TUGAS BIOPROSES DALAM LINGKUNGAN docx

TUGAS
BIOPROSES DALAM LINGKUNGAN

SIKLUS KARBON
Dosen Pengampu : Ir. Siti Syamsyiah, Ph.D.

Disusun oleh :
Kelompok 4
Felix Arie Setiawan

(13/353116/PTK/08954)

Fitri Nur Kayati

(13/357134/PTK/09260)

Lucky Wahyu Nuzulia S.

(13/353300/PTK/08968)

Nur Indah Fajar Mukti

(13/353301/PTK/08969)

Reviana Inda Dwi Suyatmo

(13/352705/PTK/08913)

PROGRAM MAGISTER TEKNIK PROSES
FAKULTAS TEKNIK JURUSAN TEKNIK KIMIA
UNIVERSITAS GADJAH MADA
YOGYAKARTA
2014

SIKLUS KARBON DI ALAM
Karbon merupakan senyawa yang sangat penting keberadaannya di bumi. Manusia
sangat membutuhkan senyawa ini dari mulai bahan bakar, makanan, barang sehari-hari
bahkan kita sendiri terbentuk dari karbon. Dalam siklus karbon, tumbuhan mendapatkan
sumber karbon dalam bentuk CO2 dari atmosfer yang kemudian digunakan dalam proses
fostosintesis. Tumbuhan tersebut kemudian menjadi sumber karbon bagi konsumen. Respirasi
oleh konsumen mengembalikan CO2 ke atmosfer. Tumbuhan dan konsumen yang mati

selanjutnya mengalami biodegradasi, diuraikan oleh mikroorganisme. Pada gambar 1 dapat
dilihat siklus karbon antara atmosphere, daratan dan lautan.
Siklus karbon sendiri dibagi menjadi 2 yaitu siklus lambat dan siklus cepat. Siklus
lambat terjadi melalui reaksi kimia dan aktifitas tektonik; Karbon membutuhkan waktu
sekitar 100 – 200 juta tahun untuk berpindah dari batuan, tanah, lautan dan atmosphere.
Siklus cepat terjadi pada bentuk kehidupan organisme di bumi atau biosphere. Karbon
memerankan peranan penting pada proses biologi karena sifatnya yang dapat membentuk
ikatan yang besar. Pada siklus cepat bakteri (organisme) menggunakan karbon untuk
menghasilkan energi maupun menghasilkan senyawa yang mengandung karbon.

Gambar 1. Siklus Karbon di Alam

2

SIKLUS KARBON DALAM MIKROORGANISME

Gambar 2. Siklus Karbon dalam Mikroorganisme

1.

Carbon Dioxide Fixation
Carbon fixation adalah sintesis dari anorganik karbon (karbon dioksida) menjadi
senyawa organik oleh mikroorganisme. Contoh carbon fixation yang paling banyak
terjadi adalah fotosintesis. Diperkirakan hampir 258 milliar ton CO2/ tahun diubah
menjadi senyawa organic pada proses fotosintesis. Mayoritas carbon fixation terjadi di
lingkungan laut.
Autotroph merupakan mikroorganisme yang tumbuh menggunakan karbon.
Contoh mikroorganisme jenis autotroph antara lain:
-

Photoautotrophs yang mensintesis senyawa organic menggunakan sumber sinar
matahari.

