Aerobic gas producing bacteria for organic waste bioremediation Maya SHOVITRI1), N.D. KUSWYTASARI1), Ayuk RAHMAWATI2) 1). Staf Pengajar Jurusan Biologi-FMIPA-ITS 2). Mahasiswa S1 Jurusan Biologi-FMIPA-ITS Abstrak Biogas is one potential energy alternative for replacing the used fossil energy in the future. Biogas is a byproduct gas during a bacterial bioremediation, for example septic tank bacteria produced 0.028 m3/kg biogas. This study was aimed to isolate and to characterize aerobic septic tank bacteria which were potentially for organic waste bioremediation. The isolation was performed in a Nutrient Agar medium and the characterization was followed the Bergey’s Manual of Determination Bacteriology, while the biogas was identified and measured by a gas chromatograph. This study was successfully isolated and characterized 38 aerobic bacterial isolates. They were most probably affiliated into genus Aeromonas, Corynebactreium, Neisseria, Bacillus, Pseudomonas dan Vibrio. Five aerobic bacterial isolates representing each genus, except Vibrio, were then inoculated and incubated in an organic waste containing bioreactor for 18-20 days to harvest biogas. Based on gas chromatographic peak, the detected gases were only O2 and N 2 which were unexpected gas. Even biogas was art successfully detected in this study, it did not means that the isolated bacteria was not producing biogas. Several factors could probably interfered the detection, for example limitation for standard gas and gas carrier. Keyword : biogas, organic waste, aerobic bacteria, septic tank, chromatography gas
1. Pendahuluan Kebijakan Presiden yang berisi Peraturan Presiden Republik Indonesia Nomor 5 Tahun 2006 tentang Kebijakan Energi Nasional, memicu banyak peneliti untuk mencari sumber energi alternatif sebagai pengganti BBM (Nau et al., 2009). Energi alternatif ini diharapkan berasal dari bahan organik. Bahan organik banyak terdapat dalam limbah yang berasal dari sampah, sisa-sisa makanan, kotoran hewan dan limbah industri makanan (Putro, 2007). Telah banyak dilaporkan bahwa bakteri dapat melakukan bioremediasi limbah organik untuk mendapat energi dan menghasilkan biogas sebagai produk sampingnya. Menurut Wellinger and Lindenberg (2000), komposisi biogas yang dihasilkan sangat tergantung pada jenis senyawa organik yang didegradasi. Komposisi biogas yang utama adalah gas methan (CH4), gas hidrogen (H2), dan gas nitrogen (N2) yang berpotensi sebagai sumber energi pengganti BBM (El Haq dan Soedjono, 2011). Proses bioremediasi ini relatif menguntungkan bagi lingkungan, karena dapat mengurangi penumpukkan sampah limbah organik melalui suatu metabolisme bakteri. Proses bioremediasi merupakan salah satu cara pengolahan limbah. Pengolahan limbah dapat dilakukan secara aerob dengan menggunakan bakteri aerob. Bakteri aerob, ada yang bersifat sebagai anaerob fakultatif yanga pada saat kondisi anaerob akan melakukan fermentasi dan menghasilkan biogas. Salah satu contoh adalah Bacillus licheniformis dapat menghasilkan H2 sebanyak 0,58 mol/mol dan Pseudomonas fluorescens 0,03 mol/mol (Kalia, 2007) Genus Bacillus ada yang bersifat sebagai bakteri aerob dan anerob fakultatif, sedangkan genus Pseudomonas bersifat sebagai bakteri aerob. Proses bioremediasi salah satunya terjadi di dalam tangki septik. Tangki septik adalah penampungan buangan sisa metabolisme sistem pencernaan manusia seperti urin dan feses. Sehingga diasumsikan bahwa tangki septik banyak mengandung bakteri yang mampu menggunakan bahan organik menjadi biogas. