EFEKTIVITAS BAKTERI PENDEGRADASI HIDROKARBON MINYAK
BERAT YANG DIISOLASI DARI EKOSISTEM AIR HITAM
TANJUNG JABUNG TIMUR, JAMBI
RICKY TRINANDA
SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR
PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN
SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA*
Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis berjudul Efektivitas Bakteri Pendegradasi Hidrokarbon Minyak Berat yang Diisolasi dari Ekosistem Air Hitam Tanjung Jabung Timur, Jambi adalah benar karya saya dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir tesis ini.
Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut Pertanian Bogor.
Bogor, Desember 2015
Ricky Trinanda
RINGKASAN
RICKY TRINANDA. Efektivitas Bakteri Pendegradasi Hidrokarbon Minyak Berat yang Diisolasi dari Ekosistem Air Hitam Tanjung Jabung Timur, Jambi. Dibimbing oleh DWI ANDREAS SANTOSA dan UNTUNG SUDADI.
Minyak bumi sampai saat ini masih merupakan sumber energi utama untuk berbagai kebutuhan manusia dan posisinya belum bisa tergantikan oleh sumber energi lain. Minyak bumi konvensional yang banyak diolah sebagai bahan bakar dan bahan baku berbagai produk merupakan golongan minyak ringan dan minyak medium. Saat ini, kedua jenis minyak bumi tersebut mulai mengalami penurunan produksi karena cadangannya di alam semakin menipis. Oleh karena itu, sebagai pengganti minyak bumi konvensional saat ini mulai dilakukan pengolahan minyak berat yang merupakan salah satu future relevant hydrocarbon source. Cadangan alami minyak berat cukup besar, yaitu sedikitnya seperempat dari total cadangan minyak bumi di dunia. Keadaan tersebut menyebabkan industri pertambangan minyak berat meningkat meliputi kegiatan eksplorasi, eksploitasi, pengolahan dan transportasi. Selain memberikan dampak positif yaitu terpenuhinya kebutuhan minyak bumi, hal tersebut juga menyebabkan dampak negatif yaitu meningkatnya kecenderungan terjadinya kasus pencemaran lingkungan.
Minyak berat sulit didegradasi karena dicirikan oleh sifat tidak mudah mengalir akibat densitas, viskositas dan titik didih yang tinggi serta mengandung banyak senyawa resin dan aspal. Pencemaran yang disebabkan minyak berat akan menurunkan kualitas, fungsi dan estetika lingkungan terrestrial dan akuatik sehingga keseimbangan ekologis terganggu. Salah satu metode yang dianggap aman, ramah lingkungan, efektif, dan efisien untuk menanggulangi permasalahan tersebut adalah bioremediasi. Bioremediasi merupakan metode pemulihan lingkungan tercemar dengan memanfaatkan mahluk hidup sebagai agen biologis yang mampu menghilangkan, mengurangi, dan mengubah polutan sehingga tidak berbahaya bagi lingkungan dan komponen di dalamnya. Mahluk hidup yang paling efisien untuk digunakan sebagai agen bioremediasi adalah bakteri. Bakteri pendegradasi minyak berat secara efisien mampu memanfaatkan karbon dari minyak berat sebagai sumber energi untuk aktivitas metabolisme kemudian mengubahnya menjadi senyawa-senyawa yang lebih aman terhadap lingkungan seperti CO2, H2O dan biomassa.
Studi ini mengelaborasi hasil penelitian eksploratif di EAH Kabupaten Tanjung Jabung Timur, Jambi dan penelitian eksperimental di laboratorium dengan dua tujuan. Tujuan pertama untuk mengisolasi dan mengkarakterisasi bakteri yang berpotensi sebagai pendegradasi minyak berat dan tujuan kedua menguji efektivitas isolat bakteri terpilih dalam biodegradasi minyak berat pada media cair dan padat.
Dari isolasi 150 sampel sedimen asal EAH Tanjung Jabung Timur, Jambi berhasil diperoleh 10 isolat tunggal bakteri potensial pendegradasi minyak berat. Dari seleksi lebih lanjut diperoleh 3 isolat tunggal dengan kode MND2-29B, MSB1-25A, dan MSB1-25E yang memiliki kapasitas paling tinggi dalam mendegradasi minyak berat dan bukan patogen bagi hewan dan tumbuhan.
Berdasarkan karakterisasi morfologi dan biokimia, ketiga isolat bakteri tersebut merupakan bakteri Gram positif, katalase positif dan mampu memfermentasikan sukrosa. Karakterisasi secara molekular berdasarkan sekuen gen 16S rRNA menunjukkan bahwa isolat MND2-29B dengan nomor aksesi LN907823 dan MSB1-25A dengan nomor aksesi LN907824 masing-masing memiliki tingkat homologi 96.8% dan 95.0% dengan Rhodococcus equi BS26, sedangkan bakteri MSB1-25E dengan nomor aksesi LN907825 memiliki tingkat homologi 98.0% dengan Bacillus sp. SGE39. Berdasarkan tingkat homologi tersebut bakteri MND2-29B dan MSB1-25A diduga merupakan genus baru, sedangkan MSB1-25E merupakan spesies baru dari genus Bacillus.
Hasil pengujian efektivitas ketiga isolat bakteri dalam biodegradasi minyak berat pada media minimal dengan penambahan surfaktan sebagai media cair dan tanah sebagai media padat diketahui bahwa kultur campuran isolat bakteri MSB1-25A dan MSB1-25E paling efektif dalam menurunkan kadar TPH (b/b) pada media cair dari 20% menjadi 12.16% dalam waktu 15 hari dan pada media padat dari TPH 10% menjadi 0.5% dalam waktu 8 minggu. Proses bioremediasi pada percobaan ini berlangsung pada kondisi pH rendah dan nutrisi minimal, sehingga pemanfaatan bakteri dari EAH Tanjung Jabung Timur, Jambi sebagai agen biologis sangat berpotensi untuk dikembangkan sebagai teknologi bioremediasi minyak berat yang efektif dan efisien.
Kata Kunci : Bacillus, bioremediasi, ekosistem air hitam, Jambi, minyak berat,
SUMMARY
RICKY TRINANDA. Effectiveness of Heavy Oil Degrading Bacteria Isolated from Black Water Ecosystem of East Tanjung Jabung, Jambi. Supervised by DWI ANDREAS SANTOSA and UNTUNG SUDADI.
Petroleum is still the main energy source for a variety of human needs that can not be replaced by other energy sources. Conventional petroleum commonly used as fuels and raw materials of various products belongs to the light and medium oils. Production of both oil types is now starting to experience a decline due to dwindling of their reserves in nature. Therefore, as replacement for this conventional petroleum, it is now begun the era to process heavy oil which is considered as one of the relevant futures hydrocarbon sources. Its natural reserves are large enough, at least one-quarter of the total oil reserves in the world. This situation will inevitably increase heavy oil mining industry including exploration, exploitation, processing and transportation activities. Apart from providing a positive impact in term of fulfilling needs for petroleum, increase in heavy oil mining industry will in turn increase trend of environmental contamination cases.
Heavy oil is very difficult to degrade owing to the characteristics of low flow rate, high density, viscosity, and boiling point, as well as containing various resin and asphalt substances. Environmental pollution caused by heavy oil reduces the quality, functionality and aesthetics of the terrestrial and aquatic environments which in turns disrupts the ecological balance. A method that is considered safe, environmentally friendly, effective, and efficient to overcome this problem is bioremediation. Bioremediation is a method to recover polluted environment by utilizing organisms as biological agents capable for removing, reducing, and converting pollutants to become harmless to the environment and the components therein. Bacteria are the most efficient organism utilized as bioremediation agent. Heavy oil degrading bacteria are efficiently capable to utilize heavy oil carbon as energy source for metabolic activities which then convert it into safer compounds for the environment such as CO2, H2O and biomass.
Heavy oil degrading bacteria can be isolated from Black Water Ecosystem (BWE). BWE is one of the unique natural environments in Indonesia that can be found among others in Sumatera and Kalimantan islands. This environment is mostly influenced by river, swamp, and lake systems characterized by black, odorless, and organic matter-rich water in peat swamp forested lands formed under natural condition and processes that lasted thousands of years. BWE is an extreme environment to support life because it is thought to contain a variety of toxic compounds generated from the imperfect decomposition process of organic matter. It is characterized by water and sediment with low pH so that adaptive bacteria therein are predicted to have potential to be utilized in biotechnology, especially bioremediation.
From the isolation of 150 sediment samples of the BWE of East Tanjung Jabung, Jambi it was successfully obtained 10 single isolates of bacteria with potential to degrade heavy oil. Further selection obtained 3 single isolates encoded MND2-29B, MSB1-25A, and MSB1-25E which had the highest capacity to degrade heavy oil and proven to be non-pathogenic for plant and animal.
The results of morphological and biochemical characterization showed that these three bacteria isolates were Gram positive, catalase positive, and enable to ferment sucrose. Molecular characterization based on 16S rRNA gene sequence revealed that isolate MND2-29B with accession number of LN907823 and MSB1-25A with accession number of LN907824 had similarity of respectively 96.8% and 95.0% to Rhodococcus equi BS26, while isolate MSB1-25E with accession number of LN907825 had 98.0% similarity to Bacillus sp. SGE39. Based on these homology levels, bacteria MND2-29B and MSB1-25A were most probably a new genus in the bacterial Kingdom, while MSB1-25E was proposed as a new member in the genus of Bacillus.
