TUGAS MATA KULIAH BIODEGRADASI DAN BIOREMEDIASI

(TPP 6224)

MEKANISME DEGRADASI LIGNOSELULOSA OLEH JAMUR (SPESIES WHITE ROT DAN BROWN ROT)

Oleh :YULIA MAGHRIBA146100100111016

PROGRAM PASCA SARJANAMINAT BIOTEKNOLOGI PANGAN DAN AGROINDUSTRI

JURUSAN TEKNOLOGI HASIL PERTANIANFAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN

UNIVERSITAS BRAWIJAYA2015

1. PENDAHULUAN

Bahan lignoselulosa adalah komponen organik yang keberadaannya berlimpah di

alam, yang terdiri dari tiga polimer yaitu selulosa (35-50%), hemiselulosa (20-35%) dan

lignin (10-25%) (Saha, 2004). Ketiga komponen penyusun lignoselulosa dapat dijelaskan

berikut:

a. Selulosa

Selulosa adalah polimer linier dari D-glukosa yang terikat pada ikatan 1,4 glikosidik dan

sangat erat berasosiasi dengan hemiselulosa dan lignin. Pada tanaman, selulosa dilapisi

oleh polimer yang sebagian besar terdiri dari xilan dan lignin. Selulosa jika didegradasi

oleh selulase dari bakteri atau kapang selulolitik untuk menghasilkan selobiosa dan

glukosa. Selobiosa sering berfungsi menghambat sistem kerja dari selulase dan proses

selulolitik akan cepat berhenti bila tidak ada mikroba sakarolitik lainnya dalam ekosistem

tersebut.

b. Hemiselulosa

Hemiselulosa merupakan salah satu penyusun dinding sel tumbuhan yang terdiri dari

kumpulan beberapa unit gula/ heteropolisakarida dan dikelompokkan berdasarkan residu

gula utama sebagai penyusunnya seperti xilan, mannan, galactan dan glucan (Fengel dan

Wegener, 1995). Hemiselulosa mempunyai berat molekul rendah dibandingkan dengan

selulosa dan terdiri dari D-xilosa, D-mannosa, D-galaktosa, D-glukosa, L-arabinosa, 4-0-

metil glukoronat, D-galakturonat dan asam D-glukoronat (Perez dkk, 2002 ). Hemiselulosa

merupakan komponen kedua terbanyak adalah polimer heterogen dari pentosa (xilosa,

arabinosa), heksosa (mannosa, glukosa, galaktosa) dan sugar acid (Saha, 2003). Pada kayu

keras kebanyakan hemiselulosa mengandung xilan, sedangkan pada kayu lunak

mengandung glukomannan.

c. Lignin

Lignin adalah heteropolimer amorf yang terdiri dari tiga unit alkohol aromatik fenilpropan

(p-coumaryl, coniferil dan sinapyl alkohol) yang terikat dengan ikatan yang berbeda

(Howard dkk, 2003). Fungsi utama lignin adalah memperkuat struktur tanaman dalam

menahan terhadap serangan mikroba dan tekanan oksidasi (Hendriks dan Zeeman, 2009).

dan merupakan biopolimer linier dari molekul anhidroglukopiranosa pada ikatan β-1,4

glukosidik yang berlimpah di alam (Dashtban et.al., 2009).

Pada Tabel 1 di bawah ini dijelaskan tentang kandungan lingnoselulosa pada beberapa limbah

pertanian, yaitu:

No. Bahan Lignoselulosa Selulosa (%) Hemiselulosa (%) Lignin (%)