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengisolasi dan mengkarakterisasi serta mengetahui kemampuan bakteri aerob dari tangki septik yang berpotensi menghasilkan biogas. 2. Tinjauan Pustaka Bakteri yang menggunakan senyawa organik sebagai energi atau sumber karbon untuk sintesa tergolong dalam jenis bakteri heterotroph (Muljadi et al, 2005). Sedang bakteri aerob adalah bakteri yang menggunakan oksigen sebagai electron acceptor dalam proses respirasi (Cappuccino dan Sherman, 2001). Bioremediasi adalah proses pemecahan senyawa kompleks menjadi senyawa sederhana yang dilakukan oleh bakteri. Salah satu produk sampingan dari proses bioremediasi adalah biogas. Komposisi biogas yang utama adalah gas methan (CH4) dan gas karbon dioksida (CO2) dengan sedikit hidrogen sulfida (H2S). Komponen lainnya yang ditemukan dalam kisaran konsentrasi kecil Seminar Nasional Teori dan Aplikasi Teknologi Kelautan, 15 Desember 2011
antara lain gas hidrogen (H2), gas nitrogen (N2), gas karbon monoksida (CO) dan gas oksigen (O2) (El Haq dan Soedjono, 2011). 3. Metodologi Medium Limbah Organik Padat dan Cair Limbah padat adalah sampah pasar, dan limbah cair adalah air perendaman ikan. Limbah padat pasar sebanyak 10 gr dicampur dengan 1000 ml limbah cair pasar, dan diblender. Selanjutnya disaring untuk mendapatkan filtrat. Filtrat tersebut ditambah dengan NPK sebanyak 0,1% dan Urea 0,1% dari total volume limbah (Suyasa, 2011). Filtrat kemudian diautoclave selama o 15 menit dengan suhu 121 C dan tekanan 1,5 atm. Filtrat ini kemudian disebut dengan medium limbah organik cair (LOC) untuk medium uji produksi biogas dalam bioreaktor. Selanjutnya medium limbah organik agar (LOA) adalah medium LOC yang ditambahi 1,5% agar. Medium LOA digunakan untuk pengkulturan bakteri dalam cawan petri. Isolasi dan Identifikasi Bakteri Aerob Medium yang digunakan adalah medium Nutrien Agar (NA) dan medium LOA. Inokulum -1 -10 bakteri diencerkan secara bertingkat dan aseptis dari 10 sampai 10 . Selanjutnya dari masingmasing pengenceran, diambil 100 µl dan diteteskan ke permukaan medium NA dalam cawan petri dan diratakan. Kultur diinkubasi pada inkubator pada suhu 37oC selama 24 jam. Koloni bakteri yang tumbuh diamati morfologi koloninya, kemudian dipindahkan ke medium baru dan kembali diinkubasi selama 24 jam dengan suhu 37oC. pemindahan koloni dilakukan sampai didapatkan isolat murni. Selanjutnya dilakukan uji karakter biokimia dari masing-masing isolat mengikuti sistem Bergey’s Manual of Determinative Bacteriology, yang meliputi uji katalase, uji kebutuhan oksigen, uji oksidase, uji fermentasi glukosa, uji ketahanan terhadap Na+. Produksi Biogas Sebanyak 25 ml isolat bakteri diambil dan dimasukkan ke dalam Erlenmeyer yang telah berisi 250 ml medium LOC. Bioreaktor kemudian ditutup dengan rubber stopper dan diinkubasi selama 18-20 hari diatas rotary shacker. Setelah diinkubasi, komposisi biogas di dalam bioreaktor dianalisis dengan menggunakan kromatografi gas (GC-7900 Techomp®). 4. Hasil Dan pembahasan Bakteri dari Sampel Tangki Septik Dalam penelitian berhasil diisolasi dan dimurnikan 38 isolat bakteri. Berdasarkan karakter biokimia yang diujikan (Tabel 1), isolat tersebut cenderung masuk ke genus Bacillus (A2, A4, A10, A12, A13, A14, A16, A19, A20, A21, A22, A25, A27, A28, A29, A30, A31, A32, A33, A34, A37), Corynebacterium (A6 dan A24),Vibrio (A3, A5, A8, A17, A35, A36, A38), Pseudomonas (A26), Aeromonas (A11), dan Neisseria (A1, A7, A9, A15, A18, A23). Gambar 1 menunjukkan isolat bakteri yang mempunyai endospora dan yang tidak mempunyai endospora.
