TINJAUAN PUSTAKA. Gambar 1 Jaringan komunitas mikroba pendegradasi hidrokarbon minyak (Head et al. 2006). Produksi Biosurfaktan. Mineralisasi.

Transkripsi

1 TINJAUAN PUTAKA Pencemaran minyak dan Bioremediasi Hidrokarbon minyak adalah polutan utama pada lingkungan laut sebagai akibat dari limbah kilang minyak, produksi minyak lepas pantai, aktivitas pelayaran, dan tumpahan minyak akibat kecelakaan. Evaporasi dan fotooksidasi adalah cara yang umum digunakan untuk detoksifikasi minyak. Degradasi secara sempurna atau pemanfaatan senyawa yang ada dalam minyak dapat dilakukan oleh mikroflora laut dan bakteri dilaporkan merupakan mikroorganisme yang paling dominan untuk fungsi ini (Gambar 1) (Yakimov et al. 1998; Head et al. 2006). Beberapa bakteri yang dapat mendegradasi hidrokarbon adalah dari jenis Alcanivorax (Yakiminov et al. 1998), Cycloclasticus (Dyksterhouse et al. 1995), Marinobacter (Gauthier et al. 1992), Neptumonas (Hedlund et al. 1999), leiphilus (Golyshin et al. 2002) dan leispira (Yakimov et al. 2003) yang termasuk ke dalam γproteobakteria, serta dari genus Planococcus, yang merupakan bakteri gram positif (Engelhardt et al. 2001). ayangnya, degradasi alami yang dilakukan oleh bakteri terjadi dalam waktu yang cukup lambat pada lingkungan laut, dikarenakan suhu air laut yang rendah dan kurangnya sumber nitrogen dan garamgaram fosfat yang diperlukan untuk pertumbuhan bakteri yang berperan. Produksi Biosurfaktan Mineralisasi Mineral P P Degradasi minyak Penggunaan kembali nutrien enyawa antara degradasi Lisis oleh fage Protozoa pemusnah Konsumen Gambar 1 Jaringan komunitas mikroba pendegradasi hidrokarbon minyak (Head et al. 2006).

2 5 Pada dasarnya mekanisme aplikasi teknik bioremediasi terbagi 2, yaitu proses bioaugmentasi dan biostimulasi (Tabel 1). Proses bioaugmentasi adalah teknik bioremediasi yang banyak dikembangkan selama ini. Proses bioaugmentasi dilakukan dengan cara menebarkan mikroorganisme potensial dan nutrisinya langsung ke tempat terjadinya cemaran. Proses ini banyak dikembangkan untuk membersihkan tanah yang tercemar, tetapi belum banyak dikembangkan untuk lingkungan laut. elama ini diprediksi efektifitas aplikasi teknik bioremediasi dengan proses bioaugmentasi tidak tinggi. Ditambah penerimaan masyarakat terhadap proses tersebut tidak baik karena kekhawatiran penggunaan mikroorganisme asing dan menebarkannya ke lingkungan tercemar dapat memberikan efek negatif terhadap ekosistem lingkungan tersebut. Teknik bioremediasi yang banyak diharapkan dan dikembangkan akhirakhir ini adalah proses biostimulasi, yaitu penambahan nutrisi yang spesifik untuk merangsang pertumbuhan mikroorganisme yang memang telah hidup dilingkungan yang tercemar. Biostimulasi diprediksi dapat memberikan hasil yang lebih efektif dibandingkan dengan bioaugmentasi. Karena itu informasi komunitas mikroorganisme yang hidup di daerah cemaran menjadi hal yang signifikan. Kemajuan dalam bidang ilmu biologi molekular banyak membantu dalam pengungkapan komunitas mikroorganisme yang hidup di berbagai tempat. Tabel 1 Klasifikasi teknik bioremediasi Bioremediasi Definisi Keterangan Bioaugmentasi Memasukkan mikroorganisme dan nutrisi ke lingkungan Tidak efektif untuk diaplikasikan tercemar Kondisi lingkungan berpengaruh dalam proses biodegradasi Biostimulasi Memasukkan nutrisi dan aerasi ke lingkungan tercemar untuk merangsang aktivitas Lebih efektif diaplikasikan, karena mikroorganisme telah terkondisikan mikroorganisme yang telah ada elama ini hanya diaplikasikan untuk degradasi di tanah

