POTENSI BAKTERI RALSTONIA EUTROPHA SEBAGAI PENGHASIL BIOPLASTIK DARI SUBSTRAT LIMBAH ORGANIK
Oleh: Herdiyanto Mahmud Bokings
I. PENDAHULUAN
A. Latar belakang
Sebagaimana kita ketahui sampah terbesar di Indonesia bahkan di dunia mengandung bahan plastik. Dalam satu tahun, 1 triliun kantong plastik digunakan oleh dunia. Setiap orang menggunakan sekitar 170 kantong plastik tiap tahun. Ini berarti setiap satu menit-nya ada 2 juta kantong plastik yang dibuang. Kantong plastik tergolong “barang sekali pakai” sehingga memperbanyak sampah. Kantong plastik baru dapat terurai di alam dalam waktu 500 - 1.000 tahun, sehingga jika tercecer di tanah akan merusak lingkungan, menghambat peresapan air, menyebabkan banjir, dan merusak kesuburan tanah. Sekitar 3% plastik di dunia berakhir sebagai sampah yang terapung-apung di permukaan air, termasuk di laut yang menyebabkan kematian banyak ikan paus dan penyu karena sampah plastik tersangkut di pencernaan mereka.
Plastik dibutuhkan dalam berbagai keperluan sehari-hari dalam kehidupan modern ini. Untuk memenuhi kebutuhan tersebut, 100 juta ton plastik konvensional berbahan dasar petroleum di produksi tiap tahun. Dibutuhkan 7 juta barel minyak per hari untuk memperoleh bahan dasar plastik dan untuk memproduksinya. Bayangkan, berapa banyak polusi dan penggunaan bahan bakar fosil yang bisa ditekan, apabila bioplastik ini digunakan di seluruh dunia. Belum lagi masalah sampah plastik konvensional yang tidak terurai, dan mencemari lingkungan.
Penggunaan kantung plastik setiap harinya mencapai jutaan tiap harinya. Namun plastik sintetis yang berasal dari minyak bumi tidak dapat didgradasi sehingga dapat menimbulkan pencemaran. Bioplastik merupakan suatu teknologi yang bisa menjadi solusi untuk mengatasi masalah ini karena bioplastik berbahan organk sehingga dapat didegradasi. Pembuatan bioplastik umumnya dilakukan dengan memanfaatkan bakteri Ralstonia eutropha dengan menghidrolisis pati kemudian menghasilkan polimer plastik organik. Pati didapatkan dai berbagai macam tumbuhan. Selain itu, limbah plastik organik hasil pertanian dan industri juga berpotensi untk diekstrak kandungan patinya.
Bioplastik dapat dihasilkan dari metabolisme beberapa bakteri dan arkea di saat terjadi cekaman nutrisi di lingkungan dengan jumlah sumber karbon berlimpah dengan hasil samping berupa senyawaan poliester dari ragam hidroksialkanoat. Ralstonia eutropha merupakan bakteri kemoautotrof fakultatif yang dapat mengakumulasi poli-β-hydroxyalkanoate (PHA) sebagai cadangan energi dalam kondisi kultur yang mengandung sedikit mineral atau oksigen.
Salah satu cara yang telah dilakukan dalam mengurangi limbah plastik ialah dengan proses daur ulang plastik. Namun, cara ini belum mampu mengatasi permasalahan yang ada sebab proses daur ulang sendiri belum mampu mengurangi jumlah plastik karena tidak dapat didegradasi. Selain itu, hanya jenis-jenis plastik tertentu saja yang dapat didaur ulang sedangkan sebagian besar plastik langsung dibuang setelah digunakan. Salah satu inovasi plastik yang teruraikan ialah bioplastik. Bioplastik ternyata banyak dihasilkan oleh mikroorganisme, contohnya Alcaligenes, Azotobacter, Bacillus, Nocardia, Pseudomonas, Ralstonia dan Rhizobium (Matthysse et al. 2008).
