ABSTRAK. EVALUASI AKUMULASI MINYAK DALAM SEL DIATOM LAUT TROPIS Thalassiosira sp. PADA KONDISI KULTUR LUAR RUANGAN

Transkripsi

1 ABSTRAK EVALUASI AKUMULASI MINYAK DALAM SEL DIATOM LAUT TROPIS Thalassiosira sp. PADA KONDISI KULTUR LUAR RUANGAN Oleh: PINTAKA KUSUMANINGTYAS NIM: (Program Studi Doktor Kimia) Mikroalga diatom laut tropis Thalassiosira sp. yang ditanam pada kondisi kultur dalam ruang mampu menghasilkan minyak (lipid netral yang berbentuk cair) yang sesuai untuk bahan baku biodiesel. Untuk menghasilkan biomassa Thalassiosira sp. dalam jumlah besar, kultivasi skala besar perlu dilakukan dengan menggunakan pupuk pertanian dan paparan sinar matahari langsung untuk fotosintesis. Namun sejauh ini, belum tersedia data mengenai nutrisi yang bersumber dari pupuk pertanian yang mengarah pada akumulasi minyak dalam sel Thalassiosira sp. yang dikultur di luar ruang. Sebagaimana diketahui bahwa kultur alga yang ditumbuhkan di luar ruangan biasanya terpapar oleh kombinasi tekanan lingkungan, yang meliputi intensitas cahaya matahari dan suhu yang tinggi, yang berpengaruh terhadap melambatnya kecepatan fotosintesis, menurunnya produktivitas biomassa, dan perubahan jalur dan aktivitas metabolisme sel yang mengakibatkan perubahan produk simpanan makanan di dalam sel, terutama minyak dan asam lemak. Oleh karena itu, penelitian ini bertujuan untuk menemukan nutrisi yang mampu mengarahkan metabolisme sel Thalassiosira sp. pada akumulasi minyak dengan produktivitas yang tinggi. Metode yang digunakan dalam penelitian ini terdiri atas 3 tahap. Pertama, melakukan evaluasi terhadap 3 jenis media pupuk pada kondisi laboratorium untuk menemukan medium pupuk yang sesuai untuk pertumbuhan sel Thalassiosira sp. Medium pupuk yang menunjukkan pertumbuhan sel terbaik dievaluasi untuk menentukan komponen nutrisi yang berperan dalam produksi biomassa dan minyak dari Thalassiosira sp. Kedua, mengevaluasi status nutrisi dari kultur Thalassiosira sp. untuk mengetahui kecukupan dari 3 makronutrisi penting (fosfat, nitrat, dan silikat) untuk pertumbuhan sel di bawah kondisi tekanan di luar ruangan. Nutrisi yang ditemukan mengalami defisiensi, dioptimasi lebih lanjut untuk mendapatkan konsentrasi nutrisi yang optimum untuk pertumbuhan dan produksi minyak di bawah kondisi tekanan cahaya di dalam ruangan. Ketiga, sel Thalassiosira sp. yang ditumbuhkan di luar ruangan dievaluasi pada berbagai kondisi cuaca dan musim untuk menentukan produktivitas minyak yang diakumulasikan di dalam sel. Tiga jenis media pupuk yang dievaluasi dalam penelitian ini, yaitu: medium P1 (pupuk urea, pupuk TSP dan pupuk Si P PG), medium P2 (pupuk NPK dan i

