Produsen alami PHA

Tema tentang fenomena bakteri penimbun polymer di dalam tubuhnya sendiri terdengar sangat menarik, karena jika benar, bahwa alampun turut menjadi produsen polymer yang begitu penting bagi rantai hidrokarbon alami, maka bumi memiliki aset, sumberdaya (resource), atau apapun namanya, yang begitu berharga dengan seluruh aktifitas biota air yang ada di dalamnya. Polymer golongan poly hydroxyalkanoate (PHA) itu ternyata dapat diproduksi tanpa oleh campur tangan seorangpun atau korporasi manapun, bahkan disediakan otomatis oleh alam, laut kita.

Thermophile Bacteria
Thermophile Bacteria. Credit: Martin Schrattenholzer on Flickr(CC BY 2.0)

Berikut adalah daftar bakteri air asin yang aktif memproduksi PHA: B. nereida (PHB)[1], B. natriegens (PHB)[1], (V)ibrio algosus (PHB)[2], V. marinofulvus (PHB) [2], V. alginolyticus (PHB) [2], V. parahaemolyticus (PHB) [2], V. marinus PS-207 (PHB) [2], V. cholera (PHB) [2], Agrobacterium stellulatum (PHB) [2], Achromobacter aquamarinus (PHB) [2], Spirillum linum (PHB) [2], Pseudomonas perfectomarinus (PHB) [2], P. Aeruginosa (PHB) [2], Photobacterium fischeri (PHB) [2], Arthrobacter marinus (PHB) [2], Azotobacter vineladii (PHB)[3], Vibrio harveyi (PHB)[4], Escherichia coli (PHA)[5], Alcaligenes latus (PHB)[6], Acinetobacter sp. (PHA)[7], Desulfococcus multivorans (PHA)[10], Haloferax mediterranei (PHA, PHB, PHBV)[8][9][11][12][13][15], Saccharophagus degradans (PHAs)[16], Microcoleus chthonoplastes (PHB)[17], Lyngbya aestuarii (PHB)[17], Leptolyngbya sp. (PHB)[17], Oscillatoria sp. (PHB) [17], Geitlerinema sp. (PHB) [17], Gloeocapsa sp. (PHB) [17], Pseudomonas guezennei sp. (PHA)[18], Pseudomonas extremaustralis (PHB)[20], Vibrio sp. (PHB, PHA)[14][21][25][26], Bacillus cereus (PHB) [21], Bacillus mycoides (PHB) [21], Bacillus sonorensis (PHA)[22], Halomonas hydrothermalis (PHA)[22], Pseudoaltermonas sp. (PHA)[23], Bacillus megaterium (PHB, PHA)[24][29][33], Bacillus subtilis (PHB)[27], Colwellia spp. (PHA)[28], Moritella spp. (PHA) [28], Shewanella spp. (PHA, PHB) [28][34], Vibrio azureus (PHB)[31], Bacillus sp. (PHB)[33].

Beberapa penelitian juga menjelaskan bagaimana Caldimonas taiwanensis, mulai berhasil diisolasi pada tahun 2004 [85], dapat memproduksi PHA dari berbagai pati dan senyawa valerates[84].

Tahun 2012, beberapa ilmuwan Vietnam[87] meneliti pantai Vietnam Utara dengan habitat hutan bakau (mangrove soil). Dari studi mikrobiologi mereka, berhasil diisolasi 100 mikroorganisme yang telah beradaptasi pada ekosistem hutan bakau dengan mengumpulkan PHA. Akumulasi penumpukan PHA pada mikroorganisme tersebut bisa jadi merupakan bagian siklus karbon di hutan bakau di sana. Jika ya, disanalah telah dibangun pabrik polyester alami yang bukan oleh tangan manusia, dahsyat bukan?

