2.10
MIKROBA PENDEGRADASI POLUTAN Erny Yuniarti & Rohani Cinta Badia Ginting Kemajuan industri telah menciptakan sebagian besar senyawa toksik ke lingkungan dan menyebabkan pencemaran luas pada tanah dan air. Herbisida, insektisida, dan pupuk kimia sintetik yang digunakan dalam aktivitas pertanian, serta bahan kimia sintetik lainnya seperti bahan sisa pembuatan plastik, pewarna, pigmen, pelarut, obat-obatan, senyawa hidraulik, retradan api, senyawa-senyawa berhalogen yang dihasilkan melalui aktivitas industri, secara sengaja atau tidak sengaja dilepaskan ke lingkungan dan mengubah proses-proses dan kondisi (ekosistem) lingkungan sehingga menciptakan situs pencemaran. Pencemaran membahayakan flora dan fauna karena dapat terjadi akumulasi senyawa toksik pada rantai makanan dan menimbulkan berbagai masalah kesehatan akut dan kronis pada manusia. Bahan-bahan polutan umumnya adalah senyawa xenobiotik dari produk industri kimia sintetik dengan komponen-komponen struktural tidak alamiah yang merupakan kimia anthropogenik. Xenobiotik mempunyai ciri heteroatom (yaitu oksigen, nitrogen, sulfur) dalam kerangka karbon, substituen halogen, bercabang, atau struktur polimerik. Struktur xenobiotik memiliki ciri kombinasi elemen struktural yang diperoleh melalui proses anthropogenik. Senyawa-senyawa xenobiotik bersifat rekalsitran atau resisten terhadap biodegradasi seperti yang ditunjukkan oleh senyawa alamiah seperti lignin dan asam humat (Hickey, 1998) dan beberapa komponen minyak bumi (Jain et al., 2005). Minyak bumi merupakan campuran kompleks berbagai senyawa, yang dapat dibagi menjadi empat kelompok utama yaitu 1) alkana; 2) senyawa aromatik; 3) resin; dan 4) asphaltena. Fraksi alkana paling mudah didegradasi secara biologis, sementara fraksi polar (yaitu resin dan asphaltena) resisten terhadap degradasi biologis. Senyawa-senyawa aromatik, terutama PAH (polycyclic aromatic hydrocarbons) memiliki sifat dapat didegradasi pada tingkat pertengahan tetapi perlu mendapat perhatian karena toksisitasnya dan kecenderungannya berakumulasi secara biologis. Mikroba merupakan pendaur ulang alamiah yang mampu mengubah senyawa organik toksik menjadi produk yang tak berbahaya, yang umumnya berbentuk CO2 dan air (Jain et al., 2005). Beberapa mikroba pendegradasi hidrokarbon ditampilkan pada Tabel 1.
89
Tabel 1. Berbagai mikroba pendegradasi polutan hidrokarbon Senyawa hidrokarbon
Mikroba pendegradasi
Nitroaromatik (pelarut, prekusor derivat amino aromatik, sintesis pewarna, obat-obatan, pestisida (paration, metil paration, dinoseba, dinitrokresol, nitrofena, bahan-bahan ekflosif seperti TNT, RDX, dan HMX)
Kelompok Pseudomonas, Nocardia, dan Arthrobacter
Aliphatik (hidrokarbon petroleum)
Spesies-spesies bakteri Acinetobacter, Pseudomonas, Alcaligenes, Burkholderia, Arthrobacter, Flavobacterium, Bacillus dll
Sikloalkana
Pseudomonas citronellolis, Brevibacterium erythrogenes, dan Saccharomyces cerevisae
Aromatik
Pseudomonas, Ralstonia, Burkholderia, Sphingomonas, Flavobacterium dan Bacillus
PAH (hidrokarbon aromatik polisiklik)
Bakteri Acinetobacter calcoaceticus, Alcaligenes denitrificans, Mycobacterium sp., Pseudomonas putida, P. fluorescens, P. versicularis, P. cepacia, P. paucimobilis, Rhodococcus sp., Corynobacterium renale, Moraxella sp., Bacillus cereus, Beijerinkia sp., Micrococcus sp., dan Sphingomonas sp Fungi Phanerochaete sordida
Aliphatik berunsur halogen (asam haloalkanoat, haloalkana, trikloroetana,dan etilena dibromida)
Pseudomonas, Alcaligenes
Aromatik berklor (asam benzoat, asam salisilat, asam fenoksiasetat, dan dibenzifurana, Pentaklorofenol (PCP)
Klebsiella pneumonia, Pseudomonas fluorescens, Pseudomonas mendocina,Pseudomonas cichhori dan Pseudomonas
Sumber: Jain et al. (2005)
Dalam tulisan ini hanya menjelaskan isolasi dan enumerasi mikroba pendegradasi polutan hidrokarbon polisiklik aromatik yang merupakan komponen minyak bumi.
