PERANAN BAKTERI, JAMUR DAN KHAMIR DI BIDANG INDUSTRI KIMIA

            Dalam bidang industri kimia peranan mikroorganisme sangat dibutuhkan karena pada dasarnya mikroorganisme tidak hanya bersifat sebagai parasit akan tetapi ada yang menguntungkan, sebagai contoh bakteri Escherichia coli  yang berperan dalam proses produksi terutama fermentasi. Selain itu peran lain dari mikroorganisme khususnya bakteri adalah dalam penguraian minyak bumi yang tertumpah ke laut dan penguraian zat-zat yang bersifat toksik di sungai atau laut. Selain bakteri juga ada jamur dan khamir yang akan diuraikan peranannya dalam bidang industri khususnya industri kimia. Cabang ilmu bioteknologi yang mempelajari industri khususnya mengenai pengembangan dan produksi senyawa baru ataupun sumber energi yang terbarukan dengan menggunakan mikroorganisme seperti jamur, khamir, bakteri serta dibantu oleh enzim tertentu untuk memudahkan pengolahan limbah dan proses produksi industri disebut bioteknologi putih atau abu-abu.

1. PERAGIAN ALKOHOL OLEH RAGI (KHAMIR) DAN BAKTERI

Penggunaan khamir dalam industri seperti pada fermentasi alkohol, industri biomassa dan bahan baku karbohidrat.

Pada kondisi anaerob pada tumbuhan dan beberapa fungi terjadi penimbunan alkohol khususnya etanol. Penghasil alkohol (etanol) adalah ragi terutama dari Saccharomyces cerevisiae. Seperti halnya fungi, ragi bernafas aerob dalam lingkungan terisolasi dari udara, ragi akan meragikan karbohidrat menjadi etanol dan karbondioksida. Pada beberapa bakteri anaerob termasuk anaerob fakultatif pada peragian heksosa dan pentosa menghasilkan alkohol sebagai produk utama. Gay-lussac merumuskan proses pengubahan glukosa menjadi etanol dalam reaksi sebagai berikut:

C₆H₁₂O₆                     2 CO₂ + 2 C₂H₅OH

Peragian  dari  glukosa  menjadi etanol dan karbondioksida oleh ragi Saccharomyces cerevisiae berlangsung melalui alur fruktosa difosfat. Piruvat didekarboksilasi menjadi asetaldehid oleh piruvat dekarboksilase dengan bantuan tiamin pirofosfat. Asetaldehid oleh alkohol dehidrogenase direduksi dengan NADH₂ menjadi etanol.

2. PEMBENTUKAN ETANOL OLEH BAKTERI

Bakteri Zymomonas mobilis menguraikan glukosa melalui alur 2-keto-3-deoksi-6-fosfoglukonat dan memecah piruvat dengan bantuan enzim piruvat dekarboksilase menjadi asetaldehid dan karbondioksida. Asetaldehid kemudian direduksi menjadi etanol. Etanol dan karbon dioksida dan asam laktat dalam jumlah kecil adalah produk peragian yang khas. Etanol dalam minuman keras agave berasal dari atom C 2 dan 3 dan juga dari C 5 dan 6 dari glukosa sedangkan etanol ragi berasal dari atom-C 1, 2, 5 dan 6. Pada peragian daari beberapa Enterobacteriace dan Clostridium, etanol sebagai produk samping peragian. Prastadium etanol yaitu asetaldehid tidak langsung dibebaskan oleh piruvat dekarboksilase dari piruvat tetapi direduksi oleh asetil-koA. Alkohol dibentuk melalui alur lain oleh bakteri asam laktat yang heterofermentatif seperti Leuconostoc mesenteroides. Glukosa diuraikan melalui tahap pertama dari alur pentosa fosfat menjadi pentosa fosfat fosfoketolase bekerja terhadap xilulosa-5-fosfat dengan reaksi sebagai berikut:

xilulosa-5-fosfat + P_­i                  asetilfosfat + gliserinaldehid-3-fosfat

Asetilfosfat yang terbentuk kemudian direduksi menjadi etanol oleh asetaldehid dehidrogenase dan alkohl dehidrogenase. Produk lain yaitu gliserin-aldehid-3-fosfat direduksi menjadi laktat melalui piruvat.

