KEANEKARAGAMAN ARCHAEA METANOGENIK PADA PROSES FERMENTASI ANAEROB LIMBAH ORGANIK RUMAH TANGGA. Skripsi

Transkripsi

1 KEANEKARAGAMAN ARCHAEA METANOGENIK PADA PROSES FERMENTASI ANAEROB LIMBAH ORGANIK RUMAH TANGGA Skripsi Untuk memenuhi sebagian persyaratan guna memperoleh gelar Sarjana Sains Oleh: Nunung Ria Nursanti NIM. M JURUSAN BIOLOGI FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA i

2 2014 ii

3 PERNYATAAN Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi ini adalah hasil penelitian saya sendiri dan tidak terdapat karya yang pernah diajukan untuk memperoleh gelar kesarjanaan di suatu perguruan tinggi, serta tidak terdapat karya atau pendapat yang pernah ditulis atau diterbitkan oleh orang lain, kecuali secara tertulis diacu dalam naskah ini dan disebutkan dalam daftar pustaka. Apabila di kemudian hari dapat ditemukan adanya unsur penjiplakan maka gelar kesarjanaan yang telah diperoleh dapat ditinjau dan/atau dicabut. Surakarta, Januari 2014 Nunung Ria Nursanti NIM. M iii

4 KEANEKARAGAMAN ARCHAEA METANOGENIK PADA PROSES FERMENTASI ANAEROB LIMBAH ORGANIK RUMAH TANGGA NUNUNG RIA NURSANTI Jurusan Biologi, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Sebelas Maret, Surakarta. ABSTRAK Energi merupakan komponen penting dalam kehidupan manusia. Pendayagunaan energi yang tidak dapat diperbaharui secara berlebihan dapat mengakibatkan krisis energi. Untuk itu diversifikasi energi perlu dilakukan. Salah satu sumber energi alternatif adalah biogas dari limbah organik rumah tangga. Hal ini dikarenakan adanya potensi menghasilkan gas metan oleh metanogen yang tinggi pada limbah organik rumah tangga. Untuk itu penelitian mengenai keanekaragaman metanogen pada tahap fermentasi perlu dilakukan guna memaksimalkan jumlah biogas yang dihasilkan. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui keanekaragaman metanogen pada proses fermentasi anaerobik dengan metode ARDRA (Amplified Ribosomal DNA Restriction Analysis). Limbah organik rumah tangga yang telah difermentasi secara anaerob, kemudian dilakukan ekstraksi DNA, diamplifikasi gen penyandi 16S rrna dengan metode ARDRA, selanjutnya dilakukan kloning, setelah itu direstriksi menggunakan enzim MspI dan AluI dan disekuens pada pola yang berbeda. Analisis data dilakukan dengan menggunakan Indeks Shannon-Wiener (H ) dan evenness (E) untuk menggambarkan keanekaragaman metanogen dan nilai penting relatif dari tiap filotipe dalam keanekaragaman tersebut. Berdasarkan analisis menggunakan metode ARDRA 38 klon pustaka 16S rrna dari limbah organik rumah tangga didapatkan nilai keanekaragaman yang rendah berdasar indeks Shannon-Wiener yakni 0 dan tingkat keseragaman (Evenness) yang tinggi yakni 1. Berdasar hasil analisis sekuensing gen 16S rrna klon tersebut berkerabat dekat dengan Methanobrevibacter acididurans dan merupakan spesies yang mendominasi metanogen dalam limbah organik rumah tangga. Kata Kunci : Limbah organik rumah tangga, fermentasi anaerob, archaea, metanogen, ARDRA iv

5 DIVERSITY OF METHANOGENIC ARCHAEA IN ANAEROB FERMENTATION PROCESS OF HOUSEHOLD ORGANIC WASTE NUNUNG RIA NURSANTI Departement of Biology, Faculty of Mathematics and Natural Sciences, Sebelas Maret University, Surakarta ABSTRACT One of the important component for human life was energy. Over used of non-renewable energy can lead an excessive energy crisis. For that reason, the diversification of energy should be done. Biogas from household organic waste was one of an alternative energy source. It was potentialy produce methane by methanogens. In order to increase the amount of biogas produced, the study of the diversity of methanogens in the fermentation stage needs to be done. This study aims to determine the diversity of methanogens in anaerobic fermentation by ARDRA (Amplified Ribosomal DNA Restriction Analysis) method. Household organic waste was anaerobically fermented, then performed DNA extraction, used ARDRA method to amplified genes that coding 16S rrna, performed the cloning, restricted using MspI and AluI enzyme then sequenced in a different pattern. Analysis was performed using the Shannon-Wiener index (H') and evenness (E) to illustrate the diversity of methanogens and the relative importance of each filotipe in such diversity. Bases on ARDRA method, 38 positive clones of cloned 16S rrna genes from household organic waste showed that the level of diversity (Shannon-Wiener index) was low, obtain result 0 and the level of uniformity (evenness) were high with obtain result 1. Bases on sequencing analysis cloned of 16S rrna have similirity with Methanobrevibacter acididurans which was methanogenic species that dominate in household organic waste. Keywords : Household organic waste, anaerob fermentation, methanogens, archaea, ARDRA v

