Biodegradable senyawa organik

BIODEGRADASI SENYAWA ORGANIK

Pengertian
            Biodegradasi merupakan  proses perombakan senyawa organik kompleks menjadi senyawa yang lebih sederhana oleh aktifitas mikroorganisme. Bahan organik bisa didegradasikan secara aerob dengan oksigen atau secara anaerob tanpa oksigen. Mikroba yang dimanfaatkan sebagai pendegradasi harus mampu menghasilkan enzim oksigenase yang dapat mengoptimalkan hubungan permukaan sel mikroba dengan bahan pencemar melalui interaksi hidrofobik. Tidak semua bahan di alam ini dapat terurai menjadi komponen kecil penyusunnya. Segala bahan yang dapat diuraikan menjadi komponen-komponen penyusunnya disebut bahan biodegradable. Bahan biodegradable umumnya memiliki jenis ikatan asetal, amida, atau ester, dan memiliki berat molekul, kristalinitas rendah serta hidrofilitas tinggi.

Faktor yang Mempengaruhi Biodegradasi

Biodegradasi pada dasarnya proses transfer elektron . Biologi energi diperoleh melalui oksidasi bahan dikurangi. enzim mikroba mengkatalisasi transfer elektron. Elektron akan dihapus dari organik substrat untuk menangkap energi yang tersedia melalui proses oksidasi. Elektron bergerak melalui pernapasan atau transfer elektron rantai (jalur metabolisme) terdiri dari serangkaian senyawa ke terminal akseptor elektron . Sebagian besar dari mikroba penduduk di tanah tergantung pada oksigen sebagai terminal akseptor elektron untuk metabolisme. Hilangnya oksigen menginduksi perubahan dalam kegiatan ini dan komposisi mikroba tanah populasi. Anaerobik fakultatif organisme (yang dapat menggunakan oksigen ketika hadir atau dapat beralih ke alternatif akseptor elektron, seperti nitrat dan sulfat, dalam ketiadaan oksigen) dan organisme anaerobik wajib menjadi dominan ketika oksigen tidak tersedia, namun aerobik biodegradasi biasanya lebih efisien (Stevens, 2002).

           

Untuk mikroflora (jamur, bakteri dan sejenisnya) untuk mengkonversi dan mengasimilasi karbon dalam substrat apapun, sejumlah kriteria yang harus dipenuhi. substrat harus dapat dibasahi air, dan molekul konstituen harus cukup kecil bahwa jumlah yang sangat besar ujung rantai mereka dapat diakses pada permukaan material (Billingham, 2004). Hidrokarbon termoplastik adalah bioinert karena mereka hidrofobik, dan karena sifat mekanik baik mereka memerlukan sangat tinggi berat molekul, yang mengarah ke rantai diakses sangat sedikit berakhir. Juga tahan terhadap hidrolisis (dan untuk alasan ini tidak dapat hydrobiodegrade) dan oksidasi dan biodegradasi karena kehadiran anti-oksidan, dan stabilisator aditif  (Billingham, 2004).

Berbagai macam bahan organik mudah terdegradasi dalam kondisi aerobik. Dalam metabolisme aerobik, O2 adalah terminal akseptor elektron. Ketika  biodegradasi berikut pola ini, populasi mikroba cepat beradaptasi dan mencapai kepadatan tinggi. Akibatnya, laju biodegradasi cepat menjadi terbatas oleh laju pasokan oksigen atau beberapa gizi, bukan kapasitas mikroba yang melekat untuk menurunkan polimer atau kontaminan lainnya . Beberapa senyawa organik juga bisa diturunkan dalam kondisi anaerobik. Ketika oksigen tidak ada, nitrat (NO₃), sulfat (SO₄), ferric besi (Fe³⁺), mangan (Mn³⁺, Mn⁴⁺), dan bikarbonat
(HCO3 -) dapat berfungsi sebagai akseptor elektron terminal, jika mikrobamemiliki sistem enzim yang sesuai (Stevens, 2002).