The results of effectiveness test of the three bacteria isolates to degrade heavy oil in minimal medium with addition of surfactant as liquid medium and in soil as solid medium revealed that the mixed culture of bacteria isolates of MSB1-25E and MSB1-25A was the most effective in decreasing TPH concentration (w/w) in liquid medium from 20% to 12.16% within 15 days and in solid medium from 10% to 0.5% within eight weeks. Bioremediation process in this experiment occurred at low pH condition and minimum nutrition; thereby utilization of these bacteria as biological agents would be very potential to be developed as an effective and efficient bioremediation technology of heavy oil.
Keywords: Bacillus, bioremediation, black water ecosystem, Jambi, heavy oil,
© Hak Cipta Milik IPB, Tahun 2015
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 IPB
Tesis
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister Sains
pada
Program Studi Bioteknologi Tanah dan Lingkungan
EFEKTIVITAS BAKTERI PENDEGRADASI HIDROKARBON MINYAK
BERAT YANG DIISOLASI DARI EKOSISTEM AIR HITAM
TANJUNG JABUNG TIMUR, JAMBI
SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR 2015
PRAKATA
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT atas segala karunia-Nya sehingga karya ilmiah ini berhasil diselesaikan. Penelitian ini dilaksanakan sejak bulan Juli 2014 sampai April 2015 dengan judul “Efektivitas Bakteri Pendegradasi Hidrokarbon Minyak Berat yang Diisolasi dari Ekosistem Air Hitam Tanjung Jabung Timur, Jambi”.
Terima kasih penulis ucapkan kepada Bapak Prof Dr Ir Dwi Andreas Santosa, MS dan Bapak Dr Ir Untung Sudadi, MSc selaku Komisi Pembimbing. Terima kasih juga penulis sampaikan kepada Indonesian Center for Biodiversity and Biotechnology (ICBB) beserta laboran dan staf yang telah memberikan bantuan dan fasilitas selama penulis melakukan penelitian. Di samping itu, penghargaan penulis sampaikan kepada Muhammad Ramadhan Audirizki yang telah membantu selama kegiatan sampling di lapang, Lukman Amir yang membantu selama kegiatan penelitian di laboratorium, rekan-rekan di Program Studi Bioteknologi Tanah dan Lingkungan IPB, dan rekan-rekan Ikatan Mahasiswa Bumi Sriwijaya (IKAMUSI) Pascasarjana IPB. Ungkapan terima kasih juga disampaikan kepada ayah, ibu, serta seluruh keluarga, atas segala doa dan kasih sayangnya.
Semoga karya ilmiah ini bermanfaat.
Bogor, Desember 2015
DAFTAR ISI
Karakteristik Minyak Bumi 4
Definisi Minyak Berat 5
Lingkungan Terkontaminasi Minyak Bumi 6
Biodegradasi dan Bioremediasi 7
Mikrob Pendegradasi Hidrokarbon Minyak Bumi 9
Ekosistem Air Hitam Tanjung Jabung Timur, Jambi 10
3 ISOLASI DAN KARAKTERISASI BAKTERI PENDEGRADASI MINYAK BERAT YANG DIISOLASI DARI EKOSISTEM AIR HITAM DI TANJUNG JABUNG TIMUR, JAMBI
Abstrak 12
Pendahuluan 12
Metodologi 13
Waktu dan tempat 13
Sampling dan isolasi bakteri 13
Uji patogenesitas 14
Identifikasi molekuler isolat bakteri berdasarkan sekuen gen 16S rRNA 14
Karakterisasi morfologi dan biokimia 15
Hasil dan Pembahasan 15
Isolasi, seleksi dan pemurnian konsorsium bakteri 15 Identifikasi molekuler isolat bakteri berdasarkan sekuen gen 16S rRNA 16 Perbandingan karakter morfologi dan biokimia isolat terhadap kerabat
terdekat 17
Analisis filogenetik 18
Simpulan 19
4 EFEKTIVITAS BAKTERI YANG DIISOLASI DARI EKOSISTEM AIR HITAM TANJUNG JABUNG TIMUR, JAMBI UNTUK
BIODEGRADASI MINYAK BERAT PADA MEDIA CAIR DAN PADAT
Abstrak 20
Pendahuluan 20
Metodologi 21
Waktu dan tempat 21
Bahan 22
Penentuan kurva standar dan kurva pertumbuhan bakteri 22 Uji efektivitas bakteri dalam biodegradasi minyak berat pada
media minimal cair dengan penambahan surfaktan dan media tanah 23
Analisis data 23
Hasil dan Pembahasan 23
Identifikasi dan uji kompatibilitas bakteri 23
Kurva standard dan kurva pertumbuhan bakteri 23
Efektivitas bakteri dalam biodegradasi minyak berat pada media
minimal cair dengan penambahan surfaktan 25
Efektivitas bakteri dalam biodegradasi minyak berat pada media tanah 25
Evolusi pH selama waktu inkubasi 26
Produksi CO2 tanah selama waktu inkubasi 27
Simpulan 28
5 PEMBAHASAN UMUM 29
6 SIMPULAN DAN SARAN 33
DAFTAR PUSTAKA 34
LAMPIRAN 40
RIWAYAT PENULIS 58
DAFTAR TABEL
1. Seleksi isolat tunggal bakteri yang diisolasi dari EAH
Tanjung Jabung Timur, Jambi 16
2. Hasil identifikasi berdasarkan sekuen gen 16S rRNA tiga bakteri
terpilih pendegradasi minyak berat serta spesies padanan 17 3. Karakteristik morfologi dan biokimia tiga isolat bakteri terpilih 18 4. Efektivitas bakteri terhadap TPH, pH dan OD610 pada media minimal
cair dengan penambahan surfaktan selama 15 hari inkubasi 25 5. Efektivitas bakteri terhadap penurunan kadar TPH pada tanah
tercemar minyak berat selama 8 minggu inkubasi 26
DAFTAR GAMBAR
1. Jalur oksidasi monoterminal pada proses katabolisme hidrokarbon
dalam sel mikrob 8
2. Amplifikasi PCR berdasarkan urutan gen 16S rRNA 17 3. Analisis filogenetik bakteri pendegradasi hidrokarbon minyak berat
berdasarkan sekuen gen 16S rRNA dengan metode Maximum Likelihood 19 4. Kurva standar bakteri pendegradasi minyak berat 24 5. Kurva pertumbuhan bakteri selama 48 jam waktu inkubasi 24 6. Evolusi pH tanah selama 8 minggu waktu inkubasi. 26
DAFTAR LAMPIRAN
1. Area pengambilan sampel sedimen di Ekosistem Air Hitam
Tanjung Jabung Timur, Jambi 41
2. Keterangan lokasi dan sampel sedimen Ekosistem Air Hitam
Tanjung Jabung Timur, Jambi 42
3. Hasil analisis sifat kimia dan fisik sedimen asal Ekosistem Air
Hitam Tanjung Jabung Timur, Jambi dan tanah uji bioremediasi 42 4. Hasil isolasi bakteri pendegradasi hidrokarbon minyak berat
berdasarkan perubahan minyak pada media minimal cair 43
5. Komposisi dan dosis media tumbuh 44
6. Hasil pengukuran kurva pertumbuhan bakteri 44
7. Rata-rata hasil pengukuran TPH (%) selama 8 minggu inkubasi 46 8. Rata-rata hasil pengukuran pH selama 8 minggu inkubasi 46 9. Rata-rata hasil pengukuran CO2 (mg/kg/hari) selama 8 minggu inkubasi 47 10. Hasil analisis ragam efektivitas bakteri dalam biodegradasi minyak
berat pada media minimal cair dengan penambahan surfaktan
selama 15 hari inkubasi 47
11. Hasil analisis ragam efektivitas bakteri dalam biodegradasi minyak berat
1 PENDAHULUAN Latar Belakang
Minyak bumi merupakan sumber energi utama bagi kehidupan manusia di dunia. Selain sebagai sumber energi, minyak bumi juga merupakan bahan baku untuk berbagai kegiatan seperti industri minyak pelumas mesin, pelarut, plastik, fiber, deterjen, farmasi dan kosmetik (Bartha dan Bossert 1984). Meningkatnya kebutuhan manusia akan minyak bumi menyebabkan konsumsi minyak dunia meningkat dari 88.3 juta barel perhari pada tahun 2010 menjadi 91.2 juta barel perhari pada tahun 2013 (IEA 2014). Berdasarkan skenario dasar International Energy Agency (IEA) permintaan dunia untuk sumber energi primer yaitu minyak bumi meningkat 20% pada tahun 2010 dan 66% pada 2030 (Saniere et al. 2004). Keadaan tersebut menyebabkan cadangan minyak bumi ringan dan medium yang merupakan minyak bumi konvensional menipis di seluruh dunia dan eksploitasi minyak berat sebagai sumber hidrokarbon yang paling relevan meningkat untuk menutupi peningkatan kebutuhan dunia (Saniere et al. 2004). Kandungan minyak berat adalah sebesar 25% dari cadangan minyak dunia dan merupakan porsi yang besar dari total cadangan hidrokarbon yang diketahui (Muraza dan Galadima 2015).
