Sumber Karbon dan Energi Bakteri Pereduksi Sulfat

20 sulfat SO 4 2- , tiosulfat S 2 O 3 2- dan sulfit SO 3 2- sebagai akseptor elektron terminal dalam respirasi metabolismenya, yang kemudian direduksi menjadi sulfida. Disamping itu, untuk memenuhi kebutuhan hidupnya, bakteri pereduksi sulfat juga memerlukan susbtrat organik – umumnya asam organik rantai pendek – seperti asam laktat dan piruvat, yang dihasilkan oleh aktivitas fermentasi bakteri anaerob lainnya. Bakteri pereduksi sulfat merupakan heterotrof anaerob. Sampai saat ini tela h dikenal lebih dari 10 genus bakteri pereduksi sulfat. Bakteri pereduksi sulfat yang dikenal dan ditemukan secara luas di alam antara lain adalah Desulfovibrio dan Desulfotomaculum Moodie dan Ingledew, 1991. Berdasarkan cara penguraian asam organik, bakteri pereduksi sulfat dapat dikelompokkan menjadi dua kelompok Kleikemper et al., 2002. Kelompok pertama mengoksidasi senyawa donor secara tidak sempurna, dan menghasilkan senyawa asetat. Kelompok Desulfotomaculum yang membentuk spora dan Desulvofibrio yang tidak membentuk spora merupakan bakteri yang mengoksidasi senyawa organik secara tidak sempurna. Kelompok kedua mampu tumbuh menggunakan alkohol, asetat, asam lemak berbobot molekul tinggi, dan benzoat, seperti Desulfotomaculum acetoxidans, Desulfobacter, Desulfococcus, Desulfosacrina dan Desulfonema Detmers et al., 2001. Beberapa spesies dan genus bakteri anaerob dapat bertahan sementara dengan adanya oksigen, namun membutuhkan lingkungan anaerob tanpa oksigen untuk pertumbuhannya.

2.3.1. Sumber Karbon dan Energi Bakteri Pereduksi Sulfat

Ada beberapa tipe sumber karbon dan energi yang digunakan oleh bakteri pereduksi sulfat. Lens et al., 1998 mengemukakan bahwa bakteri pereduksi sulfat mampu memanfaatkan berbagai macam sumber karbon. Karbon tersebut merupakan sumber energi bagi aktivitas metabolisme dan kehidupan mikroorganisme. Reaksi reduksi sulfat oleh bakteri pereduksi sulfat mengikuti persamaan seperti berikut, SO 4 2- + 8e - + 4H 2 O à S 2- + 8OH - Pada reaksi tersebut, elektron yang dibutuhkan diperoleh dari aktivitas oksidasi bahan organik laktat, asetat, propionat, dan lain- lain yang dilakukan oleh bakteri pereduksi sulfat. Disamping sebagai donor elektron, sumber karbon 21 juga berfungsi sebagai sumber energi. Skema proses metabolisme reduksi sulfat dan pemanfaatan sumber karbon disajikan pada Gambar 4. Pada tahap awal sumber karbon akan dioksidasi dan menghasilkan ATP, kemudian ATP tersebut dimanfaatkan untuk mereduksi sulfat menjadi sulfida. Pada kondisi dimana hidrogen dipergunakan sebagai donor elektron, maka CO 2 akan dimanfaatkan sebagai sumber karbon. Beberapa sumber karbon yang dapat dipergunakan oleh bakteri pereduksi sulfat disajikan pada Tabel 2. Gambar 4. Skema proses metabolisme reduksi sulfat dan pemanfaatan sumber karbon Postgate, 1984 Banyak teori yang membahas mekanisme reduksi sulfat oleh bakteri pereduksi sulfat, salah satunya yang dikemukakan oleh Matias et al., 2005. Pada mekanisme ini, energi yang diperoleh dari oksidasi laktat ditransfer ke hidrogenase yang berada di sitoplasma