BIODEGRADASI MEMBRAN SELULOSA ASETAT BERPORI DARI LIMBAH KULIT NANAS MENGGUNAKAN Bacillus subtillis
ATIK ISTIQLALAH
DEPARTEMEN KIMIA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2006
ABSTRAK AT IK ISTIQLALAH. Biodegradasi Membran Selulosa Asetat Berpori dari Limbah Kulit Nenas Menggunakan Bacillus subtillis. Dibimbing oleh SRI MULIJANI dan MEGA SAFITHRI. Salah satu alternatif untuk mengatasi masalah sulit terurainya membran sintetik ialah dengan memanfaatkan limbah kulit nenas dan mengolahnya menjadi membran selulosa asetat (CA) yang dapat terbiodegradasi. Pengujian biodegradasi dilakukan dengan metode penguburan dalam tanah selama 5 minggu dan degradasi mikrobial oleh Bacillus subtillis pada membran yang telah ditentukan bobotnya selama 1, 2, 3, dan 5 minggu. Hasil degradasi ditentukan secara kualitatif menggunakan mikroskop elektron payaran (SEM) sebelum dan sesudah degradasi. Persentase penurunan bobot membran sesudah proses degradasi menggunakan B. subtillis selama 1, 2, 3, dan 5 minggu semakin meningkat, yaitu berturut-turut sebesar 3.15, 20.06, 24.59, dan 41.57%. Dengan metode penguburan dalam tanah selama 5 minggu penurunannya sebesar 50.15%. Uji Fehling membran CA sebelum didegradasi bernilai negatif, sedangkan sesudah didegradasi bernilai positif dengan intensitas yang semakin meningkat setiap minggunya. Hasil SEM membran sebelum degradasi menunjukkan permukaan membran yang relatif rata, tetapi sesudah didegradasi selama 5 minggu, baik yang menggunakan media agar -agar dengan penambahan B. subtillis maupun dengan metode penguburan dalam tanah mengalami perubahan morfologi permukaan membran, yaitu terbentuk patahan-patahan dan lubanglubang yang menunjukkan bahwa membran CA telah didegradasi dan menjadi rusak.
ABSTRACT ATIK ISTIQLALAH. Biodegradation of Porogens Cellulose Acetate Membrane from Pineapple Peel Waste with Bacillus subtillis. Supervised by SRI MULIJANI and MEGA SAFITHRI. One alternative to solve difficult degradation of synthetic membrane is by using waste of pineapple peel to synthesize cellulose acetate (CA) membrane that is biodegradable. Examination of biodegradation was carried out by burying the membrane in soil for 5 weeks and by microbial degradation of membrane which weight had been known using Bacillus subtillis for 1, 2, 3, and 5 weeks. The degradation product were examined qualitatively using scanning electron microscope (SEM) before and after degradation. The weight of membrane after degradation by B. subtillis for 1, 2, 3, and 5 weeks were decreased 3.15, 20.06, 24.59, and 41.57%, respectively whereas with burying method in soil for 5 weeks the decrease was 50.15%. Fehling test of the CA membrane was negative before degradation and positive after degradation with increasing intensity every week. The SEM result of membrane before degradation showed that the membrane surface was relatively flat whereas the surface morphology of the one degraded by B. subtillis and of the one buried in soil changed and had broken and holes indicating that the membrane had been damaged.
BIODEGRADASI MEMBRAN SELULOSA ASETAT BERPORI DARI LIMBAH KULIT NANAS MENGGUNAKAN Bacillus subtillis.
ATIK ISTIQLALAH
Skripsi sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains pada Departemen Kimia
DEPARTEMEN KIMIA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2006
Judul
: Biodegradasi Membran Selulosa Asetat Berpori dari Limbah Kulit Nenas Menggunakan Bacillus subtillis.
Nama
: Atik Istiqlalah
NIM
: G44201040
Disetujui
Pembimbing I
Pembimbing II
Dra. Sri Mulijani, M.Si NIP 131 950 978
Mega Safithri. S.Si, M.Si NIP 132 311 913
Diketahui Dekan Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Pertanian Bogor
Prof. Dr. Ir. Yonny Koesmaryono, M.S. NIP 131 473 999
Tanggal Lulus:
PRAKATA Alhamdulillahi robbil’alamin, puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT atas segala rahmat dan karunia-Nya karya ilmiah ini berhasil diselesaikan. Karya ilmiah ini berjudul “Biodegradasi Membran Selulosa Asetat Berpori dari Limbah Kulit Nanas Menggunakan Bacillus subtillis”. Penelitian ini dilaksanakan pada bulan AprilAgustus 2006 di Laboratorium Kimia Anorganik Departemen Kimia dan Laboratorium Biokimia Mikrob Departemen Biokimia, FMIPA-IPB. Dengan tulus dan kerendahan hati, penulis ingin menyampaikan terimakasih kepada Ibu Dra. Sri Mulijani, MS. dan Ibu Mega Safithri, S.Si, M.Si. selaku pembimbing yang telah berkenan memberikan bimbingan, masukan, saran, arahan, dan perhatian selama penelitian dan penulisan skripsi ini. Ucapan terimakasih kepada Program Hibah Kompetisi A2 atas bantuan dana yang diberikan. Penulis juga mengucapkan terima kasih dan rasa hormat kepada keluarga tercinta, Ayahanda dan Ibunda atas segala doa, semangat, dan kasih sayangnya. Mas Abduh, Mas Fahmy, Aa Suyanto, dan Mbak Novi untuk semangat, cinta, dan kasih sayang yang senantiasa diberikan. Ungkapan terima kasih juga disampaikan kepada rekan penelitian (Febri, Andri, Mbak Tia, Akbar, Astika, Riya, dan Nazer) atas bantuan dan kerja sama, Esti dan Peris atas bantuan dan pengajaran, serta sahabat-sahabatku tercinta (Kak Budi Arifin, Dyah, Eka, Emil, Rahma dan Dian) atas semangat, bantuan, inspirasi, doa, dan persahabatan yang indah, seluruh teman-teman Kimia-38, serta warga kosan C-8 terimakasih untuk kebersamaannya. Semoga karya ilmiah ini bermanfaat.