Minyak berat diketahui memiliki kandungan senyawa organik berat seperti resin dan aspalten serta memiliki paling sedikit 60 atom karbon (Huang et al. 2005; Hao dan Lu 2009; Muraza dan Galadima 2015). Karakteristik tersebut menyebabkan minyak berat memiliki densitas, viskositas dan titik didih (boiling point) yang tinggi. Berdasarkan sifat densitasnya, U.S. Department of Energy mendefinisikan minyak berat dengan nilai API gravity antara 10o – 22.3o (Nehring et al. 1983). API (American Petroleum Institute) gravity adalah derajat nilai yang menunjukkan klasifikasi minyak bumi berdasarkan densitas, semakin tinggi densitas maka derajat API gravity akan semakin rendah (Conaway 1999).
Dengan potensi yang dimiliki minyak berat sebagai pengganti minyak bumi konvensional, maka produksi minyak berat yang meliputi kegiatan eksplorasi, eksploitasi, pengolahan dan transportasi akan semakin meningkat. Keadaan tersebut memberikan dampak positif yaitu permasalahan terkait sumber energi teratasi. Akan tetapi, keadaan tersebut akan menyebabkan kecenderungan pencemaran lingkungan semakin meningkat, baik di lingkungan terestrial maupun akuatik yang dapat berasal dari kegiatan dan sisa pembersihan tangki penampungan, kebocoran pipa dan tumpahan selama proses transportasi (Ebuehi et al. 2005). Karakteristik fisika dan kimia yang dimiliki menyebabkan minyak berat sulit untuk didegradasi sehingga sangat berpotensi menurunkan kualitas, fungsi dan estetika lingkungan yang tercemar dan pada akhirnya keseimbangan ekologis menjadi terganggu.
terkontaminasi dan meningkatkan kinerjanya melalui suplai nutrisi secara optimal untuk keperluan metabolisme. Oleh karena itu, perlu dilakukan investigasi untuk menambahkan mikrob non-native pada lokasi yang terkontaminasi untuk mendegradasi kontaminan (Das dan Dash 2014).
Berdasarkan ketersedian hidrokarbon secara universal di alam sebagai hasil dekomposisi tumbuhan dan pelepasan minyak bumi secara alamiah melalui rekahan geologi maka bakteri yang berpotensi untuk digunakan sebagai agen bioremediasi lingkungan tercemar minyak bumi dapat diisolasi dari berbagai jenis lingkungan, tidak hanya lingkungan yang telah terkontaminasi minyak bumi yang berasal dari aktivitas industri (Pritchard 1993). Salah satu ekosistem unik yang dimiliki Indonesia dengan beranekaragam mikrob di dalamnya yang memiliki potensi sangat besar untuk dikembangkan dalam industri bioteknologi lingkungan khususnya bioremediasi adalah Ekosistem Air Hitam (EAH) (Santosa et al. 2000). EAH merupakan ekosistem perairan meliputi sungai, danau dan rawa yang memiliki warna air hitam, tidak berbau, terbentuk melalui proses alamiah yang berlangsung selama ribuan tahun, kaya akan bahan organik dan dipengaruhi oleh lahan gambut.
EAH antara lain terdapat di Kalimantan Tengah dan Jambi. Penelitian terkait keanekaragaman dan potensi mikrob di EAH di Kalimantan Tengah telah dilakukan sebelumnya antara lain isolasi Streptomyces penghasil xylanase (Zulfarina 1999), bakteri perombak minyak solar dan minyak bumi (Saidi 1999), bakteri perombak fenol (Djamsari 2000), bakteri penghasil selulase ekstremofilik (Fikrinda 2000), bakteri asidofilik pengoksidasi besi dan sulfur (Nurseha 2000), Actinomycetes yang mampu menghambat Staphylococcus aureus dan E. coli KCCM 11823 (Indriasari 2000), bakteri
penghasil α-lactam (Neneng 2000) dan konsorsium bakteri perombak hidrokarbon minyak bumi (Listiyawati 2004). Oleh karena, karakteristik EAH di kedua area tersebut berbeda maka perlu dilakukan eksplorasi bakteri di EAH Jambi tepatnya di Tanjung Jabung Timur serta pemanfaatannya khususnya untuk biodegradasi minyak berat. Penelitian eksploratif ini meliputi isolasi, karakterisasi dan pengujian efektivitas bakteri dalam mendegradasi minyak berat pada media cair dan padat
Perumusan Masalah
Minyak berat memiliki karakteristik fisik dan kimia spesifik yang menyebabkannya sulit didegradasi sehingga pencemaran yang disebabkan tumpahan atau ceceran minyak berat di lingkungan terrestrial dan akuatik akan mengganggu keseimbangan ekologis di lingkungan tersebut. Pendekatan secara biologis yaitu bioremediasi merupakan metode yang paling tepat untuk menangani permasalahan lingkungan terkait pencemaran yang disebabkan minyak berat. Oleh karena itu perlu dilakukan eksplorasi bakteri yang memiliki potensi dan kapasitas dalam mendegradasi minyak berat sehingga pada akhirnya dapat digunakan sebagai agen bioremediasi. EAH di Tanjung Jabung Timur, Jambi merupakan lingkungan yang tepat untuk dieksplorasi karena diduga memiliki kandungan mikrob unik yang dapat dikembangkan untuk kegiatan bioremediasi.
Berdasarkan uraian di atas dapat dirumuskan permasalahannya sebagai berikut: 1. Bagaimana karakteristik bakteri yang mampu mendegradasi minyak berat dari EAH
di Tanjung Jabung Timur, Jambi?
Tujuan Penelitian Tujuan Umum
Secara umum tujuan penelitian ini adalah:
1. Melakukan isolasi bakteri dari EAH Tanjung Jabung Timur, Jambi yang berpotensi untuk digunakan dalam biodegradasi minyak berat.
2. Melakukan uji efektivitas bakteri terpilih dari EAH Tanjung Jabung Timur, Jambi untuk biodegradasi minyak berat.
Tujuan Khusus
Tujuan khusus dari penelitian ini adalah:
1. Mengisolasi dan mengidentifikasi secara molekuler serta mengkarakterisasi morfologi dan biokimia bakteri pendegradasi minyak berat dari EAH Tanjung Jabung Timur, Jambi.
2. Melakukan uji efektivitas bakteri yang diisolasi dari EAH Tanjung Jabung Timur, Jambi untuk biodegradasi minyak berat pada media cair dan padat.
Manfaat Penelitian
Melalui penelitian ini diharapkan diperoleh bakteri yang mampu mendegradasi minyak berat dan mengetahui metode pengembangannya sebagai agen bioremediasi untuk tahap aplikasi serta memperkaya pengetahuan akan keanekaragaman hayati yang bermanfaat untuk menanggulangi pencemaran lingkungan.
Struktur Tesis
Tesis ini terdiri atas enam bab. Setelah Bab 1 Pendahuluan dan Bab 2 Tinjauan Pustaka, pada Bab 3 dan 4 disajikan hasil penelitian dalam bentuk paper. Paper pertama pada Bab 3 telah diajukan untuk dipublikasikan pada Journal of Biotropia dengan judul
2 TINJAUAN PUSTAKA Karakteristik Minyak Bumi
Minyak bumi merupakan suatu senyawa organik yang berasal dari sisa sisa organisme tumbuhan dan hewan yang tertimbun selama berjuta-juta tahun. Umumnya minyak bumi berupa cairan dan gas yang tepat disebut sebagai minyak mentah dan gas alam. Beberapa komponen yang menyusun minyak bumi diketahui bersifat racun terhadap mahluk hidup, tergantung dari struktur dan berat molekulnya. Komponen hidrokarbon jenuh yang mempunyai titik didih rendah diketahui dapat menyebabkan anastesi dan narkosis pada berbagai hewan tingkat rendah, dan bila terdapat pada konsentrasi tinggi dapat menyebabkan kematian (Fitriana 1999).
Minyak bumi kasar (baru keluar dari sumur eksplorasi) mengandung ribuan macam zat kimia baik dalam bentuk gas, cair maupun padatan. Bahan utama yang terkandung di dalam minyak bumi adalah hidrokarbon alifatik dan aromatik. Minyak bumi mengandung senyawa nitrogen antara 0 - 0.5%, belerang 0 – 6%, dan oksigen 0 - 3.5%. Terdapat sedikitnya empat seri hidrokarbon yang terkandung di dalam minyak bumi, yaitu seri n-parafin (n-alkana) yang terdiri atas metana (CH4) sampai aspal yang memiliki atom karbon (C) lebih dari 25 pada rantainya, seri iso-parafin (isoalkana) yang terdapat hanya sedikit dalam minyak bumi, seri neptana (sikloalkana) yang merupakan komponen kedua terbanyak setelah n-alkana, dan seri aromatik (benzenoid).
Sifat Fisik Minyak Bumi 1. Bobot jenis
Bobot jenis (specific gravity) adalah sifat fisik minyak bumi yang penting dan mempunyai nilai dalam perdagangan. Bobot jenis minyak bumi dinyatakan dalam derajat API (American Petroleum Institute) atau API gravity yang menunjukkan kualitas minyak bumi tersebut. Semakin kecil bobot jenisnya atau semakin tinggi derajat API maka minyak bumi itu memiliki nilai jual tinggi karena banyak mengandung bensin. Bobot jenis minyak bumi tergantung pada suhu dimana semakin tinggi suhu maka semakin rendah bobot jenisnya.