3. PELAPISAN BIJIH LOGAM

Beberapa bakteri asidofil pengoksidasian besi dan belerang memiliki kemampuan untuk mengubah bijih logam sulfida dan unsur belerang  menjadi sulfat logam berat yang dapat larut dalam air dapat dimanfaatkan untuk melepaskan bijih logam bernilai rendah dan untuk mendapatkan tembaga, seng, molibden, uranium dan nikel.

Pelepasan bijih logam atau disebut juga leaching processes telah dikerjakan secara besar-besaran untuk memperoleh bijih logam dari timbunan tanah di atas mineral dan kemungkinan dapat digunakan pada penambangan dalam tanah. Air dibiarkan merembes melalui tumpukan tinggi lapisan-lapisan bebatuan yang mengandung bijih logam yang telah ditumbuk halus sebagai contoh yang mengandung pirit FeS₂ dan sulfida-sulfida logam yang m enyertainya seperti kalkozit (Cu₂S), CuS, ZnS, NiS, MoS₂, Pb₂S₃, Sb₂S₃, CoS, dan larutan yang mengandung garam sulfat ditampung. Dari larutan ini,  logam dapat diperoleh dengan menguapkan atau dengan cara mengendapkan larutan. Peleburan sulfida logam berat dapat terjadi melalui beberapa proses oksidasi oleh bakteri dari senyawa-senyawa belerang tereduksi dengan reaksi kimia:

 FeS₂ + 3 ½ O₂ + H₂O              FeSO₄ + H₂SO₄

atau belerang unsur menjadi asam sulfat dengan reaksi kimia:

  ­S + 1 ½ O₂ + H₂O              H₂SO₄

 serta dari Fe²⁺ menjadi Fe³⁺ dengan reaksi kimia:

2 FeSO₄ + ½ O₂ + H₂SO₄                Fe₂(SO₄)₃ + H₂O

maupun oleh oksidasi secara kimia dari garam-garam logam berat yang tidak larut menjadi sulfat logam yang dapat larut dan belerang dengan reaksi:

MeS + 2 Fe³⁺                   Me²⁺ + 2 Fe²⁺ + S

Penyediaan asam belerang dan regenerasi dilakukan oleh bakteri dari Fe³⁺. Komponen ini dipakai pada pelepasan bijih logam. Pengubahan ini dilakukan oleh bakteri Thiobacillus thiooxidans dan T. ferrooxidans. Dalam proses ini juga dibantu oleh stam Sulfolobus pengoksidasi belerang dan besi. Semua komponen yang terlibat mempengaruhi kadar Cu²⁺, Co²⁺, Zn²⁺, ZNi²⁺ dan ion-ion logam  berat lainnya yang tersedia.

Beberapa bakteri seperti Gallionella ferruginea dan Leptothrix ochracea dapat ditemukan di dalam pipa-pipa air buangan dan sungai pegunungan diantara gumpalan-gumpalan atau lapisan tebal besi oksida. Bakteri Leptothrix discophorus berperan untuk mengoksidasi mangan yaitu merubah Mn²⁺ menjadi Mn⁴⁺.

4. PEMISAHAN LOGAM BERAT OLEH BAKTERI

Bakteri yang berperan dalam proses pemisahan logam berat adalah Thiobacillus ferroxidans dan Thiobacillus oxidans. Kedua bakteri ini termasuk khemolitotrof artinya  bakteri pemakan batuan yang tumbuh subur di tempat pertambangan ataupun dalam lingkungan tanpa ada zat organik dan berperan untuk mengekstraksi berbagai jenis logam. Energi dapat diperoleh bakteri dari oksidasi zat anorganik(besi dan belerang). Bakteri ini dapat mengekstrak karbondioksida secara langsung menjadi karbon.

5. PRODUKSI ASAM-ASAM ORGANIK

Banyak asam organik dalam skala besar di bidang industri kimia dihasilkan dengan cara oksidasi tidak sempurna dengan bantuan dari mikroorganisme. Asam-asam organik tersebut salah satunya asam-asam amino. Contoh asam organik lain seperti asam sitrat, asam glukonat, asam apel dan asam itakonat dalam proses pembuatannya dibantu dengan fungi (jamur). Pada pembuatan asam cuka dan asam glukonat dapat dihasilkan dengan bantuan bakteri. Saat ini, dalam bidang industri kimia digunakan bakteri sebagai pembentuk asam-asam amino.

