BAKTERI AEROB SEBAGAI BIOREMEDIATOR LIMBAH ORGANIK YANG MENGHASILKAN GAS HIDROGEN
Ayuk Rahmawati*), Maya Shovitri1), Nengah Dwianita Kuswytasari1) Jurusan Biologi, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
Institut Teknologi Sepuluh Nopember ABSTRAK
Pada penelitian ini bertujuan untuk mengisolasi dan mengkarakterisasi serta mengetahui kemampuan bakteri aerob dari tangki septik yang berpotensial untuk menghasilkan biogas. Isolasi dilakukan pada medium Nutrient Agar dan karakterisasi mengikuti sistem Bergey’s Manual of Determination Bacteriology, selanjutnya biogas yang terbentuk diidentifikasi dan diukur dengan kromatografi gas. Pada penelitian ini berhasil diisolasi dan dikarakterisasi 38 isolat bakteri aerob. Bakteri ini cenderung masuk ke dalam genus Aeromonas, Corynebacterium, Neisseria, Bacillus, Pseudomonas dan Vibrio. Lima perwakilan dari masing-masing genus, kecuali Vibrio, diinokulasikan dan diinkubasi ke dalam bioreaktor yang berisi medium limbah organik selama 18-20 hari. Berdasarkan puncak kromatografi gas, gas yang terdeteksi hanya O2 dan N2. Walaupun gas H2 tidak berhasil dideteksi dalam penelitian ini, bukan berarti bahwa isolat bakteri tidak memproduksi biogas. Beberapa faktor mungkin mempengaruhi proses deteksi, seperti contohnya keterbatasan sensitifitas alat.
ABSTRACT
This study was aimed to isolate and to characterize also for know ability of aerobic septic tank bacteria which were potentially to produce biogas. The isolation was performed in a Nutrient Agar medium and the characterization was followed the Bergey’s Manual of Determination Bacteriology, while the biogas was identified and measured by a gas chromatograph. This study was successfully isolated and characterized 38 aerobic bacterial isolates. They were most probably affiliated into genus Aeromonas, Corynebactreium, Neisseria, Bacillus, Pseudomonas dan Vibrio. Five aerobic bacterial isolates representing each genus, except Vibrio, were then inoculated and incubated in an organic waste containing bioreactor for 18-20 days to harvest biogas. Based on gas chromatographic peak, the detected gases were only O2 and N2 which were unexpected gas. Even gas H2 was not successfully detected in this study, it did not means that the isolated bacteria was not producing biogas. Several factors could probably interfered the detection, for example sensitivity limitation of the tool.
Keywords: Hydrogen, organic waste, aerobic bacteria, septic tank, chromatography gas *Corresponding Author Phone: 085649429160
1
Alamat Sekarang: Jurusan Biologi FMIPA Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya I. PENDAHULUAN
Semakin bertambahnya penduduk menyebabkan aktivitas manusia semakin meningkat. Peningkatan aktivitas ini juga
memicu peningkatan penggunaan energi dari bahan bakar minyak (BBM). Penggunaan BBM secara besar-besaran tanpa adanya pembaharuan menyebabkan kelangkaan
BBM, sehingga memicu menaikkan harga BBM. Dalam kondisi seperti ini muncul kebijakan Presiden yang berisi Peraturan Presiden Republik Indonesia Nomor 5 Tahun 2006 tentang Kebijakan Energi Nasional untuk mengembangkan sumber energi alternatif sebagai pengganti BBM (Nau et al., 2009). Energi alternatif ini diharapkan berasal dari bahan organik yang dapat diperbaharui dan ramah lingkungan. Salah satu energi tersebut adalah biogas. Salah satu contoh dari hasil biogas adalah gas hidrogen (H2). Proses produksi H2 secara biologikal telah banyak diteliti. Proses ini sebagian besar dikendalikan oleh mikroorganisme fotosintesis atau fermentasi (Daz dan Veziroglu, 2001). Bakteri fermentasi tidak menggunakan energi dari matahari untuk menghasilkan H2. Bakteri ini menghasilkan H2 dari bahan organik. Proses ini dapat dilihat pada reaksi 3 (Melis dan Melnicki, 2006).
