PRODUKSI GAS METANA RAMAH LINGKUNGAN

PRODUKSI GAS METANA RAMAH LINGKUNGAN: EKSPLORASI BAKTERI METANOGENIK UNGGUL ASAL ECENG GONDOK (EICHORNIA CRASSIPES) SEBAGAI FASE PRA-PRODUKSI

PROPOSAL PENELITIAN

Oleh

JENDRI MAMANGKEY

 

SEKOLAH PASCASARJANA

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

2015

PRODUKSI GAS METANA RAMAH LINGKUNGAN: EKSPLORASI BAKTERI METANOGENIK UNGGUL ASAL ECENG GONDOK (EICHORNIA CRASSIPES) SEBAGAI FASE PRA-PRODUKSI

Oleh: Jendri Mamangkey

ABSTRAK

            Bakteri metanogenik merupakan bakteri yang bersifat anaerobik dan kemosintetik. Bakteri ini memperoleh makanan dengan mereduksi CO₂ menggunakan H₂ menjadi metana (CH₄), biogas sebagai bahan bakar alternatif di masa mendatang. Eceng gondok selain digunakan sebagai pupuk organik bagi tanaman juga dapat dimanfaatkan sebagai produksi biogas yang merupakan energi terbarukan dengan melibatkan bakteri metanogenik. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui jenis dan karakter bakteri metanogenik unggul dari eceng gondok (Eichornia crassipes) dan mengkaji potensi bakteri metanogenik unggul sebagai biostarter produksi gas metana yang ramah lingkungan. Metode yang akan dilakukan pada penelitian ini adalah fermentasi, karakterisasi, dan identifikasi bakteri methanogenik. Pertama-tama bakteri diisolasi dari tanaman eceng gondok yang difermentasi. Eceng gondok (Eichornia crassipes) berasal dari perairan Danau Toba, provinsi Sumatera Utara. Kedua, gas metana yang diproduksi dari fermentasi dianalisis melalui gas chromatography dan bakteri dapat dikarakterisasi melalui Bergey's. Langkah yang berikutnya adalah identifikasi bakteri metanogenik dengan mengisolasi DNA, Amplifikasi DNA melalui PCR dan merangkai urutan DNA menggunakan BioEdit Sequence Alignment 7,0.

Kata kunci: bakteri metanogenik, gas metana, eceng gondok (Eichornia                                     crassipes)

ENVIRONMENTAL FRIENDLY PRODUCTION OF METHANE GAS: SUPERIOR METHANOGENIC BACTERIA EXPLORATION IN THE WATER HYACINTH (EICHORNIA CRASSIPES)

AS PREPRODUCTION PHASE

By: Jendri Mamangkey

ABSTRACT

Methanogenic bacteria are bacteria anaerobic and kemosintetic. These bacteria obtain food by reducing CO₂ using H₂ into methane (CH₄), biogas as an alternative fuel in the future. Water hyacinth is also used as an organic fertilizer for plants can also be used as the production of biogas is a renewable energy involving methanogenic bacteria. This study aims to determine the type and character of superior methanogenic bacteria from water hyacinth (Eichornia crassipes) and assess the potential for superior methanogenic bacteria as biostarter methane gas production is environmental friendly. The method of this research was fermentation, analysis characterization, and identification of methanogenic bacteria. First, methanogenic bacteria were isolated from water hyacinth (Eichornia crassipes) by fermentation. Water hyacinth (Eichornia crassipes) comes from the waters of Toba lake, North Sumatra province. Secondly, the methane produced from fermentation was analysed by gas chromatography and the bacteria can be characterized by Bergey's method. The next step is the identification which was conducted by isolating the DNA, amplifying the DNA by PCR, then sequencing the DNA with BioEdit Sequence Aligment.

Key words: Methanogenic bacteria, methane, water hyacinth (Eichornia                                    crassipes)

I.   PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

            Bakteri adalah salah satu mikroorganisme yang dapat hidup di berbagai tempat kehidupan di dunia ini. Ada yang bersifat parasit, menguntungkan bahkan sebagian besar belum diidentifikasi sehingga tidak diketahui prospek kegunaannya dalam kehidupan manusia.

            Bakteri sering dikenal atau diberi nama berdasarkan output dari produk dominan hasil metabolismenya. Demikian pula dengan bakteri metanogenik, diberi nama demikian karena menghasilkan gas metan (CH₄). Holt et al. (1994) menyatakan bahwa sudah sangat jelas bakteri metanogenik diferensiasinya berbeda dengan organisme lain, ciri khasnya adalah semua produk katabolik utamanya menghasilkan gas metan. Berdasarkan perbedaan urutan basa RNA ribosom dalam batang filogenik, bakteri metanogenik digolongkan dalam Archaebacteria (White, 2000). Bakteri metanogenik secara alami hidup di rawa-rawa, kubangan, dan sebagainya. Bakteri menghasilkan gas metana dalam keadaan anaerob, dengan menggunakan substrat asam cuka (Waluyo, 2007).

