ENERGI Pemanfaatan Geobacter metallireducens dan Geobacter sulfurreducens sebagai Penghasil Listrik dengan Microbial Fuel Cell
Oleh: Made Ian Maheswara (13009020) Dwi Sasetyaningtyas (13009035) Mirra Afifah (13009077)
Program Studi Teknik Kimia Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Bandung 2011
PRAKATA
Puji dan syukur kami ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Esa, karena tanpa-Nya, makalah ini tidak akan dapat terselesaikan. Terima kasih juga kami ucapkan kepada dosen mata kuliah Mikrobiologi Industri kami, Made Ari Tri Penia yang senantiasa membimbing kami selama pembuatan makalah yang berjudul ENERGI: Pemanfaatan Geobacter metallireducens dan Geobacter sulfurreducens sebagai Penghasil Listrik dengan Microbial Fuel Cell ini hingga selesai. Yang mendasari pembuatan makalah ini adalah rasa kepedulian kami terhadap pengembangan bioteknologi, khususnya pengembangan energi listrik alternatif dengan pemanfaatan bakteri. Melalui makalah ini, kami berharap dapat menginformasikan perkembangan penelitian mengenai energi alternatif listrik dengan bahan dasar bakteri yang sedang dilakukan oleh para peneliti. Tak ada gading yang tak retak. Begitu pula halnya dengan makalah ini. Oleh karena itu, kritik dan saran sangat kami harapkan agar untuk ke depannya bisa lebih baik lagi. Bandung, April 2011
Tim Penulis
PENDAHULUAN1.1 Kebutuhan akan listrik Energi listrik merupakan aspek penting dalam menyokong kebutuhan nasional serta perkembangan industri di Indonesia. Listrik adalah suatu kebutuhan primer di zaman modern ini. Ketersediaan pasokan listrik yang memadai sangat mempengaruhi pertumbuhan perekonomian suatu negara dan tumbuhnya ekonomi Negara adalah salah satu pilar utama berkembangnya suatu bangsa. Maka tak elak kalau keamanan pasokan energi listrik menjadi salah satu penentu keberhasilan pengelolaan negara ini. Begitu vitalnya dunia kelistrikan sehingga saat ini harus mulai dikaji dan dikembangkan lebih luas lagi dalam diversifikasi energi untuk pembangkitan energi listrik. Energi listrik merupakan energi sekunder yang dihasilkan dari konversi energi primer (sumber energi). Saat ini, secara garis besar tenaga listrik di Indonesia dipasok oleh lima sumber energi primer, yakni batu bara, gas, bahan bakar minyak (BBM), tenaga air (hydro), dan panas bumi (geothermal). Seperti pentingnya energi untuk industri dan lain-lain.Begitu penting keberadaan energi ini sehingga gangguan akses terhadap listrik akan berdampak buruk bagi hampir semua aktivitas masyarakat.Sayangnya negeri ini justru sering kali mengalami persoalan terkait keberadaan energi ini. Meskipun menyimpan banyak sumber energi (bagaikan ladang energi) namun negeri ini justrumengalami kelangkaan energi. Kebutuhan energi yang terus meningkat karena perkembangan industri tidak diimbangi dengan peningkatan sumber energi. Indonesia hanya mengandalkan BBM sebagai sumber energi paling murah. Padahal, saat ini Indonesia mengalami kekurangan suplai BBM. Krisis energi mempunyai pengaruh besar terhadap perekonomian nasional. Hal itu terutama terkait dengan produktivitas industri. Mesin-mesin industri hampir semuanya digerakkan mesin yang memerlukan BBM. Saat ini cadangan minyak bumi di Indonesia diperkirakan sebesar 9 miliar barel,dengan tingkat produksi rata-rata 0,5 milyar barel per tahun, maka cadangan tersebut dapat habis dalam waktu sekitar 18 tahun. Selain itu, cadangan batubara Indonesia yang diperkirakan mencapai 57 miliar ton,saat ini baru tereksplorasi 19,3 miliar ton dengan