3 6 Komposisi minyak bumi dan mikroorganisme pendegradasi minyak Untuk merancang strategi proses bioremediasi yang efisien, pertama harus diketahui komponen yang terkandung pada minyak bumi dan mikroorganisme spesifik yang hanya bisa mendegradasi senyawa minyak bumi. Pada umumnya minyak merupakan campuran komplek hidrokarbon dan senyawa organik lainnya, yang terdiri lebih dari senyawa. enyawa ini diklasifikasikan menjadi 4 kelompok besar, yaitu hidrokarbon rantai jenuh (nalkana, isoalkana, sikloalkana), senyawa aromatik, asphalten dan resin (N,,) (Gambar 2). Hidrokarbon rantai jenuh yang mengikuti struktur kimianya termasuk dalam kelompok alkana (paraffin) dan sikloalkana (napthenes) yang merupakan komponen utama minyak mentah. Aromatik hidrokarbon mempunyai satu atau lebih cincin aromatik dengan atau tanpa tersubstitusi (s) alkil. Hidrokarbon dengan lebih dari satu cincin aromatik disebut dengan polisiklik aromatik hidrokarbon (PAH), sedangkan yang tersubtitusi dikenal dengan polisiklik aromatik hidrokarbon subtitusi (PAHs). Prosentase senyawa hidrokarbon aromatik sangat melimpah dalam minyak dan batubara dan umumnya senyawasenyawa dalam kategori ini bersifat toksik karsinogenik dan mutagenik. Resin dan aspaltan berisi komponen hidrokarbon non polar, strukturnya sangat komplek dan tidak banyak diketahui (Harayama 2004). Mekanisme biodegradasi senyawa PAH di daratan telah banyak diketahui tetapi untuk lingkungan perairan dirasakan masih kurang informasinya. Untuk proses biodegradasi aspalten dan resin sangat sulit dilakukan karena resistan terhadap mikroorganisme dan dapat dilakukan dengan menggunakan biosurfaktan. Minyak Mentah Hidrokarbon NonHidrokarbon Alifatik Aromatik Naften ulfur Nitrogen ksigen Logam (25%) C 1C 50 (17%) (50%) <8% <1% <3% <100 ppm (C 6H 5) n ikloalkana H N CH Gambar 2 Komposisi minyak mentah (Head et al. 2006).

4 7 Penelitian tentang bioremediasi untuk mengatasi masalah tumpahan minyak selama ini telah banyak dilakukan di laut bagian utara yang mempunyai kondisi suhu dibawah 20 o C. Aktivitas mikroorganisme sangat dipengaruhi oleh kondisi suhu dan lingkungan. Karena itu meski teknik bioremediasi di negara maju sudah berkembang, di satu sisi sulit untuk diaplikasikan di lingkungan laut tropis dengan suhu ratarata permukaan sekitar 30 o C. Degradasi minyak oleh mikroba Hidrokarbon minyak merupakan substrat yang baik untuk mikroba dari jenis kemoorganotrof. Namun demikian sebelum digunakan sebagai sumber karbon, mikroba harus memecahnya melalui proses oksidasi. Proses oksidasi hidrokarbon tersebut melibatkan oksigen sebagai akseptor elektron (Harayama et al. 1999). Peran oksigen ini terutama terjadi pada metabolisme seluler dan berperan langsung sebagai reaktan pada proses anabolisme dan katabolisme. ksigenase ialah enzim yang berperan dalam reaksi masuknya atom oksigen ke dalam senyawa kimia. Monooksigenase mengkatalisis masuknya satu atom ke dalam senyawa organik. Molekul oksigen bergabung dengan senyawa organik dalam bentuk gugus hidroksil (H) dan satu atom oksigen lainnya membentuk molekul air (H 2 ). Aktivitas enzim monooksigenase yang mengkatalisis masuknya gugus H ke dalam senyawa organik, disebut juga enzim hidroksilase. Pada sebagian besar monooksigenase, sebagai donor elektron ialah NADH atau NADPH, meskipun dalam prosesnya penggabungan molekul oksigen direduksi oleh NADH dan NADPH. Proses degradasi hidrokarbon minyak dapat berlangsung secara aerobik (pada senyawa alifatik) dan anaerobik (beberapa hidrokarbon aromatik oleh bakteri tertentu) (Harayama et al. 1999). Pada degradasi hidrokarbon minyak alifatik rantai jenuh, bakteri mengoksidasi senyawa ini dengan reaksi enzimatik (Gambar 3). Pada tahap pertama, molekul hidrokarbon jenuh bereaksi dengan atom oksigen dengan katalis monooksigenase. Kemudian satu gugus hidroksil masuk ke dalam molekul hidrokarbon. Proses selanjutnya ialah dehidrogenase gugus hidroksil menjadi keton, kemudian dilanjutkan dengan proses karboksilasi. etelah melalui proses oksidasi, terbentuklah asetil KoA dan dapat bergabung dengan jalur metabolisme dalam sel bakteri (Van Hamme et al. 2003).