            Berbagai mikroorganisme telah lama digunakan sebagai bahan dan alat (mesin biologi) untuk memproduksi obat-obatan, pengendalian hama dan penyakit, pangan dan pakan, juga detoksifikasi dan biokonversi limbah serta digunakan dalam bioteknologi seperti rekayasa genetika. Akhir-akhir ini di berbagai negara sedang giat-giatnya dilakukan penelitian yang menggunakan mikroorganisme untuk mencari pengganti bahan bakar minyak bumi yang semakin mahal dan langka, seperti etanol yang diproduksi oleh Amerika dan Brasil (Mimura, 2000).

            Bakteri metanogenik memegang peranan penting dalam produksi biogas (natural gas) karena sebagian besar gas yang terkandung di dalamnya adalah metan (60-80%). Gas ini berbau spesifik, tidak berwarna dan mudah terbakar (EREC, 2002). Biogas terjadi dari hasil perombakan/fermentasi bahan organik dalam keadaan anaerob. Semua bahan organik dapat digunakan sebagai bahan penghasil biogas, seperti sisa-sisa buangan (sampah) organik, sisa hasil pertanian, peternakan, tumbuhan air seperti eceng gondok, dan kotoran dari hewan dan manusia. Produksi gas metan dapat menjadi salah satu alternatif andalan pengganti bahan bakar non-renewable sekarang dan di masa yang akan datang (Warsito, 2000).

            Di Indonesia luas areal tanaman eceng gondok terus mengalami kenaikan persentase pertumbuhan populasi. Pada perairan yang dangkal, terutama yang berlumpur, eceng gondok tumbuh lebih baik dari pada di perairan yang dalam, hal ini erat kaitannya dengan kandungan nutrisi dalam lumpur yang lebih banyak dan lebih mudah diserap oleh tanaman dari pada di perairan dalam. Sebaliknya eceng gondok juga memberikan pengaruh terhadap perairan lingkungan sekitarnya, diantaranya adalah dapat menghambat lancarnya arus air, mempercepat proses pendangkalan karena memiliki kemampuan untuk menahan partikel-partikel yang terdapat dalam air, menyuburkan perairan dengan sampah-sampah organiknya sehingga memungkinkan tumbuhnya tanaman lain dan merupakan sarang dari berbagai vektor penyakit, seperti nyamuk. Lingkungan menjadi kurang bersih, khususnya air menjadi kotor (Kementerian Negara Lingkungan Hidup, 2009).

            Komposisi kimia eceng gondok tergantung pada kandungan unsur hara habitatnya, dan sifat daya serap tanaman tersebut. Pemanfaatan eceng gondok sebagai bahan baku biogas dikarenakan memiliki kandungan karbohidrat dan selulosa. Selulosa akan dihidrolisis menjadi glukosa oleh bakteri yang akan menghasilkan gas metan sebagai biogas. Teknologi biogas dilakukan dengan memanfaatkan kandungan bahan organik untuk pertumbuhan mikroorganisme yang potensial menghasilkan biogas. Melalui fermentasi eceng gondok memungkinkan sebagai media tumbuh atau substrat bagi berbagai kelompok mikroorganisme terutama dari golongan bakteri metanogenik.

            Berdasarkan latar belakang tersebut di atas, penelitian ini bertujuan mengisolasi, mengarakterisasi dan mengidentifikasi bakteri metanogenik unggul dari eceng gondok, serta memanfaatkannya sebagai biostarter produksi gas metan yang ramah lingkungan.

1.2. Tujuan dan Manfaat Penelitian

1.2.1 Tujuan Penelitian

Tujuan dari penelitian ini adalah:

1.      untuk mengetahui  jenis dan karakter bakteri metanogenik unggul dari eceng gondok (Eichornia crassipes)

2.      untuk mengetahui potensi bakteri metanogenik unggul sebagai biostarter produksi gas metana yang ramah lingkungan.

1.2.2 Manfaat Penelitian

Manfaat penelitian ini adalah penelitian ini diharapkan dapat memberikan manfaat dalam pengembangan ilmu bioteknologi dan mikrobiologi, khususnya untuk mengetahui bakteri metanogenik yang rnemiliki potensi sebagai biostarter produksi gas metana.