Bioremediasi adalah proses penguraian senyawa organik kompleks yang terdapat dalam limbah menjadi senyawa yang lebih sederhana yang dilakukan oleh mikroorganisme. Bahan organik dalam limbah biasanya mengandung karbohidrat, protein, dan lemak. Molekul karbohidrat terdiri atas karbon, hidrogen, dan oksigen. Bahan organik yang terkandung dalam limbah ini dapat mencemari lingkungan apabila dalam jumlah berlebih. Oleh karena itu, perlu dilakukan pengolahan limbah serta memanfaatkannya menjadi sesuatu produk yang lebih bermanfaat seperti biogas. Salah satu cara dalam pengolahan limbah adalah pengolahan limbah secara aerob dengan memanfaatkan bakteri aerob. Bakteri aerob adalah bakteri yang membutuhkan oksigen sebagai electron acceptor terakhir dalam proses respirasinya. Respirasi adalah oksidasi bahan organik (glukosa, lemak, dan protein) menjadi karbondioksida (CO2) dan air (H2O) serta energi. Energi ini digunakan
untuk aktivitas sel seperti perkembangbiakan, pembentukan spora, pergerakan, dan biosintesa. Sedangkan bakteri anaerob fakultatif adalah bakteri yang dapat hidup dengan atau tanpa O2, akan tetapi lebih suka menggunakan O2 sebagai electron acceptor terakhir untuk respirasi secara aerob (Cappuccino and Sherman, 2001). Apabila tidak ada O2, bakteri anaerob fakultatif menghasilkan energi melalui proses fermentasi, yaitu electron donor dan electron acceptor berupa senyawa organik intermediet yang tersedia selama proses metabolisme tersebut (Madigan et al., 1997). Selama proses fermentasi selain dihasilkan asam-asam organik dan alkohol (etanol), juga dapat dihasilkan biogas, seperti CO2, H2. Produk yang dihasilkan dari proses fermentasi tergantung dari spesies bakteri dan jenis senyawa organik yang difermentasi. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengisolasi dan mengkarakterisasi serta mengetahui kemampuan bakteri aerob dari tangki septik yang berpotensi menghasilkan gas H2.
II. METODOLOGI
1. Medium Limbah Organik Padat dan Cair
Limbah padat adalah sampah pasar, dan limbah cair adalah air perendaman ikan. Limbah padat pasar sebanyak 10 gr dicampur dengan 1000 ml limbah cair pasar, dan diblender. Selanjutnya disaring untuk mendapatkan filtrat. Filtrat tersebut ditambah dengan NPK sebanyak 0,1% dan Urea 0,1% dari total volume limbah (Suyasa, 2011). Filtrat kemudian diautoclave selama 15 menit dengan suhu 121oC dan tekanan 1,5 atm. Filtrat ini kemudian disebut dengan medium limbah organik cair (LOC) untuk medium uji produksi biogas dalam bioreaktor. Selanjutnya medium limbah organik agar (LOA) adalah medium LOC yang ditambahi 1,5% agar. Medium LOA
digunakan untuk pengkulturan bakteri dalam cawan petri.
2. Isolasi dan Identifikasi Bakteri Aerob
Medium yang digunakan adalah medium Nutrien Agar (NA) dan medium LOA. Inokulum bakteri diencerkan secara bertingkat dan aseptis dari 10-1 sampai 10-10. Selanjutnya dari masing-masing pengenceran, diambil 100 µl dan diteteskan ke permukaan medium NA dalam cawan petri dan diratakan. Kultur diinkubasi pada inkubator pada suhu 37oC selama 24 jam. Koloni bakteri yang tumbuh diamati morfologi koloninya, kemudian dipindahkan ke medium baru dan kembali diinkubasi selama 24 jam dengan suhu 37oC. pemindahan koloni dilakukan sampai didapatkan isolat murni. Selanjutnya dilakukan uji karakter biokimia dari masing-masing isolat mengikuti sistem Bergey’s Manual of Determinative Bacteriology, yang meliputi uji katalase, uji kebutuhan oksigen, uji oksidase, uji fermentasi glukosa, uji ketahanan terhadap Na+.