kapasitas penambahan produksi 131,72 juta ton per tahun. Tentunya apabila tidak ada penambahan eksplorasi cadangan, batubara tersebut akan bertahan selama 147 tahun dan semakin menyusut bila ada lonjakan permintaan. 1.2 Perkembangan PLT saat ini Pembangunan pembangkit tenaga listrik dapat kita temukan pada beberapa daerah. Pembangkit listrik tenaga air (PLTA) yang memanfaatkan potensi kinetik dan potensial air dapat kita temukan pada daerah-daerah yang memiliki potensi sungai ataupun danau seperti PLTA Jatiluhur di Jawa Barat, PLTA Asahan dan Sigura-gura di Sumatera Utara. Pembangkit Listrik Tenaga Uap Batubara adalah salah satu jenis instalasi pembangkit tenaga listrik dimana tenaga listrik didapat dari mesin turbin yang diputar oleh uap yang dihasilkan melalui pemanasan oleh batubara. PLTU batubara adalah sumber utama dari listrik dunia saat ini. Sekitar 60% listrik dunia bergantung pada batubara, hal ini dikarenakan PLTU batubara bisa menyediakan listrik dengan harga yang murah. Kelemahan utama dari PLTU batubara adalah pencemaran emisi karbonnya sangat tinggi, paling tinggi dibanding bahan bakar lain. Saat ini PLN berusaha meningkatkan ketersediaan listrik PLN membangun 35 PLTU denganntotal tenaga 10.000MW. Adapun PLTU yang terdapat di Jawa Barat antara lain PLTA 1 Jawa Barat di Indramayu dan PLTA 2 Jawa Barat di Pelabuhan Ratu. Pemakaian batu bara untuk PLTU akan meningkatkan harga dari batu bara itu sendiri, sama halnya dengan sumber energi lainnya seperti solar dan gas yang terus meningkat akan menaikkan harga. dengan peningkatan permintaan batu bara maka para produsen batu bara indonesia akan diminta untuk meningkatkan produksinya sehingga kebutuhan dari PLTU di seluruh Indonesia akan terpenuhi, oleh kerena itu diperlukan regulasi dari pemerintah soal pengaturan industri tambang batu bara ini. Jika dilepaskan oleh mekanisme pasar maka PLTU yang telah dibangun akan mengalami kesulitan dalam men-supply bahan bakar atau bisa dikatakan antara PLTU akan terjadi persaingan dalam memperebutkan batu bara. Disisi lingkungan akan terjadi peningkatan sulfida SOx dan COx serta zat lain hasil pembakaran masuk ke lingkungan. issue yang sedang hangat adalah global warming, tak
ayal bangsa kita akan menjadi salah satu bagian besar dari pemanasan dunia. ini akan terlihat dari kulitas udara, tanah dan air hasil dari pembuangan limbah PLTU. maka didalam melakukan perencanaan pembangunan PLTU harus dipikirkan bagaimana waste tersebut kembali di kelola agar limbah yang masuk kelingkungan terkurangi kandungan racunnya. Untuk menanggulangi keterbatasan PLTU kita dapat menggunakan PLT yang cukup potensial yakni PLTN atau pembangkit listrik tenaga nuklir, Namun perkembangan PLTN saat ini masih perlu banyak pengkajian dan persiapan mengingat PLTN perlu dibangun dengan keamanan yang cukup tinggi. PLTP (Pembangkit Listrik Tenaga Panas Bumi/geotemal) seperti PLTP Gunung Salak, PLTP Lahendong, PLTP Tampeso sudah ada namun masih perlu banyak pengembangan. 1.3 Energi alternatif pembangkit tenaga listrik Berbagai macam penelitian dilakukan untuk menemukan sumber energi baru dalam rangka mengurangi tingkat ketergantungan terhadap sumber energi fosil. Geothermal, fuel cell,angin, cahaya matahari adalah beberapa contoh sumber penghasil energi yang sedang dikembangkan untuk pemakaian energy masal di Indonesia. Pengembangan energi tersebut menarik untuk dikaji lebih dalam dikarenakan sumber sumber energi tersebut sangat melimpah di alam Indonesia. Namun hal ini tidak menutup kemungkinan bagi pengembangan sumber-sumber energi baru lain seperti contohnya sumber energi yang berasal dari mikroba 1.4 Potensi Geobacter sebagai Penghasil Listrik Geobacter adalah sebuah bakteri yang diklasifikasikan dalam genus proteobacteri. Geobacter memiliki kemampuan untuk mengoksidasi senyawa organik dan logam (termasuk besi logam radioaktif dan senyawa minyak bumi) menjadi karbon dioksida yang ramah lingkungan, sekaligus menghasilkan energi listrik. Oleh sebab itu, di zaman teknologi yang semakin maju, dibutuhkan penggunaan energi yang semakin besar. Ketergantungan terhadap bahan bakar fosil dirasa tidak lagi menjadi solusi yang menyokongnya. Beruntung pemenuhan sumber energi kian marak dengan sumber sumber alternative lain yang dapat dibaharui dan ramah lingkungan,
untuk itu bukan tidak mungkin apabila Geobacter menjadi salah satu sumber energy alternative yang diperhitungkan di masa depan.