a
b
Gambar 1. a) isolat bakteri yang mempunyai endospora (A16), b) isolat bakteri yang tidak mempunyai endospora (A24) Tabel 1. Karakter Uji Biokimia
Seminar Nasional Teori dan Aplikasi Teknologi Kelautan, 15 Desember 2011
Kode isolat
Karakter Biokimia
A1
TD
TD
Uji Fermentasi Glukosa +
A2
TD
+
TD
TD
TD
A3
TD
TD
+
+
+
Vibrio
A4
TD
+
TD
TD
TD
Bacillus
A5
TD
TD
+
+
+
Vibrio
TD + TD + + TD + + + + + TD + + + + + + TD + TD + + + + + + + + TD TD + TD
TD TD + TD TD + TD TD TD TD TD + TD TD TD TD TD TD TD TD + TD TD TD TD TD TD TD TD + + TD +
TD + + + TD + TD TD TD + TD + + TD TD TD TD + TD TD TD TD TD TD TD TD TD TD + + TD +
TD TD + TD TD TD TD TD TD TD + TD TD TD TD TD TD TD TD TD TD TD TD TD TD TD TD TD + + TD +
Corynebacterium Neisseria Vibrio Neisseria Bacillus Aeromonas Bacillus Bacillus Bacillus Neisseria Bacillus Vibrio Neisseria Bacillus Bacillus Bacillus Bacillus Neisseria Corynebacterium Bacillus Pseudomonas Bacillus Bacillus Bacillus Bacillus Bacillus Bacillus Bacillus Bacillus Vibrio Vibrio Bacillus Vibrio
Uji Katalase
A6 + A7 TD A8 TD A9 TD A10 TD A11 TD A12 TD A13 TD A14 TD A15 TD A16 TD A17 TD A18 TD A19 TD A20 TD A21 TD A22 TD A23 TD A24 + A25 TD A26 TD A27 TD A28 TD A29 TD A30 TD A31 TD A32 TD A33 TD A34 TD A35 TD A36 TD A37 TD A38 TD Keterangan: TD= tidak dilakukan
Uji Oksidase
Uji Pertahanan + terhadap Na TD
Kecenderungan genus
Uji Kebutuhan Oksigen +
Neisseria Bacillus
Produksi Biogas Secara acak dipilih 5 isolat bakteri untuk diuji kemampuannya menghasilkan biogas, yaitu isolat A11 (Aeromonas), A23 (Neisseria), A24 (Corynebacterium), A26 (Pseudomonas), dan A33 (Bacillus). Pseudomonas dan Bacillus sudah pernah dilaporkan sebagai bakteri yang menghasilkan biogas (Kalia, 2007). Vibrio tidak dipilih karena bersifat pathogen yang dapat menyebabkan penyakit kolera. Berdasarkan perbedaan fisik antara bioreaktor isolat bakteri dengan bioreaktor kontrol negatif, terlihat bahwa pada bioreaktor kontrol negatif, medium cenderung berwarna kuning kecoklatan, serta terdapat lemak di dinding bioreaktor yang apabila digoyang susah larut dalam Seminar Nasional Teori dan Aplikasi Teknologi Kelautan, 15 Desember 2011
persentase biogas
medium. Sedangkan pada bioreaktor yang berisi isolat bakteri, medium cenderung berwarna merah bata dan terdapat sisa lemak pada dinding permukaan bioreaktor, namun apabila digoyang, lemak tersebut mudah larut kembali ke dalam medium.