Bogor, Desember 2006 Atik Istiqlalah
RIWAYAT HIDUP Penulis dilahirkan di Indramayu, Jawa Barat, pada tanggal 13 Agustus 1983 dari ayah Drs. A. Syathori dan ibu Hayatinufus. Penulis merupakan putri ketiga dari tiga bersaudara. Tahun 2001 penulis lulus dari SMU Negeri 1 Krangkeng dan pada tahun yang sama lulus seleksi masuk IPB melalui jalur Undangan Seleksi Masuk IPB. Penulis memilih Program Studi Kimia, Departemen Kimia, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam. Tahun 2004 penulis melaksanakan praktik lapangan di Laboratorium Quality System (QS) PT Indofarma (Persero) Tbk, Cibitung-Bekasi. Selama mengikuti perkuliahan, penulis pernah menjadi asisten praktikum Kimia Lingkungan pada tahun 2005/2006, dan pernah mengajar privat di Lembaga Bimbingan Belajar Nurul Ilmi pada tahun 2006.
DAFTAR ISI Halaman DAFTAR TABEL .............................................................................................. viii DAFTAR GAMBAR .......................................................................................... viii DAFTAR LAMPIRAN .......................................................................................
ix
PENDAHULUAN ..............................................................................................
1
TINJAUAN PUSTAKA Biodegradasi........................................................................................... Enzim selulase ........................................................................................ Selulosa ................................................................................................. Membran ............................................................................................... Polietilena glikol (PEG) .......................................................................... Mikroskop Elektron Payaran (SEM).........................................................
1 1 2 3 3 3
BAHAN DAN METODE Alat dan Bahan ....................................................................................... Metode Penelitian ................................................................................... Pembuatan Membran Selulosa Asetat ....................................................... Peremajaan B. Subtillis............................................................................ Karakterisasi Membran Biodegradabel .....................................................
3 3 4 4 4
HASIL DAN PEMBAHASAN Biodegradasi........................................................................................... Pengukuran Bobot Membran CA ............................................................. Uji Fehling ............................................................................................. Hasil SEM Sebelum Didegradasi ............................................................ Hasil SEM Sesudah Didegradasi ..............................................................
4 5 5 6 6
SIMPULAN DAN SARAN .................................................................................
7
DAFTAR PUSTAKA .........................................................................................
8
LAMPIRAN.......................................................................................................
10
DAFTAR TABEL Halaman 1 Kisaran tekanan, pori, dan bobot molekul berbagai jenis membran ......................
3
2 Hasil uji Fehling sebelum dan sesudah proses degradasi menggunakan B. subtillis.......................................................................................................
6
3 Hasil uji Fehling sebelum dan sesudah proses degradasi menggunakan metode penguburan dalam tanah selama 5 minggu ............................................
6
DAFTAR GAMBAR Halaman 1 Mekanisme kerja kompleks enzim selulase.......................................................
2
2 Bacillus subtillis..............................................................................................
2
3 Struktur selulosa .............................................................................................
2
4 Struktur selulosa asetat .....................................................................................
2
5 Struktur poli(etilena glikol) (PEG)....................................................................
3
6 Grafik penurunan bobot membran CA sesudah proses degradasi menggunakan B. subtillis.......................................................................................................
5
7 Reaksi uji Fehling ...........................................................................................
5
8 Hasil SEM membran CA sebelum proses degradasi...........................................
6
9 Hasil SEM membran CA sesudah proses degradasi menggunakan B. subtillis dengan perbesaran 2000× ...............................................................
7
10 Hasil SEM membran CA sesudah proses degradasi menggunakan B. subtillis dengan perbesaran 3500×................................................................................
7
11 Hasil SEM membran CA sesudah proses degradasi menggunakan metode penguburan dalam tanah dengan perbesaran 2000×...........................................
7
12 Hasil SEM membran CA sesudah proses degradasi menggunakan metode penguburan dalam tanah dengan perbesaran 3500×...........................................
7
DAFTAR LAMPIRAN Halaman 1 Diagram alir penelitian .....................................................................................
11
2 Komposisi media biodegradasi..........................................................................
12
3 Gambar alat-alat yang digunakan ......................................................................
13
4 Data dan perhitungan persentase penurunan bobot membran CA sesudah proses degradasi ..................................................................................
14
PENDAHULUAN
TINJAUAN PUSTAKA
Teknologi pemisahan dengan membran menjadi bagian yang tak terpisahkan dari kehidupan manusia sekarang. Hal ini dikarenakan proses pemisahan menggunakan membran memiliki beberapa kelebihan, antara lain tidak membutuhkan energi yang besar, sederhana dalam pengop erasian, serta memiliki mutu hasil lebih baik dibandingkan dengan proses pemisahan tradisional. Keberadaan membran ini tidak hanya dimanfaatkan untuk industri pengolahan hasil pertanian, tetapi juga digunakan dalam industri lainnya seperti industri farmasi, bioindustri, pulp dan kertas, logam, dan pengolahan limbah industri. Salah satu jenis membran yang banyak digunakan adalah membran selulosa asetat (CA). Komponen dasar penyusunnya adalah selulosa. Selulosa merupakan senyawa organik yang paling banyak terdapat di alam, namun kurang begitu dimanfaatkan karena sulit dicerna oleh makhluk hidup lain khususnya manusia. Makhluk hidup kelompok ruminansia seperti sapi, domba, dan kerbau dapat mencerna selulosa karena memiliki mikroorganisme rumen yang mampu mencerna selulosa di dalam rumennya yang disebut sebagai mikroorganisme selulolitik (Sasaki et al. 1983). Selulosa dapat dihidrolisis menjadi monosakarida atau oligosakarida dengan menggunakan cara kimiawi dan hayati. Pada hidrolisis dengan cara kimiawi digunakan asam kuat sedangkan hidrolisis dengan cara hayati menggunakan enzim murni atau mikroorganisme penghasil enzim selulase (Hardjo et al. 1989). Penelitian ini dilakukan untuk melihat hidrolisis selulosa secara hayati oleh mikroorganisme selulolitik yang dapat menghasilkan enzim selulase, salah satunya adalah Bacillus subtillis. B. subtillis merupakan salah satu mikroorganisme selulolitik yang banyak terdapat di alam, khususnya di tanah dan air. Bakteri ini memiliki kemampuan untuk mendegradasi selulosa dengan menghasilkan enzim selulase (Ohrmund & Susan Elrod 2002). Penelitian ini bertujuan mencirikan biodegradasi membran selulosa asetat berporogen dari hasil fermentasi limba h kulit nanas menggunakan mikroorganisme selulolitik.