6 MOTTO Bismillahirrahmanirrahim... SEMANGAT!! Saat aku lelah menulis dan membaca, di atas buku-buku kuletakkan kepala. Dan saat pipiku menyentuh sampulnya, hatiku tersengat. Kewajibanku masih berjebah, bagaimana mungkin aku beristirahat Imam an-nawawi vi

7 PERSEMBAHAN Skripsi ini saya persembahkan untuk: Bapak dan Mamak tercinta atas ilmu, kepercayaan penuh, semangat, doa dan harapan yang selalu menjadi percikan api semangat Mas Nanang Sutarmanto dan Mbak Dewi Kusumowati atas nasehat, kepercayaan dan dukungannya selama ini Sahabat Bioromantika Biologi 2009 Rekan-rekan KS Bioteknologi dan KS Kepak Sayap Mereka yang tak dapat disebutkan namun keberadaannya senantiasa dalam benak dan ingatan Almamater tercinta. vii

8 KATA PENGANTAR Puji syukur kehadirat Allah Ta ala yang telah memberi limpahan rahmat dan hidayah sehingga penulis dapat menyelesaikan penelitian dan penyusunan skripsi yang berjudul Keanekaragaman Archaea Metanogenik pada Proses Fermentasi Anaerob Limbah Organik Rumah Tangga. Penyusunan skripsi ini merupakan suatu syarat untuk memperoleh gelar kesarjanaan strata 1 (S1) pada Jurusan Biologi, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Sebelas Maret Surakarta. Dalam melakukan penelitian dan penyusunan skripsi, penulis telah memperoleh saran, bantuan, dukungan, dan bimbingan dari berbagai pihak yang bermanfaat secara langsung maupun tidak langsung. Oleh karena itu, pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih kepada: 1. Bapak, Ibu, dan keluarga tercinta yang telah memberikan dukungan, semangat, kasih sayang, dan do anya untuk kelancaran studi penulis. 2. Ir. Ari Handono Ramelan, M.Sc.(Hons)., Ph.D., selaku Dekan Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Sebelas Maret Surakarta yang telah memberikan ijin penelitian untuk keperluan skripsi. 3. Dr. Agung Budiharjo, M.Si., selaku Pembimbing Akademik sekaligus Ketua Jurusan Biologi, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Sebelas Maret Surakarta yang telah memberikan ijin penelitian untuk keperluan skripsi dan telah memberikan do a terbaik bagi penulis. 4. Dr. Artini Pangastuti, M.Si., selaku dosen pembimbing I dan penguji yang telah memberikan proyek penelitian, saran dan bimbingan selama penelitian sampai selesainya penyusunan skripsi. 5. Dr. Edwi Mahajoeno, M.Si., selaku dosen pembimbing II dan penguji yang telah memberikan saran dan bimbingan selama penelitian sampai selesainya penyusunan skripsi. viii

9 6. Dr. Sunarto, M.S., selaku dosen penelaah I dan penguji yang telah memberikan proyek penelitian, saran dan masukan selama penelitian sampai selesainya penyusunan skripsi ini. 7. Dr. Ari Susilowati, M.Si., selaku dosen penelaah II dan penguji yang telah memberikan saran dan masukan selama penelitian sampai selesainya penyusunan skripsi. 8. Dosen-dosen di Jurusan Biologi, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Sebelas Maret, Surakarta yang telah mendidik dan memberikan dorongan baik moral maupun spiritual sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini. 9. Staf administrasi Jurusan Biologi serta laboran yang telah membantu kelancaran penelitian ini. 10. Majedha Hayun Alifiyanti Fatchurrohman, Hanni Tsaaqifah, dan Puput Nelasari, rekan seperjuangan proyek Metanogen, yang membersamai, membantu dan selalu memberikan semangat kepada penulis. 11. Seluruh rekan-rekan KS Bioteknologi dan KS Kepak Sayap atas kebersamaan dan semangat yang senantiasa diberikan kepada penulis selama ini. 12. Teman-teman Bioromantika 2009, Jurusan Biologi Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Sebelas Maret Surakarta atas doa dan dukungan selama masa perkuliahan serta semua pihak yang tidak dapat disebutkan satu per satu yang telah memberikan bantuannya. Penulis menyadari bahwa dalam melakukan penelitian dan penyusunan skripsi ini masih jauh dari sempurna. Oleh karena itu, masukan yang berupa saran dan kritik yang membangun dari pembaca akan sangat membantu. Semoga skripsi ini dapat bermanfaat bagi kita semua dan pihak-pihak yang terkait. Surakarta, Januari 2014 Penyusun ix