Biogas pada medium LOC
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
oksigen nitrogen
K
A 11
A 23
A 24
A 26
A 33
Kode isolat
Gambar 2. Hasil Gas yang terdeteksi
Tidak satupun bioreaktor yang menghasilkan gas yang berpotensi sebagai gas energi alternatif, kecuali gas N2 dan O2. Ada beberapa faktor yang menyebabkan hal tersebut, yaitu antara lain: 1. Gas H2 tidak terdeteksi karena gas H2 tidak diproduksi karena faktor abiotiknya tidak terpenuhi, seperti O2. Dari Gambar 2 terlihat bahwa bioreaktor masih terdapat gas O2, sehingga diasumsikan bahwa bakteri masih melakukan proses respirasi dan tidak melakukan proses fermentasi untuk menghasilkan gas H2 . 2. Keterbatasan sensitifitas alat kromatografi gas. Ini dapat dilihat bahwa pada semua bireaktor uji (kecuali control negatif) tidak terdeteksi gas CO2. Melihat bahwa isolat adalah bakteri yang bersifat aerob dan anaerob fakultatif yang dapat melakukan kedua proses respirasi dan fermentasi, maka CO2 pasti akan dihasilkan melalui dua proses tersebut. Keterbatasan sensitifitas alat kromatografi gas ini juga dapat terlihat dari komposisi persentase gas N2 dan O2. Penelitian ini adalah penelitian aerob, sehingga diasumsikan headspace pada bioreaktor kontrol adalah 78,084% N2 dan 20,947% O2, sesuai dengan standar udara menurut Meckenzie (1995). Tetapi terlihat bahwa kontrol hanya mengandung 100% N2. Pada bioreaktor A23 dan A33 terlihat terjadi pengurangan N2 bila dibandingkan dengan kontrol. Ini ada dua kemungkinan, yaitu selain kesalahan deteksi, juga mungkin terjadi karena fiksasi N2 oleh isolat bakteri A23 (Neisseria) dan A33 (Bacillus). Karena Ramos et al (2001) bahwa Neisseria meningitides mampu memfiksasi N2), demikian pula Bacillus polymyxa (Kim and Gadd, 2008). 5. Kesimpulan Penelitian ini berhasil mengisolasi 38 isolat yang berdasarkan karakter biokimianya cenderung masuk ke dalam genus Bacillus. (A2, A4, A10, A12, A13, A14, A16, A19, A20, A21, A22, A25, A27, A28, A29, A30, A31, A32, A33, A34, A37), Corynebacterium (A6 dan A24), Vibrio (A3, A5, A8, A17, A35, A36, A38), Pseudomonas (A26), Aeromonas (A11), dan Neisseria (A1, A7, A9, A15, A18, A23). Tak satu pun isolate bakteri tersebut yang mampu menghasilkan biogas, keculai gas N2 dan O2 oleh isolat A11, A23, A24, dan A26, serta gas N2 saja oleh isolate A33. 6. Daftar Pustaka Seminar Nasional Teori dan Aplikasi Teknologi Kelautan, 15 Desember 2011
1) 2) 3)
4) 5) 6)
7)
8)
9)
Cappuccino, J.G. & Sherman, N, Microbiology: A Laboratory Manual, Addison Wesley, 1983. El Hag, S. P., dan Soedjono, S. E, Potensi Lumpur Tinja Manusia Sebagai Penghasil Biogas, Jurusan Teknik Lingkungan FTSP-ITS, 2011. Kalia, V. C., Applied Microbiology: Microbial Treatment of Domestic and Industrial Wastes for Bioenergy Production, Microbial Biotechnology and Genomics, Institute of Genomics and Integrative Biology, 2007 Kim, B. H. and Gadd, G.M, Bacterial Physiology and Metabolism, Cambridge University Press, 2008. Mackenzie, F., T. and Mackenzie, J., A, Our changing planet, Prentice-Hall Inc, 1995 Putro, S, Penerapan Instalasi Sederhana Pengolahan Kotoran Sapi Menjadi Energi Biogas Di Desa Sugihan Kecamatan Bendosari Kabupaten Sukoharjo, WARTA, Vol .10, No. 2, 178 – 188, 2007. Ramos, B. J., Hiss, H., Vicentin, M. A., Fossa da Paz, M., Peixoto, A., Leal, M. B. B., Sato, R. A., Vassoler, U. M., and Raw, I, Nitrogen Consumption During Batch Cultivation of Neisseria Meningitidis (Serogroup C) in Frantz Medium, Brazilian Journal of Microbiology, 32 : 305 – 310, 2001. Suyasa, B., dan Dwijanti, W, Pengaruh Penambahan Urea, Kompos Cair, Dan Campuran Kompos Dengan Gula Terhadap Kandungan BOD dan COD Pada Pengolahan Air limbah Pencelupan, ECOTROPHIC, 4(1): 62-65, 2011. Nau, Y. C., Ningsih, K. O., dan Ramdhani, H. S, Biogas Limbah Organik Sebagai Sumber Energi Alternatif, Program Kreativitas Mahasiswa, IPB Bogor, 2009.
Seminar Nasional Teori dan Aplikasi Teknologi Kelautan, 15 Desember 2011
Seminar Nasional Teori dan Aplikasi Teknologi Kelautan, 15 Desember 2011
Seminar Nasional Teori dan Aplikasi Teknologi Kelautan, 15 Desember 2011