3. Produksi Gas Hidrogen
Sebanyak 25 ml isolat bakteri diambil dan dimasukkan ke dalam Erlenmeyer yang telah berisi 250 ml medium LOC. Bioreaktor kemudian ditutup dengan rubber stopper dan diinkubasi selama 18-20 hari diatas rotary shacker. Setelah diinkubasi, komposisi gas di dalam bioreaktor dianalisis dengan menggunakan kromatografi gas (GC-7900 Techomp®).
III. HASIL DAN PEMBAHASAN Bakteri dari Sampel Tangki Septik
Dalam penelitian berhasil diisolasi dan dimurnikan 38 isolat bakteri. Berdasarkan karakter biokimia yang diujikan (Tabel 1), isolat tersebut cenderung masuk ke genus Bacillus (A2, A4, A10, A12, A13, A14, A16, A19, A20, A21, A22, A25, A27, A28, A29, A30, A31, A32, A33, A34, A37), Corynebacterium (A6 dan A24),Vibrio (A3, A5, A8, A17, A35, A36, A38), Pseudomonas (A26), Aeromonas (A11), dan Neisseria (A1, A7, A9, A15, A18, A23). Gambar 1 menunjukkan isolat bakteri yang mempunyai endospora dan yang tidak mempunyai endospora.
a b
Gambar 1. a) isolat bakteri yang mempunyai endospora (A16), b) isolat bakteri yang tidak mempunyai endospora (A24)
Tabel 1. Karakter Uji Biokimia Kode isolat Karakter Biokimia Kecenderungan genus Uji Katalase Uji Kebutuhan Oksigen Uji Oksidase Uji Fermentasi Glukosa Uji Pertahanan terhadap Na+ A1 TD + TD + TD Neisseria A2 TD + TD TD TD Bacillus A3 TD TD + + + Vibrio A4 TD + TD TD TD Bacillus A5 TD TD + + + Vibrio A6 + TD TD TD TD Corynebacterium A7 TD + TD + TD Neisseria A8 TD TD + + + Vibrio A9 TD + TD + TD Neisseria A10 TD + TD TD TD Bacillus A11 TD TD + + - Aeromonas A12 TD + TD TD TD Bacillus A13 TD + TD TD TD Bacillus A14 TD + TD TD TD Bacillus A15 TD + TD + TD Neisseria A16 TD + TD TD TD Bacillus A17 TD TD + + + Vibrio A18 TD + TD + TD Neisseria A19 TD + TD TD TD Bacillus A20 TD + TD TD TD Bacillus A21 TD + TD TD TD Bacillus A22 TD + TD TD TD Bacillus A23 TD + TD + TD Neisseria A24 + TD TD TD TD Corynebacterium A25 TD + TD TD TD Bacillus A26 TD TD + - TD Pseudomonas A27 TD + TD TD TD Bacillus A28 TD + TD TD TD Bacillus A29 TD + TD TD TD Bacillus A30 TD + TD TD TD Bacillus A31 TD + TD TD TD Bacillus A32 TD + TD TD TD Bacillus A33 TD + TD TD TD Bacillus A34 TD + TD TD TD Bacillus A35 TD TD + + + Vibrio A36 TD TD + + + Vibrio A37 TD + TD TD TD Bacillus A38 TD TD + + + Vibrio
Produksi Gas Hidrogen
Secara acak dipilih 5 isolat bakteri untuk diuji kemampuannya dalam menghasilkan gas H2. Bakteri tersebut yaitu isolat A11 (Aeromonas), A23 (Neisseria),
A24 (Corynebacterium), A26
(Pseudomonas), dan A33 (Bacillus). Kalia (2007) melaporkan bahwa Bacillus licheniformis menghasilkan H2 sebanyak 0,58 mol/mol dan Pseudomonas fluorescens 0,03 mol/mol. Vibrio tidak dipilih karena bersifat patogen yang dapat menyebabkan penyakit kolera.