-

Lithoautotrophs yang mensintesis senyawa organic menggunakan energy dari oksidasi
anorganik.
Heterotrophs adalah mikroorganisme yang tumbuh menggunakan hasil fixation

oleh mikroorganisme autotroph. Senyawa organic yang dikonsumsi oleh heterotroph

digunakan untuk menghasilkan energy dan membangun struktur selnya.
Contoh proses carbon fixation adalah fotosintesis. Fotosintesis merupakan salah
satu jenis carbon fixation yang menggunakan sinar matahari dan oksigen untuk
prosesnya. Fotosintesis biasanya terjadi pada makhluk hidup yang memiliki pigmen
klorofil seperti tumbuhan, algae dan cyanobacteria. Dengan proses sebagai berikut:
3

2H2O → 4e- + 4H+ + O2
CO2 + 4e- + 4H+ → CH2O + H2O
Pada langkah pertama, air diuraikan menjadi elektron, proton, dan oksigen bebas.
Air digunakan sebagai donor elektron. Langkah ini menggunakan energi sinar matahari
untuk mengoksidasi air menjadi O2 yang kemudan digunakan untuk menghasilkan ATP.
ADP + Pi

ATP + H2O

Dan reduktor, NADPH,
NADP+ + 2e- + 2H+

NADPH + H+

Langkah kedua atau yang disebut siklus Calvin, merupakan tahap dimana carbon
fixation terjadi. Pada tahap ini ATP dan NADPH dikonsumsi untuk mengubah
karbondioksida menjadi gula berupa triase fosfat (TP).
CO2 + 12 e- + 12 H+ + Pi → TP + 4 H2O
2.

Fermentation and Anaerobic Respiration
Respirasi
Sel hidup membutuhkan energi dari sumber luar agar dapat melakukan kerja.
Energi yang tersimpan dalam molekul organik pada makanan berasal dari matahari.
Energi mengalir ke dalam ekosistem sebagai cahaya dan meninggalkan ekosistem
sebagai panas. Sebaliknya, unsur kimia yang penting bagi hidup di-recycled. Fotosintesis
menghasilkan oksigen dan molekul organik yang digunakan oleh mitokondria sel
eukariot sebagai bahan bakar dalam respirasi sel. Proses respirasi memecah bahan bakar
tersebut dan menghasilkan ATP. Produk buangan respirasi yaitu CO2 dan air, merupakan
bahan mentah untuk fotosintesis. Pada proses ini, akan diuraikan bagaimana sel
memanen energi kimia yang tersimpan di dalam molekul organik dan menggunakannya
untuk menghasilkan ATP, yaitu suatu molekul yang mengendalikan sebagian besar kerja
sel. Untuk setiap satu molekul glukosa yang diurai menjadi karbon dioksida dan air

melalui respirasi, sel memproduksi sekitar 38 molekul ATP. Respirasi merupakan fungsi
kumulatif dari tiga tingkatan metabolisme (1) Glikolisis, (2) Siklus asam sitrat, dan (3)
Fosforilasi oksidatif terdiri dari transport elektron dan chemiosmosis.
Kata “glikolisis” memiliki arti “pemisahan gula” dan inilah yang terjadi selama
glikolisis. Glukosa (gula berkarbon enam) dipisahkan menjadi dua buah gula berkarbon
tiga. Gula yang lebih kecil ini kemudian teroksidasi dan atom-atom yang tersisa
membentuk dua molekul piruvat (piruvat merupakan bentuk ion dari asam piruvat).

4

Siklus asam sitrat disebut juga siklus asam trikarboksil atau siklus Krebs. Siklus
ini berfungsi sebagai pengoksidasi bahan bakar organik yang berasal dari piruvat.
Pada tingkat ketiga respirasi sel, rangkaian transport elektron menerima elektron
dari produk yang telah terurai pada kedua tingkatan sebelumnya (sebagian besar melalui
NADH) dan meneruskan elektronelektron ini dari satu molekul ke molekul yang lainnya.
Pada akhir dari rantai transpot elektron, elektron bergabung dengan molekul oksigen dan
ion hidrogen (H+) membentuk air. Energi yang dilepaskan dari tiap tahapan dalam
rangkaian tersebut disimpan dalam bentuk dimana mitokondria dapat menggunakannya
untuk membuat ATP. Model pembuatan ATP yang demikian disebut fosforilasi oksidatif
karena dikendalikan oleh rekasi redoks dari rangkaian transport elektron.