Biodegradasi Menurut Kaplan et al. (1994), proses biodegradasi terjadi karena sistem hyati (biasanya bakteri atau jamur) memutus rantai polimer melalui aktivitas enzimatis. Degradasi polimer terbagi atas tiga jenis, yaitu degradasi oleh zat kimia; degradasi fisik yang meliputi degradasi termal, mekanik, radiasi, dan fotooksidasi; dan degradasi oleh mikroorganisme seperti jamur, bakteri, serta actinomycetes. Krochta (1997) mendefinisikan bahan yang dapat terbiodegradasi sebagai bahan yang sepenuhnya terdegradasi oleh mikroorganisme dalam suatu proses pengomposan yang akan menghasilkan senyawa alami CO2, H2O, metana, dan biomassa. Secara umum terdapat dua tahapan proses biodegradasi, yaitu depolimerisasi atau pemutusan rantai dan mineralisasi. Tahap depolimerisasi merupakan tahap pemutusan rantai. Enzim yang berperan dalam tahap ini ialah enzim ekstraseluler yang dapat bertindak sebagai endoenzim (memutus secara acak ikatan dalam rantai utama suatu polimer) maupun eksoenzim (memutus rantai secara berurutan dari ujung rantai suatu polimer). Mineralisasi didefinisikan sebagai proses pengubahan fragmen oligomer yang lebih sederhana menjadi biomassa, garam dan mineral, air, dan gas seperti CO2 , CH4, dan N2. Biodegradasi dalam lingkun gan dapat dideskripsikan dengan persamaan: polimer + O 2 CO 2 + H2O + biomassa + residu Enzim Selulase Enzim adalah biokatalis yang diproduksi oleh sel hidup, yang menyebabkan reaksi biokimia spesifik mengambil bagian dalam proses metabolik dari sel. Kerja enzim sangat spesifik pada substrat dan sering kali banyak enzim bekerja sama bagi keberhasilan reaksi metabolik yang dilakukan oleh sel hidup (Sears & Walsh 1993). Menurut Coronel & Joson (1986), enzim selulase merupakan enzim kompleks dari golongan karbohidrase yang terdiri dari tiga tipe enzim yang saling berkaitan. Kelompok enzim tersebut adalah endo -ß-1,4-glukanase, ekso-ß-1,4-glukanase atau selobiohidrolase, dan ß-glukosidase. Kompleks selulase penting dalam proses biokonversi selulosa menjadi glukosa dengan menghidrolisis ikatan ß-1,4glikosidik. Gambar 1 memperlihatkan
mekanisme kerja kompleks enzim selulase (Deng,& Tabatabai 1994). Endoglukanase
Selulosa
eksoglukanase
selulosa
ß-glukosidase
selobiosa
glukosa
reaktif
Gambar 1 Mekanisme kerja kompleks enzim selulase.
Enzim selulase dihasilkan oleh mikroorganisme dari kelompok kapang, actinomycetes, fungi, dan bakteri. Bakteri penghasil enzim selulase antara lain Myxobacteriales, yang meliputi Sporocytophaga dan Cytophaga; golongan Actinomycetales , yaitu Micromonospora, Streptomyces, Thermoactimycetes, dan Thermopolyspora; serta Eubacteriales (Bacillus, Cellulomonas , Pseudomonas, Clostridium, Bacteriodes , dan Ruminococcus ) (Pelczar & Chan 1986). Faktor yang memengaruhi aktivitas enzim adalah pH, suhu, konsentrasi substrat, konsentrasi enzim, dan waktu inkubasi. Suhu meningkatkan aktivitas enzim sampai suhu optimum lalu protein enzim akan terdenaturasi dan terjadi inaktivasi. Begitu pula halnya dengan pH, pada pH optimum aktivitasnya akan maksimum sedangkan di luar pH optimum aktivitas enzim akan turun. Konsentrasi substrat dan enzim serta wakt u inkubasi yang bertambah akan meningkatkan aktivitas enzim sampai tingkat tertentu; setelah itu, aktivitasnya tetap (Sears & Walsh 1993). Bacillus subtillis Bacillus subtillis adalah bakteri berbentuk batang dengan ujung membulat, terletak sendiri-sendiri atau membentuk rantai pendek. Sifat bakteri ini adalah Gram positif, tetapi pada pertumbuhan muda dapat bersifat Gram negatif, mempunyai flagela, membentuk spora, dan tidak mempunyai kapsul seperti tampak pada Gambar 2. Bakteri ini tumbuh baik pada media sederhana seperti nutrien agar (NA). Koloni B. subtillis berwarna abuabu, tepi dan permukaannya tidak rata, terkadang berbutir-butir dengan konsistensi padat (Bergey’s et al. 1994).