1 Tangkai kayu keras 40 – 55 24 – 40 18 - 25

2 Tangkai kayu lunak 45 – 50 25 – 35 25 - 35

3 Kulit kacang-kacangan 25 – 30 25 – 30 30 - 40

4 Bonggol jagung 45 35 15

5 Kertas 85 – 99 0 0 - 15

6 Jerami gandum 30 50 15

7 Jerami padi 32,1 24 18

8 Buangan sampah 60 20 20

9 Daun 15 – 20 80 – 85 0

10 Cotton seed hairs 80 – 95 5 – 20 0

11 Kertas koran 40 – 55 25 – 40 18 - 30

12 Waste paper from chemical pulps

60 – 70 10 – 20 05/10/15

13 Primary wastewater solid 8 – 15 - 24 - 29

14 Bagas segar 33,4 30 18,9

Gambar 1 Struktur Kimia Selulosa, Hemiselulosa dan Lignin (Sumber (a): https://isroi.files.wordpress.com; Sumber (b) dan (c): Asian Biomass Handbook)

Tabel 1 Kandungan Lignoselulosa Pada Limbah Pertanian

No. Bahan Lignoselulosa Selulosa (%) Hemiselulosa (%) Lignin (%)

15 Swine waste 6 28 -

16 Pupuk ternak padat 1,6 – 4,7 1,4 – 3,3 2,7 – 5,7

17 Coastal Bermuda grass 25 35,7 6,4

18 Switch grass 45 31,4 12

19 Rumput gandum 21,3 15,8 2,7

20 Bibit rumput gandum 26,7 25,7 7,3

21 Rumput kebun buah-buahan

32 40 4,7

22 Rumput 25 – 40 25 – 50 01/10/30

Sumber: Howard et al, 2003

2. METODE PRE TREATMENT

Kesulitan yang dihadapi dalam proses degradasi lignoselulosa adalah susunan yang

heterogen dari polisakarida yang terdapat pada dinding sel. Oleh karena itu proses

pretreatment pada bahan lignoselulosa perlu dilakukan untuk mempermudah proses hidrolisis

yaitu untuk membuka struktur lignoselulosa agar selulosa menjadi lebih mudah diakses oleh

enzim yang memecah polimer polisakarida menjadi bentuk monomer. Ada beberapa metode

pre treatment atau perlakuan awal terhadap limbah lignoselulosa menurut Mtui 2009, yaitu

sebagai berikut:

Secara mekanik (dipotong, digerus, digiling)

Secara fisik (iradiasi dengan microwave, pirolisis, iradiasi gama)

Secara fisiko kimia (letupan uap, ammonia fiber explotion (AFEX), cairan air panas),

Secara kimia (agen oksidasi (O3, H2O2), dengan larutan alkali (NaOH, Ca(OH)2),

dengan penambahan asam (HCl, H2SO4, H3NO3), dengan larutan asam organik (asam

malat, asam glutarat, dan sebagainya) serta proses organosolv.

Secara biologi (enzim yang dihasilkan oleh mikroorganisme yang dapat memecah

selulosa, lignin, enzim hidrolitik dan oksidatif

Metode supercritical CO2 dapat membantu proses hidrolisis dari selulosa sehingga

dapat meningkatkan gula pereduksi dari 14,5 menjadi 84,7% terhadap kayu keras dan

12,8 menjadi 27,3% terhadap kayu lunak (Kim dan Hong, 2001).

Metoda ammonia fiber expansion (AFEX) adalah metode gabungan antara proses

fisika (temperatur tinggi dan tekanan) serta proses kimia (amonia) untuk mendapatkan

hasil yang efektif dan dari perlakuan ini dapat diperoleh kurang lebih 98% glukosa

(Balan et.al., 2009).

3. DEGRADASI KOMPONEN LIGNOSELULOSA

Susunan dinding sel tanaman terdiri dari lamela tengah (M), dinding primer (P) serta

dinding sekunder (S) yang terbentuk selama pertumbuhan dan pendewasaan sel yang terdiri

dari lamela transisi (S1), dinding sekunder utama (S2) dan dinding sekunder bagian dalam

(S3). Gambar struktur sel tumbuhan dapat dilihat pada Gambar 2 (Perez et al, 2002).