2 pupuk Si P PG), dan medium P3 (pupuk NPK dan natrium metasilikat). Media pupuk pertanian tersebut dikembangkan berdasarkan medium air laut diperkaya (enriched seawater, ES) yang telah dipublikasikan sebelumnya. Hasil evaluasi dari ketiga medium pupuk ini menunjukkan bahwa medium P3 mampu menghasilkan produktivitas sel paling tinggi dengan produktivitas lipid total sebesar 10,4 ± 0,9 mg L 1 h 1, yang menunjukkan bahwa medium P3 sesuai untuk pertumbuhan sel Thalassiosira sp. Evaluasi komponen nutrisi yang terkandung dalam medium P3 menunjukkan bahwa nitrat berperan dalam meningkatkan hasil biomassa, dan mineral renik berperan dalam meningkatkan kandungan lipid totalnya. Kedua komponen nutrisi tersebut juga berperan dalam meningkatkan proporsi asam lemak tak jenuh jamak (PUFA) dalam asam lemak total Thalassiosira sp. Evaluasi status nutrisi dari kultur di luar ruangan menunjukkan bahwa kultur mengalami defisiensi silikat. Oleh karena itu, optimasi konsentrasi silikat dilakukan pada kondisi kultur dalam ruangan dengan meningkatkan konsentrasi silikat dari 10 mg/l menjadi 45 dan 120 mg/l. Kultur yang ditumbuhkan dalam medium P3 dengan konsentrasi silikat yang lebih rendah (10 dan 45 mg/l) menunjukkan akumulasi minyak yang tinggi di dalam sel. Namun, kultur dalam medium dengan konsentrasi silikat 45 mg/l dapat menghasilkan biomassa yang lebih tinggi secara signifikan dibandingkan dengan kultur dalam medium dengan konsentrasi silikat 10 mg/l pada kondisi tekanan cahaya tinggi. Medium P3 dengan konsentrasi silikat 10 mg/l dapat mengarahkan metabolisme sel Thalassiosira sp. pada akumulasi PUFA yang tinggi, terutama AA, EPA dan DHA, pada kondisi tekanan cahaya tinggi, sehingga berpotensi untuk digunakan sebagai sumber asam lemak omega-3, sedangkan medium P3 dengan konsentrasi silikat 45 mg/l mengarahkan metabolisme sel Thalassiosira sp. pada akumulasi minyak dengan proporsi asam lemak jenuh (SFA) dan asam lemak tak jenuh tunggal (MUFA) yang tinggi sehingga sesuai sebagai bahan baku biodiesel. Untuk menemukan nutrisi yang mampu mengarahkan metabolisme sel Thalassiosira sp. pada akumulasi minyak dengan produktivitas yang tinggi di luar ruang, sel Thalassiosira sp. dikultur dalam media dengan sumber N berbeda (medium ES-nitrat dan ES-urea). Sel yang dikultur dalam medium dengan ESurea menunjukkan pertumbuhan sel yang lebih lambat dan kandungan klorofil yang lebih tinggi, sehingga memicu akumulasi minyak yang lebih tinggi di dalam sel. Sumber N yang berbeda juga meregulasi komposisi asam lemak di dalam sel. Kultur dalam medium ES-urea mampu mengakumulasikan minyak yang kaya PUFA, terutama AA, EPA, dan DHA, pada fase eksponensial, yang mengindikasikan bahwa biosintesis lipid di dalam sel berlangsung lebih cepat. Berbeda dengan kultur dalam medium ES-nitrat yang menunjukkan pertumbuhan sel yang lebih cepat dan DHA hanya diakumulasikan pada fase stasioner. Penemuan ini memberikan informasi mengenai sumber N yang mengarahkan metabolisme sel pada produksi biomassa dan minyak yang tinggi di luar ruangan. Selanjutnya, kombinasi kedua jenis sumber N, yaitu nitrat dan urea, dalam medium P3 dievaluasi pada kondisi luar ruangan dengan konsentrasi silikat berbeda (10 mg/l dan 45 mg.l). Sel Thalassiosira sp. yang dikultur dalam medium P3 dengan konsentrasi silikat 10 mg/l mampu mengakumulasikan minyak yang kaya PUFA, terutama AA, EPA, dan DHA, pada musim hujan ii

3 dengan produktivitas lipid total sesebar 6,6 ± 1,9 mg L 1 h 1, sedangkan pada musim kemarau, profil asam lemaknya berubah menjadi lebih jenuh dengan produktivitas lipid total yang lebih rendah, yaitu sebesar 2,2 ± 1,9 mg L 1 h 1. Sebaliknya, kultur dalam medium P3 dengan konsentrasi silikat 45 mg/l mampu menghasilkan minyak dengan komposisi asam lemak yang lebih stabil yang didominasi oleh SFA dan MUFA baik di dalam maupun di luar ruangan, dengan produktivitas lipid total yang lebih tinggi yaitu mencapai 10,86 ± 2,50 mg L 1 h 1. Meskipun demikian, minyak yang terkandung dalam lipid total dari Thalassiosira sp. yang dikultur di luar ruangan lebih tinggi daripada pada kondisi dalam ruangan, sehingga kultur di luar ruangan ini dapat menghasilkan minyak dengan produktivitas yang 1,5 kali lebih tinggi, yang mengindikasikan bahwa kultivasi Thalassiosira sp. di luar ruang memungkinkan untuk dilakukan pada skala besar guna menghasilkan minyak baik sebagai sumber asam lemak omega-3 maupun sebagai bahan baku biodiesel. Kata kunci: Thalassiosira sp., medium pupuk, akumulasi minyak, komposisi nutrisi, komposisi asam lemak. iii