Gambar 2 Bacillus subtillis. Selulosa Selulosa merupakan polimer organik yang menjadi komponen dasar dinding sel tumbuhan serta selalu berasosiasi dengan polisakarida lain seperti hemiselulosa, lignin, pektin, dan xilan (Goyskor & Eriksen 1980). Selulosa tersusun dalam bentuk fibril yang terdiri atas beberapa rantai paralel yang dihubungkan oleh ikatan hidrogen sehingga sulit diurai (Enari 1983). Struktur sebuah rantai selulosa dapat dilihat pada Gambar 3. Monomer: Glukosa
Polimer: Selulosa
Gambar 3 Struktur selulosa. Selulosa memiliki tiga gugus hidroksil per residu anhidroglukosa, sehingga dapat dilakukan reaksi-reaksi seperti est erifikasi dan eterifikasi. Salah satu bentuk esterifikasi selulosa adalah dengan menggunakan anhidrida asetat menggunakan bantuan asam sulfat sebagai katalis menghasilkan selulosa asetat (Kroschwitch 1990). Selulosa asetat berupa padatan tidak berbau, tidak beracun, tidak berasa, dan berwarna putih. Sifat dari selulosa asetat ini tidak mudah terbakar jika dibandingkan dengan selulosa nitrat (Fen gel & Wegner 1985). Struktur selulosa asetat dapat dilihat pada Gambar 4.
Gambar 4 Struktur selulosa asetat.
Selulosa asetat yang dihasilkan dapat digunakan untuk pernis, penyalut (coating), plastik cetakan (m oulding ), rayon, dan film fotografi (Brady & Clauser 1991) . Membran Membran adalah lapisan semipermeabel berupa padatan polimer tipis yang menahan pergerakan bahan tertentu (Scott & Hughes 1996). Osada & Nakagawa (1992) mendefinisikan membran sebagai lapisan semipermeabel yang tipis dan dapat digunakan untuk memisahkan dua komponen dengan cara menahan dan melewatkan komponen tertentu melalui pori-pori. Klasifikasi Membran Berdasarkan morfologinya, membran dibagi menjadi dua golongan, yaitu membran simetrik dan asimetrik. Membran asimetrik memiliki struktur pori yang tidak seragam pada kedua sisinya sedangkan struktur pori membran simetrik seragam. Berdasarkan fungsinya, membran dibedakan membran mikrofiltrasi, ultrafiltrasi, dan osmosis balik (Mulder 1996). Tabel 1 Kisaran tekanan, pori, dan bobot molekul berbagai jenis membran Kisaran Tekanan (atm)
Kisaran Pori (µm)
Bobot Molekul (g/mol)
Mikrofiltrasi
0.5–2 1.0–3
0.1–10 0.001– 0.1 0.0001– 0.001
500000
Ultrafiltrasi
Jenis Membran
Osmosis Balik
8.0–12.0
5000 50
Poli(etilena glikol) (PEG) Poli(etilena glikol) (PEG) adalah molekul sederhana dengan struktur molekul linear atau bercabang. PEG larut dalam air dan beberapa pelarut organik seperti toluena, aseton, metanol, dan metil klorida, tetapi tidak larut dalam heksana dan hidrokarbon alifatik yang sejenis (Fadillah 2003). PEG secara komersial dibuat dengan reaksi antara etilena glikol (HOCH 2CH2OH) dan sejumlah kecil katalis natrium klorida. Jumlah etilena glikol menentukan bobot molekul dari PEG. Struktur PEG ditunjukkan oleh Gambar 5. H
H
C
C
H
H
O
n
Gambar 5 Struktur PEG.
Fadillah (2003) menjelaskan bahwa interaksi antara konsentrasi PEG dengan selulosa asetat menunjukkan pengaruh yang sangat nyata terhadap ukuran p ori-pori membran. Fluks membran naik dengan bertambahnya konsentrasi PEG, dan dengan berkurangnya konsentrasi selulosa asetat. Berdasarkan penelitian Yang et al. (2001), nilai fluks membran komposit selulosakitosan semakin meningkat dengan meningkatnya konsentrasi PEG. Mikroskop Elektron Payaran (S EM) SEM merupakan alat untuk melihat benda yang sangat kecil dalam bentuk stereo dengan skala perbesaran tinggi (Rachman 2001). Gambar yang dihasilkan merupakan gambar topografi dengan segala tonjolan, lekukan, dan lubang pada permukaan. Gambar topografi diperoleh dari penangkapan elektron sekunder yang dipancarkan oleh spesimen atau bahan. Sinyal elektron sekunder yang dihasilkan ditangkap oleh detektor kemudian diteruskan ke monitor. Selanjutnya monitor akan menampilkan gambar khas yang menggambarkan struktur permukaan bahan.