Mikrofibril mempunyai struktur dan orientasi yang berbeda pada setiap lapisan dinding sel

(Perez et al. 2002). Lignin tidak hanya mengeraskan mikrofibril selulosa, juga berikatan

secara fisik dan kimia dengan hemiselulosa. Lignin secara fisik membungkus mikrofibril

dalam suatu matriks hidrofobik dan terikat secara kovalen dengan hemiselulosa.

Pembentukan lignin terjadi secara intensif setelah proses penebalan dinding sel terhenti,

dimulai dari dinding primer dan dilanjutkan ke dinding sekunder.

Lignin dapat didegradasi secara sempurna oleh kapang pelapuk putih (white-rot

fungi). Kapang jenis ini dapat mendegradasi polimer selulosa, hemiselulosa dan lignin

dengan bantuan enzim ekstraseluler. Kapang Phanerochaete chrysosporium merupakan salah

Gambar 2 Konfigurasi Dinding Sel Tanaman

Gambar 3 Satuan Penyusun Lignin (Steffen, 2003)

satu kapang yang dapat menguraikan ikatan dan mendegradasi lignin dengan bantuan enzim

pendegradasi lignin. Spesies White-rot fungi terdapat pada kelompok Basidiomycetes dan

Ascomycetes. Kapang ini dapat mendegradasi lignin lebih cepat dan ekstensif. Ciri-ciri

kapang jenis white rot ini adalah:

Substrat pertumbuhannya adalah selulosa dan hemiselulosa

Proses degradasi lignin oleh kapang ini terjadi pada akhir pertumbuhan primer

melalui metabolisme sekunder dalam kondisi defisiensi nutrien seperti nitrogen,

karbon atau sulfur (Hatakka 2001)

Mekanisme degradasi dari kapang ini merupakan proses oksidatif dan tidak spesifik

Mampu mengurangi kandungan metoksi, fenolik dan alifatik lignin dan membentuk

grup karbonil baru (Kirk dan Farrell 1987; Hatakka 2001).

Perubahan molekul lignin ini mengakibatkan depolimerasi dan produksi karbon dioksida.

Jenis kapang ini ada bekerja secara selektif mampu mendegradasi lebih banyak lignin dan

hemiselulosa, contohnya Ceriporiopsis subvermispora, Dichomitus squalens, Phanerochaete

chrysosporium, Phlebia radiata. Sedangkan kapang yang non selektif mendegradasi semua

komponen lignoselulosa dalam jumlah yang sama (Hatakka 2001).

No. Jenis Enzim Tipe Enzim Peran Dalam Degradasi

Kerja Sama Dengan

1 LIP (EC 1.1.1.1.14)

Peroksidase Degradasi unit non fenolik

H2O2

2 MnP(EC 1.1.1.1.13)

Peroksidase Degradasi unit fenolik dan non fenolik dengan lipid

Lipid; H2O2

3 Laccase (EC 1.1.32)

Fenol Oksidase Oksidasi unit fenolik dan unit non-fenolik dengan mediator

O2

4 Lain-lain Oksidase penghasil Produksi H2O2 Peroksidase

Hampir semua white-rot fungi menghasilkan manganese peroxidase (MnP) and laccase,

tetapi hanya sedikit yang menghasilkan lignin peroxidase (LiP). Mekanisme kerja enzim

lignin peroxidase atau LiP adalah sebagai berikut:

Mengoksidasi unit non fenolik lignin melalui pelepasan satu elektron

Membentuk radikal kation yang kemudian terurai secara kimiawi

Tabel 2 Enzim Ligninolitik yang Dihasilkan oleh White Rot Fungi

LiP dapat memutus ikatan Cα-Cβ molekul lignin dan mampu membuka cincin lignin

dan reaksi lain (Kirk dan Farrell 1987; Hatakka 2001)

MnP mengoksidasi Mn2+ menjadi Mn3+ (Hofrichter 2002). Sifat reaktif Mn3+ yang

tinggi selanjutnya mengoksidasi cincin fenolik lignin menjadi radikal bebas tak stabil

dan diikuti dengan dekomposisi lignin secara spontan (Hatakka 2001, Hofrichter

2002)

Sedangkan dari jenis Brown-rot fungi terutama termasuk dalam kelas Basidiomycetes.

