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

PENDAHULUAN

1.1 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 Bacteria

Phylum Proteobacteria

Class Deltaproteobakteria

Ordo Desulfuromonadales

Family Geobacteraceae

Genus Geobacter

Species 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 senyawa-

senyawa 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 Maximum current production (mA)

Wild Type 14.42±0.62

pilA deletion 1.20±0.44

pilA complement 14.12±0.14

omcZ deletion 1.3±0.36

omcZ complement 13.44±0.36

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 Bacteria

Phylum Proteobacteria

Class Deltaproteobakteria

Ordo Desulfuromonadales

Family Geobacteraceae

Genus Geobacter

Species 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+ + 48e-

Senyawa 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 barang-

barang 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 PUSTAKA

www.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)