A.   PEMBENTUKAN ASAM OLEH FUNGI (JAMUR)

Metabolisme fungi adalah oksidatif ketat, hal ini berarti bahwa fungi tidak menguraikan karbohidrat secara anaerob dan meragikannya akan tetapi pada kondisi anaerob tidak terjadi pertumbuhan yang terus berlangsung. Produk peragian yang dihasilkan adalah etanol dan asam laktat, sedangkan asam-asam organik lain dihasilkan pada kondisi anaerob.

Pada pembentukan berbagai jenis asam yang diekskresi oleh fungi pada pengubahan glukosa dengan reaksi dari siklus asam sitrat dapat dihasilkan asam malat, asam suksinat, asam fumarat dan asam sitrat. Asam oksalat terjadi oleh hidrolisis oksaloasetat dengan perantaraan oksaloasetat hidrolase. Pembentukan asam itakonat dari asam cis-akonitat dengan dekarboksilasi yang mengakibatkan pergeseran elektron dalam kerangka karbon dan menggeser ikatan rangkap dari kedudukan 2,3 ke 3,4.

1. Asam Laktat

Asam laktat diekskresikan oleh  mocorales (Rhizopus nodosus, Rhizopus oryzae, Rhizopus arrhizus, Rhizopus nigricans) dan fikomiset lain seperti Allomyces, Saprolegnia, Blastocladiella. Pada bakteri-bakteri homofermentatif asam laktat dihasilkan pula produk samping asam tartrat, asam fumarat, asam format, asam asetat, asam apel dan etanol dalam jumlah yang sedikit. Asam laktat dapat dihasilkan dalam jumlah maksimum apabila tersedia oksigen. Jamur tidak membutuhkan larutan biak yang kompleks sebagai sumber nitrogen karena sudah dicukupi dengan adanya ureum sehingga pemisahan asam laktat dapat diperoleh dalam bentuk yang murni tanpa menimbuklan kesulitan seperti pada proses peragian asam laktat oleh Lactobacillus.

2. Asam Glukonat

Produksi asam glukonat berdasarkan  enzimatik dari glukosa dengan bantuan Glukosa oksidase. Glukosa oksidase diekskresi oleh fungi ke dalam medium. Asam glukonat dibentuk oleh Aspergilli dan Penicillia. Proses tersebut dapat berlangsung dalam larutan glukosa 30 – 35 %  dengan hasil yang lebih banyak apabila asam dinetralkan dengan CaCO3 (kalsium karbonat) dengan dibantu Aspergillus niger. Glukosa oksidase merupakan suatu enzim yang mengandung FAD sebagai gugus prostetik. Pada oksidasi glukosa dihasilkan β-D-glukono-δ-lakton sebagai produk oksidasi primer. Produk tersebut oleh enzim glukonolaktonase dirubah menjadi glukonat dengan mengabil air. Glukosa oksidase yang tereduksi memindahkan hidrogennya pada oksigen udara dengan membentuk hidrogen peroksida kemudian oleh katalase dipecah menjadi air dan oksigen.

3. Asam Oksalat

Asam oksalat diekskresi oleh banyak fungi. Dalam produksi asam oksalat dibantu oleh reaksi alkali dari larutan biak.

4. Asam Sitrat

C Wehmer menemukan asam sitrat dalam biak Penicillia ( Citromyces pfefferianus). Kemudian Currie dengan menggunakan dasar penemuan C.Wehmer dapat menghasilkan asam sitrat dalam industri. Ia menyimpulkan bahwa Aspergillus niger dalam larutan biak dengan pH aawal 2,5 – 3,5 dapat tumbuh dengan subur sambil mengekskresi asam sitrat dalam jumlah yang banyak. pH awal yang rendah dimaksudkan agar tidak terjadi pencemaran oleh bakteri. Dengan adanya peningkatan pH maka akan dihasilkan pula asam glukonat dan akhinya asam oksalat.

B. PRODUKSI ASAM-ASAM AMINO OLEH BAKTERI

Asam amino dapat dibentuk oleh Corynebacterium glutamicum dan Brevibacterium divaricatum. Kedua bakteri tersebut mampu mengekskresi asam L-glutamin dengan adanya biotin. Kadar biotin ini agar terjadi penimbunan asam dalam jumlah 2,5 ϥg biotin/L sehingga optimum. Apabila kadar lebih rendah pertumbuhan akan berkurang dan asam glutamin yang dihasilkan menurun. Untuk memproduksi asam-asam amino lain dapat disertakan mutan auksatrof dari Corynebacterium glutamicum. Mutan-mutan yang memerlukan homoserin pada kondisi tertentu akan mengekskresi 20 gram lisin/L larutan biak. Mutan-mutan lain dari Corynebacterium glutamicum, Enterobacteriaceae dan Pseudomonadaceae memproduksi L-homoserin, L-valin, L-isoleusin, L-triptopan dan asam amino lainnya.