dan menghasilkan H 2 . H 2 kemudian dioksidasi kembali untuk menghasilkan elektron, dan melepaskan proton H + yang dipergunakan untuk mendorong pembentukan ATP. ATP kemudian dipergunakan dalam proses bertahap reduksi sulfat menjadi S 2- Gambar 5. Sumber karbon CO 2 +H 2 O+CH 3 COOH atau CO 2 , H 2 O ADP ATP Menghasilkan elektron Flovoproteins, sitochrome C 3 , dll. menghasilkan ATP SO 4 2- + H 2 O S 2- + OH - ADP ATP ADP ATP Oksidasi Reduksi Transpor elektron 22 Tabel 2. Donor elektron dan sumber karbon bakteri pereduksi sulfat Hansen, 1988 Kelompok Senyawa Sumber karbon dan energi Anorganik Hidrogen, karbon dioksida Asam monokarboksilat Format, asetat, propionat, isobutarat, 2- dan 3- metilbutirat, asam lemak C tinggi sampai C 20 , piruvat, laktat Asam dikarboksilat Suksinat, fumarat, malat, oksalat, maleinat, glutarat, pimelat Alkohol Metanol, etanol, propanol, butanol, glikol etilen, 1, 2 dan 1,3 – propenediol, gliserol Asam amino Lisin, serin, sistin, treonin, valin, leusin, isoleusin, aspartat, glutamat, fenolalanin Lain-lain Kolin, furfural, oksamat, fruktosa, benzoat, 2-, 3-, dan 4-OH- benzoat, sikloheksan karbonat, hipurat, asam nikotin, indol, antranilat, quinolin, fenol, p-cresol, katechol, resorcinol, hidroquinin, protokatechuat, floroglusinol, pirogalol, 4-OH- fenilasetat, 3-fenilpropionat, 2-aminobenzoat, dihydroksiaseton Gambar 5. Skema aliran elektron dalam sel Desulfovibrio, dimana H 2 atau senyawa organik sebagai sumber energi dan sulfat sebagai akseptor elektron Matias et al., 2005; Dikutip atas ijin Carrondo, 2009 23 Mekanisme lain adalah yang diusulkan oleh Odom dan Peck 1981. Mekanisme ini merupakan model siklus hidrogen yang dimanfaatkan oleh bakteri yang hidup dengan laktat sebagai sumber karbon organik Gambar 6. Elektron dari laktat akan digunakan oleh hidrogenase sitoplasma untuk menghasilkan hidrogen yang dapat melewati membran sel dan digunakan oleh dehidrogenase periplasma. Proton yang dihasilkan akan tetap berada di periplasma, sedangkan elektron ditransfer keluar membran sel untuk mereduksi sulfat. Gambar 6. Skema mekanisme siklus hidrogen untuk menghasilkan energi pada Desulfovibrio yang tumbuh pada laktat sebagai sumber energi dan sulfat sebagai akseptor elektron Odom dan Peck, 1981; Dikutip atas ijin Carrondo, 2009. Desulfotomaculum thermocisternum merupakan bakteri yang memanfaatkan hidrogen sebagai donor elektron dalam mereduksi sulfat Nielsen et al., 1996. Beberapa spesies bakteri pereduksi sulfat dilaporkan mampu mengoksidasi bahan organik seperti alkana C 13 sampai C 18 , 1-alkena C 15 dan C 16 dan 1-alkanol C 15 dan C 16 , toluene, o-xylen, m- xylen, o-etiltoluen, m- 24 etiltoluen, p-xylen, naftalena, etilbenzen dan benzen Perez-Jimenez et al., 2001; Elshahed dan McInerney, 2001; Morash et al., 2001; Harms et al., 1999; So dan Young, 1999; Nakagawa et al., 2002, sedangkan Widdel 1992 dan Dhillon et al. 2003 melaporkan bahwa Desulfobacterium memanfaatkan dan menguraikan asam lemak rantai pendek, etanol dan laktat. Berdasarkan kemampuannya dalam mengoksidasi sumber karbon, bakteri pereduksi sulfat dibagi menjadi