Kapang ini mendegradasi selulosa dan hemiselulosa sangat efeisien dengan mekanisme yang

berbeda dari organisme lain yang melibatkan reaksi non enzimatik dan tanpa enzim

eksoglukonase (Blanchette 1995). Keberadaan lignin memacu degradasi selulosa oleh brown

rot fungi meskipun lignin didegradasi dalam tingkat yang lebih kecil terutama pada lamela

tengah dinding sel yang kaya lignin (Tuomela 2002; Blanchette 1995; Hatakka 2001). Seperti

pada kapang pelapuk putih atau white rot-fungi, Kapang Polyporus ostreiformis mampu

menghasilkan enzim MnP dan LiP (tidak dihasilkan enzim laccase), tetapi kemampuannya

dalam degradasi lignin lebih rendah dibanding P. chrysosporium (Dey et al. 1994).

Mekanisme ketiga enzim yang dihasilkan oleh Kapang jenis white rot dan brown rot

adalah sebagai berikut:

A. Enzim Lignin Peroxidase (LiP)

Lignin Peroxidase (LiP) mengoksidasi inti aromatik (fenolik dan non-fenolik) melalui

pelepasan satu elektron menghasilkan radikal kation dan fenoksi (Akhtar et al. 1997)

Lignin Peroxidase (LiP) adalah enzim peroksidase ekstraseluler yang mengandung

heme yang aktivitasnya bergantung pada H2O2, mempunyai potensial redoks yang luar

biasa besar dan pH optimum yang rendah (Gold dan Alic 1993)

B. Enzim Manganese peroxidase (MnP)

Manganese peroxidase (MnP) hanya dihasilkan pada sejumlah kapang

Basidiomycetes (Steffen 2003) ditemukan tidak lama setelah ditemukannya LiP dari

Phanerochaete chrysosporium oleh Kuwahara et al. (1984)

MnP merupakan heme peroksidase ekstraseluler yang membutuhkan Mn2+ sebagai

substrat pereduksinya (Steffen 2003)

MnP mengoksidasi Mn2+ menjadi Mn3+

Kemudian mengokasidasi struktur fenolik menjadi radikal fenoksil

Ion Mn3+ yang terbentuk sangat reaktif dan membentuk kompleks dengan chelating

asam organik seperti asam oksalat atau malat (Cui dan Dolphin 1990, Kishi et al.

1994)

Dengan bantuan chelator, ion Mn3+ distabilkan dan dapat menembus kedalam

jaringan substrat (Steffen 2003)

Potensi redoks sistem MnP-Mn lebih rendah daripada redoks LiP dan lebih banyak

mengoksidasi substrat fenolik (Vares 1996)

Radikal fenoksil yang dihasilkan lebih lanjut bereaksi yang pada akhirnya melepaskan

CO2

MnP merupakan salah satu peroksida pendegradasi lignin yang dihasilkan oleh

beberapa kapang pelapuk kayu dan pengurai serasah.

C. Enzim Laccase

Laccase (EC 1.10.3.2, benzenediol:oxygen oxidoreductase) merupakan fenol oksidasi

yang mengandung tembaga yang tidak membutuhkan H2O2 tetapi menggunakan

molekul oksigen (Thurston 1994). Enzim ini juga ditemukan pada jamur

Laccase mereduksi O2 menjadi H2O dalam substrat fenolik melalui reaksi satu

elektron membentuk radikal bebas yang dapat disamakan dengan radikal kation yang

terbentuk pada reaksi MnP (Kersten et al. 1990).

