TUGAS
BIOPROSES DALAM LINGKUNGAN
SIKLUS KARBON
Dosen Pengampu : Ir. Siti Syamsyiah, Ph.D.
Disusun oleh : Kelompok 4
Felix Arie Setiawan (13/353116/PTK/08954) Fitri Nur Kayati (13/357134/PTK/09260) Lucky Wahyu Nuzulia S. (13/353300/PTK/08968) Nur Indah Fajar Mukti (13/353301/PTK/08969) Reviana Inda Dwi Suyatmo (13/352705/PTK/08913)
PROGRAM MAGISTER TEKNIK PROSES
FAKULTAS TEKNIK JURUSAN TEKNIK KIMIA
UNIVERSITAS GADJAH MADA
YOGYAKARTA
SIKLUS KARBON DI ALAM
Karbon merupakan senyawa yang sangat penting keberadaannya di bumi. Manusia sangat membutuhkan senyawa ini dari mulai bahan bakar, makanan, barang sehari-hari bahkan kita sendiri terbentuk dari karbon. Dalam siklus karbon, tumbuhan mendapatkan sumber karbon dalam bentuk CO2 dari atmosfer yang kemudian digunakan dalam proses
fostosintesis. Tumbuhan tersebut kemudian menjadi sumber karbon bagi konsumen. Respirasi oleh konsumen mengembalikan CO2 ke atmosfer. Tumbuhan dan konsumen yang mati
selanjutnya mengalami biodegradasi, diuraikan oleh mikroorganisme. Pada gambar 1 dapat dilihat siklus karbon antara atmosphere, daratan dan lautan.
Siklus karbon sendiri dibagi menjadi 2 yaitu siklus lambat dan siklus cepat. Siklus lambat terjadi melalui reaksi kimia dan aktifitas tektonik; Karbon membutuhkan waktu sekitar 100 – 200 juta tahun untuk berpindah dari batuan, tanah, lautan dan atmosphere. Siklus cepat terjadi pada bentuk kehidupan organisme di bumi atau biosphere. Karbon memerankan peranan penting pada proses biologi karena sifatnya yang dapat membentuk ikatan yang besar. Pada siklus cepat bakteri (organisme) menggunakan karbon untuk menghasilkan energi maupun menghasilkan senyawa yang mengandung karbon.
SIKLUS KARBON DALAM MIKROORGANISME
Gambar 2. Siklus Karbon dalam Mikroorganisme
1. Carbon Dioxide Fixation
Carbon fixation adalah sintesis dari anorganik karbon (karbon dioksida) menjadi senyawa organik oleh mikroorganisme. Contoh carbon fixation yang paling banyak terjadi adalah fotosintesis. Diperkirakan hampir 258 milliar ton CO2/ tahun diubah menjadi senyawa organic pada proses fotosintesis. Mayoritas carbon fixation terjadi di lingkungan laut.
Autotroph merupakan mikroorganisme yang tumbuh menggunakan karbon. Contoh mikroorganisme jenis autotroph antara lain:
- Photoautotrophs yang mensintesis senyawa organic menggunakan sumber sinar matahari.
- Lithoautotrophs yang mensintesis senyawa organic menggunakan energy dari oksidasi anorganik.
Heterotrophs adalah mikroorganisme yang tumbuh menggunakan hasil fixation oleh mikroorganisme autotroph. Senyawa organic yang dikonsumsi oleh heterotroph digunakan untuk menghasilkan energy dan membangun struktur selnya.
2H2O → 4e- + 4H+ + O2
CO2 + 4e- + 4H+ → CH2O + H2O
Pada langkah pertama, air diuraikan menjadi elektron, proton, dan oksigen bebas. Air digunakan sebagai donor elektron. Langkah ini menggunakan energi sinar matahari untuk mengoksidasi air menjadi O2 yang kemudan digunakan untuk menghasilkan ATP.