Sebenarnya pembuatan bioplastik telah lama dilakukan terutama oleh negara-negara maju. Bioplastik juga terbukti memiliki tingkat kekuatan yang sebanding dengan plastik sintetik. Bahan metabolit sekunder dari bakteri yang dapat dijadikan sebagai bioplastik adalah Poli-β-hidroksialkanoat (PHA). PHA dibentuk di dalam sitoplasma sel, dan merupakan hasil akumulasi metabolisme sel bakteri saat terjadi kelebihan karbon di lingkungan tempat hidupnya. PHA mempunyai karakteristik kimia dan fisik yang dibutuhkan bagi penggunaannya sebagai termoplastik komersial.
Penggunaan bioplastik memiliki banyak keuntungan dan yang sudah pasti lebih ramah lingkungan. Di negara-negara maju memang sudah banyak aplikasi bioplastik. Namun, di Indonesia masih jarang digunakan untuk kebutuhan sehari-hari. Padahal mikroorganisme penghasilnya memiliki keragaman dan jumlah yang berlimpah di Indonesia. Namun, kendala saat ini ialah biaya produksi yang masih mahal. Oleh karena itu, pemanfatan limbah organik dapat dijadikan salah satu solusi untuk mengurangi biaya produksi sehingga teknologi ini dapat berkembang di Indonesia. Indonesia kaya pertanian terutama tanama-tanaman penghasil pati. Tentunya tidak semua hasil pertanian digunakan secara keseluruhan. Seringkali ada bagian yang dibuang dari hasil panen petani. Contohnya seperti bungkil jagung, bungkil kelapa sawit, kulit ketela, dan bahan buangan organik lain yang sebenarnya berpotensi untuk menjadi substrat pertumbuhan Ralstonia. Bahkan limbah industri organik seperti limbah tepung tapioka dapat juga digunakan. Jika semua sumberdaya ini dapat dimanfaatkan sebagai bioplastik, maka akan mengurangi limbah dan memberi nilai tambah pada limbah organik.
Indonesia perlu mengembangkan teknologi ini agar tidak tertinggal dengan negara lain. Di negara-negara maju, kebutuhan akan bioplastik sudah tinggi. Tidak hanya untuk kantong plastik saja, tetapi juga digunakan untuk berbagai kemasan-kemasan produk makanan dan industri
B. Tujuan
Adapun tujuan dari penulisan makalah ini sebagai informasii mengenai manfaat bioplastik danMemberikan solusi terhadap masalah penanganan limbah plastik sintetik yang tidak dapat didegradasi serta mengembangkan teknologi bioplastik di Indonesia.
II. SUBSTANSI KAJIAN
A. Ralstonia eutropha
Ralstonia eutropha merupakan bakteri kemoautotrof fakultatif yang dapat mengakumulasi poli-β-hydroxyalkanoate (PHA) sebagai cadangan energi dalam kondisi kultur yang mengandung sedikit mineral atau oksigen. Genus Ralstonia berbentuk batang, batang bulat, atau bulat dengan diameter 0,5-1,0 mikrometer dan panjang 0,5-2,6 mikrometer. Ralstonia eutropha memiliki flagel berbentuk peritrichous dan bersifat aerob obligat.
Ralstonia eutropha termasuk dalam bakteri gram negatif yang mampu mengakumulasi PHA sebagai cadangan energi di bawah kondisi kultur yang mengandung sedikit mineral atau oksigen.
Pada Ralstonia eutropha terdapat operon tunggal yang mengandung tiga jenis gen yang diperlukan untuk sintesa PHB, yaitu phbA, phbB, dan phbC. PhbA (yaitu ketothiolase) bergabung dengan dua molekul asetil-KoA untuk menghasilkan asetoasetil-KoA yang kemudian direduksi menjadi D-β-hidroksibutiril-KoA oleh phbB (yaitu suatu reduktase asetoasetil-KoA yang membutuhkan NADPH). Molekul D-β-hidroksibutiril-KoA membentuk unit monomer PHB, kemudian dipolimerisasi melalui ikatan ester oleh phbC (yaitu suatu PHB sintetase).
