena kadar ammonium yang terlalu tinggi memberikan dampak negatif bagi lingkungan,

Groudwater clean-up

•      Kasus yang biasanya terjadi adalah tumpahan gasolin, dimana tumpahan tersebut mencemari air dalam tanah.

•      Hal ini dapat ditangani dengan mengkombinasikan antara bioremidiasi ex situ (bagian atas permukaan tanah) dan bioremidiasi in-situ (di dalam tanah).

Bioremidiasi ex-situ

•      Bioremediasi Ex-Situ merupakan metode dimana mikroorganisme diaplikasikan pada tanah atau air terkontaminasi yang telah dipindahkan dari tempat asalnya.

•      Minyak dan gas dipompa keluar ke permukaan tanah menggunakan bioreaktor 

•      Di dalam bioreaktor terdapat bakteri yang tumbuh pada biofilm

•      Bakteri ini mendegradasi polutan pupuk

•      Nutrien dan oksigen harus ditambahkan pada bioreaktor

Teknik ex-situ terdiri atas

•      Landfarming

•      Composting

•      Biopiles

•      Bioreactor: dengan menngunakan aquaeous reaktor pada tanah atau air yang terkontaminasi.

Landfarming:

•      Caranya : tanah yang terkontaminasi digali dan dipindahkan ke lahan khusus yang secara periodik diamati sampai polutan terdegradasi.

•      Teknik landfarming tidak memerlukan sistem aerasi dengan blower dan sistem pemipaan.

•      Kebutuhan oksigen dipenuhi melalui udara yang masuk ke pori-pori tanah dan melalui pembalikan atau pengadukan tanah secara berkala

•      Pada teknik ini juga dilakukan penambahan nutrisi-nutrisi, penjagaan kelembaban dan perlakuan-perlakuan lain untuk meningkatkan aktivitas mikroba dalam mendegradasi senyawa-senyawa pencemar.

Composting:

•      teknik pemulihan lingkungan dengan melakukan kombinasi antara tanah terkontaminasi dengan tanah yang mengandung pupuk atau senyawa organik yang dapat meningkatkan populasi mikroorganisme.

Biopiles:

•      merupakan perpaduan antara landfarming dan composting.

•      Dikenal juga dengan istilah biocells, bioheaps, biomounds dan compost pile

Caranya :

•      dengan menumpuk tanah-tanah yang terkontaminasi dan menstimulasi aktivitas mikroba dengan memperhatikan aerasinya, menambahkan nutrisi-nutrisi, menjaga kelembaban dan perlakuan-perlakuan lain untuk meningkatkan aktivitas mikroba dalam mendegradasi senyawa-senyawa pencemar.

Bioreactor:

•      dengan menngunakan aquaeous reaktor pada tanah atau air yang terkontaminasi.

 

RESPIRASI SELULER (AEROB DAN ANAEROB)

RESPIRASI SELULER

Energi dalam tubuh berasal dari hasil fotosintesis tumbuh-tumbuhan. Energi ini ditangkap ke dalam ikatan kimia molekul-molekul karbohidrat, protein, lemak, dan alkohol. Energi yang digunakan oleh sel pada umumnya adalah dalam bentuk Adenosin Trifosfat (ATP). Tiap sel menggunakan ATP untuk keperluan energinya. Energi yang dikeluarkan melalui proses katabolisme sering digunakan lagi dalam reksi berantai untuk membentuk ikatan berenergi tinggi ATP. ATP terutama diperoleh melalui fosforilasi oksidatif. Proses oksidasi senyawa organik untuk mendapat energi dari pemutusan ikatan kimia pada tingkatan sel disebut respirasi seluler. Ada 2 macam respirasi yaitu respirasi aerob dan respirasi anaerob.

RESPIRASI AEROB

Proses repirasi disebut aerob karena dibutuhkan oksigen sebagai akseptor elektron, selain itu disebut respirasi anaerob atau fermentasi. Respirasi aerob terdapat 4 tahap utama yaitu Glikolisis, Dekarboksilasi Oksidatif, Siklus Krebs dan Transpor Elektron.