90
2.10.1 Prinsip Mikroba pendegradasi polutan diisolasi dengan media pengkayaan berupa medium garam minimal yang disuplemantasi dengan sumber C jenis poli hidrokarbon aromatik (PAH) atau senyawa xenobiotik tertentu sebagai substrat selektif. Medium pengkayaan berguna untuk mengaktifkan mikroba yang berada dalam lingkungan dengan kondisi stres. Seleksi isolat-isolat pendegradasi hidrokarbon dilakukan dengan cawan semprot (spray plate). Biakan dari media pengkayaan digores kuadran pada media garam minimal dan setelah itu disemprot sumber C berupa PAH tertentu dalam larutan eter. Pendegradasi PAH akan menunjukkan zona jernih sekitar koloni. Kelimpahan bakteri pendegradasi hidrokarbon dihitung dengan prosedur MPN pada cawan mikrotiter 96 sumur/lubang. Untuk perlakuan mikroba pendegradasi PAH, sumur/lubang positif akan berubah warna menjadi kuning atau coklat yang disebabkan akumulasi produk oksidasi sebagian substrat aromatik. Untuk perlakuan mikroba pendegradasi alkana dan total hidrokarbon, Iodonitrotetrazolium violet (INT) digunakan untuk mengidentifikasi sumur/lubang positif. Setelah inkubasi selama 2 minggu, 50 pL INT (3 g L-1) ditambahkan ke dalam masing-masing sumur/lubang kedua cawan. Dalam sumur/lubang positif, INT direduksi menjadi formazan tak larut yang terdeposit secara intraselular sebagai presipitat berwarna merah. Sumur/ lubang positif diberi skor setelah inkubasi dengan INT semalam pada suhu ruang. 2.10.2 Isolasi dan Seleksi Bakteri Pendegradasi PAH (Supuka et al., 2001) Alat -
Inkubator dengan pengocok Pipet mikro (1 ml, 200 µl) dan tip Desikator vakum Sprayer
Bahan -
Medium minimal bebas karbon (carbon free medium minima/, CFMM) Larutkan secara berurutan 3,0 g NH4NO3; 2,2 g Na2HPO4; 0,8 g KH2PO4; 0,01 g MgSO4.7H2O; 0,005 g FeCl3.6H2O; 0,005 g CaCl2.2H2O dengan akuades 1.000 ml. Sesuaikan pH larutan menjadi pH 7,5 dengan menambah NaOH 0,1 N, lalu tambahkan
91
-
-
-
-
-
15 g agar. Sterilisasi medium pada suhu 121°C, tekanan 0,1 MPa selama 20 menit. Dinginkan medium lalu tambahkan substrat PAH dengan konsentrasi akhir 100 mg L-1. Larutan stok PAH (fenantrena, antrakena, fluorena, atau dibenzotiofena) sebagai sumber karbon dan energi. Larutkan masing-masing PAH dengan dimetil sulfoksida (DMSO), lalu sterilisasi menggunakan penyaring mikro (Millipore 0.22 µm) Luria Bertani (LB) broth Larutkan 10 g tripton, 5 g ekstrak khamir, dan 5 g NaCl dengan akuades 1.000 ml. Sesuaikan pH larutan menjadi pH 7,2. Sterilisasi medium pada suhu 121°C, 0,1 MPa selama 15 menit. Luria Agar (LA) Tambahkan 15 g agar dengan 1.000 ml larutan LB, lalu sterilisasi pada suhu 121°C, tekanan 0,1 MPa selama 15 menit. Fenantrena steril Sterilisasi fenantrena padat dengan mengkristalkannya kembali dari campuran air dan etanol, lalu kumpulkan secara aseptik dengan filtrasi dan pengeringan dalam desikator vakum. Membran filter (millipore) 0,22 µm
Prosedur -
-
-
-