2. Titik didih
Titik didih (boiling point) minyak bumi berbeda-beda sesuai dengan derajat API-nya. Jika derajat API rendah maka titik didihnya tinggi karena minyak bumi tersebut banyak mengandung fraksi berat. Jika derajat API tinggi maka titik didihnya rendah dan lebih banyak mengandung fraksi ringan (bensin). Titik didih mempunyai arti penting untuk transportasi minyak bumi sehingga proses pembekuan dapat dicegah. 3. Titik nyala
Titik nyala (flash point) adalah suhu dimana minyak bumi dapat terbakar karena suatu percikan api. Semakin tinggi derajat API maka titik didih dan titik nyalanya semakin rendah sehingga mudah terbakar karena percikan api. Titik nyala mempunyai arti sangat penting karena semakin rendah akan semakin berbahaya. 4. Nilai Kalori
Sifat Kimia Minyak Bumi
Minyak bumi tersusun dari senyawa hidrokarbon (> 90%) dan senyawa bukan hidrokarbon (Udiharto 1996). Berdasarkan struktur molekulnya persenyawaan hidrokarbon digolongkan atas 4 jenis, yaitu paraffin, olefin, naftalen dan aromatik (Kontawa 1993). Senyawa non-hidrokarbon minyak bumi disusun oleh senyawa organik yang mengandung belerang, nitrogen, oksigen dan logam organik yang konsentrasi dalam minyak fraksi berat dan residu (Udiharto 1996).
Menurut Kadarwati et al. (1994) hidrokarbon parafinik dan alifatik adalah senyawa hidrokarbon yang mempunyai rantai karbon dengan ikatan jenuh dan terbuka. Hidrokarbon neptana atau sikloparafin adalah senyawa hidrokarbon dengan ikatan jenuh yang mempunyai rantai tertutup dan berbentuk cincin atau lingkar. Hidrokarbon aromatik merupakan senyawa hidrokarbon dengan molekul berbentuk cincin yang terdiri atas 6 atom karbon dengan ikatan rangkap bergantian.
Suatu persenyawaan hidrokarbon berbeda dari persenyawaan hidrokarbon lainnya karena perbedaan perbandingan bobot unsur-unsur karbon dan hidrokarbon yang terdapat di dalamnya atau perbedaan susunan unsur-unsur karbon dan hidrokarbon di dalam molekul-molekul persenyawaan tersebut (Kontawa 1993).
Definisi Minyak Berat
Minyak berat secara umum didefinisikan berdasarkan API gravity dan tingkat viskositasnya. API gravity ditetapkan sebagai cara untuk menyeragamankan karakteristik densitas dan specific gravity minyak bumi oleh American Petroleum Insitute (API).
Tingkat API gravity yang lebih tinggi merefleksikan jenis minyak bumi yang lebih ringan. Batasan-batasan antara klasifikasi minyak bumi (ringan, medium, berat, ekstra berat) secara umum cenderung sama, tetapi secara khusus lembaga/organisasi yang berbeda memiliki kategori tersendiri yang sedikit berbeda terhadap nilai API
gravity untuk pengklasifikasian minyak bumi. Veil dan Quinn (2008) telah merangkum beberapa kategori tersebut sebagai berikut :
Energi Information Administration (EIA) membuat kategori minyak berat sebagai berikut :
1. Minyak ringan memiliki API gravity lebih dari 38o.
2. Minyak medium memiliki kisaran API gravity antara 22o-38o. 3. Minyak berat memiliki API gravity kurang dari 22o.
U.S. Geological Survey (USGS) mendefinisikan minyak berat berdasarkan Meyer et al
(2003) sebagai berikut :
1. Minyak ringan atau minyak bumi konvensional adalah minyak yang memilliki API gravity lebih dari 22o dan viskositas kurang dari 100 centipoise (cP).
2. Minyak berat adalah minyak yang bersifat aspaltik, tebal, dan kental, dengan API gravity kurang dari 22o dan viskositas 100 cP.
3. Minyak berat-ekstra adalah bagian dari minyak sangat berat (very heavy oil) dengan API gravity kurang dari 10o.
4. Natural bitumen merupakan bagian dari minyak berat yang sangat tebal dan sangat kental dimana viskositasnya lebih dari 10,000 cP.
Berdasarkan The Canadian Centre for Energy Information, industri minyak dan gas Kanada mendefinisikan minyak berat sebagai berikut:
2. Minyak medium memiliki API gravity antara 31.1o– 22.3o. 3. Minyak berat memiliki API gravity antara 22.3o– 10o.
4. Minyak ekstra berat (bitumen) memiliki API gravity kurang dari 10o.
Berdasarkan The Canadian Centre for Energy Information, pemerintah Kanada membuat dua jenis klasifikasi minyak bumi yaitu:
1. Minyak ringan yang memiliki API gravity lebih dari 25.7o. 2. Minyak berat yang memiliki API gravity kurang dari 25.7o.
Lingkungan Terkontaminasi Minyak Bumi Pengaruh Pencemaran Minyak Bumi Terhadap Tumbuhan
Tanah yang terkontaminasi oleh tumpahan minyak bumi akibat kecelakaan diklasifikasikan sebagai pencemar yang berbahaya jika jumlah tanah yang terkontaminasi besar (Churcilll et al. 1995). Eksplorasi dan eksploitasi produksi minyak bumi melibatkan juga aspek kegiatan yang berisiko menumpahkan minyak antara lain: distribusi/pengangkutan minyak bumi dengan menggunakan moda transportasi air, transportasi darat, marine terminal/pelabuhan khusus minyak bumi, perpipaan dan eksplorasi dan eksploitasi migas (Citroreksoko 2006).
Tanah yang terkontaminasi minyak bumi dapat merusak lingkungan serta menurunkan estetika. Lebih dari itu tanah yang terkontaminasi limbah minyak dikategorikan sebagai limbah bahan berbahaya dan beracun (B3) sesuai dengan Kepmen LH 128 Tahun 2003 tentang tatacara dan persyaratan teknis pengolahan limbah dan tanah terkontaminasi oleh minyak bumi secara biologis. Oleh karena itu perlu dilakukan pengelolaan dan pengolahan terhadap tanah yang terkontaminasi minyak. Hal ini dilakukan untuk mencegah penyebaran dan penyerapan minyak kedalam tanah.
Menurut Udiharto (2000) tingkat toksisitas hidrokarbon minyak bumi dapat bersifat akut atau kronik. Toksisitas akut terjadi dalam jangka waktu yang relatif pendek dengan bahan yang berkontak di lingkungan cukup tinggi sedangkan toksisitas kronik terjadi dalam jangka waktu lama dengan bahan yang berkontak relatif lebih rendah. Pengaruh toksik akut pada umumnya menyerang system syaraf pusat. Sifat toksik yang kronik dapat mempengaruhi kerusakan sel sumsum tulang dan menyebabkan penyakit kanker.
Menurut Bossert dan Bartha (1984) tumpahan minyak bumi di permukaan tanah memberikan pengaruh negatif terhadap tumbuhan, yaitu toksisitas akibat kontak langsung atau tidak langsung karena adanya interaksi minyak dengan komponen abiotik dan mikrob tanah. Toksisitas kontak terjadi karena hidrokarbon melarutkan struktur membran lipid sel. Walaupun komponen minyak bumi bertitik didih rendah cepat hilang melalui evaporasi dan pencucian (pada tanah dengan kondisi lembab dan beraerasi baik), tetapi menyebabkan toksisitas kontak yang tinggi terhadap akar dan daun. Tingkatan toksisitas sebagai berikut: monoaromatik > olefin dan naftalen > parafin dimana setiap tingkatan berbanding lurus dengan peningkatan polaritas dan berbanding terbalik dengan penambahan bobot molekul (Bossert dan Bartha 1984). Mason (1996) menyebutkan tumpahan minyak dapat menghambat laju fotosintesis karena mempengaruhi permeabilitas membran sel dan mengurangi penyerapan cahaya matahari oleh kloroplas.
seperti H2S. Selain itu, minyak dengan sifatnya yang hidrofobik dapat menyebabkan struktur tanah menjadi buruk sehingga membatasi kemampuannya dalam menyerap air dan udara (Bossert dan Bartha 1984).
Kontaminasi hidrokarbon minyak bumi di permukaan tanah menyebabkan terhambatnya perkembangan tumbuhan. Mishra et al. (2001) melaporkan di lokasi kilang minyak Mathura, India yang tercemar limbah minyak tidak ada vegetasi yang tumbuh. Bossert dan Bartha (1984) menyebutkan bahwa tanaman umbi-umbian seperti ubi jalar dan singkong sangat sensitif terhadap hidrokarbon minyak bumi sedangkan mangga, pisang dan tanaman yang mempunyai rizoma lebih mampu beradaptasi.
Konsentrasi hidrokarbon minyak bumi dalam jumlah sedang (1 - 5%) di atas permukaan tanah umumnya kurang merusak terhadap tumbuhan. Konsentrasi yang rendah (< 1%) kadang-kadang meningkatkan perkembangan tumbuhan. Hal ini mungkin disebabkan adanya bagian dari komponen hidrokarbon minyak bumi yang berfungsi sebagai hormon tumbuh (Bossert dan Bartha 1984).