BAB 2 PEMBAHASAN
2.1
Geobacter sulfurreducens
2.1.1 PROFIL UMUM Geobacter sulfurreducens merupakan bakteri gram-negatif, berbentuk koma, dan anaerobik. Geobacter sulfurreducens biasa ditemukan di bawah permukaan tanah dan merupakan salah satu bakteri pereduksi metal yang paling sering ditemui. Geobacter sulfurreducens dapat mengoksidasi senyawa organik dan aktif mereduksi metal. Berikut adalah klasifikasi saintifik dari Geobacter sulfurreducens: Klasifikasi Saintifik Kingdom Phylum Class Ordo Family Genus Species Bacteria Proteobacteria Deltaproteobakteria Desulfuromonadales Geobacteraceae Geobacter Sulfurreducens
Strain PCA Geobacter sulfurreducens pertama kali ditemukan dalam sebuah sampel tanah yang terkontaminasi oleh senyawa hidrokarbon di Norman, Oklahoma. Geobacter sulfurreducens mengoksidasi asetat menjadi karbondioksida dan air. Di saat yang bersamaan Geobacter sulfurreducens mereduksi senyawa seperti sulfur, fumarat, dan beberapa metal seperti besi (III) oksida. Bakteri Geobacter sulfurreducens memiliki genom dengan kurang lebih 3,8 juta pasang basa. Geobacter sulfurreducens mengkodekan hingga 100 jenis sitokrom c. Sitokrom c adalah heme (suatu gugus fungsi yang mengandung atom Fe yang terletak di tengah-
tengah senyawa organik heterosiklik) yang dapat ditemukan terikat pada membran dalam mitokondria. Heme ini terikat erat pada protein dan digunakan oleh protein untuk membantu aktivitas biologisnya. Protein ini biasanya berupa enzim. Bentuk umum bakteri ini adalah memiliki satu flagella pada satu sisi dan satu pili pendek pada sisi lainnya. Secara umum, Geobacter sulfurreducens merupakan bakteri yang penting untuk lingkungan karena penggunaannya untuk bidang bioteknologi sangat banyak, salah satunya adalah kapabilitasnya dalam bidang bioremediasi (proses menghilangkan polutan tertentu pada lingkungan tertentu). Selain itu, spesies Geobacter dapat menghancurkan pengotor pada minyak yang terdapat di air tanah yang tercemar dengan cara mengoksidasi senyawasenyawa ini menjadi karbondioksida. Peneliti sempat didanai oleh Departemen Energi di AS untuk menggunakan mikroba tersebut untuk mereduksi uranium pada air di River Mill hingga 70%, dan setelah diteliti lebih lanjut, pereduksian dapat mencapai 90%. Akhir-akhir ini yang cukup sering dibahas adalah kemampuannya menghasilkan listrik dengan cara yang serupa. Geobacter sulfurreducens dapat memetabolisme material tak larut seperti besi oksida, magnesium oksida, uranium oksida, dan lain-lain, yang tidak dapat diuraikan. Geobacter dapat melangsungkan respirasi anaerobik menggunakan oksida tersebut sebagai akseptor elektron yang utama. Dengan demikian secara garis besar, Geobacter sulfurreducens dapat digunakan untuk menghasilkan listrik apabila bakteri tersebut menempel pada sebuah elektroda. Geobacter secara umum pertama kali ditemukan pada tahun 1987 di Potomac River (Geobacter Project, 2004). Kemudian barulah Geobacter sulfurreducens ditemukan pada sampel tanah yang terkontaminasi oleh senyawa hidrokarbon di Oklahoma (EurekAlert, 2003). Pada endapan di lingkungan yang mengandung asetat sebagai pendonor elektron, biasanya Geobacter ditemukan sebagai reduktor besi (D. Lovley, 2004). Akhir-akhir ini ditemukan strain Geobacter (strain 121) yang dapat berkembang pada suhu yang lebih tinggi dibanding mikroorganisme serupa. Strain ini diketahui dapat tumbuh pada suhu yang tinggi, yaitu 121oC, suatu suhu yang awalnya diperkirakan dapat membunuh kebanyakan mikroorganisme (Geobacter Project, 2004). Berikut adalah gambar Geobacter sulfurreducens:
2.1.2 PERAN GEOBACTER SULFURREDUCENS DALAM MENGHASILKAN LISTRIK Peran Geobacter sulfurreducens dalam menghasilkan listrik berkaitan dengan Microbial Fuel Cell atau lebih sering disebut MFC. Yang dimanfaatkan dari bakteri ini oleh MFC ini adalah kemampuan mengoksidasi senyawa organik dan di saat yang bersamaan mereduksi berbagai jenis metal oksida, seperti sulfur oksida, besi oksida, dan lain-lain. Akhir-akhir ini teknologi untuk menghasilkan biofuel dan bioenergi sedang hangat untuk dibicarakan. Di saat yang bersamaan microbial fuel cell juga demikian. Proses penghasilan listrik oleh mikroba saat mikroba memetabolisme substrat adalah salah satu sumber energi yang sangat efisien karena proses ini tidak memerlukan proses pembakaran untuk menghasilkan energi. Selain itu, substrat yang digunakan sebagai makanan mikroba adalah substrat yang simpel atau bahkan senyawa/material sisa suatu reaksi. Dua karakteristik ini membuat mikrobial fuel cell sebagai salah satu kandidat kuat untuk menjadi alternatif sumber energi di masa depan. Namun masih terdapat banyak halangan yang harus dilewati agar teknologi ini dapat dimanfaatkan secara maksimal. Saat ini, voltase dan arus listrik yang dihasilkan mikrobial fuel cell masih relatif sangat kecil sehingga belum banyak berguna untuk industri. Untuk memecahkan masalah ini, sebuah penelitian sedang dilakukan oleh para ilmuwan untuk mencari bahan mikrobial fuel cell yang lebih efisien dalam menghasilkan energi dan untuk lebih memahami bagaimana pengaruh jenis anoda dan katoda yang digunakan terhadap sifat mikroba atau interaksi mikroba tersebut dengan anoda nya saat terjadi proses transfer elektron.