II. METODE PENELITIAN

2.1. Waktu dan Tempat

            Penelitian ini akan dilakukan pada bulan Februari 2016 sampai dengan Januari 2017 di Laboratorium Mikrobiologi, Biokimia dan Biologi Molekuler Universitas Sumatera Utara, Medan.

2.2. Jenis Penelitian

Penelitian ini bersifat eksplorasi, yaitu mengeksplorasi bakteri metanogenik unggul yang berpotensi menghasilkan gas metana selama proses fermentasi eceng gondok (Eichornia crassipes).

2.3. Sampel Penelitian

            Sampel adalah tanaman eceng gondok (Eichornia crassipes) yang diambil dari perairan Danau Toba, provinsi Sumatera Utara.

2.4. Prosedur Penelitian

            Prosedur kerja penelitian “produksi gas metana ramah lingkungan: eksplorasi bakteri metanogenik unggul dari eceng gondok (Eichornia crassipes) sebagai fase pra-produksi” sebagai berikut:

2.4.1 lsolasi Bakteri Metanogenik

            Eceng gondok diambil langsung dari perairan danau Toba di Medan, Sumatera Utara. Setelah itu seluruh bagian eceng gondok (akar, batang, dan daun) dicacah hingga berukuran kecil-kecil. Sebanyak 500 g eceng gondok (dalam berat basah) lalu diblender kemudian ditambahkan 50 mL H₂SO₄, dan 150 mL air kelapa sebagai sumber nutrisi tambahan bakteri metanogenik, dilarutkan dengan aquades steril sampai volume mencapai 500 mL. Kemudian dimasukkan kedalam fermentor, difermentasi sampai terbentuk gas. Volume gas diukur tiap hari. Adanya kandungan metan dalam gas yang terbentuk diuji dengan mengambilnya sebagian dan dibakar. Apabila terjadi nyala api, kemungkinan besar di dalamnya hidup bakteri metanogenik.

            Selanjutnya, sebagian gas yang terbentuk diambil dan diukur kuantitasnya menggunakan kromatografi gas (KG). Sumber isolat diambil dari media yang sudah menghasilkan gas metan. Sebanyak 10 ml media sumber isolat diencerkan dengan konsentrasi 10^-1, 10^-2, 10^-3, 10^-4, 10^-5, 10^-6, dan 10^-7. Kemudian ditanam dalam media Ros Bengal, selanjutnya diinkubasi dalam wadah anaerob (unaerobic jar) pada suhu 37-40°C sampai terbentuk koloni. Konsentrasi isolat yang menghasilkan koloni bakteri yang terpisah baik selanjutnya dimurnikan. Pemurnian isolat bakteri dilakukan dengan ditanam kembali dengan konsentrasi 10^-1, 10^-2, 10^-3, 10^-4, 10^-5, 10^-6, dan 10^-7dalam media Ros Bengal dan diinkubasi dalam wadah anaerobik jar pada suhu 37-40°C.

            lsolat yang terpisah baik, diisolasi, dimurnikan, dan ditanam kembali dalam media Ros Bengal dengan cara digores dan dituang. Selanjutnya, diinkubasi dalam wadah anaerob pada suhu 37-40°C. Koloni yang tumbuh dan terpisah baik selanjutnya dipakai untuk analisis karakterisasi bakteri metanogenik.

            Untuk menguji apakah koloni yang terbentuk benar-benar bakteri metanogenik, ditanam ulang dalam media substrat eceng gondok yang sudah disterilkan. Setiap koloni yang diisolasi berbeda masing-masing diencerkan dengan 10 ml  aquades steril dan dimasukkan dalam fermentor yang di dalamnya sudah berisi 1 liter substrat eceng gondok steril, demikian juga, sebagian isolat diencerkan dengan 10 ml aquades steril dan dimasukkan dalam fermentor yang di dalamnya sudah berisi 1 liter substrat eceng gondok steril. Gas yang terbentuk diukur. Sebagian dibakar untuk menguji apakah sudah terbentuk metan dan sebagian diukur kuantitasnya dengan KG. Untuk memperjelas koloni mana yang bakteri metanogenik dan pada hari ke berapa mulai terbentuk gas metan, setiap isolat difermentasi/ditanam silang. Setiap hari sebelum ditanam silang, media disterilkan. Gas yang terbentuk diukur. Sebagian dibakar untuk menguji apakah sudah terbentuk metan dan sebagian diukur kuantitasnya dengan KG.