Glikolisis adalah 10 tahap pertama biokimia yang menghasilkan ATP pada fosforilasi tingakt substrat. Untuk 1 molekul glukosa, 2 ATP digunakan pada 3 tahap pertama dan 4 ATP dihasilkan pada 4 tahap terakhir. Hasil kotor glikolisis yaitu 2 molekul asam piruvat (3C), 2 ATP, 2 NADH dan 2 H₂O. Glikolisis terjadi di sitosol/sitoplasma dan bisa dianggap proses anaerob karena belum menggunakan oksigen

Ringkasan tahapan glikolisis:

1.      Fosforilasi glukosa oleh ATP

2.      Penyusunan kembali struktur glukosa yang terfosforilasi, diikuti oleh fosforilasi kedua.

3.      Molekul glukosa (6C) akhirnya pecah menjadi 2 senyawa 3 karbon berlainan yaitu Glyceraldehyde 3 phosphate (G3P atau PGAL) dan satunya lagi yaitu Dihydroxylacetone phosphate (DHAP). DHAP segera diubah menjadi PGAL oleh enzim isomerase. (Proses perubahan ini mencapai kesetimbangan di dalam tabung reaksi namun hal ini tidak terjadi di dalam tubuh makhluk hidup)

4.       Oksidasi yang diikuti oleh fosforilasi dari fosfat anorganik(bukan dari ATP) menghasilkan 2 NADH dan 2 molekul difosfogliserat (BPG/PGA), masing-masing dengan 1 ikatan fosfat berenergi tinggi.

5.      Pelepasan ikatan berenergi tinggi dengan 2 ADP menghasilkan 2 ATP dan meninggalkan 2 molekul fosfogliserat (PGA)

6.      Pelepasan air menyebabkan 2 molekul fosfoenolpiruvat dengan ikatan fosfat energi tinggi

7.      Pelepasan fosfat energi tinggi oleh 2 ADP menghasilkan 2 ATP dan hasil akhir glikolisis yaitu 2 molekul asam piruvat.

Enzim-enzim dalam proses glikolisis yaitu:

1.      Heksokinase: Fosforilasi glukosa oleh ATP sehingga menghasilkan glukosa 6 fosfat

2.      Fosfoglukoisomerase: Penyusunan molekul glukosa terfosforilasi menjadi fruktosa terfosforilasi(fruktosa 6 fosfat)

3.      Fosfofruktokinase: Fosforilasi fruktosa 6 fosfat oleh ATP sehingga menghasilkan Fruktosa 1,6 Difosfat

4.      Aldolase:Memecah fruktosa 1,6 difosfat menjadi dihidroksilaseton fosfat dan gliseraldehida 3 fosfat

5.      Isomerase:Mengubah semua dihidroksilaseton fosfat menjadi gliseraldehida 3 fosfat

6.      Gliseraldehida 3 fosfat dehidrogenase atau triosa fosfat dehidrogenase: Fosforilasi Gliseraldehida 3 fosfat oleh fosfat anorganik dari sitosol, oksidasi untuk membentuk NADH sehingga menghasilkan 1,3 difosfogliserat

7.      Fosfogliserokinase: Pelepasan gugus fosfat untuk membentuk ATP sehingga menghasilkan 3 fosfogliserat

8.      Fosfogliseromutase: Merubah 3 fosfogliserat menjadi 2 fosfogliserat

9.      Enolase Menghasilkan air sehingga terbentuk fosfoenolpiruvat

10.  Piruvat kinase Pelepasan gugus fosfat untuk membentuk ATP sehingga hasil akhir berupa asam piruvat

Dekarboksilasi oksidatif adalah tahap kedua dimana 2 molekul asam piruvat yang dihasilkan dari 1 molekul glukosa dirubah menjadi senyawa berkarbon 2 yaitu asetil CoA (asetil koenzim A) dengan melepaskan 2 CO₂ dan 2 NADH. Dekarboksilasi oksidatif terjadi di dalam membran luar mitokondria. Enzim yang berperan adalah CoA dan piruvat dehirogenase yang berfungsi mereduksi piruvat sehingga melepaskan CO₂ dan NADH serta berikatan dengan piruvat tereduksi (asetil) untuk dibawa ke mitokondria.

Siklus Krebs adalah tahap ketiga dengan 9 reaksi dimana gugus asetil dari piruvat dioksidasi sehingga menghasilkan NADH, FADH, ATP dan CO₂. Siklus ini dinamakan siklus Krebs karena ditemukan oleh Hans Krebs. Siklus Krebs bisa disbut juga siklus asam sitrat karena senyawa yang pertama kali terbentuk adalah asam sitrat. Siklus Krebs terjadi di matriks mitokondria dan ringkasan tahapannya sebagai berikut:

1.      Asetil CoA ditambah Oksaloasetat menghasilkan molekul sitrat yang berkarbon 6.

2.      Penyusunan kembali molekul sitrat dan dekarboksilasi. 5 reaksi berikutnya menyederhanakan sitrat ke molekul 5 karbon dan kemudian ke molekul 4 karbon yaitu suksinat. Selama reaksi ini berlangsung, dihasilkan 2 NADH dan 1 ATP.