ADP + Pi ATP + H2O
Dan reduktor, NADPH,
NADP+ + 2e- + 2H+ NADPH + H+
Langkah kedua atau yang disebut siklus Calvin, merupakan tahap dimana carbon fixation terjadi. Pada tahap ini ATP dan NADPH dikonsumsi untuk mengubah
karbondioksida menjadi gula berupa triase fosfat (TP). CO2 + 12 e- + 12 H+ + Pi → TP + 4 H2O
2. Fermentation and Anaerobic Respiration Respirasi
Sel hidup membutuhkan energi dari sumber luar agar dapat melakukan kerja. Energi yang tersimpan dalam molekul organik pada makanan berasal dari matahari. Energi mengalir ke dalam ekosistem sebagai cahaya dan meninggalkan ekosistem sebagai panas. Sebaliknya, unsur kimia yang penting bagi hidup di-recycled. Fotosintesis menghasilkan oksigen dan molekul organik yang digunakan oleh mitokondria sel eukariot sebagai bahan bakar dalam respirasi sel. Proses respirasi memecah bahan bakar tersebut dan menghasilkan ATP. Produk buangan respirasi yaitu CO2 dan air, merupakan bahan mentah untuk fotosintesis. Pada proses ini, akan diuraikan bagaimana sel memanen energi kimia yang tersimpan di dalam molekul organik dan menggunakannya untuk menghasilkan ATP, yaitu suatu molekul yang mengendalikan sebagian besar kerja sel. Untuk setiap satu molekul glukosa yang diurai menjadi karbon dioksida dan air melalui respirasi, sel memproduksi sekitar 38 molekul ATP. Respirasi merupakan fungsi kumulatif dari tiga tingkatan metabolisme (1) Glikolisis, (2) Siklus asam sitrat, dan (3) Fosforilasi oksidatif terdiri dari transport elektron dan chemiosmosis.
Siklus asam sitrat disebut juga siklus asam trikarboksil atau siklus Krebs. Siklus ini berfungsi sebagai pengoksidasi bahan bakar organik yang berasal dari piruvat.
Pada tingkat ketiga respirasi sel, rangkaian transport elektron menerima elektron dari produk yang telah terurai pada kedua tingkatan sebelumnya (sebagian besar melalui NADH) dan meneruskan elektronelektron ini dari satu molekul ke molekul yang lainnya. Pada akhir dari rantai transpot elektron, elektron bergabung dengan molekul oksigen dan ion hidrogen (H+) membentuk air. Energi yang dilepaskan dari tiap tahapan dalam rangkaian tersebut disimpan dalam bentuk dimana mitokondria dapat menggunakannya untuk membuat ATP. Model pembuatan ATP yang demikian disebut fosforilasi oksidatif karena dikendalikan oleh rekasi redoks dari rangkaian transport elektron.
Fermentasi Dan Respirasi Anaerob
Karena sebagian besar ATP yang dihasilkan melalui respirasi sel adalah hasil dari proses fosforilasi oksidatif, maka ATP yang dihasilkan dari respirasi aerobik bergantung pada suplai oksigen dalam sel. Tanpa adanya oksigen yang bersigat elektronegatif untuk menarik elekton dari rangkaian TE (Transport Electron), fosforilasi oksidatif akan berhenti. Namun demikian, terdapat dua mekanisme umum dimana sel-sel tertentu mampu mengoksidasi bahan bakar organik (materi organik) dan menghasilkan ATP tanpa menggunakan oksigen yaitu: respirasi anaerobik dan fermentasi. Perbedaan dari keduanya terletak pada ada tidaknya rangkaian TE.
Anaerobik respirasi berlangsung pada organisme prokariot yang hidup pada lingkungan tanpa oksigen. Organisme-organisme ini memiliki rangkaian TE tetapi tidak menggunakan oksigen sebagai penangkap elektron terakhir pada akhir rangkaian TE. Oksigen mampu menangkap elektron dengan sangat baik karena sifatnya yang elektronegatif, tetapi substansi lainpun memiliki kemampuan menangkap elektron walaupun tidak sebaik oksigen; dan substansi ini berfungsi sebagai penangkap elektron terakhir dalam respirasi anaerobik. Sebagai contoh, bakteria sulfat menggunakan ion sulfate (SO42-) pada akhir rangkaian TE. Rangkaian TE membentuk proton-motive force
yang digunakan untuk menghasilkan ATP dan sebagai by-product-nya dihasilkan H2S (bukan H2O).
