Aerobic gas producing bacteria for organic waste bioremediation

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