I. PENDAHULUAN. militer antara lain untuk komponen pembuat peluru dan rudal, tenaga nuklir untuk

Transkripsi

1 I. PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Uranium merupakan logam yang banyak digunakan dalam perlengkapan militer antara lain untuk komponen pembuat peluru dan rudal, tenaga nuklir untuk menjalankan kapal angkatan laut dan kapal selam, dan digunakan sebagai senjata nuklir. Akan tetapi penggunaan utama uranium di sektor sipil saat ini adalah untuk bahan bakar komersial pembangkit listrik tenaga nuklir yang mulai menggantikan penggunaan bahan bakar fosil sebagai pembangkit listrik (U.S. Environmental Protection Agency, 2015). Penggunaan reaktor nuklir untuk menghasilkan energi elektrik merupakan salah satu solusi masalah krisis energi. Saat ini diketahui terdapat 438 unit reaktor nuklir didunia yang digunakan sebagai sumber energi listrik oleh beberapa negara, terutama negara maju. Di Indonesia reaktor nuklir telah digunakan namun masih berupa reaktor riset yang dikelola oleh Badan Tenaga Nuklir Nasional (BATAN), diantaranya reaktor Kartini di Yogyakarta, Reaktor Triga di Bandung, dan dan Reaktor Serba Guna GA Siwasbessi di Serpong (Yan et al., 2011; Badan Tenaga Nuklir Nasional, 2015). Meningkatnya penggunaan energi nuklir menyebabkan penambangan dan pengolahan uranium serta pengoprasian fasilitas nuklir semakin banyak. Hal ini berdampak langsung pada meningkatnya jumlah limbah radioaktif berbahaya yang mencemari lingkungan. Menurut U.S. Environmental Protection Agency (2015) uranium memiliki waktu paruh yang lama dan akan tetap berada dilingkungan dalam waktu yang lama. Uranium akan terus menerus mengeluarkan radiasi selama waktu peluruhannya sehingga berpotensi menimbulkan efek 1

2 2 radiotoksik terhadap organisme dilingkungannya termasuk manusia. Agency for Toxic Substances and Disease Registry (2013) menjelaskan bahwa paparan uranium dapat menyebabkan rusaknya sel-sel tubular ginjal, merusak sistem pernafasan, sistem reproduksi dan mengganggu perkembangan organisme. Oleh karena itu diperlukan teknologi remediasi untuk mengolah limbah radioaktif yang selama ini umumnya hanya dilakukan dengan cara reduksi volume nuklida dan solidifikasi, namun pada proses ini masih menyisakan limbah uranium yang tidak dapat tereduksi sehingga diperlukan alternatif lain dengan memanfaatkan organisme untuk melakukan reduksi limbah uranium (Li & Zhang, 2012; Badan Tenaga Nuklir Nasional, 2015). Bioremediasi dengan memanfaatkan bakteri merupakan metode yang sangat efektif. Beberapa bakteri diketahui memiliki potensi untuk berinteraksi dengan uranium dan mereduksi uranium dilingkungan baik secara aerob maupun anerob, sehingga bakteri dapat diaplikasikan sebagai agen remediasi pada proses pengolahan limbah uranium dan pemulihan lingkungan yang terkontaminasi uranium (Martins et al., 2010; Chabalala & Chirwa, 2010). Terdapat beberapa interaksi antara bakteri dan uranium antara lain pengikatan spesies uranil kationik pada membran dan dinding sel melalui ligan anion, akumulasi intraselular dan ekstraseluler melalui transformasi redoks yang akan menyebabkan terjadinya perubahan mobilitas dan toksisitas uranium, dan biopresipitasi uranium melalui pengikatan dengan gugus fosforil pada dinding sel bakteri. Presipitasi memiliki keuntungan dengan menghasilkan logam yang stabil secara kimiawi dan penggunaannya tidak dibatasi hanya pada logam tereduksi (Renninger et al.,

3 3 2004; Martins et al., 2010; Choudhary & Sar 2011). Beberapa bakteri diketahui memiliki kemampuan mempresipitasi uranium, antara lain Bacillus sphaericus dan Spingomonas sp. yang dapat mempresipitasi uranium pada ph 3.0 dan 4.5 sebagai fase mineral uranium fosfat. Pada sel B. sphaericus, presipitasi U(VI) berikatan pada dinding selnya, sedangkan pada Spingomonas sp. terletak pada membran sel dan intraselular (Merroun et al., 2011). Pada proses presipitasi, keberadaan polifosfat (polyp) merupakan bagian yang penting karena menjadi sumber phosphat yang nantinya akan digunakan untuk mempresipitasi uranium oleh sel bakteri. Hal ini berdasarkan penelitian Renninger et al. (2004) yang menjelaskan bahwa lepasnya fosfat melalui hidrolisis polyp merupakan metode yang efektif untuk presipitasi uranium pada dinding maupun membran sel bakteri. Polifosfat merupakan polimer fosfat dengan panjang rantai dua hingga beberapa ratus fosfat yang disintesis dari fosfat inorganik (Pi) hasil degradasi ATP. Polifosfat dapat ditemukan hampir diseluruh mahluk hidup seperti bakteri, arkhae, fungi, protozoa, tanaman, dan hewan. PolyP berperan sebagai cadangan Pi, subtitusi ATP pada reaksi kinase, komponen pembentuk kapsul pada bakteri, buffer alkali, pengkelat mineral, menghilangkan polutan fosfat dan terlibat dalam toleransi logam dan presipitasi logam pada sel bakteri (Schroder & Muller, 1999; Kuroda & Ohtake, 2000). Enzim utama yang bertanggung jawab dalam mensintesis PolyP adalah enzim polifosfat kinase (PPK) yang menggunakan γ-pi dari ATP untuk memperpanjang polimer polyp. Enzim ini bersifat reversible yaitu dapat mentransfer γ-pi yang berasal dari ATP menjadi polyp dan dapat memutus rantai