6. PENGOLAHAN AIR LIMBAH

Untuk menguraikan zat organik menjadi anorganik yang stabil diperlukan mikroba aerob. Bakteri anaerob dapat memecah gula menjadi air, karbondioksida dan juga energi. Agar dapat bekerja secara maksimal, bakteri anaerob memerlukan suhu yang tinggi dan pada pH 6,5 – 8,5.

Cara pengolahan air limbah ini mencakup 3 cara yaitu:

1.    Cara Aerobik

Pengolahan air limbah secara aerobik, bakteri aerob memerlukan udara dalam proses pengolahan air limbah sehingga diperlukan aerator atau kolam aerob. Adanya aerator ini agar bakteri tetap hidup pada waktu proses penguraian karena oksigen dapat disuplai dari lingkungan melalui aerator. Contoh penggunaan cara aerobik ini seperti pada bending air sungai yang tercemar.

2.    Cara Anaerobik

Pada pengolahan air limbah secara aerobik, pada saat proses penguraian bakteri dapat hidup dengan sedikit oksigen atau tanpa oksigen akan tetapi dalam proses pengolahannya memakan waktu yang lebih lama dan menimbulkan bau. Contoh penggunaan cara anaerobik seperti pada septic tank.

3.    Cara Fakultatif

Pengolahan air limbah dengan cara fakultatif ini melibatkan dua cara sebelumnya, yakni sebagian proses dengan cara aerob kemudian dilanjutkan dengan cara anaerob. Contoh penerapan cara fakultatif misalnya pada IPAL (Instalasi Pengolahan Air Limbah)

Ada 2 macam metode yang dapat digunakan dalam pengolahan limbah yaitu:

1.    Metode Lumpur Aktif

Bakteri yang berperan dalam proses pengolahan air limbah dengan metode lumpur aktif berasal dari genus Pseudomonas, Flavobacterium, Alcaligenes, Bacillus, Achromobacter, Corynebacterium, Comomonas, Brevibacterium, Acinetobacter, Sphaerotilus, Beggiatoa dan Vitreoscilla. Dalam lumpur aktif terdapat 10⁸ CFU/mg lumpur. Bakteri yang diisolasi sebagian besar berasal dari spesies Comamonas-Psudomonas dan Caulobacter. Dalam flok lumpur aktif juga terdapat bakteri autotrofik misalnya bakteri nitrit seperti Nitrosomonas dan Nitrobacter yang berperan mengubah amonia menjadi nitrat serta bakteri fototrofik seperti Rhodospilrillaceae yang berperan penting dalam penurunan nilai BOD dalam lumpur aktif.

2.    Metode Saringan Tetes

Pengolahan limbah cair dengan metode saringan tetes menggunakan biofilum. Biofilum merupakan lapisan mikroorganisme yang menutupi hamparan saringan pada dasar bak limbah. Hamparan saringan ini berupa tumpukan arang, plastik, dan kerikil. Penguraian secara anaerob dapat dilihat pada proses biologis gas metana (CH4).

7. PRODUKSI SENYAWA HIDROKARBON

A.   NAFTALENA, ANTRASENA DAN SENYAWA POLIAROMATIK LAIN

Beberapa bakteri mampu menguraikan senyawa hidrokarbon polisiklik seperti naftalena, antrasena dan fenantrena. Bakteri akan dirumbuhkan dalam salah satu larutan biak tersebut kemudian akakn diekskresi salisilat. Hal ini menunjukkan bahwa senyawa hidrokarbon alamiah apat diubah oleh mikroorganisme maupun dioksidasi sebagian atau seluruhnya. Aspal dalam kondisi lingkungan yang menguntungkan dapat diuraikan meskipun prosesnya berlangsung lambat. Grafit dapat dioksidasi dalam tanah yang didalamnya terdapat mikroorganisme.

Pada pencemaran tanah dengan minyak bumi, hidrokarbon dalam tanah yang didalamnya terdapat mikroorganisme dan diudarai dapat diuraikan secara cepat dan sempurna. Minyak bumi yang tumpah pada air laut merupakan bahaya besar bagi flora dan fauna. Tumpahan minyak bumi ini dapat diuraikan pula oleh bakteri akan tetapi meskipun telah diuraikan akan tetap tertinggal dalam waktu yang lama karena pengaruh biologik. Zat  alkana berantai panjang, senyawa hidrokarbin aromatik dan campuran menyerupai aspal.