Medium yang digunakan untuk produksi gas H2 adalah medium Limbah Organik Cair (LOC), akan tetapi sebelumnya isolat bakteri telah diadaptasikan terlebih dahulu dengan mengkulturnya ke medium Limbah Organik Agar (LOA). Berdasarkan perbedaan fisik antara bioreaktor isolat bakteri dengan bioreaktor kontrol negatif, terlihat bahwa pada bioreaktor kontrol negatif, medium cenderung berwarna kuning kecoklatan, serta terdapat lemak di dinding
permukaan bioreaktor yang apabila digoyang susah larut dalam medium. Sedangkan pada bioreaktor yang berisi isolat bakteri, medium cenderung berwarna merah bata dan terdapat sisa lemak pada dinding permukaan bioreaktor, namun apabila digoyang, lemak tersebut mudah larut ke dalam medium.
Gas yang terdeteksi muncul sebagai puncak (peak) dengan waktu retensi berbeda untuk setiap gas. Puncak adalah bagian dari kromatogram yang dihasilkan pada waktu gas yang keluar dari kolom mengandung komponen dari sampel. Waktu retensi adalah waktu yang diperlukan oleh suatu gas terhitung dari saat injeksi sampel sampai keluarnya puncak kromatogram (Novriliza, 2008). Isolat bakteri A11, A24 dan A26 dianalisis pada hari 18, A23 pada hari ke-19, sedangkan untuk isolat A33 dan kontrol negatif pada hari ke-20 (Gambar 2). Perbedaan waktu analisis karena adanya kendala alat kromatografi gas.
Gambar 2. Gas yang dihasilkan oleh isolat bakteri
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 K A 11 A 23 A 24 A 26 A 33 Per sen ta se g as (% ) Kode isolat
Gas pada medium LOC
oksigen nitrogen
Dari Gambar 2 terlihat bahwa tidak ada bioreaktor yang menghasilkan gas yang berpotensi sebagai gas energi alternatif seperti gas H2, kecuali hanya gas O2 dan N2 saja yang berhasil dideteksi. Besar kemungkinan bahwa keterbatasan sensitifitas alat mempengaruhi hasil deteksi tersebut. Keterbatasan ini juga bisa terlihat bahwa dari semua bioreaktor uji (selain bioreaktor kontrol negatif) tidak terdeteksi gas CO2. Sedangkan di sisi lain gas CO2 adalah gas yang pasti akan dihasilkan oleh bakteri aerob selama proses respirasi atau fermentasi.
Pada kontrol negatif, hanya terdeteksi gas N2 saja. Padahal penelitian ini adalah penelitian aerob, dimana udara pada
headspace bioreaktor pada umumnya
mengandung 78% N2 dan 21% O2 (Meckenzie et al., 1995). Selain karena keterbatasan sensitifitas alat, tidak terdeteksinya H2, mungkin karena gas tersebut tidak diproduksi karena faktor abiotiknya tidak terpenuhi. Produksi gas H2 dapat dihasilkan melalui proses fermentasi. Sedangkan terlihat bahwa pada bioreaktor A11, A23, A24, dan A26 masih terdapat gas O2, sehingga diasumsikan bahwa bakteri masih melakukan proses respirasi dan tidak melakukan proses fermentasi.
Dari Gambar 2 terlihat bahwa bioreaktor K dan A33 tidak mengandung O2. Hal ini mungkin juga terjadi karena gas O2 yang ada di dalam bioreaktor K larut dalam air atau berdifusi ke dalam medium akibat putaran ketika diinkubasi di atas rotary shacker. Gas O2 mudah larut dalam air daripada gas N2 (King and Caldwell, 1963). Sedangkan pada bioreaktor A33 selain faktor difusi, gas O2 mungkin juga digunakan oleh isolat bakteri A33 untuk respirasinya. Bacillus ada yang termasuk aerob atau anaerob fakultatif dimana kedua jenis bakteri ini mampu menggunakan gas O2 sebagai electron acceptor dalam proses respirasi (Brock, 1974).