Geobacter sulfurreducens adalah salah satu mikroba yang sedang dipelajari secara mendalam mengenai perannya dalam suatu microbial fuel cell. Bakteri ini adalah yang paling sering dipelajari karena jumlahnya yang relatif banyak pada anoda dalam microbial fuel cell. Spesies ini, yang menghasilkan listrik dengan cara mengoksidasi senyawa organik dan mereduksi anoda, menghasilkan sejumlah besar energi karena terdapat beberapa mekanisme transportasi elektron ke sumber ekstraselular melalui baik sitokrom c atau pili. Selain itu, pembentukan biofilm pada anoda juga menyebabkan arus listrik yang dihasilkan menjadi lebih tinggi karena semua sel menjadi terlibat dalam transport elektron ke anoda. 2.1.3 PENGARUH JENIS GEN TERHADAP KEMAMPUAN MENGHASILKAN LISTRIK Geobacter sulfurreducens memiliki 111 jenis gen yang berbeda yang mengkode sitokrom c. Mayoritas hasil proteinnya dapat ditemukan di membran luar sel. Pada saat elektron dilepas saat asetat telah diurai, elektron ditransfer dari pendonor elektron dalam sel ke akseptor elektron mencapai membran luar sel. Dalam kasus Geobacter sulfurreducens, protein-protein ini terlibat dalam transport elektron dari dalam sel ke akseptor elektron ekstraseluler. Proses ini sangat penting dalam sebuah MFC karena elektron berikutnya harus ditransport ke anoda agar nantinya dapat menghasilkan listrik.
Berikut adalah jenis-jenis gen yang mengkode sitokrom c. Gen-gen ini adalah gen yang dapat membuat Geobacter sulfurreducens menghasilkan arus listrik yang paling kuat:
Genetic Manipulation Wild Type pilA deletion pilA complement omcZ deletion omcZ complement
Maximum current production (mA) 14.420.62 1.200.44 14.120.14 1.30.36 13.440.36
Saat jenis-jenis gen tersebut dihapus, strain bakteri tersebut akan kehilangan kemampuan untuk menghasilkan listrik dengan arus listrik yang cukup kuat. Sebaliknya,
apabila gen-gen tersebut dimasukkan kembali, kemampuan untuk menghasilkan arus listrik yang cukup kuat akan kembali pula. 2.1.4 BIOFILM Kemampuan unik lain yang dimiliki oleh Geobacter sulfurreducens adalah kemampuan untuk membentuk biofilm tebal pada permukaan yang digunakan sebagai akseptor elektron yang menyelimuti seluruh bakteri. Tujuan utama dari pembentukan biofilm ini adalah untuk membuat semua bakteri terlibat aktif dalam mentransport elektron dari akseptor elektron (pada permukaan bakteri) menuju anoda tempat bakteri-bakteri tersebut menempel. Dalam kasus MFC ini, hasil percobaan memperlihatkan bahwa tebal biofilm yang dibentuk oleh Geobacter sulfurreducens ini adalah 50 mikrometer di sekitar anoda. Pembentukan biofilm ini dibantu oleh pili pada bakteri. Pembentukan pili ini dibantu oleh gen pilA. Hasil percobaan juga telah menunjukkan bahwa MFC dengan Geobacter sulfurreducens yang tumbuh dengan gen pilA komplementer menghasilkan listrik jauh lebih banyak dibandingkan bakteri dengan jumlah gen pilA yang kurang. Secara garis besar terdapat dua penjelasan mengapa strain bakteri yang membentuk lebih banyak biofilm lebih mampu menghasilkan listrik lebih banyak: 1. Pili dapat bertindak sebagai microbial nanowires. Ini berarti struktur pili ini dapat bertindak sebagai pendonor elektron final. Elektron yang dihasilkan di dalam sel akibat memetabolisme asetat ditransport ke membran luar bakteri, melalui pili dan kemudian menuju anoda. Untuk sel yang berada di luar biofilm, pili bertindak sebagai media perpindahan elektron dari satu sel ke sel yang lain, dan kemudian mencapai anoda. Hal ini menyebabkan semua sel berkontribusi dalam mentranspor elektron. 2. Sitokrom c dapat pula bertindak sebagai media transpor elektron dari sel yang ada di paling luar biofilm hingga mencapai anoda. Sitokrom c dapat berinteraksi dengan protein-protein pada sel lain, dan elektron ditransfer melalui protein-protein tersebut hingga mencapai anoda. Apabila MFC nya menggunakan strain yang tidak