5 8 Noktana alkana monooksigenase H 1oktanol Alkil hidroperoksidase reduktase H alkahol dehidrogenase oktana hidroperoksidase 1oktanal H aldehid dehidrogenase ktanoat acilkoa sintetase KoA ktanosilkoa Gambar 3 Reaksi enzimatik degradasi senyawa hidrokarbon alkana (Van Hamme et al. 2003). Gengen yang berperan dalam degradasi alkana Pengaturan gengen pendegradasi alkana di bakteri, khususnya di Pseudomonas putida GP01 telah dilaporkan (Dinamarca et al. 2003). Gengen tersebut dikelompokkan ke dalam dua kelompok, yaitu alkbfghjkl dan alkt. Kelompok ini terdiri dari gen alkb yang mengekspresikan enzim alkana monooksigenase. Enzim ini berperan penting dalam degradasi alkana. elain itu terdapat dua protein terlarut, yaitu AlkG (rubredoksin) dan AlkT (rubredoksin reduktase). Rubredoksin reduktase berperan dalam transpor elektron dari NADH ke rubredoksin dan membran yang mengikat alkana monooksigenase (van Beilen et al. 2003). Adapun gen alkh, alkj dan alkk, masingmasing berperan dalam ekspresi enzim aldehid dehidrogenase, alkohol dehidrogenase, dan alkil KoA sintetase. Enzimenzim ini berperan dalam proses degradasi alkana seperti terlihat pada Gambar 3. Dua kelompok gen tersebut diatur oleh protein Alk. Ketika di dalam media tidak terdapat alkana, alk dengan diatur oleh promotor Palk1 terekspresi dalam tingkat yang rendah, sehingga protein Alk tidak menginduksi promotor ini. Ketika ada alkana, protein Alk mengaktifasi transkripsi promotor PalkB dan Palk2, sehingga alk terekspresi. Induksi dua promotor ini oleh adanya alkana

6 9 merupakan suatu pengendalian global (global control). Bila sel tumbuh dengan adanya kehadiran sumbersumber karbon alternatif lainnya, seperti asamasam organik (suksinat atau pirufat) maupun asamasam amino, maka Alk tidak mampu menginduksi promotor PalkB dan Palk2 (Gambar 4). Ada Alkana PalkB + Kontrol Global Alk + Palk1 Palk2 operon alk B F G H J K L T Alkana monooksigenase Rubredoksin Aldehid Alkohol Alkil KoA Protein dehidrogenase dehidrogenase sintetase Membran (?) Rubredoksin reduktase Tidak Alkana Alk Gambar 4 Pengaturan gengen pendegradasi alkana pada P. putida GP01 (Dinamarca et al. 2003). Deteksi gen alkb Gen alkb mengekspresikan enzim alkana monooksigenase. Model tiga dimensi enzim ini diusulkan mempunyai enam molekul transmembran yang membentuk sebuah kantung heksagonal. Di dalam kantung tersebut dapat terselip senyawa alkana (Gambar 5). Empat kelompok histidin (H) yang terdapat dalam molekul transmembran diduga mengikat dua atom Fe yang terdapat di sitoplasma. Pada bagian inilah merupakan sisi aktif enzim alkana monooksigenase (van Beilen et al. 2003). itoplasma W55AlkB Alkana C5C12 Periplasma 55AlkB Alkana C5C16 atau lebih panjang Gambar 5 Model tiga dimensi enzim alkana monooksigenase (van Beilen et al. 2003; Rojo et al. 2005).

7 10 Beberapa peneliti telah merancang beberapa primer untuk mendeteksi gen alkb berdasarkan sekuen basa sisi aktif enzim ini dari sejumlah bakteri (Kohno et al. 2002; Kloos et al. 2006). Diantara primer tersebut, AlkB1F/R mampu mengamplifikasi gen alkb dari beberapa bakteri (Kloos et al. 2006). Primer inilah yang digunakan dalam penelitian ini.