Pengaruh Pencemaran Minyak Bumi Terhadap Hewan
Inverterbrata tanah mempunyai kandungan lipid yang tinggi dan laju metabolisme yang cepat sehingga sangat sensitif terhadap toksisitas kontak dari minyak bertitik didih rendah. Hidrokarbon dengan titik didih yang lebih tinggi dan kurang fitotoksisitasnya dapat menyumbat stomata mikroartropoda sehingga menghambat proses respirasi. Hal tersebut dijadikan dasar dalam mengendalikan larva nyamuk dengan menggunakan minyak (Bossert dan Bartha 1984).
Amfibi lebih mudah terkena dampak negatif dari minyak karena kulitnya yang permeabel. Pada percobaan dengan menggunakan beberapa konsentrasi minyak, telur dapat menetas menjadi berudu tanpa dipengaruhi oleh konsentrasi minyak. Tetapi, perkembangan berudu terhambat pada konsentrasi minyak yang tinggi bahkan pada konsentrasi > 100 mg/l tidak ada berudu yang mengalami metamorfosa menjadi katak dewasa (Mason 1996).
Tumpahan minyak bumi menyebabkan terganggunya perkembangbiakan burung karena lingkungan menjadi tidak sesuai untuk penetasan telur dan terdapatnya unsur beracun. Beberapa percobaan menunjukkan bahwa minyak yang diberikan pada kulit telur mallard (Anas platyrhynchos) menyebabkan telur tidak menetas karena terdapat
komponen aromatik yang toksik bagi telur. Pada dosis 10 l, embrio menjadi abnormal
yang ditandai dengan berubahnya bentuk paruh, susunan tulang dan bulu burung yang tidak lengkap (Mason 1996).
Biodegradasi dan Bioremediasi
Biodegradasi secara garis besar didefenisikan sebagai pemecahan senyawa organik oleh mikrob membentuk biomassa dan senyawa yang lebih sederhana yang akhirnya menjadi air, karbondioksida atau metana (Alexander 1994). Biodegradasi hidrokarbon didefinisikan sebagai suatu proses yang memanfaatkan aktifitas mikrob untuk mengubah senyawa hidrokarbon yang kompleks menjadi senyawa yang lebih sederhana dengan hasil akhir berupa karbondioksida, air, dan energi. Reaksi sebagai berikut:
mikrob
Proses degradasi limbah oleh mikrob memerlukan kondisi yang sesuai untuk pertumbuhan mikrob. Secara umum mikrob memerlukan energi untuk membentuk sel baru, untuk mikrob pendegradasi hidrokarbon dibutuhkan oksigen untuk proses degradasi. Selanjutnya dijelaskan bahwa beberapa kasus pencemaran air tanah dapat disebabkan oleh senyawa organik beracun misalnya hidrokarbon dalam bentuk total petroleum hidrokarbon.
Rossenberg dan Ron (1996) mengemukakan bahwa degradasi hidrokarbon minyak bumi terjadi bila mikrob menempel di permukaan butiran-butiran minyak karena enzim oksigenase yang dibutuhkan untuk memecah rantai karbon terikat pada membrane sel. Proses penguraian hidrokarbon oleh mikrob dimulai dengan terjadinya pelekatan mikrob pada globula minyak, yang dilanjutkan dengan pelarutan hidrokarbon oleh surfaktan. Hidrokarbon yang telah teremulsi selanjutnya diserap ke dalam sel dan diurai melalui proses katabolisme (Gambar 1). Proses katabolisme diawali dengan proses hidroksilasi n-alkana yang menghasilkan alkohol primer, yang selanjutnya dioksidasi oleh enzim dehidrogenase dan menghasilkan asam lemak. Jika sistem oksidasi mikrob pengurai hidrokarbon berjalan secara optimal, maka asam lemak yang terbentuk ini akan diurai sempurna menjadi energi, H2O dan CO2 melalui proses beta
oksidasi (β-oksidasi) (Godfrey 1986).
Gambar 1 Jalur oksidasi monoterminal pada proses katabolisme hidrokarbon dalam sel mikrob
Biodegradasi minyak merupakan suatu proses yang kompleks dan tergantung komunitas mikrobnya, kondisi lingkungan dan kandungan minyak yang akan didegradasi. Dalam proses tersebut akan terjadi penguraian hidrokarbon oleh mikrob yang telah beradaptasi dengan baik di lingkungan tersebut. Menurut Citroreksoko (1996) bahwa kemampuan biodegradasi terhadap beberapa senyawa berbeda-beda. Secara umum bioremediasi limbah hidrokarbon dilakukan pada skala pilot dan laboratorium dan waktu bioremediasi pada kisaran 3 bulan (90 hari) sampai 168 hari, dan minyak yang terdegradasi 48% sampai dengan 99.7%.
Laju biodegradasi hidrokarbon tergantung dari beberapa parameter fisika, kimia dan biologi. Kemampuan bakteri mengubah senyawa hidrokarbon menjadi senyawa lain yang tidak membahayakan tergantung dari enzim yang diproduksinya (Churcill et al
1995). Hasil biodegradasi dari limbah minyak bumi berupa karbon dioksida, asam organik sederhana dan biomassa sel (Zhou dan Crawford 1995). Menurut Churcill et al
(1995) selama proses bioremediasi terjadi pembebasan senyawa kimia organik volatil yang sulit dibedakan dengan kehilangan senyawa hidrokarbon akibat degradasi mikrob.
Bulking agent mengurangi volatilisasi minyak mentah dari tanah, namun pengurangan yang disebabkan oleh penambahan bulking agent umumnya kurang dari 10% jika dibandingkan pengurangan tanpa bulking agent. Oleh karena itu penambahan bulking agent bukan suatu cara yang praktis untuk mengurangi kehilangan hidrokarbon akibat proses volatilisasi. Bila bulking agent akan digunakan pada proses bioremediasi, maka
bulking agent perlu diaplikasikan segera setelah tumpahan minyak terjadi untuk mengurangi volatilisasi (Rhykerd et al. 1998).
Mikrob Pendegradasi Hidrokarbon Minyak Bumi
Mikrob yang dapat hidup dan berperan dalam penguraian hidrokarbon adalah bakteri. Dalam aktivitasnya, bakteri memerlukan molekul karbon sebagai salah satu sumber nutrisi dan energi untuk melakukan metabolisme dan perkembangbiakannya sedangkan senyawa nonhidrokarbon merupakan nutrisi pelengkap yang dibutuhkan untuk pertumbuhannya. Bakteri yang memiliki kemampuan mendegradasi senyawa hidrokarbon untuk keperluan metabolime dan perkembangbiakannya disebut kelompok bakteri hidrokarbonoklastik (Atlas 1981).
Fraksi hidrokarbon yang digunakan oleh bakteri sebagai sumber karbon dan energi dapat berasal dari fraksi hasil pemecahan hidrokarbon oleh dirinya sendiri maupun fraksi hasil pemecahan hidrokarbon oleh jenis lainnya. Beberapa jenis bakteri dapat memecah hidrokarbon tetapi tidak dapat menggunakan fraksi hasil pemecahannya sebagai sumber karbon dan energi. Untuk mempertahankan hidupnya jenis bakteri tersebut menggunakan fraksi yang dihasilkan oleh jenis mikrob lain sebagai sumber karbon dan energinya. Pada komunitas mikrob bisa terjadi proses kometabolisme antar jenis yang ada. Jenis mikrob tertentu memecah hidrokarbon menjadi fraksi tertentu yang akan digunakan oleh jenis mikrob yang lain, sedangkan dirinya sendiri menggunakan fraksi hasil pemecahan yang dilakukan oleh jenis lainnya (Alexander 1977)
Atlas (1981) melaporkan sejumlah mikrob pendegradasi hidrokarbon minyak bumi, yaitu: (i) Bakteri: Pseudomonas, Achromobacter, Arthrobacter, Michrococcus,
Nocardia, Vibrio, Acinetobacter, Brevibacterium, Corynebacterium, Flavobacterium,
Leucothrix, Rhizobium, Spirillum, Alcaligenes, Xanthomonas, Cytophaga,
Thermomicrobium dan Klebbsiella; (ii) Khamir: Candida, Rhodotorulla, Aurobasidium,
Rhodosporidium, Saccharomyces, Sporobolomyces, Trichosporon dan Cladosprium; (iii) Fungi: Penicillium, Cunninghamella, Verticillium spp., Aspergillus, Mucoterales,
Monilales, Graphium, Fusarium, Trichoderma, Acremonium, Mortierella, Gliocladium
dan Sphaeropsidales; (iv) Algae: Protopheca dan (v) Cyanobacteria: Mierocoleus sp.,
Anabaena spp., Agmenellum sp., Coccochloris sp., Nostoc sp., Chlorella spp.,
Dunaalella sp., Ulva sp., Amphora sp., Chlamydomonas sp., Cylindretheca dan
Petalonia.
berat molekul tinggi dapat didegradasi oleh berbagai kelompok bakteri Mycobacterium, Nocardia, Pseudomonas, Streptomyces, Corynebacterium, Acinetobacter, Bacillus,
kelompok khamir Candida, Rhodotorula dan beberapa kelompok kapang. Adapun kelompok mikrob khususnya bakteri yang dapat mendegradasi hidrokarbon aromatik seperti fenol, naftalena dan antrasena, yang berisi satu, dua dan tiga cincin benzena adalah Pseudomonas, Mycobacterium, Arthrobacter, Bacillus dan Nocardia.