3. Methanogenesis and Methanogenic Archaea
Methanococcus. Tahap ini mengubah asam-asam lemak rantai pendek menjadi H2, CO2,
dan asetat. Asetat akan mengalami dekarboksilasi dan reduksi CO2, kemudian
bersama-sama dengan H2 dan CO2 menghasilkan produk akhir, yaitu metan (CH4) dan
karbondioksida (CO2).
3 Jalur metanogenesis:
Acetoclastic
Metana terbentuk melalui jalur asam asetat. Bakteri yang terlibat adalah bakteri asetoklastik yang bersimbiosis dengan bakteri pembentuk asam, mengubah asam asetat sehingga pH sistem dapat dikontrol. Dobling time bakteri ini adalah 2-3 hari pada kondisi optimum. Reaksinya adalah:
CH3COOH → CH4 + CO2
Hydrogenotrophic
Metana yang terbentuk melalui jalur CO2 dan H2. Bakteri ini memiliki waktu
pertumbuhan yang cepat dengan doubling time adalah 6 jam. Bakteri ini sensitif dengan pH, dimana pada daerah pH diluar 6,7 – 7,4 pertumbuhanya akan terhambat. Hidrogen dalam sistem dipengaruhi oleh kecepatan produksi asam (bakteri pembentuk asam). Jika konsentrasi hidrogen tinggi, pengubahan asam-asam akan terhambatdan sebaliknya (Grady dkk., 1980) Reaksinya adalah
CO2 + 4 H2 → CH4 + 2 H2O
Methanogen adalah mikroba yang merupakan produsen metana dalam sistem anaerobic yang termasuk ke dalam family archea. Metanogen merupakan obligat anaerob (bakteri yang tidak dapat hidup apabila terpapar oksigen pada kondisi atmosferis). Diantaranya merupakan bakteri halofilik (bakteri yang hidup pada lingkungan dengan kadar garam tinggi), mesofilik (bakteri yang hidup di daerah suhu antara 15°- 55°C, dengan suhu optimum 25°- 40°C), terdapat juga yang ekstremofilik (suhu sangat tinggi atau sangat rendah), pH ekstrim.
Metanogen memperoleh energi dengan mengubah CO2, H2, format, metanol,
asetat, dan komponen lainnya menjadi metana atau metana dan CO2. Yang termasuk
metanogen adalah Methanobacter, Methanococci, dan Methanomicrobia. Methanogen pengguna H2 berperan penting dalam mempertahankan tingkat kerendahan H2 di
Gambar 3. Sumber Methanogen Bacteria
4. Methane Oxidation and Methylotrophic Bacteria
Methylotrophs Bacteria adalah mikroorganisme menggunakan satu karbon untuk pertumbuhan, misalnya methane, methanol, dimethyl ether, dan dimethylamine
(bukan ikatan karbon-karbon). Methane oxidation bacteria termasuk di dalam methanotrophs atau methanophiles yaitu prokariot yang menggunakan methane sebagai satu-satunya sumber karbon dan energi, secara aerobic maupun anaerobic. Oksidasi metane secara anaerob, umumnya terjadi di anoxic marine sediment. Anaerobic methanothrophs lebih dekat dengan bakteri methanogens, yaitu Ordo Methanosarcinales.
Methane Oxidizing Bacteria menggunakan metana sebagai sumber karbon dan sumber energi serta oksigen sebagai elektron aseptor sehingga metana akan dioksidasi menjadi formaldehid. Kemampuan bakteri methanotrophic untuk mengoksidasi gas metana diatur oleh dua enzim yakni methane monooksigenase (MMO) dan methanol dehidrogenase (MDH).
yang termasuk kedalam MOB tipe II adalah strain anggota spesies Methylosinus trichosporium, dan yang termasuk ke dalam MOB tipe X adalah strain anggota spesies Methylococcus capsulatus. Bakteri methanotrophic yang termasuk Tipe I menggunakan ribulosa monofosfat (RuMP) sebagai jalur metabolisme utama dalam asimilasi formaldehid, tipe II menggunakan jalur metabolisme serin dalam asimilasi formaldehid sedangkan tipe X merupakan bakteri methanotrophic yang memiliki sifat kombinasi antara bakteri methanotrophic Tipe I dan Tipe II.