BAHAN DAN METODE Alat dan Bahan Alat -alat yang digunakan dalam penelitian ini adalah SEM model JSM 5310LV, pelapis ion JICA 18-2, spektrofotometer ultraviolet (UV), laminar air flow, pemanas, autoklaf, penangas air, oven, jarum inokulasi nikrom, vorteks, shaker, petri, dan alat -alat kaca. Bahan-bahan yang digunakan diantaranya serbuk selulosa asetat yang dihasilkan dari fermentasi kulit nanas; media untuk pertumbuhan bakteri (NA) yang mengandung 3 g Beef extract, 5 g pepton, dan bacto agar 20 g/L; diklorometana; inokulum B. Subtillis; ekstrak khamir; tripton; media untuk proses biodegradasi yang berupa bacto agar, NaCl 0.9% (b/v), (KH 2PO4 ), (K2HPO4), (MgSO 4 ?7H2O), amonium nitrat (NH 4NO3), feri sulfat (FeSO 4 ?7H 2O), zink sulfat (ZnSO 4 ?7H2O), mangan sulfat (MnSO 4 ?7H2O), dan akuades. Metode Penelitian Bagan alir penelitian dapat dilihat pada Lampiran 1. Penelitian ini dilakukan dalam beberapa tahapan yaitu pembuatan membran selulosa asetat 14% (b/v) dengan PEG 10% dalam diklorometana, lalu ditentukan bobotnya, dilanjutkan dengan degradasi menggunakan B. subtillis selama 1, 2, 3, dan 5
minggu dan dengan metode penguburan dalam tanah selama 5 minggu. Kemudian dilanjutkan dengan analisis SEM membran CA sebelum dan sesudah degradasi. Pembuatan Membran Selulosa Asetat Proses pembuatan membran dilakukan dengan mencampurkan selulosa asetat hasil penelitian sebelumnya (Renaissance 2006) dengan nisbah 14% (b/v), PEG 10% (b/v) dalam diklorometana. Proses pencampuran ini menggunakan pengaduk magnet selama kurang lebih 3 jam. Pencetakan dilakukan dengan metode pembalikan fase pada lempeng kaca tipis. Membran yang telah dicetak dikering udarakan selama 1 jam, lalu direndam di dalam bak air sampai membran terlepas dengan sendirinya. Peremajaan B. subtillis Kultur murni B. subtillis diremajakan dalam media NA steril dengan metode gores, dan diinkubasi dengan suhu 37 oC selama 24 jam. B. subtillis yang telah diremajakan dimasukkan ke dalam 5 mL media Luria Bertani (LB) cair seperti yang terdapat pada Lampiran 2, lalu dikocok menggunakan shaker selama 24 jam, kemudian jumlah sel bakt eri per mL larutan diukur menggunakan spektrofotometer untuk mengetahui rapatan optis dari B. subtillis. Apabila rapatan optis bakteri telah mencapai 0.5, disentrifugasi dan pelet yang dihasilkan dicuci dengan larutan NaCl 0.9% (b/v) sebanyak dua kali aga r diperoleh suspensi bakteri yang bersih dari pengotor. Biodegradasi oleh B. subtillis (ASTM G 2267) Sebanyak 100 µL s uspensi bakteri yang telah bersih dari pengotor disebarkan merata ke dalam nutrien media agar-agar sebagai media biodegradasi (Lampiran 2) kemudian membran selulosa asetat berukuran 2 × 4 cm yang telah diketahui bobotnya diletakkan di atas media agar-agar dan di atas sampel membran itu disebarkan kembali suspensi bakteri sebanyak 100 µL sebelum diinkubasi pada suhu 37 oC dengan kelembap an relatif sebesar 85%. Proses biodegradasi dihentikan setelah minggu ke 1, 2, 3, dan 5 dengan cara mensterilkan kembali sampel dengan mencelupkannya ke dalam alkohol. Biodegradasi dengan metode burial test (penguburan) (Damayanthy 2003) Membran selulosa asetat yang telah diukur bobotnya dengan ukuran 2 × 4 cm dikubur
sedalam 10 cm di bawah tanah selama 5 minggu. Mikroorganisme yang terdapat dalam tanah akan mendegradasi membran tersebut secara alami. Untuk mengetahui membran tersebut terdegradasi disiapkan membran yang tidak diberi perlakuan sebagai standar. Uji Fehling Membran sampel sebelum dan sesudah didegradasi dilarutkan dalam diklorometana. Disiapkan 5 mL pereaksi Fehling A dan Fehling B (1:1) dalam tabung reaksi, lalu ditambahkan ke dalamnya 5 tetes larutan bahan uji, kemudian dididihkan selama 10 menit dan didinginkan. Perubahan warna yang terjadi, yaitu hijau, kuning, atau adanya endapan merah bata menunjukkan adanya glukosa yang menjadi petunjuk telah terjadi proses biodegradasi pada sampel membr an. Analisis SEM S ebelum dan S esudah Biodegradasi Sampel membran ditempelkan pada cell holder kemudian disalut emas dalam keadaan vakum selama 5 menit dengan kuat arus 5 mA menggunakan pelapis ion JICA 18-2. Setelah itu, sampel dimasukkan pada tempat sampel di dalam alat SEM dengan tegangan 20 kV. Gambar yang tampak pada monitor diamati dan dilakukan perbesaran 2000 dan 3500 kali. Gambar alat SEM dan pelapis ion dapat dilihat pada Lampiran 3.
HASIL DAN PEMBAHASAN Biodegradasi Bakteri diremajakan terlebih dahulu sebelum digunakan agar berada pada tahap pertumbuhan optimum, sehingga proses biodegradasi diharapkan berjalan maksimal. B. subtillis diremajakan dalam media NA dan diamati pertumbuhannya selama sehari semalam. Pertumbuhan B. subtillis setelah diinkubasi terlihat seperti benang yang berwarna putih menebal di permukaan media. Benang tersebut adalah hifa-hifa dari B. subtillis yang menunjukkan adanya pertumbuhan. Jumlah sel bakteri pada proses biodegradasi harus berjumlah sekitar 10 6 sel per mL. Jumlah sel bakteri dapat diketahui secara kasar melalui rapatan optis yang dapat diukur secara spektrofotometri. Pengukuran rapatan optis didasarkan pada hamburan cahaya monokromatis oleh bakteri. Karena sel memiliki ukuran yang tetap, hamburan cahaya sebanding dengan jumlah sel bakteri. Isolat
bakteri yang akan difermentasi mempunyai rapatan optis yang sebesar 0.5 yang sebanding dengan kurang lebih 106 sel bakteri. Media agar-agar yang digunakan pada proses biodegradasi membran selulosa asetat merupakan sumber nutrien bagi mikrob, tetapi tidak mengandung sumber karbon, maka mikrob menggunakan membran selulosa asetat sebagai sumber karbon. Proses tersebut menyebabkan membran rusak karena telah terjadi proses biodegradasi oleh mikrob. Pengukuran Bobot Membran CA Dari Gambar 6 terlihat bahwa persentase penurunan bobot membran CA yang didegradasi menggunakan B. subtillis mengalami peningkatan seiring dengan lamanya waktu degradasi, yaitu sebesar 3.15, 20.06, 24.59, dan 41.57% berturut-turut sesudah minggu 1, 2, 3, dan 5. Persentase penurunan bobot membran CA yang didegradasi menggunakan metode penguburan dalam tanah selama 5 minggu juga mengalami peningkatan sebesar 50.15% (Lampiran 4). Hal ini menunjukkan bahwa semakin lama waktu degradasi, semakin banyak kerusakan pada membran yang disebabkan oleh mikroorganisme, yang dapat menyebabkan berkurangnya bobot membran.