Yudono et al. (2013) mengisolasi bakteri pendegradasi hidrokarbon minyak bumi dari lingkungan PT. Pertamina UBEB Limau Muara Enim dengan sampel yang berupa air, sludge dan tanah yang diambil dari lokasi penampungan limbah. Hasil penelitian ini diperoleh 10 isolat bakteri indigen yang mampu mendegradasi limbah minyak bumi, berdasarkan hasil identifikasi, 4 isolat bakteri tersebut termasuk ke dalam genera Pseudomonas, 4 isolat termasuk dalam genera Bacillus, 1 isolat termasuk genus
Micrococcus dan 1 isolat masuk dalam genus Flavobacterium.
Mashito (1999), melakukan isolasi bakteri dari ekosistem mangrove di Cikeong, Karawang, Jawa barat yang belum tercemar minyak bumi. Hasil penelitian menunjukkan bahwa pada ekosistem mangrove terdapat bakteri pendegradasi hidrokarbon minyak bumi dan dalam percobaannya ditemukan tiga isolat bakteri yaitu:
Bacillus sp., Acinetobacter sp.1, dan Acinetobacter sp.2.
Saidi et al. (1999) mengisolasi bakteri perombak minyak bumi dan solar dari
EAH Kalimantan Tengah, yaitu Brevibacillus thuringiensis (Ah41-Ms1),
Bacillus fusiformis (Pr61-Ms1), Bacillus fusiformis (Si201-Ms1), Klebsiella planticola
(Bb171-Mb2), Bacillus thrungiensis (Si191-Mb1) dan Brevibacillus chossihinensis
(Nn311-Mb2). Hasil pengujian bakteri terpilih pada media minimal cair setelah 10 hari inkubasi dapat meningkatkan produksi CO2-C dan biodegradasi minyak serta
menurunkan pH dan bobot minyak dimana nilai tertinggi ditunjukkan
Bacillus fusiformis (Si201-Ms1) dan Bacillus fusiformis (Pr61-Ms1). Hasil pengujian bakteri terpilih pada tanah entisol yang ditambahkan minyak bumi dan solar dapat menurunkan pH, bobot minyak dan konsentrasi fenol dan meningkatkan produksi CO2 -C serta biodegradasi minyak bumi.
Dari hasil penelitian yang dikemukakan oleh Bosser dan Bartha (1984), telah ditemukan mikrob yang hidup di lingkungan minyak bumi, yaitu antara lain dari genera
Alcaligenes, Arthrobacter, Acinetobacter, Nocardia, Achromobacter, Bacillus, Flavobacterium, dan Pseudomonas. Oetomo (1997) menemukan jenis mikrob yang mampu mendegradasi minyak bumi yaitu; Pseudomonas sp., Bacillus sp., Nocardia sp., Mycobacterium. Penelitian lain menemukan beberapa isolat mikrob dari tanah yang terkontaminasi limbah oli teridentifikasi beberapa jenis yaitu: Bacillus megaterium, Pseudomonas diminuta, Gluconobacter cerenius, Pasteurella caballi (Suortti et al. 2000). Komar dan Irianto (2000) melakukan bioremediasi dengan penambahan
Bacillus sp., mampu mendegradasi tanah tercemar toluena; Wijayaratih (2001) melakukan bioremediasi dengan mikrob Pseudomonas sp., mampu mendegradasi senyawa hidrokarbon naftalena; Hardjito (2003) melakukan degradasi minyak bumi dengan mikrob Arthrobacter simplex, dan Pseudomonas aeruginosa.
Ekosistem Air Hitam Tanjung Jabung Timur, Jambi
terbentuk melalui proses alamiah yang berlangsung ribuan tahun, kaya akan bahan organik, dan dipengaruhi baik langsung maupun tidak langsung oleh lahan gambut.
Ekosistem ini tidak hanya penting karena jenis flora dan faunanya juga dari segi bioteknologi sangat penting untuk dikembangkan. Diduga berbagai kelompok mikrob yang mampu hidup dalam kondisi ekstrim baik pada pH rendah (asidofilik), pH tinggi (alkalofilik), suhu rendah (mesofilik) dan suhu tinggi (termofilik), serta mikrob lain yang memiliki potensi untuk dikembangkan dalam industri bioteknologi dapat ditemukan dalam lingkungan tersebut. Selain potensi yang terkait erat dengan industri bioteknologi, lingkungan semacam ini menyimpan potensi mikrob yang dapat digunakan untuk bioremediasi. Kandungan fenol dan senyawa turunannya yang tinggi mengisyaratkan terdapat bakteri-bakteri yang mampu mendegradasi polutan berfenol ataupun senyawa-senyawa hidrokarbon lain sebagai pencemar lingkungan (Santosa 2000).
3 ISOLASI DAN KARAKTERISASI BAKTERI PENDEGRADASI MINYAK BERAT YANG DIISOLASI DARI EKOSISTEM AIR HITAM
TANJUNG JABUNG TIMUR, JAMBI Abstrak
Ekosistem Air Hitam (EAH) Tanjung Jabung Timur, Jambi merupakan salah satu lingkungan alami unik di hutan rawa gambut tropis Indonesia yang memiliki potensi menyediakan berbagai mikrob yang bermanfaat untuk digunakan dan dikembangkan sebagai agen bioremediasi lingkungan tercemar minyak bumi. Dari lingkungan ini, sampel sedimen diambil untuk memperoleh bakteri pendegradasi minyak berat melalui proses isolasi, uji patogenesitas, dan karakterisasi morfologi, biokimia dan molekuler. Isolasi bakteri dilakukan dengan mengkultivasi suspensi sedimen di dalam media minimal cair dengan penambahan 1% (b/v) minyak berat. Secara keseluruhan, diperoleh 10 bakteri kultur tunggal yang berpotensi mampu mendegradasi minyak berat. Dari hasil seleksi lebih jauh, diperoleh 3 bakteri kultur tunggal dengan kapasitas degradasi tertinggi dan terbukti tidak bersifat patogen terhadap hewan dan tumbuhan. Karakteristik secara molekuler berdasarkan urutan gen 16S rRNA menunjukkan, MND2-29B dan MSB1-25 memiliki tingkat kemiripan sebesar 96.8% dan 95.0% terhadap Rhodococcus equi BS26 dan diduga merupakan genus baru, sedangkan MSB1-25E memiliki tingkat kemiripan sebesar 98.0% terhadap Bacillus sp SGE39 dan diduga merupakan spesies baru dari genus Bacillus. Karakterisasi secara morfologi dan biokimia menunjukkan isolat bakteri MND2-29B, MSB1-25A, dan MSB1-25E merupakan bakteri Gram positif, katalase positif dan mampu menfermentasi sukrosa. Karakteristik secara morfologi dan biokimia isolat menunjukkan bakteri MND2-29B dan MSB1-25A memiliki tingkat kimiripan sebesar 60% dan 45% terhadap
Rhodococcus equi, sedangkan MSB1-25E memilliki tingkat kemiripan sebesar 72.2% terhadap Bacillus sp.
Pendahuluan
Meningkatnya kebutuhan manusia akan sumber energi utama yaitu minyak bumi untuk berbagai aktivitas menyebabkan meningkatnya kegiatan eksplorasi, eksploitasi dan transportasi produk minyak bumi. keadaan ini meningkatkan kecenderungan pencemaran lingkungan yang disebabkan minyak bumi melalui pembersihan tanki penyimpanan, kerusakan pipa dan tumpahan minyak selama transportasi (Ebuehi et al. 2005). Minyak berat dari industri minyak bumi adalah salah satu kontaminan organik yang persisten dan sangat resisten dari degradasi, dan metode untuk menangani permasalahan tersebut sampai saat ini yaitu melalui penimbunan (Huang et al. 2005). Jika mencemari lingkungan jenis minyak bumi ini akan memiliki tingkat akumulasi yang sangat tinggi di lingkungan tanah dan sedimen dibanding di lingkungan perairan (Karthikeyan dan Bhandari 2001).
Di lingkungan alami, banyak bakteri dengan kapasitas tinggi yang belum dieksplorasi khususnya dari ekosistem tropis untuk digunakan dalam mendegradasi minyak berat atau senyawa dengan sifat yang sama. Bakteri yang mampu mendegradasi minyak berat menggunakan senyawa-senyawa tersebut sebagai nutrisi dan sumber energi untuk metabolisme dan reproduksi. Bakteri pendegradasi minyak berat dapat diisolasi dari berbagai macam jenis lingkungan, tidak terbatas di lingkungan yang telah tersemar minyak berat. Keberadaan bakteri ini sangat berhubungan dengan ketersediaan hidrokarbon secara universal di alam sebagai hasil dekomposisi tumbuhan dan pelepasan minyak secara alami melalui rekahan cadangan geologi.