2.4.2 Karakterisasi lsolat Bakteri Metanogenik

            Karakterisasi morfologi dan taksonomi isolat dianalisis sesuai metode Bergey's Manual of Determinative Bacteriology (Holt et al., 1994). Parameter uji adalah pewarnaan gram, pertumbuhan pada 37°C, 42°C, dan 50°C, pertumbuhan pada media NaCI 5% dan 10%, katalase, sitrat,  MR test, VP test pH <6, pH >7, indol, gas dalam glukosa, nitrat, pertumbuhan pada NA/Broth pH 6.8 dan pH 5.7, fermentasi gula: glukosa, arabinosa, manitol, xylose, hidrolysis terhadap gelatin,

kasein, dan pati, serta uji reduksi nitrat.

2.4.3 ldentifikasi Bakteri Metanogenik

            lsolasi DNA total

Sebanyak 200 ml media yang mengandung bakteri metanogenik diekstraksi dan dipurifikasi DNA kromosomnya menggunakan larutan lisozim, sodium dodesil sulfat (SDS), campuran kloroform/isoamilalkohol 24:1, Na-asetat, etanol, dan buffer TEN.

            Amplifikasi PCR

DNA kromosom total hasil ekstraksi dan purifikasi digunakan sebagai DNA templatelcetakan. Primer yang digunakan dalam penelitian ini adalah spesifik prokariot gen 16 S-rRNA, yaitu 63F (5'-GGT GGT GTM GGA TTC ACA CAR TAY GCW ACA GC-3') dan 1387R (5'-TTC ATT GCR TAG TTW GGR TAG TT-3') yang akan mengamplifikasi 1300 pasangan basa (pb) (Luton et el., 2002). Amplifikasi PCR frakmen 16 S-rRNA menggunakan mesin Gene AmpRPCR sistem 2400 (Perkin Elmer) dengan kondisi sebagai berikut: denaturasi awal selama 4 menit pada suhu 94°C, denaturasi 30 detik pada suhu 94°C, penempelan (anneling) selama 30 detik pada suhu 56°C, pemanjangan (elongasi) selama 30 detik pada suhu 70°C; sebanyak 35 siklus, kemudian diakhiri dengan penambahan

(extension) selama 10 menit pada suhu 72°C. Produk PCR divisualisasi dengan elektroforesis gel agarosa 1.2%.

            Sequencing nukleotida

Sequencing gen 16’ S-rRNA dianalisis menggunakan BioEdit Sequence Alignment 7.0 c 1997-2004 Tom Hall Isis Pharmaceuticals Inc. Analisis filogeni dengan program MEGA versi 3.1 (Kumar et al., 2001) dengan metode bootstrapped neighbor-joining 1000 kali pengulangan.

DAFTAR PUSTAKA

EREC Briefs. 2002. Methane (Biogas) from Anaerobic Digesters. Office of           Energy Efficiency and Renewable Energy. US Department of Energy.   www.eren.doe. Gov/consumerinfo/refbriefs/ab5.html (8/26/2002).

Holt, J.G., Krieg, N.R., Sneath, P.H.A., Staley, J.T., and Williams, S.T. 1994.        Bergey's Manual of Determinative Bacteriology. Ninth Ed. Philadelphia:            Lippincott Williams & Wilkins A Wolters Company.

Kementerian Lingkungan Hidup Republik Indonesia (KLH). 2009. Baku mutu air             limbah bagi usaha dan/atau kegiatan pembangkit listrik tenaga termal.   Keputusan Negara Lingkungan Hidup No. 08 Tahun 2009 Tentang Baku Mutu Air Laut. KLH. Jakarta.

Kumar, S., Tamura, K., Jakobsen, I.B., and Nei, M. 2001. Molecular evolutionary

            genetics analysis version 3.1. Pennsylvania State Univ.: lnst of Molecular    Evolutionary Genetics.

Luton, P.E., Wayne, J.M., Sharp, R.J., and Riley, P.w.-2002. The mcrA gene as an

            alternative to 16S rRNA in the phylogenetic analysis of methanogen           population. Landfill Microbiology 148: 3521 -3530.

Mimura, A. 2000. Recent advances on the microbial degrading biomass for useful

            compound production. Yamanashi University. Dept. of Applied Chemistry            and Biotechnology.

Waluyo, L. 2007. Mikrobiologi Umum. Universitas Muhammadiyah Malang,          Malang.

Warsito. 2000. Mencari sumber energi alternatif masa depan. Dari petani menjadi

            raja minyak. www.berita.iptek.com /messages/artikel (11/20/2002).

White, D. 2000. The Physiology and Biochemistry of Procaryotes. Second Ed.

            Oxford: Oxford University Press.