Fermentasi Dan Respirasi Anaerob
Karena sebagian besar ATP yang dihasilkan melalui respirasi sel adalah hasil dari
proses fosforilasi oksidatif, maka ATP yang dihasilkan dari respirasi aerobik bergantung
pada suplai oksigen dalam sel. Tanpa adanya oksigen yang bersigat elektronegatif untuk
menarik elekton dari rangkaian TE (Transport Electron), fosforilasi oksidatif akan
berhenti. Namun demikian, terdapat dua mekanisme umum dimana sel-sel tertentu
mampu mengoksidasi bahan bakar organik (materi organik) dan menghasilkan ATP tanpa
menggunakan oksigen yaitu: respirasi anaerobik dan fermentasi. Perbedaan dari
keduanya terletak pada ada tidaknya rangkaian TE.
Anaerobik respirasi berlangsung pada organisme prokariot yang hidup pada
lingkungan tanpa oksigen. Organisme-organisme ini memiliki rangkaian TE tetapi tidak
menggunakan oksigen sebagai penangkap elektron terakhir pada akhir rangkaian TE.
Oksigen mampu menangkap elektron dengan sangat baik karena sifatnya yang
elektronegatif, tetapi substansi lainpun memiliki kemampuan menangkap elektron
walaupun tidak sebaik oksigen; dan substansi ini berfungsi sebagai penangkap elektron
terakhir dalam respirasi anaerobik. Sebagai contoh, bakteria sulfat menggunakan ion
sulfate (SO42-) pada akhir rangkaian TE. Rangkaian TE membentuk proton-motive force
yang digunakan untuk menghasilkan ATP dan sebagai by-product-nya dihasilkan H2S
(bukan H2O).
3.

Methanogenesis and Methanogenic Archaea
Metanogenesis ialah proses pembentukan gas metan dengan bantuan bakteri
pembentuk metan seperti Mathanobacterium, Mathanobacillus, Methanosacaria, dan
5

Methanococcus. Tahap ini mengubah asam-asam lemak rantai pendek menjadi H2, CO2,
dan asetat. Asetat akan mengalami dekarboksilasi dan reduksi CO2, kemudian bersamasama dengan H2 dan CO2 menghasilkan produk akhir, yaitu metan (CH 4) dan
karbondioksida (CO2).
3 Jalur metanogenesis:
 Acetoclastic
Metana terbentuk melalui jalur asam asetat. Bakteri yang terlibat adalah bakteri
asetoklastik yang bersimbiosis dengan bakteri pembentuk asam, mengubah asam
asetat sehingga pH sistem dapat dikontrol. Dobling time bakteri ini adalah 2-3 hari
pada kondisi optimum. Reaksinya adalah:
CH3COOH → CH4 + CO2
 Hydrogenotrophic
Metana yang terbentuk melalui jalur CO2 dan H2. Bakteri ini memiliki waktu
pertumbuhan yang cepat dengan doubling time adalah 6 jam. Bakteri ini sensitif
dengan pH, dimana pada daerah pH diluar 6,7 – 7,4 pertumbuhanya akan terhambat.

Hidrogen dalam sistem dipengaruhi oleh kecepatan produksi asam (bakteri
pembentuk asam). Jika konsentrasi hidrogen tinggi, pengubahan asam-asam akan
terhambatdan sebaliknya (Grady dkk., 1980) Reaksinya adalah
CO2 + 4 H2 → CH4 + 2 H2O
 Methylotrophic

6

Methanogen adalah mikroba yang merupakan produsen metana dalam sistem
anaerobic yang termasuk ke dalam family archea. Metanogen merupakan obligat anaerob
(bakteri yang tidak dapat hidup apabila terpapar oksigen pada kondisi atmosferis).
Diantaranya merupakan bakteri halofilik (bakteri yang hidup pada lingkungan dengan
kadar garam tinggi), mesofilik (bakteri yang hidup di daerah suhu antara 15°- 55°C,
dengan suhu optimum 25°- 40°C), terdapat juga yang ekstremofilik (suhu sangat tinggi
atau sangat rendah), pH ekstrim.
Metanogen memperoleh energi dengan mengubah CO2, H2, format, metanol,
asetat, dan komponen lainnya menjadi metana atau metana dan CO 2. Yang termasuk
metanogen adalah Methanobacter, Methanococci, dan Methanomicrobia. Methanogen
pengguna H2

berperan penting dalam mempertahankan tingkat kerendahan H 2 di

atmosfer.