Kumpulkan contoh tanah dari berbagai situs terkontaminasi minyak dan simpan pada suhu 4°C sampai digunakan. Buat biakan pengkayaan dengan melarutkan 20 g tanah basah dengan 100 ml medium pengkayaan CFMM dan diinkubasi di dalam inkubator pada kecepatan 200 rpm, suhu 30°C selama semalam. Subkultur berturut-turut tiga kali dengan mencampur 5 ml suspensi dengan 45 ml media CFMM segar yang mengandung PAH (misalnya fenantrena) dan inkubasi pada kondisi yang sama. Isolasi bakteri pendegradasi fenantrena dari biakan pengkayaan dengan teknik cawan semprot atau spray-plate (Kiyohara et al., 1982). Inokulasi sebanyak 1 lup biakan pengkayaan dengan digores kuadran ke medium agar LA tanpa fenantrena untuk mendapatkan koloni murni. Inkubasi media LA yang telah diinokulasi pada suhu 30°C sampai muncul koloni bakteri. Inokulasi koloni tunggal yang berbeda ke dalam media LB, lalu inkubasi selama semalam pada suhu ruang dan disimpan pada suhu 4°C. Totolkan dengan tusuk gigi steril kira-kira sebanyak 103 pada media CFMM tanpa fenantrena. Kemudian dengan segera semprot seluruh permukaan media agar secara merata dengan fenantrena 10% (dalam eter). Eter dengan segera akan terevaporasi dari permukaan media pada suhu ruang, dan lapisan tipis fenantrena yang berwarna putih tertinggal pada permukaan agar.
92
-
Inkubasi media agar CFMM yang telah diinokulasi dan disemprot fenantrena 10% pada suhu ruang. Bakteri pendegradasi fenantrena ditunjukkan oleh zona jernih di sekitar koloni (Gambar 1). Prosedur yang sama dapat digunakan untuk pertumbuhan bakteri pendegradasi hidrokarbon lainnya.
Zona jernih
Gambar 1. Bakteri pendegradasi fenantrena ditunjukkan oleh zona jernih (Kiyohara et al.,1982).
2.10.2 Enumerasi bakteri pendegradasi alkana dan PAH (Wrenn & Vennosa, 1996) Alat -
Inkubator dengan pengocok Pipet mikro (1 ml, 200 µm) dan tip Cawan mikrotiter 96 sumur/lubang
Bahan -
Naftalena n-pentadekana Substrat pertumbuhan selektif untuk mendegradasi alkana (nheksadekana) atau total hidrokarbon (dua jenis minyak bahan bakar) yang disterilisasi dengan filtrasi (0,22 µm)
93
-
-
Substrat pertumbuhan selektif untuk mendegradasi PAH (campuran PAH yang terdiri atas 10 g fenantrena, 1 g antrakena, l g fluorena, dan 1 g dibenzotiofena yang dilarutkan dalam satu L pentana) n-oktadekana Pristana Iodonitrotetrazolium violet (INT) yang disterilisasi menggunakan membran filter Larutan NaCI 2% Medium Bushnell-Haas (Difco Products, Detroit, Mich) Bufer natrium pirofosfat 0,1%, pH 7,5
Prosedur 9) Persiapan medium dan substrat - Siapkan medium Bushnell Haas dengan menggunakan suplemen 2% NaCI sebagai medium pertumbuhan untuk ketiga hidrokarbon dan berikan sebanyak 180 pl (piko liter) per sumur/lubang. - Untuk mendegradasi hidrokarbon yang berbeda, gunakan substrat selektif yang berbeda pula. Substrat pertumbuhan selektif untuk mendegradasi alkana, PAH, dan total hidrokarbon berturut-turut adalah n-heksadekana, campuran PAH (10 g fenantrena, 1 g antrakena, l g fluorena, dan 1 g dibenzotiofena per L pentana), dan dua minyak bahan bakar (F2). - Masukkan segera campuran substrat PAH ke dalam masing-masing sumur/lubang dalam cawan mikrotiter sebanyak 10 pl/sumur, karena pentana menguap dengan cepat maka campuran PAH terdeposit pada permukaan sumur/lubang dan penambahan ini dilakukan sebelum sumur/lubang diisi medium pertumbuhan. - Tambahkan substrat selektif heksadekana dan F2 (5 pl/sumur/ lubang) ke dalam cawan pendegradasi alkana dan pendegradasi hidrokarbon sebelum sumur/lubang diisi dengan medium pertumbuhan dan sebelum inokulasi. 