4 ABSTRACT EVALUATION OF OIL ACCUMULATION IN THE TROPICAL MARINE DIATOM CELLS OF Thalassiosira sp. UNDER OUTDOOR CULTURE CONDITIONS by: PINTAKA KUSUMANINGTYAS NIM: (Doctoral Program In Chemistry) A tropical marine diatom of Thalassiosira sp. grown indoor capable of producing oil (fluid-neutral lipids) that suitable for biodiesel feedstock. To produce the huge biomass of Thalassiosira sp., the cells should be cultivated in a large scale under fertilizer-based medium and direct sunlight exposure for photosynthesis. However, so far, no published data on nutrients derived from agricultural fertilizers leading to the oil accumulation in the Thalassiosira sp. cells cultured outdoors. As known that algal cultures grown outdoors are usually exposed to a combination of environmental stress, including high sunlight intensity and temperature, that affect on lowering of photosynthesis rate, reducing of biomass productivity, and altering of pathways and activities of cells metabolism causing the changes of food reserved products, in particular oils and fatty acids. Therefore, the present study aimed to discover nutritions that are able to lead the metabolism of Thalassiosira sp. cells on the accumulation of oils with high productivity. This research methods consist of three stages. Firstly, evaluate three types of fertilizer-based media under laboratory condition to find a suitable fertilizerbased medium for the growth of Thalassiosira sp. cells. The fertilizer medium showing the best cell growth was then evaluated to determine the nutritional components that play a role in the production of biomass and oil from Thalassiosira sp. Secondly, evaluate the nutritional status of Thalassiosira sp. culture to determine the sufficiency of three important macronutrients (phosphate, nitrate, and silicate) for the cell growth under outdoor stress conditions. The nutrients found to be deficient, further optimized to get an optimum nutrient concentration for cell growth and oil production under environmental stress condition indoors. Finally, Thalassiosira sp. cells grown using optimum nutrient concentration were evaluated outdoors under various weather and season conditions to determine the productivity of oils accumulated in the cells. Three types of fertilizer-based media evaluated in this study, namely P1 medium (urea fertilizer, TSP fertilizer and Si-P-PG fertilizer), P2 medium (NPK fertilizer and Si-P-PG fertilizer), and P3 medium (NPK fertilizer and sodium metasilicate). Those fertilizer-based media were developed based on a previously published enriched seawater (ES) medium. The evaluation showed that P3 medium was able v

5 to produce the highest cell productivity with total lipid productivity of 10.4 ± 0.9 mg L 1 h 1, indicating that P3 medium was suitable for Thalassiosira sp. cells growth. The evaluation of nutritional components contained in P3 medium showed that nitrate plays a role in improving biomass yield, and trace minerals play a role in increasing the total lipid content. Both components of the nutrient also play a role in increasing the proportion of polyunsaturated fatty acids (PUFAs) in total fatty acid of Thalassiosira sp. The evaluation of nutritional status in the outdoor cultures showed that the cultures has silicate deficiency.consequently,the optimization of silicate concentration was conducted under indoors culture condition by increasing the silicate concentration from 10 mg/l to 45 and 120 mg/l. Culture grown in P3 medium with lower silicate concentration (10 and 45 mg/l) showed high oils accumulation in the cells. However, culture in medium with silicate concentration of 45 mg/l can produce significantly higher biomass than that of 10 mg/l under high light stress conditions. P3 medium with silicate concentration of 10 mg/l can lead Thalassiosira sp. cell on high PUFA accumulation, especially AA, EPA, and DHA, under high light stress conditions, so it is potentially used as a source of omega-3, whereas P3 medium with silicate concentration of 45 mg/l lead Thalassiosira sp. cells on the accumulation of oil with high saturated fatty acids (SFAs) and monounsaturated fatty acids (MUFAs) both in high and low light stress conditions, so it is suitable as biodiesel feedstock. To discover nutritions that are able to lead the metabolism of Thalassiosira sp. cells on the accumulation of oils with high productivity in outdoors, Thalassiosira sp. were cultured in media with different N source (ES-nitrat medium and ES-urea medium).the cells cultured in ES-urea medium showed slower cell growth and higher chlorophyll content, so it triggered higher oils accumulations in the cells. Different sources of N also regulate the fatty acid composition of the cells. Cultures in ES-urea medium are able to accumulate PUFA-enriched oils, especially AA, EPA, and DHA, in the exponential phase, indicating that lipid biosynthesis in the cells was faster. This contrasts to the culture in ES-nitrate medium showing faster cell growth and accumulation of DHA only in the stationary phase. This finding provided the information on N sources that can lead the cell metabolism to produce high biomass and oils outdoors. Furthermore, combination of both nitrate and urea as N source in P3 medium was evaluated under outdoors condition with different silicate concentration (10 mg/l and 45 mg/l). Thalassiosira sp. cells cultured in P3 medium with silicate concentration of 10 mg/l was capable of accumulating PUFA-enriched oils, especially AA, EPA and DHA, in rainy season with total lipids productivity of 6.6 ± 1.9 mg L -1 h -1, whereas in the dry season, the fatty acid profile changed to more saturated with lower total lipids productivity, which was 2.2 ± 1.9 mg L -1 h -1. In contrast, the culture in P3 medium with silicate concentration of 45 mg/l can produce oils with more stable fatty acids composition dominated SFA and MUFA both indoors and outdoors,with similar total lipids productivity was reaching ± 2.50 mg L -1 h -1. However, oils contained in total lipids from Thalassiosira sp. cultured outdoors was higher than that cultured indoors, so this outdoor cultures can produce oils with the productivity of 1.5 times higher, indicating that vi

6 the cultivation of Thalassiosira sp.outdoors is feasible to produce oils in a large scale either as a sources of omega-3 or as biodiesel feedstock. Keywords: Thalassiosira sp., fertilizer medium, oil accumulation, nutrient composition, fatty acids composition. vii