Dengan adanya mediator seperti ABTS (2,2-azinobis (3-ethylbenzthiazoline-6-

sulphonate)) atau HBT (hydroxybenzo triazole), laccase mampu mengoksidasi

senyawa non fenolik ertentu dan veratryl alcohol (Bourbonnais dan Paice 1990;

Eggert et al. 1996)

Laccase dihasilkan oleh sebagian besar kapang pelapuk putih (Hatakka 1994) tetapi

secara normal tidak pada kapang Phanerochaete chrysosporium (Kirk dan Farrell

1987). Berat molekul laccases Basidiomycetes bervariasi antara 50 dan 70 kDA

(Thurston 1994).

Kapang Basidiomyecetes dapat memperoduksi enzim ligninolitik bila ditumbuhkan pada

media yang cocok. Kapang P. chrysosporium merupakan salah satu kapang yang sering

dijadikan model dalam pengujian degradasi komponen lignoselulosa seara selektif

(Adaskaveg et al. 1995; Blanchette 1995) yaitu mendegradasi lignin substrat yang berwarna

coklat dan meninggalkan selulosa yang berwarna putih.

DAFTAR PUSTAKA

(1) Adaskaveg, J.E., R.L. Gilbertson and M.R. Dunlap. 1995. Effects of Incubation Time

and Temperature on In Vitro Seceltive Delignification of Silver Leaf Oak by

Ganoderma Colossum. Appl. Environ. Microbiol. 61:138-144.

(2) Akhtar M., R.A. Blanchette and T.K. Kirk. 1997. Fungal Delignification and

Biomechanical Pulping of Wood. Advances in Biochemical Engineering

Biotechnology, 57:159-195.

(3) Anonymous. Diakses dari https://isroi.files.wordpress.com/2008/11/hemiselulosa.jpg.

Pada Tanggal 29 Januari 2015.

(4) Balan, V., B. Bals, S.P.S. Chundawat, D. Marshall, B.E. Dale. 2009. Lignocellulose

Biomass treatment Using AFEX. Method in Molecular Biology Vol. 581, 61-77.

(5) Blanchette R.A. 1995. Degradation of Lignocellulose Complex in Wood. Can. J. Bot.

73 (Suppl. 1):S999-S1010.

(6) Bourbonnais R. and M.G. Paice. (1990) Oxidation of Nonphenolic Substrates : An

Expanded Role For Laccase in Lignin Biodegradation. FEBS Letters. 267:99-102.

(7) Cui F. and D. Dolphin. 1990. The Role of Manganese in Model Systems Related to

Lignin Biodegradation. Holzforschung, 44:279-283.

(8) Dashtban, M., Schraft, H., Qin, W. 2009. Fungal Bioconversion of Lignocellulosic

Residue: Opportunities & Perspectives. Int. J. Biol. Sci. 578-595.

(9) Dey S., T.K. Maiti and B.C. Bhattacharyya. 1994. Production of Some Extracellular

Enzymes by a Lignin Peroxidase-Producing Brown Rot Fungus, Polyporus

ostreiformis, and Its Comparative Abilities for Lignin Degradation and Dye

Decolorization. Appl. Environ. Microbiol. 60:4216-4218.

(10) Eggert C., U. Temp, J.F. Dean and K.E.L. Eriksson. 1996. A Fungal Metabolite

Mediates Degradation of Nonphenolic Lignin Structures and Synthetic Lignin by

Laccase. FEBS Lett. 391:144-148.

(11) Fengel, D., G. Wegener. 1995. Kayu : Kimia, Ultrastruktur, Reaksi-reaksi.

Diterjemahkan oleh Hardjono Sastrohamidjoyo. Cetakan I, Gajah Mada University

Press, Yogyakarta. Hal. 124-154.

(12) Gold M.H. and M. Alic. 1993. Molecular Biology of The Lignin-Degrading

Basidiomycete Phanerochaete Chrysosporium. Microbiol. Rev. 57:605-622.