7

Gambar 3. Sumber Methanogen Bacteria

4.

Methane Oxidation and Methylotrophic Bacteria
Methylotrophs Bacteria adalah mikroorganisme menggunakan satu karbon
untuk pertumbuhan, misalnya methane, methanol, dimethyl ether, dan dimethylamine
(bukan ikatan karbon-karbon). Methane oxidation bacteria termasuk di dalam
methanotrophs atau methanophiles yaitu prokariot yang menggunakan methane sebagai
satu-satunya sumber karbon dan energi, secara aerobic maupun anaerobic. Oksidasi
metane secara anaerob, umumnya terjadi di anoxic marine sediment. Anaerobic
methanothrophs lebih dekat dengan bakteri methanogens, yaitu Ordo Methanosarcinales.
Methane Oxidizing Bacteria menggunakan metana sebagai sumber karbon dan
sumber energi serta oksigen sebagai elektron aseptor sehingga metana akan dioksidasi

menjadi formaldehid. Kemampuan bakteri methanotrophic untuk mengoksidasi gas
metana diatur oleh dua enzim yakni methane monooksigenase (MMO) dan methanol
dehidrogenase (MDH).
Berdasarkan filogeni, kemotaksonomi, ultrastruktur membran dalam, jalur
metabolisme, dan beberapa senyawa biokimia lainnya MOB dapat digolongkan menjadi
3 kategori, yaitu: tipe I, tipe II, dan tipe X. Beberapa contoh MOB tipe I adalah strain
anggota spesies Methylomonas methanica, M. rubra, dan Methylomicrobium, sedangkan
8

yang termasuk kedalam MOB tipe II adalah strain anggota spesies Methylosinus
trichosporium, dan yang termasuk ke dalam MOB tipe X adalah strain anggota spesies
Methylococcus capsulatus. Bakteri methanotrophic yang termasuk Tipe I menggunakan
ribulosa monofosfat (RuMP) sebagai jalur metabolisme utama dalam asimilasi
formaldehid, tipe II menggunakan jalur metabolisme serin dalam asimilasi formaldehid
sedangkan tipe X merupakan bakteri methanotrophic yang memiliki sifat kombinasi
antara bakteri methanotrophic Tipe I dan Tipe II.

KARBON DI ATMOSFER
Bagian terbesar dari karbon yang berada di atmosfer adalah CO2. Gas-gas lain yang
mengandung karbon di atmosfer adalah CH 4 dan kloroflorokarbon atau CFC (CFC ini
merupakan gas artifisial atau buatan). Gas-gas tersebut adalah gas rumah kaca (greenhouse
gas) yang konsentrasinya di atmosfer telah bertambah dalam dekade terakhir ini, dan
berperan dalam pemanasan global (global warming). Penggunaan bahan bakar fosil
merupakan sumber utama CO2. Deforestation juga berpengaruh terhadap konsentrasi CO 2 di
atmosfer. Agricultural activities, waste management, dan penggunaan energi berkontribusi
dalam emisi CH4.

9

Gambar 4. Sumber Greenhouse Gas

Gambar 5. Global Greenhouse Gas

Emission
Konsentrasi CO2 di atmosfer jauh lebih besar dari konsentrasi metane. Namun
demikian, heat absorption ability metane 20 kali lebih besar daripada CO2. Jika dilihat pada
reaksi methanogenesis berikut : CO2 + 4 H2 → CH4 + 2 H2O , satu mol CO2 digantikan oleh 1
mol CH4 namun net heat absorption nya bertambah.