Tiga strains (ND153, ND97, and QN194) diidentifikasi sebagai Bacillus species, sedangkan lima strains lainnya (QN187, ND199, ND218, ND240, and QN271) secara filogenetis sangat serupa dengan α-proteobacterium Yangia pacifica. Strain ini yang terdeteksi menumpuk PHA dalam jumlah yang signifikan, yang mana ND153, ND97, QN194, QN187, ND240, dan QN271 memproduksi poly(3-hydroxybutyrate) (PHB) dari glukosa, sedangkan ND199 and ND218 mensintesis poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate) (PHBV) dari sumber karbohidrat tersebut. Selain QN 194, semua strains mengakumulasi PHBV jika dimasukkan kombinasi precursor glukosa dan propionate pada kultur media. Kecepatan pertumbuhan bakteri dilacak dengan transmission electron microscopy, bobot bersih PHBV dengan CDW. Hasil dari kedua metode pengukuran tersebut memperlihatkan nilai yang tinggi pada ND153 dan QN271, sehingga pada kedua strains ini menarik untuk dilakukan penelitian lebih lanjut. Penelitian ini menunjukkan kasus, dimana dua kandidat bakteri halophilic dan halotolerant berpotensi mensintesis berbagai polyester dari hutan bakau (mangrove).

Bukankah Indonesia juga memiliki daerah hutan mangrove yang luas? Bukankah komposisi kimia tanah gambut (peat soil) mungkin juga menarik untuk diteliti, karena merupakan deposit karbon yang besar dengan defisiensi nitrogen dan phosphor (C/N rasio tinggi)? Dengan kata lain, pengembangan penelitian di bidang ini benar-benar sangat luas dan menarik untuk dilakukan bukan? Mungkin juga jauh lebih luas dan menantang daripada Vietnam. Jika demikian, selamat bekerja rekan-rekan peneliti!

Penelitian-penelitian dengan berbagai sumber karbohidrat dan kondisi notrigen juga dilakukan[88] untuk melihat pengaruhnya terhadap aktivitas biosintesis PHA, juga dengan produk samping kelapa sawit sebagai sumber karbon [89] atau penelitian menyangkut bobot bersih (yield) PHA dengan minyak kedelai [90].

Produksi PHA skala industri

Produksi PHAs dalam skala industri menjadi antusiasme di kalangan peneliti karena terdorong oleh aspek lingkungan yang disebabkan oleh penyalahgunaan plastik sintetis. Sumber nutrisi penting untuk biosintesis PHA adalah senyawa phosphor dan nitrogen dan uga hidrokarbon secara melimpah dalam suatu rasio C/N besar. Biosintesis PHAs terutama tergantung pada substrat karbon untuk pertumbuhan mikroba dan metabolisme mereka untuk mengubah bahan prekursor tersebut [36]. Satu-satunya hal penting yang menentukan batasan biaya produksi PHA adalah bahan bakunya. Dalam beberapa tahun terakhir, penggunaan bahan baku berupa sisa industri (industrial by products) seperti agroindustri, industry kertas, biomass, sugar cane, molasis, sekam, ampas industri makanan dan lignocellulose. Juga industri perkebunan kelapa sawit dan industri turunannya menduduki nilai penting di area penelitian ini.

Dapatkah produk sisa perkebunan meiliki nilai tambah tinggi di tempat lain? Adakah industri kelapa sawit kita dapat menjadi salahsatu jawaban yang menjanjikan bagi permasalahan-permasalahan dunia.

Penelitian dengan cakupan luas dan intensif difokuskan pada berbagai limbah industri tersebut:

sukrosa [37], pati [38], glukosa [39-41], molase kedelai dan kedelai yang dihidrolisis [42][43], gula tebu [44-46], limbah minyak rapeseed [47][48], hidrolisis minyak bunga matahari [49], gliserol [50-51], dedak padi dan pati jagung [74], minyak mentega dan minyak kelapa [52], minyak sawit dan produknya [53], gula bit tetes [54], minyak sawit bekas [55], selulosa dan selulosa terhidrolisis [56], bagas tebu hidrolisat [57-58], kasein hidrolisat [59], minyak rapeseed hidrolisat [60], triacyilglicerides (TAG) [61], minuman beralkohol dari tebu [62], asam asetat [40][63], minuman beralkohol jagung curam [64], ikan pepton sedang [65], galaktosa, mannose dan rhamnose [66], whey keju dan whey dihidrolisis [44][67][68], urea [46], minyak [53] , biorefinery berbasis gandum [69][70], xilosa [128], arabinosa [71], fruktosa [72], asam laktat [73], asam oleat [74], minyak jagung [75], limbah minyak sayur [76], campuran gas H2, O2, dan CO2 [70], air limbah biodiesel [78], limbah pabrik kertas [79], limbah pabrik kelapa sawit [80], air limbah kanji [81], dan air limbah kota [82] sumber karbon khusus menggunakan asam 4-hidroksibutirat, 1,4-butanediol, dan butirolakton [83] sebagai bahan baku untuk sintesis PHA.

Penelitian produksi PHA dengan proses biosintesis oleh beberapa bakteri diantaranya: Bacillus cereus (KF270349), Klebsiella pneumoniae (KF270350), Bacillus subtilis (KF270351), Brevibacterium halotolerance (KF270352), Pseudomonas aeruginosa (KF270353), dan Stenotrophomonas rhizoposid (KF270354) dengan bahan baku minyak goreng bekas (waste frying oil), glukosa dan beberapa sumber minyak makan (edible oil) juga dilakukan[86]. Kecepatan pertumbuhan bakteri dilacak dengan menggunakan fluorescent microscopy, akumulasi produk akhirnya (PHA) dengan metode berat sel kering (cell dry weight/CDW), sedangkan untuk analisa struktur kimia/gugus fungsional PHA digunakan metode FTIR spectroscopy.

Penelitian ini menduduki aspek ekonomis yang menarik, karena pilihan bahan baku adalah faktor penentu biaya produksi dan penggunaan minyak goreng bekas adalah cara memberikan pilihan nilai lebih (value added) bagi proses daur ulang minyak goreng bekas. Idealnya memang jika limbah sisa industri makanan dapat dialihkan ke industri lain dengan mempertahankan rantai nilainya.

Referensi:

  1. Baumann, L. Baumann, M. Mandel. J. Bacteriol. 107 (1971) 268−294
  2. D. Oliver, R.R. Colwell. J. Bacteriol. 114 (1973) 897−908
  3. J. Page, A. Cornish. Appl. Environ. Microbiol. 59 (1993) 4236−4244
  4. Sun, J.G. Cao, K. Teng, E.A. Meighen. J. Biol. Chem. 269 (1994) 20785−20790
  5. Choi, S.Y. Lee, K. Han. Appl. Environ. Microbiol. 64 (1998) 4897−4903
  6. Wang, S.Y. Lee. Appl. Environ. Microbiol. 63 (1997) 3703−3706
  7. M. Alvarez, O.H. Pucci, A. Steinbüchel. Appl. Microbiol. Biotechnol. 47 (1997) 132−139
  8. Rodriguez-Valera, J.A.G. Lillo. FEMS Microbiol. Lett. 103 (1992) 181−186.
  9. Taga, K. Tanaka, A. Ishizaki. Biotechnol. Bioeng. 53 (1997) 529−533
  10. Hai, D. Lange, R. Rabus, A. Steinbüchel. Appl. Environ. Microbiol. 70 (2004) 4440−4448
  11. M. Don, C.W. Chen, T.H. Chan. J. Biomater. Sci. Polym. Ed. 17 (2006) 1425−1438
  12. Cheng, G.Q. Chen, M. Leski, B. Zou, Y. Wang, Q. Wu. Biomaterials 27 (2006) 3758−3765
  13. Y. Huang, K.J. Duan, S.Y. Huang, C.W. Chen. J. Ind. Microbiol. Biotechnol. 33 (2006) 701−706
  14. -C. Chien, C.-C. Chen, M.-H. Choi, S.-S Kung, Y.-H. Wei. J. Biotechnol. 132 (2007) 259−263
  15. Koller, P. Hesse, R. Bona, C. Kutschera, A. Atlić, G. Braunegg. Macromolecular Symposia 253 (2007) 33−39
  16. González-García, J. Nungaray, J. Córdova, O. González-Reynoso, M. Koller, A. Atlic, G. Braunegg. J. Ind. Microbiol. Biotechnol. 35 (2008) 629−633
  17. López-Cortés, A. Lanz-Landázuri, J.Q. García-Maldonado. Microb. Ecol. 56 (2008) 112−120
  18. Simon-Colin, K. Alain, S. Colin, J. Cozien, B. Costa, J.G. Guezennec, G.H. Raguénès. J. Appl. Microbiol. 104 (2008) 581−586
  19. Quillaguamán, T. Doan-Van, H. Guzmán, D. Guzmán, J. Martín, A. Everest, R. Hatti-Kaul. Appl. Microbiol. Biotechnol. 78 (2008) 227−232
  20. López-Cortés, A. Lanz-Landázuri, J.Q. García-Maldonado. Microb. Ecol. 56 (2008) 112−120
  21. Arun, R. Arthi, V. Shanmugabalaji, M. Eyini. Bioresour. Technol. 100 (2009) 2320−2323
  22. Shrivastav, S.K. Mishra, B. Shethia, I. Pancha, D. Jain, S. Mishra. Int. J. Biol. Macromol. 47 (2010) 283−287
  23. Wang, H. Zhang, Q. Chen, X. Chen, Y. Zhang, Q. Qi. World J. Microbiol. Biotechnol. 26 (2010) 1149−1153
  24. R. Pandian, V. Deepak, K. Kalishwaralal, N. Rameshkumar, M. Jeyaraj, S. Gurunathan. Bioresour. Technol. 101 (2010) 705−711
  25. H. Wei, W.C. Chen, H.S. Wu, O.M. Janarthanan. Mar. Drugs 9 (2011) 615−624
  26. Numata, Y. Doi. Mar. Biotechnol. 3 (2016) 323−331
  27. Sathiyanarayanan, G. Saibaba, G.S. Kiran, J. Selvin. Int. J. Biol. Macromol. 59 (2013) 170−177
  28. Sathiyanarayanan, G. S. Kiran, J. Selvin, G. Saibaba. Int. J. Biol. Macromol. 60 (2013) 253−261
  29. S. Sasidharan, S.G. Bhat, M. Chandrasekaran. Ann. Microbiol. 65 (2015) 455−465
  30. S. Sawant, B.K. Salunke, B.S. Kim. Curr. Microbiol. 69 (2014) 832−838
  31. Ramezani, M.A. Amoozegar, A. Ventosa. Ann. Microbiol. 65 (2015) 517−526