Pada lingkungan yang kaya, PHB secara enzimatik didegradasi menjadi asetil-KoA yang masuk ke jalur primer metabolisme dan dimineralisasi menjadi karbondioksida. Degradasi dimulai oleh dipolimerase yang dikode sebagai gen phbZ. Anatia (2007) mengatakan bahwa Ralstonia eutropha mampu mengakumulasi hingga 80% polimer dalam berat kering sel.
Poly-β-hydroxyalkanoates (PHA) adalah suatu famili poliester termoplastik bermolekul tinggi yang terbentuk secara alami atau melalui cara bioteknologi khusus (Lu et al. 2008). PHB (Poly-β-hydroxybutyrate) dan kopolimer Poly-β-hydroxybutyrate dengan Poly-β-hydroxyvalerate (PHB-co-PHV) merupakan dua tipe famili PHA yang paling banyak diteliti secara intensif dan telah banyak dijumpai di pasaran. PHA alami mengandung sekelompok n-alkil.
Berbeda dengan plastik konvensional yang dibuat dari bahan berbasis petrokimia, PHA dibuat dari bahan baku tumbuhan yang dapat diperbarui yang digunakan sebagai substrat fermentasi (Abbott et al. 2008). PHA terakumulasi di dalam bakteri sebagai hasil ketidakseimbangan nutrisi yang terjadi saat kelebihan karbon dan energi. PHA bersifat termoplastik dan elastomer tergantung dari komposisi monomernya dan dapat terdegradasi secara sempurna.
Poly-β-hydroxybutyrate (PHB) sebagai salah satu jenis PHA adalah suatu polimer linier dan di bawah kondisi normal merupakan komponen yang relatif tidak reaktif. PHB dengan kopolimer Poly-β-hydroxybutyrate dengan Poly-β-hydroxyvalerate (PHB-co-PHV) memiliki sifat-sifat termoplastik yang baik. PHB sering dibandingkan dengan polipropilen karena sifat fisiknya yang serupa. Perbedaannya ialah bahwa PHB sangat rapuh untuk beberapa penggunaan, dengan rasio elastisitas hampir dua kelas lebih rendah dibandingkan dengan polipropilen.
Berbagai organisme seperti Alcaligenes, Azotobacter, Bacillus, Nocardia, Pseudomonas, dan Rhizobium mengakumulasi polihidroksialkanoat sebagai maerial cadangan energi (Matthysse et al. 2008). Masing-masing mikroorganisme menghasilkan komposisi polimer PHA yang berbeda. Jenis sumber karbon yang dikonsumsi oleh mikroorganisme juga menentukan jenis PHA yang dihasilkan.
B. Bioplastik
Bioplastik merupakan jenis plastik atau polimer yang dibuat dari bahan-bahan biotik Seperti jagung, singkong, atau mikroba. Bioplastik yang tersusun atas komponen-komponen alam dan lebih mudah didegradasi oleh bakteri-bakteri pengurai karena senyawa penyusunnya sudah dikenal oleh bakteri-bakteri pengurai.
Bioplastik dapat dihasilkan dari hasil metabolisme bakteri dan arkea tertentu terjadi cekaman nutrisi di lingkungan dengan jumlah sumber karbon berlimpah. Akibatnya dihasilkan hasil samping berupa senyawaan poliester dari ragam hidroksialkanoat. Beberapa macam mikroorganisme yang dapat memproduksi senyawaan poliester terbarukan ini antara lain Ralstonia eutropha dan Haloferax mediterranei. Bioplastik dapat pula dihasilkan oleh bakteri penghasil asam polilaktat, namun produksi bioplastik ini berbahaya saat konsentrasi tinggi atau pH rendah sehingga menggangu proses metabolisme selanjutnya.