memiliki pili, syarat untuk dapat memanfaatkan sitokrom untuk transpor elektron adalah dengan memastikan sel-sel tersebut menempel langsung pada anoda. 2.1.5 METODE PENGEMBANGAN LEBIH LANJUT GEOBACTER SULFURREDUCENS
Terdapat beberapa metode yang digunakan untuk mengembangkan Geobacter sulfurreducens agar dapat menghasilkan energi listrik dengan skala yang lebih luas. Salah satu caranya adalah dengan cara manipulasi gen. Dari pembahasan sebelumnya diketahui bahwa strain bakteri yang paling banyak dapat menghasilkan energi listrik adalah strain yang mengandung gen pilA dan OmcZ. Secara teori, dengan jumlah gen pilA dan OmcZ yang lebih banyak, akan dihasilkan energi listrik yang lebih banyak pula. Dengan strain yang memiliki banyak gen tersebut, jumlah pili akan lebih banyak, kemudian biofilm berpotensi terbentuk lebih banyak dan lebih tebal, sehingga transpor elektron ke anoda akan lebih mudah dan lebih intens. Metode manipulasi gen ini masih dalam tahap pengembangan lebih lanjut. Metode lain untuk pengembangan kemampuan Geobacter sulfurreducens adalah dengan pembentukan mutasi bakteri secara spontan. Pertama-tama, sel (bakteri) dikembangbiakkan di lingkungan anaerobik agar lebih mudah memilih strain Geobacter sulfurreducens. Setelah terbentuk koloni bakteri, setiap koloni ditempatkan di MFC yang berbeda dan dibiarkan tumbuh dalam waktu 5 bulan. Kemudian dibandingkan arus listrik yang dihasilkan MFC yang berbeda-beda ini. Salah satu strain pasti menunjukkan kuat arus listrik yang lebih tinggi dibandingkan strain yang lain
2.2
Geobacter metallireducens
2.2.1 PROFIL UMUM Geobacter metallireducens ini pertama kali ditemukan di tambang batu bara di sungai Potomac , Washington DC pada tahun 1987 dan bersifat anaerob, yaitu hidup pada tempat yang tidak terdapat oksigen dan kemampuannya yang dapat berpindah tempat dengan cara menggerakkan elektron yang ada di dalam metal.
Klasifikasi Saintifik Kingdom Phylum Class Ordo Family Genus Species Bacteria Proteobacteria Deltaproteobakteria Desulfuromonadales Geobacteraceae Geobacter Metallireducens
Geobacter metallireducens ini merupakan gram negative ini memiliki sel berbentuk batang. Bakteri ini merupakan baakteri anaerobik yang memiliki phili dan flagella. Bakteri ini berhasil diisolasi untuk pertama kali dari endapan air. Geobacter metallireducens memiliki kemampuan menghasilkan energi dengan mereduksi beberapa macam logam, seperti besi, mangan, uranium dan beberapa logam lainnya. Geobacter metallireducens dinobatkan sebagai mikroba pertama yang ditemukan dengan kemampuan untuk mengoksidasi senyawa organik (termasuk besi logam radioaktif dan senyawa minyak bumi) menjadi karbon dioksida yang ramah lingkungan, sekaligus menghasilkan energi listrik. Jenis bakteri ini juga dapat mengoksidasi asam lemak berantai pendek, alkohol, dan senyawa monoaromatik seperti toluene dan fenol dengan menggunakan besi sebagai akseptor elektron. Geobacter metallireducens mengandung gen untuk sintesis flagella. Bakteri ini tumbuh di kondisi laboratorium idbawah kondisi ideal dimana bakteri mendapatkan logam terlarut sangat banyak. Flagella tidak akan terbentuk kecuali dalam kondisi yang buruk. Geobacter metallireducens juga mengandung gen yang juga mendukung sel untuk