(13) Hatakka A. 1994. Lignin-Modifying Enzymes From Selected White-Rot Fungi:

Production and Role in Lignin Degradation. FEMS Microbiol. Rev. 13: 125-135.

(14) Hatakka A. 2001. Biodegradation of Lignin. In: Steinbüchel A. [ed] Biopolymers. Vol

1: Lignin, Humic Substances and Coal. Germany: Wiley VCH. pp. 129-180.

(15) Hendriks, A.T.W.M., G. Zeeman. 2009. Pretreatments to Enhance the Digestibility of

Lignocellulose Biomass. Biores. Technol. 100, 10-18.

(16) Hofrichter M. 2002. Review: Lignin Conversion by Manganese Peroxidase (MnP).

Enzyme Microbiol. Technol. 30:454-466.

(17) Howard, R.L., Abotsi, E., J. van Rensburg E.L., and Howard, S. 2003. Lignocellulose

Biotechnology: Issue of Bioconversion and Enzyme Production. African J. of Biotech.

Vol 2(12), 602-619.

(18) Kersten P.J., B. Kalyanaraman, K.E. Hammel, B. Reinhammar and T.K. Kirk. 1990.

Comparison of Lignin Peroxidase, Horseradish Peroxidase and Laccase in The

Oxidation of Methoxybenzenes. Biochem. J. 268:475-480.

(19) Kirk T.K. and R.L. Farrell. 1987. Enzymatic “Combustion”: The Microbial

Degradation of Lignin. Ann. Rev. Microbiol. 41, 465-505.

(20) Kishi K., H. Wariishi, L.Marquez, H.B. Dunford and M.H. Gold. 1994. Mechanism of

Manganese Peroxidase Compound II Reduction. Effect of Organic acid Chelators and

pH. Biochemistry, 33:8694-8701.

(21) Kuwahara M., J.K. Glenn, M.A. Morgan and M.H. Gold. 1984. Separation and

Characterization of 2 Extracellular H2O2-dependent Oxidases from Ligninolytic

Cultures of Phanerochaete Chrysosporium. FEBS Lett. 169:247-250.

(22) Mtui, Y.S. 2009. Recent Advances in Pretreatment of Lignocellulosic Wastes and

Production of Value Added Products. African J. of Biotechnology Vol. 8(8), 1398-

1415.

(23) Perez, J., J.M. Dorado, T. Rubia, J. Martinez. 2002. Biodegradation and Biological

treatments of Cellulose, Hemicellulose and Lignin: An Overview. Int. Microbiol. 5, 53-

63.

(24) Saha, B.C. 2003. Hemicellulose Bioconversion. J. Ind. Microbiol. Biotechnol. 30:

279-291.

(25) Saha, B.C. 2004. Lignocellulose Biodegradation and Application in Biotechnology.

US Government Work. American Chemical Society. 2-14.

(26) Steffen, K.T. 2003. Degradation of Recalcitrant Biopolymers and Polycyclic

Aromatic Hydrocarbons by Litter-decomposing Basidiomycetous Fungi. [disertasi].

Helsinki: Division of Microbiology Department of Applied Chemistry and

Microbiology Viikki Biocenter, University of Helsinki

(27) Tuomela, M. 2002. Degradation of Lignin and Other 14C-labelled Compounds in

Compost and Soil with an Emphasis on White-Rot Fungi. Helsinki: Dep. Appl. Chem.

Microbiol. Division of Microbiology University of Helsinki

(28) Thurston C.F. 1994. The Structure and Function of Fungal Laccases. Microbiology,

140: 19-26.

(29) Vares T. 1996. Ligninolytic Enzymes and Lignin-Degrading Activity of

Taxonomically Different White-Rot Fungi. [PhD Thesis]. Helsinki: Dep. Appl. Chem.

and Microbiol. University of Helsinki.