PERAN BIOPROSES DALAM SIKLUS KARBON
Peran bioproses dalam siklus karbon adalah mengurangi emisi karbon di atmosfer.
1. Biofuels
Biofuels dapat mengurangi ketergantungan terhadap fossil fuels dan memperkecil
dampak terhadap lingkungan. Bioethanol dan biodiesel adalah biofuels yang saat ini
diproduksi secara komersil. Keduanya dapat dikombinasikan dengan petrol, diesel, dan
aviation kerosene sebagai bahan bakar transportasi. Biodiesel saat ini diproduksi dengan
ekstraksi minyak dari soybean (USA), oilseed rape dan oil palm (Europe), lalu diubah
menjadi biodiesel. Sedangkan bioethanol diproduksi dari sugar beet, sugar cane, dan corn.
10

Fermentasi menjadi etanol dilakukan oleh mikroorganisme yeast. Biofuels yang
diproduksi dari edible crops disebut tradisional, atau ‘first-generation’ biofuels. Biofuels
jenis ini dianggap kurang sustainable karena sumbernya dari hasil pertanian yang
merupakan bahan makanan.
‘Second-’ dan ‘third-generation’ biofuels diproduksi dari non-food crops.
Mikroba berperan penting dalam perkembangan biofuels jenis ini. ‘Second-’ dan ‘thirdgeneration’ biofuels ini lebih sustainable daripada first-generation biofuels karena yields
lebih tinggi, mengurangi greenhouse gas dan tidak berkompetisi dengan crops sebagai
bahan makanan. Penelitian yang berkembang adalah mengenai lignocellulosic biofuels
and algae.
Lignocellulosic biofuels diproduksi melalui perusakan carbohydrates (celluloses)
dalam dinding sel tanaman yang kemudian fermentasi oleh yeast atau micro-organisme
lain. Lignocellulosic biomass jumlahnya setengah dari total biomassa si dunia dan
merupakan non-edible parts dari crops seperti stalks, chaff (sekam), sawdust and wood
chip.
Algae merupakan mikroorganisme fotosintesis. Mereka menggunakan energi
matahari dan CO2 untuk menghasilkan biomassa termasuk minyak yang dapat dikonversi
menjadi biodiesel. Algae-based biofuels memiliki beberapa kelebihan. Microalgae dapat
menghasilkan minyak per acre 100 kali lebih banyak daripada tumbuhan lain. Selain itu,
algae dapat tumbuh di tanah yang kurang baik. Perkembangan algae-based biofuels masih
dalam tahap eksperimen. Produksi dalam skala besar cukup mahal, sekitar 10-30 kali lebih
besar daripada biaya produksi tradisional biofuels.
.
2. Biofilters
Biofilters menggunakan mikroorganisme untuk menguraikan berbagai senyawa di
udara ketika udara melewati media biofilter. Telah disebutkan di atas bahwa methane
oxidizing bacteria menggunakan methane sebagai sumber karbon, sehingga bakteri ini
dapat digunakan dalam proses biofilters. Prinsip biofiltration pada dasarnya adalah
konversi aerobik metane menjadi CO2 dan air menggunakan methanotropic bacteria yang
ditumbuhkan dalam media biofilter. Efisiensi methane biofilter dipengaruhi oleh beberapa
faktor seperti konsentrasi CH4/O2, suhu, kelembaban media, filter bed, pH, dan nutrient.
Biofiltration adalah proses yang lambat sebab kelarutan methane dalam air rendah.
Residence time sekitar

5 menit – 5 jam. Pertumbuhan methanothropic bacteria

berlangsung pada suhu antara 10-45oC dan pH netral sampai slightly acidic.. Compost
adalah material terbaik untuk filter bed.
11