melakukan kemotaksis. Kemotaksis memungkinkan bakteri untuk mengenali senyawa, yang disukai dan tidak disukai di lingkungan sekitarnya. Bakteri ini juga memiliki kemampuan untuk bergerak menuju senyawa logam atau lingkungan yang sesuai dengan ketersediaan nutrisi yang baik dan menjauhi lingkungan dengan ketersediaan nutrisin yang buruk. Geobacter metallireducens dikenal sebagai bakteri yang berperan dalam proses bioremediasi dari kontaminasi senyawa organik dan logam di dalam air tanah dan
berpartisipasi dalam siklus karbon dan siklus hidup dari endapan akuatik. Selain mengoksidasi Fe(III), bakteri ini juga menggunakan logam-logam lain seperti plutonium dan uranium untuk mengolah makanan. G. metallireducens mengonsumsi elemen-elemen radioaktif ini dan menghilangkan kontaminasi. Ketika G. metallireducens mengolah uranium, bakteri ini mengubah uranium terlarut menjadi tak terlarut. Uranium tak terlarut ini mengendapkan air tanah untuk menjadikan air tanah ini lebih bersih. Uranium tak larut berada terus didalam tanah dan dapat diekstraksi. Penggunakan elektron yang tidak larut menjelaskan mengapa spesies Geobacter mendominasi jenis bakteri yang mereduksi besi dengan berbagai macam variasi pada lingkungan yang bersedimen. 2.2.2 PERAN Geobacter sulfurreducens DALAM MENGHASILKAN LISTRIK Sebuah terobosan yang dikembangkan dalam penelitian Derek Lovley, seorang professor di Departement Mikrobiologi di Universitas of Massachusetts, bahwa Geobacter dapat menghasilkan energi listrik yang kemudian dipertajam oleh penelitian ilmuwan dari Jerman dan Australia yang diterbitkan di majalah ilmiah Bacteriology pada bulan July tahun 1998. Penelitian itu mengatakan bahwa dalam sebuah percobaan oksidasi besi tertentu, enzim khusus yang dinamakan cytochromes, digunakan untuk memungkinkan transfer elektron secara langsung melewati membran sel mikroba Geobacter tersebut. enzim cytochromes yang digunakan menjadi sebuah kunci keberhasilan, karena dapat meningkatkan transfer electron sehingga menciptakan energi listrik yang lebih besar. Namun sebelumnya, kemajuan ini sebenarnya diawali oleh penemuan Microba Fuel Cell (MFC). MFC adalah sebuah perangkat peghasil tenaga listrik yang dikembangkan sebagai pengolah sampah limbah rumah tangga. Sampah organik yang biasa kita buang sehari - hari, serta bahan bahan organik lainnya, dapat digunakan sebagai bahan baku penghasil listrik. Dengan penambahan bakteri Geobacter, MFC bekerja dengan cara memecah sampah organik tersebut dan mengkonversi energi yang berasal dari ikatan kimia menjadi listrik dan hidrogen. Listrik tersebut kemudian dapat digunakan dalam pemenuhan energi listrik skala rumah tangga. Sebuah penemuan sumber energi baru yang sangat menarik khalayak ramai pada waktu itu. Hal ini dirasa dapat mengurangi efek pemakaian energi listrik yang berasal dari pembangkit listrik negara Amerika. Disamping setiap tahunnya, dihasilkan begitu banyak limbah yang berasal dari rumah tangga. Bayangkan apabila MFC digunakan di industri industri produk makanan dalam skala yang besar, maka
hitunglah berapa banyak energi listrik yang dihasilkan dan dapat digunakan untuk membangkitkan listrik di rumah rumah.