10 DAFTAR ISI Halaman HALAMAN JUDUL... i HALAMAN PERSETUJUAN... ii HALAMAN PERNYATAAN... iii ABSTRAK... iv ABSTRACT... v HALAMAN MOTTO... vi HALAMAN PERSEMBAHAN... vii KATA PENGANTAR... viii DAFTAR ISI... x DAFTAR TABEL... xiii DAFTAR GAMBAR... xiv DAFTAR LAMPIRAN... xiv DAFTAR SINGKATAN... xvi BAB I. PENDAHULUAN... 1 A. Latar Belakang Masalah... 1 B. Rumusan Masalah... 3 C. Tujuan Penelitian... 4 D. Manfaat Penelitian... 4 BAB II. LANDASAN TEORI... 5 A. Tinjauan Pustaka Sampah Organik Rumah Tangga Fermentasi Anaerob... 8 a. Hidrolisis... 8 b. Asidogenesis... 9 c. Asetogenesis d. Metanogenesis Analisis Mikroorganisme commit to.... user 13 x

11 a. Gen 16S rrna b. PCR (Polymerase Chain Reaction) c. Metode ARDRA (Amplified Ribosomal DNA Restriction Analysis) B. Kerangka Penelitian BAB III. METODE PENELITIAN A. Waktu dan Tempat Penelitian B. Alat dan Bahan Alat Bahan C. Cara Kerja Persiapan Substrat Pembuatan Biogas Pengukuran ph dan Suhu Ekstraksi DNA Sampel Amplifikasi Gen 16S rrna untuk ARDRA Trasnformasi Produk PCR Gen 16S rrna Metode ARDRA (Amplified Ribosomal DNA Restriction Analysis) Sekuensing Gen Penyandi 16S rrna D. Analisis Data BAB IV. HASIL DAN PEMBAHASAN A. Biogas dari Limbah Organik Rumah Tangga B. Amplifikasi Gen 16S rrna C. Transformasi Gen 16S rrna D. Sekuensing Gen Penyandi 16S rrna E. Analisis Keanekaragaman Achaea Metanogenik BAB V. PENUTUP A. Kesimpulan B. Saran DAFTAR PUSTAKA xi

12 LAMPIRAN RIWAYAT HIDUP PENULIS xii

13 DAFTAR TABEL Halaman Tabel 1. Kandungan Kimia Sampah Organik Rumah Tangga... 7 Tabel 2. Hasil Analisis BLASTn berdasar gen penyandi 16S rrna archaea dari proses fermentasi anaerob limbah organik rumah tangga Tabel 3. Keanekaragaman dan keseragaman komunitas archaea dari proses fermentasi anaerob limbah organik rumah tangga xiii

14 DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar 1. Skema fermentasi metana pada proses anaerobik Gambar 2. Skema Kerangka Pemikiran Gambar 3. Elektroforegram DNA archaea asal limbah organik rumah tangga hasil PCR Gambar 4. Peta vektor kloning dari ptz57r/t dan situs pemotongannya Gambar 5. Koloni biru-putih hasil kloning gen 16S rrna ke dalam E.coli JM Gambar 6. Elektroforegram amplikon insert dari hasil kloning sampel limbah organik rumah tangga Gambar 7. Elektroforegram digesti gen 16S rrna menggunakan enzim restriksi Msp1 (A) dan enzim restriksi Alu1 (B) yang keduanya menunjukkan 1 tipe potongan enzim (panjang migrasi DNA tampak sama) xiv

15 DAFTAR LAMPIRAN Halaman Lampiran 1. Gambar pembuatan biogas limbah organik rumah tangga Lampiran 2. Gambar pola restriksi dengan enzim restriksi AluI Lampiran 3. Gambar pola restriksi dengan enzim restriksi MspI Lampiran 4. Urutan produk sekuens parsial DNA archaea dari proses fermentasi anaerob limbah organik rumah tangga yang tertinggi dengan BLASTn Lampiran 5. Susunan basa nukleotida hasil sekuensing DNA archaea dari proses fermentasi anaerob limbah organik rumah tangga xv

16 DAFTAR SINGKATAN Singkatan ARDRA BLAST DNA LB LORT MCS PCR T-RFLP X-gal µm µl ml bp kb Kepanjangan Amplified Ribosomal DNA Restriction Analysis Basic Local Alignment Search Tool Deoxyribose Nucleaic Acid Luria Bertani Limbah Organik Rumah Tangga Multiple Cloning Site Polymerase Chain Reaction Terminal Restriction Fragment DNA Polymorphism 5-bromo-4-chloro-3-indolyl-beta-D-galactopyranoside Mikromolar Mikroliter Mililiter Basepair Kilo basepair xvi