B.   METANA

                        Metana dapat diolah dan dioksidasi oleh bakteri yang tidak mampu memecah hidrokarbon berantai panjang. Hanya bakteri tertentu pengolah metana yang memakan hidrokarbon yaitu kelompok bakteri yang ekstrim dalam pengolahan senyawa C1. Oleh karena itu bakteri pengolah metana dikelompokkan bersama dengan semua bakteri dan ragi yang mengolah metanol, amina termetilasi, formiat, dimetileter, dan formaldehid sebagai kelompokm organisme metilotrof. Bakteri yang mengandung metana sebagai sumber karbon dan energi berasal dari genus: Methylomonas, Methylococcus dan Methylosinus. Gas metana berguna sebagai sumber energi alternatif sebagai contoh gas elpiji untuk keperluan rumah tangga dan pembakaran untuk menghasilkan listrik.

Pengolahan metanol oleh bakteri dimulai oleh metanol dehidrogenase. Ditemukan  gugus prostetik yang disebut metoksatin atau pirolkhinolinkhinon (PQQ) di dalam enzim tersebut. Metosaktin sebagai komponen alkohol dehidrogenase yang terikat membran dan terdapat dalam bakteri. Pada pengolahan metana dengan metode saringan tetes, proses pengolahan dilakukan dengan memasukkan bakteri ke dalam bak berisi limbah yang telah diberi lubang untuk masuknya udara (aerator). Limbah akan terurai dan dapat dibuang ke lingkungan yang airnya sudah dipisahkan dari endapannya. Misalnya limbah logam berat yaitu chromium, limbah tersebut dapat direduksi oleh bakteri Enterobacter cloaceae.

                                  Di Berlin telah diisolasi dari biak pengkayaan dengan fraksi hidrokarbon sebagai sumber energi dua ragi: Candida lipolytica dan Candida tropicalis.  Candida lipolytica mengolah mulai dari panjang rantai 15 atom-C semua homolog yang lebih panjang. Kebanyakan jenis candida mengoksidasi hidrokarbon. Hasilnya dengan karbohidrat sebagai substrat harga Y hanya 0,5 akan tetapi hidrokarabon yang dihasilkan 0,7 – 1.

                        Banyak Pseudomonas yang mengoksidasi hidrokarbon secara sempurna, hanya Acinetobacter calcoaceticus saja mengekskresi produk oksidasi dan Nocardia menimbunnya di dalam sel.

Beberapa contoh bakteri metanogen yang diklasifikasikan secara taksonomi:

-       Methanobacterium thermoaautotrophicum

-       Methanobacterium aboriphilicum

-    Methanobacterium formicicum                   - Methanobacterium ruminantium

-   Methanobacterium mobile                           - Methanococcus vannielii

-   Methanosarcina barkeri                                - Methanosarcina marzei

-   Methanospirillum hungatii                            - Methanothrix soehngenii

Bakteri-bakteri metana dapat mengaktivasi hidrogen dan menghubungkan oksidasi hidrogen dengan reduksi CO₂. CO₂ diolah sebagai akseptor hidrogen dan metana diproduksi untuk memperoleh energi.

Selain bakteri-bakteri metanogen di atas, bakteri Escherichia coli juga berperan penting dalam pembentukan bahan bakar karena Escherichia coli  mampu menyintesa dan memproduksi enzim hemiselulosa yang berguna untuk menguraikan selulosa menjadi gula kemudian gula akan diubah menjadi asam lemak untuk membentuk membran sel. Gen bakteri ini direkayasa dengan memberikan arus pendek. Hal ini bertujuan untuk dapat memproduksi molekul asam lemak secara maksimum. Asam lemak ini nantinya akan diubah menjadi bahan bakar dan senyawa kimia lainnya.

Referensi:

1. Buku:

Baskoro,tedjo.1968.Mikrobiologi Umum. Yogyakarta:Universitas Gajah Mada

Hadioetomo,dkk.1986. Dasar-dasar Mikrobiologi.Jakarta:Universitas Indonesia

2. Situs:

id.wikipedia.org/wiki/Bioteknologi/

http://file.upi.edu/Direktori/FPMIPA/BAB I PENDAHULUAN.pdf