Saat ini pengembangan dan kemajuan mikrobiologi mengarah ke tingkat yang lebih tinggi. Di tahun 2005, dilaporkan bahwa terdapat penemuan kawat nano oleh Lovley. Kawat ini diduga menggunakan bakteri Geobacter untuk mentranfer electron dengan efisiensi yang lebih tinggi. Serta beberapa terobosan terobosan baru yang masih dikembangkan sampai sekarang. 2.3 MICROBIAL FUEL CELL 2.3.1 DESKRIPSI MFC dengan Geobacter sulfurreducens terdiri atas wadah berisi anoda dan wadah yang berisi katoda yang tersambung oleh kabel dan dipisahkan oleh membran proton. Membran ini hanya memperbolehkan ion hidrogen untuk lewat, tapi tidak untuk elektron dan gas-gas lain yang terdapat di wadah. Agar listrik dapat dihasilkan, sampel mikroba harus dibudidayakan dalam wadah anoda pada suhu 30oC yang telah diisi cairan (medium) yang kaya akan senyawa organik. Dalam kasus MFC Geobacter, asetat adalah substrat yang paling sering digunakan karena asetat memiliki struktur yang cukup simpel yang dapat diuraikan secara mudah, dan memberikan cukup energi bagi mikroba untuk berkembang secara normal dan menghasilkan arus listri setinggi mungkin. Cairan (medium) tersebut harus diaduk secara kontinyu untuk memastikan senyawa asetat selalu tersedia untuk mikroba berkembangbiak. Saat mikroorganisme mulai menguraikan senyawa organik, elektron akan dilepaskan. Elektron-elektron ini ditransfer dari pendonor elektron kepada akseptor elektron dalam sebuah rantai transport dan secara perlahan akan mencapai protein pada membran luar sel. Geobacter ini dapat mentransfer elektron-elektron ini ke akseptor elektron ekstraseluler. Pada MFC, elektron ditransfer ke anoda, dan kemudian dilanjutkan ditransfer ke katoda melalui kabel yang tersedia. Aliran elektron dari anoda ke katoda ini lah yang menghasilkan enrgi listrik. Energi listrik ini dapat diukur voltase atau arus listriknya menggunakan voltmeter/amperemeter yang tersambung ke kabel penghubung anoda dan katoda. Dalam
proses ini, proton dilepas dari anoda menuju katoda melalui membran proton. Proton dan elektron pada katoda yang ditransfer melalui kabel dari anoda ini kemudian akan bereaksi dengan oksigen dan membentuk air. Berikut adalah gambar sederhana contoh Microbial Fuel Cell (MFC):
Dan berikutnya adalah contoh MFC yang digunakan untuk sumber energi kalkulator:
Contoh persamaan reaksi yang terjadi di dalam Microbial Fuel Cell adalah : C12H22O11 + 13H2O 12CO2 + 48 H+ + 48eSenyawa organik + air karbon dioksida + ion hidrogen + elektron
Terdapar beberapa jenis Microbial Fuel Cell, yaitu : Mediator microbial fuel cell Sebagian besar microbial cell tidak aktif secara elektrokimia. Transfer elektron dari mircobial cell ke elektroda difasilitasi oleh mediator seperti thionine, metil viologen, metil blue, humic acid, neutral red dll. Sebagian besar dari mediator mahal dan beracun. Mediator-free microbial fuel cell
Mediator-free microbial fuel cells tidak menggunakan mediator tetapi menggunakan bakteri aktif elektrokimia untuk mentransfer elektron ke elektroda (elektron langsung dibawa oleh enzim respiratori bakteri ke elektroda). Bakteri aktif elektrokimia, yang memiliki pili di membran external, dapat mentransfer produksi elektron bakteri ini melalui pili. Mediator-less microbial fuel cells bisa dijalankan di limbah air, dan dapat menghasilkan energi langsung dari beberapa tanaman air. MFC ini termasuk ke dalam Plant Microbial Fuel Cells (Plant-MFC) Microbial Electrolysis Cell Variasi dari mediator-less MFC adalah microbial electrolysis cells (MEC). MFC memproduksi arus listrik dengan dekomposisi bakteri dari hidrokarbon air, sebaliknya MEC menghasilkan hidrogen atau metana secara langsung dengan menerapkan arus listrik ke bakteri.
-
Soil-based Microbial Fuel Cell
Soil-based microbial fuel cells memiliki prinsip dan deskripsi yang sama seperti MFC diatas, dengan tanah sebgai nutrisi utama untuk media anoda, inokulum, dan membran pertukaran proton. Anoda ditempatkan pada kedalaman tertentu di dalam tanah, katoda berada diatas tanah dan terkena langsung dengan oksigen dari udara disekitarnya. 2.3.2 METODE PENGEFEKTIFAN MFC
Salah satu hal yang perlu dipertimbangkan dalam menentukan efektifitas sebuah MFC adalah memperhatikan jenis material anoda nya. Jenis anoda yang dipakai sangat berpengaruh terhadap kuat arus listrik yang dihasilkan MFC tersebut. Akhir-akhir ini, bahan anoda yang sangat sering digunakan adalah grafit. Grafit memiliki permukaan yang relatif kasar, sehingga lebih banyak sel/bakteri yang dapat hinggap di anoda. Percobaan telah membuktikan bahwa anoda dengan tingkat kekasaran yang lebih tinggi memiliki kecenderungan mengikat bakteri dengan jumlah yang lebih banyak. Dalam kasus MFC Geobacter sulfurreducens, grafit memiliki kekasaran yang cukup tinggi untuk bakteri/sel dapat menempel di anoda. Biofilm yang terbentuk akan terikat secara kuat pada anoda dan kemungkinannya untuk lepas dari akseptor elektron, bahkan saat medium organik sedang dalam proses pengadukan. Material anoda yang lain juga telah dites untuk mengukur energi listrik yang dihasilkan. Selain grafit, material yang telah dicoba sebagai anoda adalah aurum (gold). Pada awalnya aurum dianggap sebagai material yang baik sebagai bahan anoda karena aurum
merupakan konduktor yang baik dan dapat terikat dengan permukaan lain. Namun ternyata percobaan membuktikan bahwa listrik yang dihasilkan MFC dengan anoda aurum tidak sebanyak listrik yang dihasilkan MFC dengan anoda grafit. Hal ini dikarenakan kekasaran permukaan aurum tidak setinggi grafit. Sehingga tidak banyak biofilm yang dapat terikat ke aurum, sehingga biofilm dapat terlepas dari anoda saat terjadi pengadukan medium organik. Namun, karena aurum dikatakan dapat terikat pada hampir semua jenis permukaan, anoda aurum dapat dimanfaatkan untuk MFC dalam skala yang lebih kecil, misalnya skala mikro atau nano. Pada sisi lain, grafit tidak dapat digunakan untuk MFC skala kecil (mikro/nano).