  32. H. Dhangdhariya, S. Dubey, H.B. Trivedi, I. Pancha, J.K. Bhatt, B.P. Dave, S. Mishra. Int. J. Biol. Macromol. 76 (2015) 254−261
  33. Bhagowati, S. Pradhan, H.R. Dash, S. Das. Biosci. Biotechnol. Biochem. 79 (2015) 1454−1463
  34. -C. Sung, Y.Tachibana, K. Kasuya. Polym. Degrad. Stab. 129 (2016) 212−221
  35. Geraldine Rohman (2017) Biodegradable Polymers: Recent Developments and New Perspectives. IAPC Publishing, 2017
  36. Steinbüchel, B. Füchtenbusch. Trends Biotechnol. 16 (1998) 419−427
  37. V. Nonato, P.E. Mantelatto, C.E.V. Rossell. Appl. Microbiol. Biotechnol. 57 (2001) 1−5
  38. M. Halami. World J. Microbiol. Biotechnol. 24 (2008) 805−812
  39. D. Ashby, D.K.Y. Solaiman, T. Foglia. J. Ind. Microbiol. Biotechnol. 28 (2002) 147−153
  40. Du, J. Chen, J. Yu, S. Lun. J. Biotechnol. 88 (2001) 59−65
  41. Li, Q. Chen, P.G. Wang, Q. Qi. Appl. Microbiol. Biotechnol. 75 (2007) 1103−1109
  42. D. Full, D.O. Jung, M.T. Madigan. Lett. Appl. Microbiol. 43 (2006) 377−384
  43. K.Y. Solaiman, R.D. Ashby, A.T. Hotchkiss, T.A. Foglia. Biotechnol. Lett. 28 (2006) 157−162
  44. G.E. Albuquerque, M. Eiroa, C. Torres, B.R. Nunes, M.A. Reis. J. Biotechnol. 130 (2007) 411−421
  45. Bengtsson, A.R. Pisco, M.A.M. Reis, P.C. Lemos. J. Biotechnol. 145 (2010) 253−263
  46. Kulpreecha, A. Boonruangthavorn, B. Meksiriporn, N. Thongchul. J. Biosci. Bioeng. 107 (2009) 240−245
  47. Mozejko, S. Ciesielski. Biotechnol. Prog. 30 (2014) 1243−1246
  48. Obruca, I. Marova, O. Snajdar, L. Mravcova, Z. Svoboda. Biotechnol. Lett. 32 (2010) 1925−1932
  49. Kachrimanidou, N. Kopsahelis, A. Chatzifragkou, S. Papanikolaou, S. Yanniotis, I. Kookos, A.A. Koutinas. Waste Biomass Valorization 4(3) (2013) 529−537
  50. De Almeida, P.I. Nikel, A.M. Giordano, M.J. Pettinari. Appl. Environ. Microbiol. 73 (2007) 7912−7916
  51. K. Solaiman, R.D. Ashby, A.T. Hotchkiss, T.A. Foglia. Biotechnol. Lett. 28 (2006) 157−162
  52. K.Y. Solaiman, R.D. Ashby, T.A. Foglia. Appl. Microbiol. Biotechnol. 56 (2001) 664−669
  53. Fukui, Y. Doi. Appl. Microbiol. Biotechnol. 49(1998) 333−336
  54. Yilmaz, Y. Beyatli. Zuckerindustrie 130 (2005) 109−112
  55. Rao, R. Sridhar, P.K .Sehgal. Biochem. Eng. J. 49 (2010) 13−20
  56. E.A. Munoz, M.R. Riley. Biotechnol. Bioeng. 100 (2008) 882−888
  57. F. Silva, M.K. Taciro, M.E. Michelin Ramos, J.M. Carter, J.G.C. Pradella, J.G.C. Gomez. J. Ind. Microbiol. Biotechnol. 31(6) (2004) 245−254
  58. Yu, H. Stahl. Bioresour. Technol. 99 (2008) 8042−8048
  59. J. Bormann, M. Roth. Biotechnol. Lett. 21 (1999) 1059−1063
  60. L. García, J.A. López, M.P. Dorado, N. Kopsahelisc, M. Alexandric, S. Papanikolaouc, M.A. Villarb, A.A. Koutinas. Bioresour. Technol. 130 (2013) 16−22
  61. Shimamura, K. Kasuya, G. Kobayashi, T. Shiotani, Y. Shima, Y. Doi. Macromolecules 27 (1994) 878−880