Selanjutnya lagi jika dibandingkan dengan kontrol negatif, pada bioreaktor A23 dan A33 terjadi pengurangan gas N2. Ada dugaan bahwa isolat bakteri A23 dan A33 dapat memfiksasi gas N2. Isolat bakteri A33 cenderung masuk ke dalam genus Bacillus. Menurut Kim and Gadd (2008), Bacillus polymyxa yang merupakan bakteri pengfiksasi N2. Sedangkan isolat bakteri A26 adalah cenderung masuk ke genus Neisseria yang membutuhkan gas N2 sebagai salah satu persyaratan nutrisinya. Neisseria yang membutuhkan gas N2 adalah Neisseria meningitides (Ramos et al., 2001).
IV. KESIMPULAN
Kesimpulan yang dapat diambil dari penelitian ini adalah:
1. Penelitian ini berhasil mengisolasi 38 isolat yang berdasarkan karakter biokimianya cenderung masuk ke dalam genus Bacillus, (A2, A4, A10, A12, A13, A14, A16, A19, A20, A21, A22, A25, A27, A28, A29, A30, A31, A32, A33, A34, A37), Corynebacterium (A6 dan A24), Vibrio (A3, A5, A8, A17, A35, A36, A38), Pseudomonas (A26), Aeromonas (A11), dan Neisseria (A1, A7, A9, A15, A18, A23).
2. Gas yang terdeteksi pada bioreaktor A11, A23, A24, dan A26 adalah gas N2 dan O2, sedangkan K dan A33 hanya gas N2 saja.
V. DAFTAR PUSTAKA
Brock, T. D. 1974. Biology of Microorganism, 2nd edition. Prentice-Hall Inc :New Jersey
Das, D. and Veziroglu, T. N. 2001. Hydrogen Production by Biological Processes: a Survey of Literature. International Journal of Hydrogen Energy 26 (2001) 13-28
Kalia, V. C. 2007. Applied Microbiology: Microbial Treatment of Domestic and Industrial Wastes for Bioenergy Production. Microbial Biotechnology and Genomics, Institute of Genomics and Integrative Biology
Kim, B. H. and Gadd, G.M. 2008. Bacterial Physiology and Metabolism. Cambridge University Press : New York
King, G. B and Caldwell, W. E. 1963. College Chemistry. American Book Company : USA
Mackenzie, F., T. and Mackenzie, J., A. 1995. Our Changing Planet. Prentice-Hall Inc: New Jersey
Melis, A. and Melnicki, M. R. 2006. Integrated Biological Hidrogen Production. International Journal of Hydrogen Energy 31 (2006) 1563 – 1573
Muljadi. Agung, W., Triyoko, S., Wicaksono, E., Kurniawan, J., Rudi, W., dan Sriyono. 2005. Penurunan Kadar BOD Limbah Cair Secara Proses Biologi Dengan Tipe Rotating Biological Contactors (RBCs). Ekuilibrium Vol. 4. No. 2. Desember 2005: 52-57
Nau, Y. C., Ningsih, K. O., dan Ramdhani, H. S. 2009 Biogas Limbah Organik Sebagai Sumber Energi Alternatif. Program Kreativitas Mahasiswa, IPB: Bogor
Novriliza. 2008. Penentuan Komposisi Hidrokarbon pada LNG yang Terdapat dalam Berth II dan Berth III dengan Menggunakan Kromatografi Gas. Karya Ilmiah Universitas Sumatera Utara : Medan
Ramos, B. J., Hiss, H., Vicentin, M. A., Fossa da Paz, M., Peixoto, A., Leal, M. B. B., Sato, R. A., Vassoler, U. M., and Raw, I. 2001. Nitrogen Consumption During Batch Cultivation of Neisseria Meningitidis (Serogroup C) in Frantz Medium. Brazilian Journal of Microbiology, 32 : 305 – 310
Suyasa, B., dan Dwijanti, W. 2011. Pengaruh Penambahan Urea, Kompos Cair, Dan Campuran Kompos Dengan Gula Terhadap Kandungan BOD dan COD Pada Pengolahan Air limbah Pencelupan. ECOTROPHIC 4(1): 62-65