Penurunan Bobot membran CA (%)
50 40 30 20
atau selobiohidrolase, dan ß-glukosidase yang dihasilkan oleh B. subtillis bekerja dengan jalan menghidrolisis ikatan ß-1,4-glikosida pada serat selulosa menjadi monomermonomer glukosa. Endoglukanase menghidrolisis ikatan ß-1,4-glikosida pada selulosa secara acak menghasilkan glukosa, selobiosa, triosa, dan oligomer lainnya, sedangkan eksoglukanase menghidrolisis selulosa kristalin dan amorf dengan cara melepaskan unit-unit selobiosa dari ujung non-pereduksi dari rant ai selulosa menghasilkan selobiosa, yang kemudian dihidrolisis oleh ß-glukosidase meng-hasilkan glukosa (Irawadi 1990). Uji Fehling Uji Fehling membran CA sebelum proses degradasi menggunakan B. subtillis maupun dengan metode penguburan dalam tanah (Tabel 2 & 3) tidak menghasilkan endapan merah bata yang menunjukkan tidak adanya gula pereduksi atau glukosa bebas. Hal ini berarti bahwa struktur selulosa masih utuh. Namun, setelah proses degradasi menggunakan B. subtillis maupun dengan metode penguburan dalam tanah selama 5 minggu terbentuk endapan merah bata yang intensitasnya semakin meningkat seiring bersamaan lamanya waktu degradasi. Gula akan mereduksi Cu2+ yang berupa Cu (OH)2 menjadi Cu+ sebagai CuOH, selanjutnya menjadi CuO yang tidak larut, berwarna kuning atau merah. Pada saat yang bersamaan, gula pereduksi akan teroksidasi, berfragmentasi, dan ber -polimerisasi dalam larutan Fehling. Reaksi yang terjadi pada uji Fehling ialah
10
O
O
0 1
2
3
5
2+
-
R C H + 2 Cu + 5 OH
R C O- + Cu 2 O
Minggu ke-
Gambar 6 Grafik penurunan bobot (%) membran CA sesudah proses degradasi menggunakan B. subtillis. Persentase penurunan bobot membran CA yang didegradasi menggunakan metode penguburan dalam tanah lebih tinggi, karena di dalam tanah diduga terdapat berbagai mikroorganisme yang mampu merombak selulosa. Bakteri di tanah tersebut tersebar secara merata, sehingga membran yang dikubur di dalam tanah mengalami kerusakan yang merata pula. Kelompok enzim selulase yang terdiri atas endo-ß-1,4-glukanase, ekso-ß-1,4-glukanase
Gambar 7 Reaksi uji Fehling.
+ 3 H2 O
Tabel 2 Hasil uji Fehling sebelum dan sesudah proses degradasi menggunakan B. subtillis Ulangan
Sampel minggu Ke-1 Sebelum Sesudah
Sampel minggu ke-2 Sebelum Sesudah
1
- - --
+
- -- -
++
2
- - --
+
- -- -
++
Keterangan: - tidak terbentuk endapan merah bata + terbentuk endapan merah bata yag sesuai dengan intensitasnya
Tabel 3 Hasil uji Fehling sebelum dan sesudah proses degradasi m enggunakan metode penguburan dalam tanah selama 5 minggu Ulangan 1 2
Sebelum didegradasi -
Sesudah didegradasi + +
Hasil SEM Sebelum Degradasi Sebelum sampel dianalisis menggunakan SEM, terlebih dahulu dilakukan pelapisan. Pada saat pelapisan , sampel yang ditempelkan pada lempengan kuningan tidak boleh tersentuh oleh tangan. Hal ini dimaksudkan agar lipid yang ada di tangan tidak mengganggu pengamatan Di samping itu, pada saat m enempelkan sampel tidak boleh ditekan terlalu kuat karena akan mengakibatkan kesalahan pengamatan. Morfologi membran sebelum dan sesudah degradasi diamati menggunakan SEM. Ketika sampel dianalisis menggunakan SEM, sampel akan diiradiasi dengan pancaran elektron. Beberapa elektron akan dipantulkan oleh sampel sebagai elektron sekunder, dan sisa elektron lainnya diserap oleh sampel. Jika sampel bukan bahan konduktor, elektron yang diserap tersebut akan memberikan arus yang akan menyebabkan galat pengamatan. Karena itu, sampel perlu dilapisi emas agar bersifat konduktor (Stevens 2003). Hasil SEM membran selulosa asetat sebelum didegradasi dapat dilihat pada Gambar 8. Foto SEM tersebut m em perlihatkan permukaan yang rata dan ukuran pori yang seragam. Hal ini diperkirakan karena membran tersebut memiliki ketebalan yang hampir sama pada permukaannya. Ketebalan yang merata disebabkan oleh homogennya larutan yang terbentuk antara polimer selulosa asetat dan PEG dalam pelarut diklorometana. Pembuatan larutan polimer yang tidak homogen menyebabkan terperangkapnya gelembung-gelembung
Sampel minggu ke-3 Sebelum Sesudah -- --
Sampel minggu ke-5 Sebelum Sesudah
+++
- -- -
++++
+++
- -- -
++++
udara, sehingga pada saat pencetakan pada lempeng kaca dengan batang pengaduk, membran yang dihasilkan memiliki ketebalan yang tidak sama, bahkan berlubang. Fungsi PEG adalah membentuk pori dengan ukuran yang lebih seragam dibandingkan dengan tanpa penambahan PEG (Renaissance 2006). Hal ini dikarenakan PEG yang berada pada matriks polimer akan larut dalam pelarut nonpolar, yaitu diklorometana, dan pada saat pencelupan dalam air, PEG tersebut meninggalkan rongga pada membran, yang disebut pori.