4 4 polyp untuk membentuk ATP kembali. Enzim polifosfat kinase dikode oleh gen ppk yang umumnya terletak satu operon dengan gen ppx (exopolyphosphatase). Inaktivasi gen ppk menyebabkan aktivitas enzim PPK menurun dan bakteri tidak dapat mensintesis polifosfat dengan optimal dibandingkan dengan bakteri yang memiliki gen ppk. Akan tetapi masih ditemukan polifosfat dalam jumlah sangat sedikit pada membran bakteri yang tidak memiliki gen ppk, sehingga dimungkinkan terdapat mekanisme lain dalam proses akumulasi polifosfat namun tidak signifikan. Ekspresi gen polifosfat kinase (ppk) ini diinduksi oleh kelaparan fosfat, asam amino, dan kondisi nutrisi yang tidak seimbang. (Zago et al., 1999; Trelstad et al., 1999). Gen ppk berperan penting dalam mekanisme akumulasi polyp yang berkorelasi positif terhadap proses presipitasi uranium. Oleh karena itu penelitian mengenai gen ppk yang bertanggung jawab dalam mekanisme akumulasi polifosfat merupakan topik yang menarik untuk diteliti. Penelitian karakterisasi gen ppk telah banyak dilakukan, antara lain oleh Zago et al. (1999) yang mengisolasi gen ppk dari Pseudomonas aeruginosa, Trelstad et al. (1999) mengkarakterisasi gen ppk dari Acinetobacter sp. dan Doruk et al. (2013) yang melihat ekspresi gen ppk yang diisolasi dari Bacillus thuringiensis. Di Indonesia, karakterisasi gen ppk pada bakteri yang terdapat dalam limbah uranium belum pernah dipublikasikan sebelumnya, sehingga penelitian ini dilakukan untuk mengetahui isolat bakteri toleran uranium yang memiliki gen ppk, mengorganisasi gen tersebut agar dapat dilakukan analisis lebih lanjut mengenai regulasi gen ppk dalam proses akumulasi polifosfat untuk tujuan bioremediasi limbah uranium.

5 5 1.2 Permasalahan Berdasarkan uraian diatas dapat diidentifikasi permasalahan berikut : 1. Apakah isolat bakteri toleran uranium memiliki kemampuan dalam mengakumulasi polifosfat? 2. Apakah gen ppk dapat diamplifikasi dari isolat bakteri toleran uranium? 3. Apakah organisasi gen ppk yang diisolasi dari bakteri yang digunakan dalam penelitian ini memiliki keserupaan dengan gen ppk dari jasad lain? 1.3 Keaslian Penelitian Penelitian mengenai isolasi dan karakterisasi gen ppk yang mengkode enzim polifosfat kinase yang berperan dalam mengkatalisis akumulasi polifosfat telah banyak dilakukan oleh peneliti sebelumnya, akan tetapi umumnya gen ppk yang dikarakterisasi berasal dari bakteri di lingkungan yang tidak tercemar limbah radioaktif. Meskipun demikian telah ada beberapa penelitian mengenai karakterisasi gen ppk dari bakteri yang berasal dari limbah radioaktif namun isolat yang digunakan dalam penelitian tersebut menggunakan bakteri toleran uranium yang diisolasi diluar Indonesia. Oleh karena itu fokus utama penelitian ini adalah mengidentifikasi gen ppk pada bakteri yang diisolasi dari limbah radioaktif uranium di Indonesia dan mengkarakterisasi gen ppk secara in silico. 1.4 Tujuan Penelitian Tujuan penelitian ini adalah : 1. Mendapatkan bakteri toleran uranium yang memiliki kemampuan dalam mengakumulasi polifosfat. 2. Mengamplifikasi gen ppk dari isolat bakteri toleran uranium. 3. mengetahui organisasi gen ppk dari isolat bakteri toleran uranium.

6 6 1.5 Manfaat Penelitian a. Mendapatkan isolat bakteri lokal toleran uranium yang unggul dan mampu mengakumulasi polifosfat yang nantinya akan digunakan dalam aplikasi bioremediasi limbah uranium. b. Mengetahui organisasi gen ppk bakteri toleran uranium, sehingga dapat dilakukan rekayasa genetik untuk overexspressi gen ppk dengan tujuan memproduksi enzim polifosfat dalam jumlah yang besar untuk dimanfaatkan dalam industri.