3.      Regenerasi oksaloasetat. Suksinat melewati 3 reaksi tambahan untuk menjadi oksaloasetat. Selama proses ini, dihasilkan 1 NADH dan 2 FADH.

Enzim-enzim yang digunakan:

1.      Sitrat sintetase: Membentuk sitrat dari oksaloasetat dan asetil CoA. Kerja enzim ini irreversible dan terhambat saat konsentrasi ATP tinggi dan dipicu ketika konsentrasi ATP rendah

2.      Akonitase: Penyusunan kembali molekul sitrat dengan memindahkan gugus H dan OH pada karbon berlainan, membentuk isositrat

3.      Isositrat dehidrogenase: Mengoksidasi isositrat sehingga dihasilkan NADH dan CO₂, sehingga isositrat berubah menjadi molekul 5 karbon, α ketoglutarat

4.      α ketoglutarat dehidrogenase: Mengoksidasi α ketoglutarat membentuk gugus suksinil yang bersatu dengan Coa sehingga terbentuk suksinil CoA

5.      Suksinil KoA sintetase: Pelepasan ikatan antara gugus suksinil dan KoA untuk dijadikan ATP sehingga molekul tersisa menjadi Suksinat

6.      Suksinat dehidrogenase: Mengoksidasi suksinat menjadi fumarat dan menghasilkan FADH

7.      Fumarase: Menambahkan air ke fumarat untuk membentuk malat

8.      Malat dehidrogenase: Mengoksidasi malat dan melepaskan NADH sehingga terbentuk kembali oksaloasetat

Rantai transport elektron adalah proses terakhir untuk mengahsilkan ATP, H₂O yang terjadi di membran dalam/krista mitokondria. Pada tahap ini, elektron yang dibawa oleh NADH ditransfer ke berbagai pembawa elektron supaya energinya bisa digunakan untuk memompa proton. Gradien proton yang dibuat oleh transpor elektron digunakan oleh enzim ATP sintase untuk menghasilkan ATP. Proses pemompaan proton untuk menghasilkan ATP juga disebut kemiosmosis.

Enzim-enzim yang terlibat anatara lain NADH dehidrogenase (melepaskan ion H dari NAD dan mengoper elektron ke ubiquinon), ubiquinon (mengoper elektron ke komplek protein sitrokrom), kompleks bc1 (memompa proton dan mengoper elektron ke sitrokrom c), sitokrom c (mereduksi oksigen dengan 4 elektron membentuk air), ATP sintase (memompa proton untuk menghasilkan ATP).

Hasil akhir respirasi seluler:

1.      Glikolisis, hasil 2 ATP, 2 piruvat, 2 NADH, 2 H₂O

2.      Dekarboksilasi oksidatif, hasil 2 NADH, 2 CO₂

3.      Siklus Krebs, hasil 6 HADH, 2 FADH, 4 CO₂, 2 ATP

4.      Transpor elektron, hasil 34 ATP, H₂O.

Jumlah bersih ATP : 38 ATP(36 ATP karena 2 ATP dipakai untuk memasukkan NADH ke mitokondria, 30 ATP karena membran mitokondria agak bocor sehingga proton bisa lewat tanpa melalui ATP sintase dan mitokondria terkadang memakai gradien proton untuk keperluan lain seperti memasukkan piruvat ke matriks daripada sintesis ATP).

RESPIRASI ANAEROB

Jika tak ada oksigen, sel tidak memliki akseptor elektron alternatif untuk memproduksi ATP, sehingga terpaksa elektron yang didapatkan dari glikolisis diangkut oleh senyawa organik, proses ini disebut fermentasi. Fermentasi alkohol dilakukan oleh ragi dengan cara melepaskan gugus CO₂ dari piruvat melalui dekarboksilasi dan menghasilkan molekul 2 karbon, asetaldehida. Asetaldehida kemudia menerima elektron dari NADH sehingga berubah menjadi etanol. Fermentasi alkohol dilakukan oleh tumbuhan.

Fermentasi asam laktat dilakukan oleh sel hewan dengan cara mentransfer elektron dari NADH kembali ke piruvat sehingga dihasilkan asam laktat.

Sumber :

Lakitan, Benyamin. 1993. Dasar-Dasar Fisiologi Tumbuhan. PT RajaGrafindo Persada:             Jakarta

Poedjiadi, anna, Supriyanti, F.M. Titin. 1994. Biokimia. Universitas Indonesia: Jakarta

Almatsier, Sunita. 2001. Prinsip dasar Ilmu Gizi. PT Gramedia Pustaka Utama: Jakarta

http:/ninuk91.student.umm.ac.id/