Gambar 8 Hasil SEM membran selulosa asetat dengan penambahan PEG sebelum didegradasi.
Hasil SEM sesudah didegradasi Membran CA setelah didegradasi oleh B. subtillis selama 5 minggu mengalami perubahan seperti terlihat pada Gambar 9. Morfologi permukaan membran dengan perbesaran 2000 kali terlihat lebih lunak dibandingkan dengan hasil SEM membran sebelum didegradasi. Morfologi membran dengan perbesaran 3500 kali (Gam bar 10) terlihat lebih jelas adanya ruang dan patahanpatahan pada membran. Ruang-ruang ini diduga merupakan tempat bagi B. subtillis untuk mendegradasi membran selulosa asetat. B. subtillis dalam pertumbuhannya berhubungan langsung dengan nutrien yang terdapat dalam membran tersebut. Nutrien yang berupa molekul-molekul sederhana dapat langsung diserap, sedangkan molekulmolekul yang lebih kompleks sebelum diserap ke dalam sel, terlebih dahulu dipecah menjadi
molekul-molekul yang lebih sederhana dengan bantuan enzim selulase yang dihasilkan oleh B. subtillis.
Gambar 9
Hasil SEM membran CA setelah didegradasi oleh B. subtillis dengan perbesaran 2000×.
Gambar 11 Hasil SEM membran CA setelah didegradasi menggunakan m etode penguburan dalam tanah selama 5 minggu dengan perbesaran 2000×. Gambar 12 memperlihatkan morfologi permukaan membran setelah didegradasi menggunakan metode penguburan dalam tanah selama 5 minggu terlihat lebih jelas. Ketika dipayar dengan perbesaran yang lebih tinggi, terlihat bahwa lubang-lubang yang terbentuk tidak seragam akibat degradasi oleh mikroorganisme.
Gambar 10 Hasil SEM membran CA setelah didegradasi oleh B. subtillis dengan perbesaran 3500x. Gambar 11 memperlihatkan hasil SEM membran CA yang telah didegradasi menggunakan metode penguburan dalam tanah selama 5 minggu dengan perbesaran 2000 kali. Pada Gambar tersebut terlihat lubang-lubang yang menunjukkan rusaknya membran karena di dalam tanah terdapat bermacam-macam mikroorganisme penghasil selulase baik dari kelompok bakteri, kapang, actinomycetes, maupun fungi yang tumbuh di sekitar membran CA yang dapat mempercepat proses degradasi membran CA.
Gambar 12 Hasil SEM membran CA setelah didegradasi menggunakan m etode penguburan dalam tanah selama 5 minggu dengan perbesaran 3500x.
SIMPULAN DAN SARAN Simpulan Membran selulosa asetat yang terbuat dari hasil fermentasi limbah kulit nanas dapat mengalami proses degradasi oleh B. subtillis dan mikroorganisme yang terdapat dalam tanah. Proses biodegradasi membran selulosa asetat dapat berlangsung dalam media agar dengan menggunakan B. subtillis maupun dalam media tanah.
Saran Perlu waktu lebih lama agar proses biodegradasi berjalan baik, perlu dilakukan uji pendahuluan aktivitas enzim selulase. Selain itu juga perlu dilakukan uji biodegradasi menggunakan mikroorganisme selulolitik dari jenis bakteri atau jamur yang berbeda.
DAFTAR PUSTAKA Bergeys’ et al. 1994. Bergey’s Manual of Determinative Bacteriology. Ed ke-9. USA: Baltimore. Brady G, Clauser HR. 1991. Material Handbook. Ed ke-13. New York: McGraw-Hill. Coronel LM, Joson LM. 1986. Isolation, screening, and characterization of cellulose utilizing bacteria. Phillip J Sci 2:223 -226. Deng SP, Tabatabai MA. 1994. Cellulase activity of soil. Soil Biol Biochem 26:1347-1354. Damayanthy D. 2003. Teknologi proses pembuatan dan karakterisasi biodegradabel plastik dari bahan campuran polipropilena dan tapioka [Skripsi]. Bogor: Fakultas Teknologi Pertanian, IPB. Enari TM. 1983. Microbial cellulose. Di dalam: Fogarty WM, editor.. Microbial Enzymes and Biotechnology. New York: Interscience Publisher. hlm.183-223. Fadillah F. 2003. Pengaruh penambahan PEG terhadap karakterisasi membran selulosa asetat [Skripsi]. Bogor: Fakultas Teknologi Pertanian, IPB. Fengel D, Wegener G. 1995. Kayu: Kimia, Ultrastruktur, dan Reaksi-reaksi. Hardjono S, Soenardi P, editor. Ed Indonesia. Yogyakarta: UGM Pr . Goyskor J, Eriksen J. 1980. Cellulase. Di dalam: AH Rose, editor. Microbial Enzymes and Biokonversion. New York: Academic Pr. hlm.283-330. Hardjo S, Indrasti NS, Bantacut T. 1989. Biokonversi Pemanfaatan Limbah Pertanian. Bogor: PAU Pangan dan Gizi IPB .