2.3.3 PEMBATASAN DAN APLIKASI MFC
MFC harus dikembangkan secara intensif agar dapat digunakan dalam skala industri. MFC memiliki masa depan cerah untuk menjadi salah satu alternatif energi listrik di masa depan. Untuk saat ini, yang perlu diperhatikan adalah bagaimana caranya agar MFC dapat menghasilkan energi listrik yang lebih banyak yang dapat digunakan untuk barang-barang elektronik yang lebih kompleks. Hingga saat ini, kuat arus listrik yang dihasilkan masih sekitar 14 mA. Hal ini berarti MFC hanya dapat digunakan untuk sumber listrik barangbarang elektronik yang tidak kompleks.
BAB 3 KESIMPULAN
Energi listrik adalah energi yang sangat krusial bagi kehidupan manusia. Selain listrik yang dihasilkan oleh pembangkit tenaga listrik, saat ini telah ditemukan teknologi baru yang memanfaatkan bakteri sebagai bahan dasar penghasil listrik dengan bantuan Microbial Fuel Cell (MFC). Energi alternatif listrik ini masih berada dalam tahap pengembangan lebih lanjut. Berbagai penelitian tentang MFC dan jenis-jenis bakteri yang digunakan masih dilakukan. Secara garis besar, jenis bakteri yang digunakan untuk MFC hingga saat ini ada dua, yaitu Geobacter metallireducens dan Geobacter sulfurreducens. Jenis spesies bakteri Geobater metallireducens dan Geobacter sulfurreducens ini memilikki kemampuan untuk mereduksi senyawa organik dan logam menjadi karbon dioksida yang ramah lingkungan menjadi energi listrik. Mekanisme pembentukan energi listrik berbahan dasar bakteri dengan bantua Microbial Fuel cell ini adalah : 1. Limbah senyawa organik/substrat dioksidasi oleh bakteri pada sisi anoda dan menghasilkan karbon dioksida. 2. Saat bakteri menguraikan senyawa organik, ekektron dilepaskan. 3. Elektron ditransfer ke anoda oleh bakteri Geobacter. 4. Transfer elektron dilanjutkan ke katoda. 5. Aliran elektron dari anoda ke katoda ini akan menghasilkan energi listrik 6. Disaat bersamaan, proton dilepaskan dari anoda menuju katoda melalui membran proton. 7. Proton dan elektron yang berada di katoda akan bereaksi dengan oksigen dan membentuk molekul air. Listrik yang dihasilkan oleh MFC ini masih hanya dapat digunakan untuk skala rumah tangga, dan terdapat banyak pengembangan agar dapat memperluas skala penggunaannya, seperti melakukan perombakan gen pada bakteri, pemilihan jenis anoda yang efektif dan efisien, pengembangan dan lain-lain. Penelitian hingga saat ini telah ditemukan kawat nano
sebagai penghasil energi listrik dengan bahan dasar bakteri. Alat ini memiliki efisiensi yang lebih tinggi dibandingkan MFC. Namun penelitian ini masih dalam tahap pengembangan lebih lanjut.
DAFTAR PUSTAKAwww.zulfindra.blogspot.com (20 April 2011, 17.31) www.agguss.wordpress.com (20 April 2011, 17.45) www.ehp03.niehs.nih.gov/home.action (20 April 2011, 18.03) www.sciencedaily.com (21 April 2011, 09.12) www.physorg.com/news192113023.html (21 April 2011, 09.32) www.wikipedia.com/geobacter (21 April 2011, 09.41) www.microbewiki.com/geobacter (21 April 2011, 10.01)