Ekosistem Air Hitam (EAH) di hutan rawa gambut Indonesia adalah salah satu lingkungan alami yang unik dengan potensi keberadaan mikrob yang dapat mendegradasi minyak bumi (Santosa et al. 2000). Berdasarkan eksplorasi di EAH Kalimantan Tengah, Saidi (1999) berhasil mengisolasi dan menguji kapasitas spesies bakteri yang berpotensi dalam mendegradasi minyak bumi, yaitu Bacillus circulans,
Pesudomonas stutzeri, Bacillus panthotenticus, Pseudomonas diminuta, dan
Klebsiella edwardsii. Namun, literatur yang melaporkan penelitian terkait isolasi dan karakterisasi bakteri dengan kapasitas mendegradasi limbah minyak berat dan lingkungan yang terkontaminasi minyak berat masih terbatas. Penelitian ini difokuskan kepada isolasi, seleksi, uji patogenesitas dan karakterisasi morfologi, biokimia dan molekuler terhadap bakteri yang mampu mendegradasi minyak berat dari EAH di Tanjung Jabung Timur, Jambi.
Metodologi Waktu dan tempat
Percobaan dalam penelitian ini dilakukan mulai Juli 2014 sampai Januari 2015. Sampling sedimen dilakukan di area EAH Tanjung Jabung Timur, Jambi (Lampiran 1). Isolasi, seleksi, uji patogenesitas, dan karakterisasi secara morfologi, biokimia dan molekuler dilakukan di Environmental Biotechnology Laboratory (EBL), Indonesian Center for Biodiversity and Biotechnology (ICBB), Bogor, Indonesia.
Sampling dan isolasi bakteri
Pengambilan sampel sedimen dilakukan di empat area EAH Tanjung Jabung Timur, Jambi yang dibagi menjadi beberapa sub area, dimana setiap area pengambilan sampel diukur pH dan suhu air. Sampel sedimen di EAH Tanjung Jabung Timur, Jambi diambil dari sedimen lapisan atas dengan tingkat kedalaman yang relatif dangkal (< 1 m). Sampel sedimen diambil sejumlah 50 g dari setiap titik pengambilan sampel, kemudian sampel dimasukan ke dalam kantung plastik zip lock steril dan disimpan di dalam cool box dengan suhu 4oC untuk persiapan isolasi bakteri di dalam laboratorium.
Selanjutnya isolat murni bakteri yang diperoleh diuji kemampuannya dalam mendegradasi minyak berat.
Uji patogenesitas
Dua pengujian yang berbeda digunakan untuk menguji potensi patogen dari isolat-isolat yang diseleksi. Patogenesitas terhadap manusia dan hewan diuji dengan menggunakan uji hemolisis (Zimbro et al. 2009), dan untuk tumbuhan pengujian dilakukan dengan uji respon hipersensitif (Schaad et al. 2001). Uji hemolisis didasarkan pada kapasitas bakteri dalam mendegradasi darah pada media agar darah melalui pembentukan zona bening di sekeliling koloni bakteri. Untuk respon hipersensitif, daun tembakau digunakan sebagai media percobaan (Klement 1982).
Identifikasi molekuler isolat bakteri berdasarkan sekuen gen 16S rRNA Karakteristik molekuler didasarkan pada pengurutan gen 16S rRNA untuk mengidentifikasi isolat-isolat yang terpilih. DNA bakteri diisolasi dengan metode Atashpaz et al. (2010). Kultur isolat dipanen dengan proses sentrifugasi sehingga dicapai pelet sebanyak 50 – 100 mg. Pelet diresuspensi dengan 800 µL buffer lysis
(CTAB, Tris HCl, NaCl, PVP, dan NA2EDTA) selanjutnya dinkubasi pada suhu 65oC selama 30 menit (Gram negatif) atau 120 menit (Gram positif) dan dibolak-balik setiap 10 menit. Supernatan diperoleh setelah sentrifugasi kembali. Ekstraksi DNA dengan menambahkan kloroform-isoamilalkohol (24:1 v/v) ke dalam supernatan, selanjutnya disentrifugasi 12,000 rpm (8870.4x g) pada suhu 4oC selama 10 menit. Supernatan ditambahkan 100 µL natrium asetat 5 M dan selanjutnya ditambahkan isopropanol (volume ekuivalen) yang telah didinginkan -20oC. Sampel disentrifugasi 14,000 rpm (12073.6x g) pada suhu 4oC selama 10 menit. Supernatan dibuang dan pelet dicuci dengan 500 µL etanol 96% kemudian sentrifugasi 12,000 rpm pada suhu 4oC selama 5 menit. Pelet dicuci untuk yang kedua kali dengan 500 µL etanol 70% kemudian sentrifugasi 12,000 rpm pada suhu 4oC selama 5 menit. Selanjutnya pelet dikeringkan dan dilarutkan dengan 50 µL nuclease-free water. Selanjutnya sampel DNA yang berhasil diisolasi disimpan pada suhu -20oC.
DNA yang berhasil diisolasi selanjutnya diamplifikasi dengan menggunakan mesin Polymerase Chain Reaction (PCR, mini dice TAKARA). Primer yang digunakan merupakan primer universal 16F27 5'AGA GTT TGG TGA TCM CTC AG3 ', R1492 5'TAC GGY TAC CTT GTT ACG ACTT-3' (Santosa 2001). PCR master mix disiapkan dengan volume 50 mL dengan kandungan 25 mL PCR master mix, 5 mL forward mg/mL etidium bromida. Produk PCR selanjutnya disekuen dengan ABI PRISM 3730xl DNA Analyzer yang dikembangkan oleh Applied Biosystems. Hasil dari sekuen kemudian dibandingkan dengan sekuen-sekuen gen yang ada pada pusat data di
Karakterisasi morfologi dan biokimia
Karakteristik morfologi didasarkan pada penampilan warna, ukuran dan pola dari perkembangan koloni. Karakteristik biokimia dilakukan melalui uji oksidatif dan uji fermentasi karbohidrat (Mac Faddin 1979). Selanjutnya hasil karakterisasi tersebut dibandingkan dengan spesies pembanding dengan kekerabatan terdekat dari hasil identifikasi secara molekuler.
Hasil dan Pembahasan
Isolasi, seleksi dan pemurnian konsorsium bakteri
Lokasi pengambilan sampel di Ekosistem Air Hitam Tanjung Jabung Timur dibagi menjadi empat area besar berdasarkan pembagian kecamatan dimana keempat area ini secara geografis berada di antara dua hutan lindung gambut terbesar di Provinsi Jambi. Keempat area ini yaitu Kecamatan Mendahara Ulu dengan sub area yaitu Simpang Mencolok, Sungai Toman, dan Pematang rahim, Kecamatan Geragai dengan sub area sungai Lagan, Kecamatan Muara Sabak dengan sub area Parit Culum, dan Kecamatan Dendang dengan sub area Catur Rahayu, Catur Rahayu II dan Sidomukti. Secara umum lokasi pengambilan sampel memiliki kondisi perairan dengan pH yang rendah yaitu berkisar antara 3.9 – 5.3 (Lampiran 2).
Berdasarkan kegiatan pengambilan sampel di lapang diperoleh 150 sampel sedimen. Dari hasil isolasi bakteri terhadap 150 sampel sedimen yang dilakukan pada media minimal cair dengan kandungan 1% minyak berat diperoleh 15 konsorsium bakteri yang menunjukkan adanya kekeruhan media dikarenakan pertambahan biomassa sel bakteri dan terdispersinya minyak berat ke dalam media. Berdasarkan hasil seleksi lebih jauh diperoleh tiga konsorsium bakteri dengan kode MND2-29 mewakili area Mendahara Ulu, GRG1-20 dari Geragai dan MSB1-25 dari Muara Sabak yang menunjukkan tingkat kekeruhan media yang paling baik. Tiga konsorsium tersebut selanjutnya dipurifikasi untuk memperoleh kultur tunggal. Berdasarkan proses pemurnian dihasilkan 10 isolat bakteri tunggal yang selanjutnya dilakukan pengujian patogenesitas dan kemampuan untuk degradasi minyak berat (Tabel 1).
ketiga isolat tunggal tersebut berpotensi digunakan dan dikembangkan untuk proses bioremediasi lingkungan yang tercemar minyak berat.
Tabel 1 Seleksi isolat tunggal bakteri yang diisolasi dari EAH Tanjung Jabung Timur, Jambi *kode bakteri yang dicetak tebal merupakan bakteri terpilih
Identifikasi molekuler isolat bakteri berdasarkan sekuen gen 16S rRNA Amplifikasi urutan gen 16S rRNA bakteri dengan ukuran sekitar 1500 bp ditunjukkan pada Gambar 2. Proses pengurutan gen menggunakan satu primer sehingga dihasilkan urutan parsial gen 16S rRNA dari isolat bakteri MND2-29B, MSB1-25A, dan MSB1-25E dengan panjang masing-masing sekitar 1130, 1270, dan 960 bp.
Data hasil analisis sekuen gen berdasarkan 16S rRNA dengan menggunakan program FASTA 3 pada EBI (Tabel 3) menunjukkan bahwa isolat MND2-29B dan MSB1-25A memilliki tingkat homologi masing-masing sebesar 96.8% dan 95.0% terhadap Rhodococcus equi BS26. Kedua isolat tersebut adalah genus baru karena tingkat homologi gen 16S rRNA kurang dari 97% (Drancourt et al. 2000). Sedangkan isolat MSB1-25E memilliki tingkat homologi sebesar 98.0% terhadap Bacillus sp. SGE39 dan merupakan spesies baru dari genus Bacillus karena memiliki tingkat homologi diantara 97% dan 99% (Drancourt et al. 2000).