Mikroba adalah jasat renik yang sangat beragam jenisnya dan memiliki fungsi sebagai pengurai. Kini salah satu jenisnya telah diubah menjadi “tenaga kerja”untuk memproduksi bioplastik oleh Khaswar Syamsu. Ia seorang perekayasa dari institut pertanian bogor yang berhasil merekayasa pembuatan plastik terbuata dari bahan pati sagu dan lemak sawit sehingga menjadi plastik ramah lingkungan atau bioplastik.
Bioplastik selama ini dinilai relatif mahal karena menggunakan glukosa yang dihasilkan melalui proses yang juga mahal. Namun bioplastik yang di hasilkan melalui patih atau limbah mampu menekan harga yang jauh lebih murah. Selain itu dewasa ini bioplasti sangat dibutuhkan untuk mengurangi penggunaan plastik biasa yang dihasilkan dari BBM. Plastik dari BBM banyak mengandung bahan-bahan karsinogen, sehinggah dapat meracuni tubuh. Sementara itu BBM juga terbatas dan lebih diprioritaskan untuk bidang energi karena sumbernya semakin berkurang.
Disisi lain, berbagai keperluan masyarakat hampir seluruhnya menggunakan plastik sedangkan limbah yang di hasilkan tidak mampu diuraikan bakteri hingga bertahun-tahun lamanya. Akhirnya limbah menumpuk sedangkan penggunaan plastik semakin meningkat. Sementara plastik yang di daur ulang hanya mencapai 10 persen dari limbah yang ada. Sisanya masih berada di lingkungan manusia dan menimbulkan pencemaran.
Bioplastik menggunakan limbah pati yang berasal dari ketela ini di proses oleh bakteri tertentu sehingga menhasilkan polimer yang disimpan dalam tubuhnya. Melalui proses dangan kondisi tertentu, akan di hasilkan mikroorganisme yang mampu menghasilkan polimer sebanyak-banyaknya. Mikroorganisme tersebut kemudian di pisahkan selnya, untuk menghasilkan polimer [bahan plastik]. Selain itu limbah plastik ini juga mampu diuraikan lingkangan hanya dalam waktu 6 bulan. Bioplastik juga jauh lebih lentur di banding plastik biasa. Selain itu bioplastik ini dapat diteruskan manfaatnya untuk memprosuksi biofilm, PVC (Polyvinylchloride), dan membrane mikro.
C. Pembuatan Bioplastik
Ralstonia eutropha merupakan bakteri kemoautotrof fakultatif yang dapat mengakumulasi poli-β-hydroxyalkanoate (PHA) sebagai cadangan energi dalam kondisi kultur yang mengandung sedikit mineral atau oksigen. PHA dibentuk di dalam sitoplasma sel, bentuknya dapat berupa granula dan kristal (Anatia 2007). Granula tersebut mengandung PHA dipolimerase yang terdapat dalam membran protein atau pada sitoplasma yang menyebabkan terjadinya degradasi polimer. PHA mempunyai karakteristik kimia dan fisik yang dibutuhkan bagi penggunaannya sebagai termoplastik komersial. Polimer ini dapat digunakan lebih lanjut melalui pencetakan larutan maupun pelelehan untuk membentuk serat, film, plastik fleksibel, dan plastik rigid.
Berdasarkan proses pembuatannya, plastik yang mudah terurai dibedakan atas tiga tipe yaitu: (1) plastik yang dihasilkan dari suatu bahan akibat kerja dari suatu jenis mikroorganisme (prekusor), (2) plastik yang dibuat berdasarkan hasil rekayasa kimia dari bahan polimer alami seperti serat selulosa dan bahan berpati (amylase) dan (3) plastik dengan bahan baku polimer sinetik sebagai hasil dan sintesa minyak bumi seperti poliester kopolimer.