  62. Jiang, X. Song, L. Gong, P. Li, C. Dai, W. Shao. Enzyme Microb. Technol. 42 (2008) 167−172
  63. Wang, J. Yu. Process Biochem. 36 (2000) 201−207
  64. I. Nikel, A. De Almeida, E.C. Melillo, M.A. Galvagno, M.J. Pettinari. Appl. Environ. Microbiol. 72 (2006) 3949−3954
  65. Sujatha, R. Shenbagarathai. Lett. Appl. Microbiol. 43 (2006) 607−614
  66. E.A. Munoz, M.R. Riley. Biotechnol. Bioeng. 100 (2008) 882−888
  67. Nath, M. Dixit, A. Bandiya, S. Chavda, A.J. Desai. Bioresour. Technol. 99 (2008) 5749−5755
  68. Povolo, P. Toffano, M. Basaglia, S. Casella. Bioresour. Technol. 101 (2010) 7902−7907
  69. A. Koutinas, Y. Xu, R. Wang, C. Webb. Enzyme Microb. Technol. 40 (2007) 1035−1044
  70. Van-Thuoc, J. Quillaguamán, G. Mamo, B. Mattiasson. J. Appl. Microbiol. 104 (2008) 420−428
  71. L. Bertrand, B.A. Ramsay, C. Chavarie. Appl. Environ. Microbiol. 56 (1990) 3133−3138
  72. -H. Lee, M.N.M. Azizan, K. Sudesh. Polym. Degrad. Stab. 84 (2004) 129−134
  73. Tohyama, S. Takagi, K. Shimizu. J. Biosci. Bioeng. 89 (2000) 323−328
  74. Eggink, H.van der Wal, G.N.M. Huijberts, P. de Waard. Ind. Crops Prod. 1 (1992) 157−163
  75. N. Chaudhry, N. Jamil, I. Ali, M.H. Ayaz, S. Hasnain. Ann. Microbiol. 61 (2011) 623−629
  76. H. Song, C.O. Jeon, M.H. Choi, S.C. Yoon, W. Park. J. Microbiol. Biotechnol. 18 (2008) 1408−1415
  77. A. Koutinas, I.L. Garcia, N. Kopsahelis, S.Papanikolaou, C. Webb, M.A. Villar, J.A. López. Waste Biomass Valorization 4 (2013) 359−370
  78. T. Dobroth, S. Hu, E.R. Coats, A.G. McDonald. Bioresour. Technol. 102 (2011) 3352−3359
  79. Bengtsson, A.Werker, T. Welander. Water Sci. Technol. 58 (2008) 323−330
  80. Y. Wu, A.W. Mohammad, J.M. Jahim, N. Anuar. Biotechnol. Adv. 27 (2009) 40−52
  81. Yu. J. Biotechnol. 86 (2001) 105−112
  82. Pozo, A.C. Villamar, M. Martínez, G. Vidal. Water Sci. Technol. 63 (2011) 449−455
  83. S. Ng, Y.M. Wong, T. Tsuge, K. Sudesh. Process Biochem. 46 (2011) 1572−1578
  84. Der-Shyan Sheu et. al. Enzyme and Microbial Technology. 44 (5) (2009) 289-294
  85. Chen, W.M.; Chang, J.S.; Chiu, C.H.; Chang, S.C.; Chen, W.C.; Jiang, C.M. Caldimonas taiwanensis sp. nov., a amylase producing bacterium isolated from a hot spring. Syst. Appl. Microbiol. 2005, 28, 415–420
  86. Saiqa Tufail, Sajida Munir, Nazia Jamil. Brazilian Journal of Microbiology. 48 (4) (2017) 629-636
  87. Van-Thuoc D1, Huu-Phong T, Thi-Binh N, Thi-Tho N, Minh-Lam D, Quillaguamán J. Microbiologyopen. 2012; 1(4): 395-406. doi: 1002/mbo3.44. Epub 2012 Oct 11.
  88. Shahid, R. Mosrati, J. Ledauphin, et al. J Biosci Bioeng. 116 (3) (2013), pp. 302-308
  89. Sudesh. Plant oils and agricultural by-products as carbon feedstock for PHA production. Polyhydroxyalkanoates from Palm Oil: Biodegradable Plastics, Springer (2013), pp. 37-46.
  90. P. Kahar, T. Tsuge, K. Taguchi, Y. Doi. Polym Degrad Stab. 83 (1) (2004), pp. 79-86