KARBON DI ATMOSFER
Bagian terbesar dari karbon yang berada di atmosfer adalah CO2. Gas-gas lain yang
mengandung karbon di atmosfer adalah CH4 dan kloroflorokarbon atau CFC (CFC ini
merupakan gas artifisial atau buatan). Gas-gas tersebut adalah gas rumah kaca (greenhouse gas) yang konsentrasinya di atmosfer telah bertambah dalam dekade terakhir ini, dan berperan dalam pemanasan global (global warming). Penggunaan bahan bakar fosil merupakan sumber utama CO2. Deforestation juga berpengaruh terhadap konsentrasi CO2 di
Gambar 4. Sumber Greenhouse Gas Gambar 5. Global Greenhouse Gas Emission
Konsentrasi CO2 di atmosfer jauh lebih besar dari konsentrasi metane. Namun
demikian, heat absorption ability metane 20 kali lebih besar daripada CO2. Jika dilihat pada
reaksi methanogenesis berikut : CO2 + 4 H2 → CH4 + 2 H2O , satu mol CO2 digantikan oleh 1
mol CH4 namun net heat absorption nya bertambah.
PERAN BIOPROSES DALAM SIKLUS KARBON
Peran bioproses dalam siklus karbon adalah mengurangi emisi karbon di atmosfer.
1. Biofuels
Fermentasi menjadi etanol dilakukan oleh mikroorganisme yeast. Biofuels yang diproduksi dari edible crops disebut tradisional, atau ‘first-generation’ biofuels. Biofuels jenis ini dianggap kurang sustainable karena sumbernya dari hasil pertanian yang merupakan bahan makanan.
‘Second-’ dan ‘third-generation’ biofuels diproduksi dari non-food crops. Mikroba berperan penting dalam perkembangan biofuels jenis ini. ‘Second-’ dan ‘third-generation’ biofuels ini lebih sustainable daripada first-generation biofuels karena yields lebih tinggi, mengurangi greenhouse gas dan tidak berkompetisi dengan crops sebagai bahan makanan. Penelitian yang berkembang adalah mengenai lignocellulosic biofuels and algae.
Lignocellulosic biofuels diproduksi melalui perusakan carbohydrates (celluloses) dalam dinding sel tanaman yang kemudian fermentasi oleh yeast atau micro-organisme lain. Lignocellulosic biomass jumlahnya setengah dari total biomassa si dunia dan merupakan non-edible parts dari crops seperti stalks, chaff (sekam), sawdust and wood chip.
Algae merupakan mikroorganisme fotosintesis. Mereka menggunakan energi matahari dan CO2 untuk menghasilkan biomassa termasuk minyak yang dapat dikonversi
menjadi biodiesel. Algae-based biofuels memiliki beberapa kelebihan. Microalgae dapat menghasilkan minyak per acre 100 kali lebih banyak daripada tumbuhan lain.Selain itu, algae dapat tumbuh di tanah yang kurang baik. Perkembangan algae-based biofuels masih dalam tahap eksperimen. Produksi dalam skala besar cukup mahal, sekitar 10-30 kali lebih besar daripada biaya produksi tradisional biofuels.
.
2. Biofilters
Biofilters menggunakan mikroorganisme untuk menguraikan berbagai senyawa di udara ketika udara melewati media biofilter. Telah disebutkan di atas bahwa methane oxidizing bacteria menggunakan methane sebagai sumber karbon, sehingga bakteri ini dapat digunakan dalam proses biofilters. Prinsip biofiltration pada dasarnya adalah konversi aerobik metane menjadi CO2 dan air menggunakan methanotropic bacteria yang
ditumbuhkan dalam media biofilter. Efisiensi methane biofilter dipengaruhi oleh beberapa faktor seperti konsentrasi CH4/O2, suhu, kelembaban media, filter bed, pH, dan nutrient.
Biofiltration adalah proses yang lambat sebab kelarutan methane dalam air rendah. Residence time sekitar 5 menit – 5 jam. Pertumbuhan methanothropic bacteria berlangsung pada suhu antara 10-45oC dan pH netral sampai slightly acidic.. Compost