Proses produksi PHA secara umum terdiri atas dua tahap utama, yaitu kultivasi dan isolasi PHA. Tahap kultivasi merupakan tahap pertumbuhan biomasa sel dan akumulasi biopolimer PHA. Akumulasi PHA terjadi setelah kondisi keterbatasan oksigen terjadi. Bobot kering sel dan perolehan PHA lebih tinggi pada kondisi keterbatasan oksigen dibandingkan keterbatasan amonium. Bakteri Ralstonia eutropha mampu mengakumulasi hingga 80% polimer dalam berat kering sel.
Secara teknis PHA diproduksi dengan sistem fed-batch. Sistem fed-batch banyak diterapkan terutama untuk memacu peningkatan akumulasi PHA di dalam sel. Penggunaan limbah organik yang didegradasi menjadi gula-gula sederhana sebagai sumber karbon dalam proses kultivasi PHA dapat meningkatkan konsentrasi dan rendemen PHA di dalam sel meskipun tidak efektif untuk meningkatkan konsentrasi sel. ). Bakteri Ralstonia eutropha tumbuh paling baik pada konsentrasi gula awal 30 g/L dengan laju pertumbuhan spesifik malsimal 0.108/jam dan rendemen molekuler sebesar 0.227 g sel/g gula (Anatia 2007). Setelah kultivasi berakhir, dilakukan isolasi biopolimer PHA.
Pemisahan biopolimer yang paling efektif adalah dengan menggunakan pelarut non-polar. PHA diketSahui dapat larut dalam kloroform. Larutan PHA-Kloroform selanjutnya disaring dengan kertas whatman 40 untuk memisahkan ampas dan larutan PHA-Kloroform. Kloroform diuapkan pada ruangan asam sehingga PHA yang tersisa membentuk suatu lapisan PHA.
III. PENUTUP
A. Kesimpulan
Dari uraian diatas, dapat di uraikan:
1. Bioplastik adalah jenis plastik atau polimer yang dibuat dari bahan-bahan biotik atau organik. Bioplastik memanfaatkan mikroorganisme yang menghidrolisis pati menjadi senyawa termoplastis. Ralstonia eutropha merupakan bakteri kemoautotrof fakultatif yang dapat mengakumulasi poli-β-hydroxyalkanoate (PHA).
2. Bahan dasar bioplastik dapat berasal dari limbah organik. Dengan adanya bioplastik akan mengurangi limbah plastik karena bioplastik dapat didegradasi.
3. Ralstonia eutropha termasuk dalam bakrteri gram negatif yang mampu mengakumulasi PHA sebagai cadangan energi di bawah kondisi kultur yang mengandung sedikit mineral atau oksigen.
B. Saran
Seiring dengan meningkatnya kebutuhan manusia akan penggunaan bahan-bahan yang terbuat dari plastik, maka perlu di kembangkan proses bioplastik agar pencemaran lingkungan dapat diminimalisir, sehingga keseimbangan lingkungan tetap terjaga.
DAFTAR RUJUKAN
Anatia DS. 2007. Pengaruh Suhu, Jenis, dan Perbandingan Pelarut Terhadap Kelarutan Bioplastik PHA (Poli-β-Hidroxyalkanoates) yang Dihasilkan Ralstonia eutropha pada Substrat Hidrolisat Pati Sagu. [Skripsi]. Bogor : Fakultas Teknologi Pertanian IPB.
Jurnal ilmu pertanian Indonesia, Agustus 2007, him. 63-68 Vol. 12 No.2 ISSN 0853-4217
Khoiri A.A. 2007. Pengaruh Penambahan Pemlastis Polietilen Glikol 400, Dietilen Glikol, dan Dimetil Ftalat Terhadap Proses Biodegradasi Bioplastik
Poli-β-Hidroksialkanoat pada Media Cair dengan Udara Terlimitasi. [Skripsi]. Bogor : Fakultas Teknologi Pertanian IPB.
Poli-β-Hidroksialkanoat pada Media Cair dengan Udara Terlimitasi. [Skripsi]. Bogor : Fakultas Teknologi Pertanian IPB.