Irawadi TT. 1990. Selulase. Bogor: PAU Bioteknologi IPB. Kaplan DL et al. 1994. Fundamental of biodegradable polymers. Di dalam: Ching C, Kaplan DL, Thomas EL, editor. Biodegradable Polymer and Packaging. USA: Technomic Publishing Company, Pensylvania. Krochta JM, Johnston DM. 1997. Edible and biodegradable polymer films . J Food Technol. 51:2. Kroschwitch J I. 1990. Concise of Polymer Science and Engineering . New York: Jhon Wiley & Sons. Mulder M. 1996. Basic Principles of Membrane Technology. Belanda: Kluwer Academic. Ohrmund RS, Elrod S. 2002. The development of primers specific to bacterial species that produce cellulase enzymes using the tools of bioinformatics. http://www.ebi.calpoly.edu. [5 Agustus 2006]. Osada Y, Nakagawa T. 1992. Membrane Science and T echnology. New York: Marcel Dekker. Pelczar MJJr, Chan ECS. 1986. Dasar-Dasar Mikrobiologi . Volume ke-1, 2. Hadioetomo RS, Imas T, Tjitrosomo SS, Angka SL, penerjemah; Jakarta: UI Pr. Terjemahan dari: Elements of Microbiology. Rachman R. 2001 Scanning Electron Microscope. Bogor: Institut P ertanian Bogor. Renaissance NV. 2006. Kajian Spektroskopi Infra Merah Transformasi Fourier dan Mikroskopi Susuran Elektron Membran Selulosa Asetat dengan Penambahan Poli Etilen Glikol. [Skripsi]. Bogor: FMIPA, IPB.
Sasaki H, Kamagata Y, Takao S, Matang P Kosambut, Bhumirata. 1983. Selection and Clasification of Active Cellulose Decomposing Fungi.. Di dalam: H Taguchi, editor. Microbial Utilization of Renewable Resources . Japan: International center of cooperative research in biotechnology. hlm. 65-76. Scott K, Hugh es R. 1996. Industrial Membrane Separation Technology. London: Blackie Academic & Professional. Sears A , Walsh G. 1993. Industrial Enzyme Applications, Using this Concepts to Match Animal, Enzyme and Substrate in Feed Industry Applications. Di dalam:. The Use of Scientifically Proven Natural Product to Increase Practical Value. Asia Pacific Lecture Tour. Hlm. 89-111. Stevens MP. 2003. Kimia Polimer. Iis Sopyan, penerjemah. Jakarta: Pradnya Paramita. Terjemahan dari: Polymer Chemistry. Yang L, Hsiao WW, Chen P. 2001. Chitosan cellulose composite membrane for affinity purifications of biopolymers and immunoadsorption. J. Membr Sci. 5084: 1–13.
LAMPIRAN
Lampiran 1 Diagram alir penelitian
PEG 10%
Selulosa Asetat 14%
diklorometana
Dilarutkan, Dicetak Membran Selulosa Asetat Biodegradasi
B. subtillis
Membran terbiodegradasi
SEM
Data awal
Lampiran 2 Komposisi Media Biodegradasi 1. Media Luria Bertani (LB) cair Bahan: Agar Tripton Yeast extract NaCl
1.50000 gram 1.00000 gram 0.50000 gram 0.50000 gram
Cara Pembuatan: Semua bahan dilarutkan ke dalam 200 ml akuades, setelah semuanya tercampur rata lalu larutan diautoklaf pada suhu 1200C selama 15 menit pada tekanan 15 psi (1 atm), kemudian didinginkan pada suhu kamar. 2. Media agar untuk proses biodegradasi menggunakan Bacillus subtillis . Bahan: Agar 20.0000 gram NH4NO3 1.0000 gram KH 2PO4 0.7000 gram K2 HPO4 0.7000 gram MgSO 4 7H2O 0.7000 gram NaCl 0.0050 gram FeSO4 7 H2O 0.0020 gram ZnSO4 7H2O 0.0020 gram MnSO 4 7 H2O 0.0010 gram Cara Pembuatan: Semua bahan dilarutkan ke dalam 1 liter akuades, setelah semuanya tercampur rata lalu larutan diautoklaf pada suhu 120 0C selama 15 menit pada tekanan 15 psi (1 atm), kemudian didinginkan pada suhu kamar.
Lampiran 3 Gambar Alat-alat yang Digunakan 1 Scanning Electron Microscope (SEM) JEOL tipe JSM-5310LV
2 Pelpis Ion JICA 18-2
Lampiran 4 Data dan contoh perhitungan persentase penurunan bobot membran CA sesudah proses degradasi a. Penurunan bobot membran CA (%) sesudah proses degradasi menggunakan B. subtillis
Ulangan Minggu ke-1 Minggu ke-2 Minggu ke-3 Minggu ke-5
Bobot contoh sebelum didegradasi (gram) 1 2 x
Bobot contoh sesudah didegradasi (gram) 1 2 x
Penurunan bobot (%)
0.1063
0.1031
0.1047
0.1036
0.0991
0.1014
3.15
0.0882
0.1198
0.1047
0.0831
0.0843
0.0837
20.06
0.1016
0.0944
0.0980
0.0911
0.0807
0.0739
24.59
0.1075
0.1071
0.1073
0.0629
0.0625
0.0627
41.57
b. Penurunan bobot membran CA (%) sesudah proses degradasi menggunakan metode Burial test (penguburan) dalam tanah selama 5 minggu
Ulangan Minggu ke-5
Bobot sebelum didegradasi (gram) 1 2 x 0.0640 0.0660 0.0650
Bobot sesudah didegradasi (gram) 1 2 x 0.0326 0.0323 0.0324
c. Perhitungan penurunan bobot membran CA (%) sesudah proses degradasi Contoh perhitungan (Ulangan 1 pada contoh untuk minggu ke-1)
W1 − W2 x100 % W1 0 .1047 − 0 .1014 = x 100 % 0 .1047
Penurunan bobot (%) =
= 3.15 % Keterangan: W1 : Rerata bobot membran CA sebelum didegradasi W2 : Rerata bobot membran CA sesudah didegradasi
Penurunan bobot (%) 50.15