Kelompok genus Rhodococcus adalah aerobik, Gram positif, dan beberapa anggotanya memiliki kapasitas untuk mendegradasi hidrokarbon, khususnya toluena (Juteau et al. 1999). Beberapa anggota dari genus Rhodococus ini juga memiliki kapasitas dalam memineralisasi beberapa jenis alkana (Whyte et al. 1998 ), dan mampu menghasilkan biosurfaktan (Yakimov et al. 2004). Kelompok Rhodococcus juga cukup banyak dan memiliki ketahanan hidup yang baik di lingkungan (Larkin et al. 1998).
Isolat bakteri MSB1-25E termasuk ke dalam kelompok Bacillus. Genus Bacillus
melakukan isolasi Bacillus thermoleovoran yang mampu mendegradasi senyawa-senyawa aromatik.
Gambar 2 Amplifikasi PCR dari berdasarkan gen 16S rRNA. 1 kb marker DNA; 1 MND2-29B; 2 MSB1-25A; 3 MSB1-25E).
Tabel 2 Identifikasi berdasarkan sekuen gen 16S rRNA tiga bakteri terpilih pendegradasi minyak berat serta spesies padanan
kode Nomor Aksesi* Spesies padanan Strain Homologi Query cover
MND2-29B LN907823 Rhodococcus equi BS26 96.8% 96.8% MSB1-25A LN907824 Rhodococcus equi BS26 95.0% 95.0% MSB1-25E LN 907825 Bacillus sp SGE39 98.0% 98.0%
*Nomor aksesi dikeluarkan oleh European Nucleotide Archieve (ENA), EMBL Nucleotide Sequence
Database berdasarkan urutan gen 16S rRNA yang telah didaftarkan
Perbandingan karakter morfologi dan biokimia isolat terhadap kerabat terdekat Isolat bakteri MND2-29B, MSB1-25A, dan MSB1-25E dianalisis karakterisitik morfologi dan biokimia seperti yang ditampilkan pada Tabel 3. Karakterisasi morfologi dan biokimia bakteri terpilih dibandingkan dengan spesies padanannya masing-masing yang diperoleh dari hasil identifikasi secara molekuler. Berdasarkan pada Bergey’s
Manual of Determinative Bacteriology (Holt et al. 1994) and The Prokaryotes (Grimont and Grimont 2006) menunjukkan MND2-29B dan MSB1-25A memiliki tingkat kemiripan sebesar 60% dan 45% terhadap Rhodococcus equi, sedangkan isolat MSB1-25E memiliki tingkat kemiripan sebesar 72.2% dengan Bacillus sp.
memiliki kemampuan untuk menfermentasi glukosa, sukrosa dan selobiosa, dan hanya isolat MND2-29B yang mampu menfementasi sorbitol. Hasil tersebut mengindikasikan bahwa bakteri-bakteri tersebut mampu menfementasikan gula karena memiliki enzim spesifik yang bertanggung jawab untuk fermentasi gula dan memproduksi gas dan asam (Al-Allaf 2011).
Table 3 Karakteristik morfologi dan biokimia tiga isolat bakteri terpilih.
Karakteristik
Isolat kultur tunggal terpilih dan spesies padanan
MND2-29B MSB1-25A Rhodococcus
equi MSB1-25E Bacillus sp 1. Morfologi Koloni
Warna Merah muda Putih Merah mudah Putih Abu-abu
Bentuk Circular Circular Circular Circular Irregular
Elevasi Convex Convex Convex Convex Convex
Pinggiran Entire Entire irregular Entire rough
Tekstur
+ = Positif, - = negatif, g+ = produksi gas, +/- = positif atau negatif untuk beberapa spesies
Analisis filogenetik
Pohon filogenetik dikonstruksi untuk menentukan hubungan taksonomi bakteri dengan menggunakan perangkat lunak MEGA 6.0 melalui metode Maximum Likelihood
Gambar 3 Analisis filogenetik bakteri pendegradasi hidrokarbon minyak berat berdasarkan sekuen gen 16S rRNA dengan menggunakan metode Maximum Likelihood
Simpulan
Tiga konsorsium bakteri yang mampu mendegradasi minyak berat berhasil diisolasi dari sampel sedimen yang berasal dari EAH Tanjung Jabung Timur, Jambi. Seleksi lebih jauh melalui uji hemolisis, uji respon hipersensitif dan uji degradasi minyak berat pada media minimal cair menghasilkan tiga isolat tunggal bakteri dengan kapasitas yang paling tinggi dalam mendegradasi minyak berat. Hasil identifikasi molekuler berdasarkan sekuen gen 16S rRNA menunjukkan isolat MND2-29B dan MSB1-25A memilliki tingkat homologi masing-masing sebesar 96.8% dan 95.0% terhadap Rhodococcus equi BS26, sehingga kedua isolat tersebut diduga merupakan genus baru. Isolat MSB1-25E memilik tingkat homologi sebesar 98.0% terhadap
Bacillus sp SGE39 sehingga isolat tersebut diduga merupakan spesies baru dari genus
Bacillus. Karakteristik morfologi dan biokimia menunjukkan isolat MND2-29B dan MSB1-25A memiliki kemiripan masing-masing sebesar 60% and 45% terhadap
Rhodococcus equi, sedangakan isolat MSB1-25E memiliki kemiripan sebesar 72.2% terhadap Bacillus sp.
MND2-29B LN907823
Rhodococcus equi BS26
MSB1-25A LN907824
Nocardia sp. FM 0981
Pimelobacter simplex KCTC 9106
Brevibacillus choshinensis DSM 8552
Bacillus circulans 7CCIP2
MSB1-25E LN907825
Bacillus sp. SGE39
Gluconobacter cerinus NBRC 3275
Ochrobactrum anthropi ACe07(3)
Pasteurella caballi ATCC 49197
Pseudomonas stutzeri RD28
100 99
100 100
72
99
100 90
74
4 EFEKTIVITAS BAKTERI YANG DIISOLASI DARI
EKOSISTEM AIR HITAM TANJUNG JABUNG TIMUR, JAMBI UNTUK BIODEGRADASI MINYAK BERAT PADA MEDIA CAIR DAN PADAT
Abstrak
Bakteri telah digunakan secara luas sebagai agen bioremediasi untuk mengatasi lingkungan yang tercemar minyak bumi. Namun, penggunaannya untuk minyak berat sebagai pembanding lingkungan yang tercemar minyak ringan dan medium belum banyak dilaporkan. Penelitian ini bertujuan untuk menentukan efektivitas bakteri yang diisolasi dari Ekosistem Air Hitam di Tanjung Jabung Timur, Jambi sebagai agen bioremediasi pada media cair dan padat yang tercemar minyak berat. Isolat bakteri yang digunakan adalah isolat dengan kode MND2-29B dan MSB1-25A yang berdasarkan karakteristik molekuler dengan urutan gen 16S rRNA yang memiliki tingkat homologi masing-masing 96.8% dan 95.0% terhadap Rhodococcus equi BS26 dan isolat dengan kode MSB1-25Ememiliki tingkat homologi 98.0% terhadap Bacillus sp SGE39. Media cair yang digunakan adalah media minimal cair dengan kandungan 20% Total Petroleum Hydrocarbon (TPH) minyak berat dengan penambahan surfaktan Tween 80 dan media padat yang digunakan adalah tanah Ultisol dengan kandungan 10% TPH minyak berat. Kapasitas degradasi bakteri diuji secara kultur tunggal dan kultur campuran. Hasil terbaik diantara perlakuan kultur tunggal dan kultur campuran pada media cair ditunjukkan oleh kultur campuran yang terdiri dari isolat MSB1-25A dan MSB1-25E yang mampu menurunkan kadar TPH minyak berat dari 20% menjadi 12.16% dalam 15 hari inkubasi. Lebih lanjut, kultur campuran yang sama mampu menurunkan kadar TPH minyak berat pada tanah Ultisol dari 10% menjadi 0.5% dalam 8 minggu inkubasi.
Pendahuluan
Peningkatan kebutuhan energi minyak bumi yang merupakan bahan bakar fosil utama dan berkurangnya cadangan minyak bumi konvensional di alam memicu peningkatan produksi minyak berat di seluruh dunia (Muraza dan Galadima 2015). Untuk memenuhi kebutuhan yang bersifat kontinyu ini, maka kegiatan eksplorasi, eksploitasi, pengolahan dan transportasi produk minyak berat akan terus meningkat. Keadaan ini akan meningkatkan kasus pencemaran lingkungan oleh minyak berat yang dapat berasal dari kegiatan dan sisa pembersihan tangki penampungan, kebocoran pipa dan tumpahan selama proses transportasi (Ebuehi et al. 2005). Minyak berat memiliki viskositas dan densitas tinggi serta mengandung banyak senyawa organik yang lebih berat, seperti resin dan aspalten, daripada yang terkandung pada minyak medium dan minyak ringan (Huang et al. 2005; Hao dan Lu 2009; Muraza dan Galadima 2015). Karakteristik tersebut menyebabkan minyak berat lebih sulit didegradasi. Oleh karena itu, pencemaran lingkungan terestrial maupun akuatik yang disebabkan oleh minyak berat lebih berpotensi menurunkan kualitas dan fungsi lingkungan serta mengganggu keseimbangan ekologis daripada oleh minyak medium dan minyak ringan.