dua kelompok, yakni 1 kelompok yang mengoksidasi sumber karbon secara sempurna menjadi CO 2 , dan 2 kelompok yang mengoksidasi sumber karbon tidak sempurna menghasilkan asetat dan CO 2 . Beberapa spesies dari genus Desulfobacter, Desulfosarcina, Desulfococcus, Desulfobacterium, Desulfoorculus, Desulfomonile dan Desulfonema termasuk dalam kelompok yang mengoksidasi sumber karbon secara sempurna, termasuk beberapa spesies diantaranya adalah Desulfotomaculum acetoxidans, Desulfotomaculum sapomandens dan Desulfovibrio baarsii Postgate, 1984; Colleran et al., 1995. Spesies bakteri pereduksi sulfat yang mengoksidasi sumber karbon secara tidak sempurna antara lain adalah Desulfovibrio thermophilus, Desulfovibrio sapovarans, Desulfomas pigra, Thermodesulfobacterium commune, dan sebagian besar spesies dari genus Desulfotomaculum, Desulfomonas dan Desulfobulbus Colleran et al., 1995. Tabel 3 menyajikan standar energi yang dibutuhkan ? G o dalam proses oksidasi beberapa sumber karbon yang berbeda. Postgate 1984 mengemukakan bahwa laktat merupakan sumber karbon yang paling banyak dimanfaatkan oleh bakteri pereduksi sulfat. Kelemahan penggunaan laktat adalah bahwa hanya sebagian dari laktat yang dioksidasi menjadi asetat dan CO 2 , sehingga jumlah laktat yang dibutuhkan untuk mereduksi sulfat lebih banyak. Disamping itu, dengan adanya asetat yang dihasilkan menyebabkan peningkatan COD pada sistem perairan. Mekanisme penting bagi aktivitas bakteri pereduksi sulfat adalah proses reduksi sulfat tersebut berlangsung dalam kondisi anaerob dan kondisi faktor lingkungan yang optimal bagi pembentukan sulfida yang maksimal. Secara ringkas reaksi metabolik bakteri pereduksi sulfat dengan laktat sebagai sumber karbon utama adalah sebagai berikut Bayoumy et al., 1998 : 25 Tabel 3. Data termodinamika oksidasi beberapa sumber karbon dan energi selama reduksi sulfat secara biologi Postgate, 1984. Reaksi ? G o Kcalreaksi; Kcalmole SO 4 2- Tipe 4H 2 hidrogen + SO 4 2- à 4H 2 O + S 2- - 29,66 Oksidasi Sempurna CH 3 COO - asetat + SO 4 2- à H 2 O + CO 2 + HCO 3 - + S 2- - 2,97 4HCOO - format + SO 4 2- à 4HCO 3 - + S 2- - 43,70 4CH 3 COCOO - piruvat + SO 4 2- à 4CH 3 COO - + 4CO 2 + S 2- - 79,20 Oksidasi tidak sempurna 2 CH 5 COCOO - laktat + SO 4 2- à 2CH 3 COO - + 2CO 2 + 2H 2 O + S 2- - 33,60 2C 4 H 4 O 5 2- malat + SO 4 2- à 2CH 3 COO - + 2CO 2 + 2 HCO 3 - + S 2- - 43,30 2C 4 H 2 O 4 2- fumarat + H 2 O + SO 4 2- à 2CH 3 COO - + 2CO 2 + 2 HCO 3 - + S 2- - 45,50 4C 4 H 4 O 4 2- suksinat + 3SO 4 2- à 4CH 3 COO - + 4CO 2 + 4 HCO 3 - + 3S 2- - 36,00 ? G o : Standar energi yang dibutuhkan 26 2 C 3 H 5 O 3 - + SO 4 2- à 2 CH 3 COO - + 2 CO 2 + 2 H 2 O + S 2- laktat asetat Reduksi sulfat dapat terjadi pada kisaran pH, tekanan, suhu dan salinitas yang lebar, namun ketersediaan senyawa karbon sebagai donor elektron dan molekul hidrogen dapat menjadi pembatas. Disamping itu, reduksi sulfat juga dihambat oleh kehadiran oksigen, nitrat, dan ion Fe III, dan kehadiran bakteri metanogenik yang juga memanfaatkan donor elektron Bratcova et al., 2002.

2.3.2. Peranan Bakteri Pereduksi Sulfat