10) Pengenceran, inokulasi suspensi contoh, pengamatan - Larutkan sebanyak 10 g contoh tanah dengan 90 ml larutan bufer natrium pirofosfat dan lakukan serial pengenceran sampai 10-10. - Inokulasikan sebanyak 20 pl dari masing-masing pengenceran ke dalam sumur/lubang pada satu baris sebanyak delapan ulangan. Inokulasi pengenceran 10-10 ke dalam baris 11, pengenceran 10-9 ke dalam baris 10 dan seterusnya. Baris pertama diinokulasi dengan contoh yang tidak diencerkan dan baris 12 tidak diinokulasi (kontrol steril). - Inokulasi masing-masing pendegradasi PAH, alkana, dan total hidrokarbon ke dalam cawan mikrotiter yang berbeda.
94
-
-
-
-
Inkubasi selama 2 minggu untuk perlakuan isolasi mikroba pendegradasi PAH dan alkana, dan selama 3 minggu untuk isolasi mikroba total pendegradasi hidrokarbon pada suhu ruang. Pada perlakuan pendegradasi PAH, sumur/lubang positif akan berubah warna menjadi kuning atau coklat yang disebabkan akumulasi produk oksidasi sebagian substrat aromatik. Gunakan Iodonitrotetrazolium violet (INT) untuk mengidentifikasi sumur/lubang positif pada perlakuan mikroba pendegradasi alkana dan total hidrokarbon. Setelah inkubasi selama 2 minggu, tambahkan 50 pL INT (3 g L-1) ke dalam masing-masing sumur/ lubang kedua cawan. Dalam sumur/lubang positif, INT direduksi menjadi formazan tak larut yang terdeposit secara intraselular sebagai presipitat berwarna merah. Beri skor positif setelah inkubasi dengan INT semalam pada suhu ruang. Gunakan program komputer untuk menghitung MPN masingmasing katagori pendegradasi hidrokarbon. Koreksi bias positif jumlah yang dilaporkan yang merupakan karakteristik table MPN. 2.10.3 Ulasan
Media seleksi bakteri pendegradasi fenantrena selain dengan media agar garam minimal juga dapat dilakukan dengan menggunakan media nutrien agar (Kiyohara et al., 1982). DAFTAR PUSTAKA Hickey W.J. 1998. Biochemistry and metabolism of Xenobiotic Chemicals. p. 447-468. In D.M. Sylvia, J.J. Furhmann, P.G. Hartel, and D.A. Zuberer (Eds.) Principles and Application of Soil Microbiology. Prentice Hall. New Jersey. Jain R.K., M. Kapur, S. Labana, B. Lal, P.M. Sarma, D. Bhattacharya, & S. Thakur. 2005. Microbial diversity: Application of microorganism for biodegradation of xenobiotics. Current Science 89: 101-112. Kiyohara, H., K. Nagao, & K. Yana. 1982. Rapid screen for bacteria degrading water insoluble, solid hydracarbons on agar plates. Appl Environ Microbiol 43: 454-457. Supuka N., P. Pinphanichakarna, K. Pattaragulwanita, S. Thaniyavarna, T. Omorib, & K. Juntongjina. 2001. Isolation and characterization of a fenantrenae-degrading Sphingomonas sp. strain P2 and its ability to degrade Fluoranthen and pyrene via cometabolism. Science Asia 27: 21-28. Wrenn, B. A. & A.D. Vennosa. 1996. Selective enumeration of aromatic and aliphatic hydrocarbon degrading bacteria by a most-probable-number procedure: Canadian Journal of Microbiology 42: 252–258.
95