Dalam kondisi anaerobik, laju degradasi biasanya dibatasi oleh laju reaksi yang melekat pada aktif mikroorganisme; adaptasi lambat, membutuhkan bulan atau tahun, dan hasil aktivitas metabolisme dalam pembentukan tidak lengkap teroksidasi, zat organik sederhana, seperti asam organik, dan oleh-produk seperti metana atau hidrogen gas. Mikroorganisme membantu menguraikan bahan organik di lingkungan laut serta. Banyak faktor yang mempengaruhi kekuatan potensial dan laju yang terjadi secara alami biodegradasi di situs tertentu, seperti sebagai: kadar air tanah, porositas, temperatur tanah, pH tanah, ketersediaan O2, kehadiran mikroba yang cocok, kehadiran kontaminan dan konsentrasi mereka, ketersediaan nutrisi, kehadiran akseptor elektron lainnya, redoks potensial dll ( Matsunaga, 2000).

 Khusus untuk polimer biodegradable dalam tanah, tingkat di biodegradasi yang terjadi tergantung pada kondisi tanah seperti suhu, kadar air (ukuran dari konsentrasi air), tingkat aerasi (ukuran konsentrasi oksigen), keasaman (ukuran konsentrasi asam) dan konsentrasi mikroorganisme sendiri. Di bawah sangat tidak menguntungkan kondisi laju degradasi dapat dikurangi menjadi hampir nol (Calmon 1998). Suhu rendah sangat menghambat degradasi dalam tanah. Kadar air tanah juga penting, melainkan mendukung degradasi hidrolitik. Aerasi mendukung oksidatif degradasi dan tingkat aerasi menentukan apakah biotik degradasi aerobik atau anaerobik atau keduanya-mengambil tempat. Meskipun ada banyak bakteri yang berkembang pada lingkungan bebas oksigen, ada banyak lagi yang menggunakan oksigen. degradasi biotik juga mensyaratkan bahwa tanah dapat menjadi mikroba aktif. Tingkat degradasi biotik dapat dikurangi menjadi hampir nol dalam lingkungan steril, atau ketika konsentrasi mikroorganisme sangat rendah atau bahkan jika material tidak benar-benar biodegradable (Stevens, 2002).

Banyak metabolit berbahaya dapat dihasilkan mikrobiologis dalam berbagai lingkungan. Produk ini dapat merupakan ancaman substantif dengan pertumbuhan,  kesehatan, atau kekuatan manusia dan berbagai hewan dan tumbuhan, sehingga menentukan dampak lingkungan dari biodegradasi tersebut. Apa mikroorganisme lakukan untuk kimia yang mungkin dari sangat penting bagi kesehatan manusia, produktivitas pertanian atau populasi dalam ekosistem alam. Secara biologis aktif metabolit terbentuk dari racun tidak selalu beracun. Kadang-kadang, mungkin stimulasi (Martin,1994).

Mekanisme degradasi hidrokarbon di dalam sel bakteri Pseudomonas

1. Hidrokarbon Alifatik

Pseudomonas sp. menggunakan hidrokarbon tersebut untuk pertumbuhannya. Penggunaan hidrokarbon alifatik jenuh merupakan proses aerobik (menggunakan oksigen). Tanpa adanya O2, hidrokarbon ini tidak didegradasi. Langkah pendegradasian hidrokarbon alifatik jenuh oleh Pseudomonas sp. meliputi oksidasi molekuler (O2) sebagai sumber reaktan dan penggabungan satu atom oksigen ke dalam hidrokarbon teroksidasi. Reaksi lengkap dalam proses ini terlihat pada gambar.

 

Reaksi degradasi hidrokarbon alifatik

2. Hidrokarbon Aromatik

Banyak senyawa ini digunakan sebagai donor elektron secara aerobik oleh bakteri Pseudomonas. Degradasi senyawa hidrokarbon aromatik disandikan dalam plasmid atau kromosom oleh gen xy/E. Gen ini berperan dalam produksi enzim katekol 2,3-dioksigenase. Metabolisme senyawa ini oleh bakteri diawali dengan pembentukan Protocatechuate atau catechol atau senyawa yang secara struktur berhubungan dengan senyawa ini. Kedua senyawa ini selanjutnya didegradasi oleh enzim katekol 2,3-dioksigenase menjadi senyawa yang dapat masuk ke dalam siklus Krebs (siklus asam sitrat), yaitu suksinat, asetil KoA, dan piruvat. Gambar 2 menunjukkan reaksi perubahan senyawa benzena menjadi katekol.

Reaksi degradasi Hidrokarbon aromatic

Polivinil klorida pada plastik

Plastik adalah bahan banyak sekali di gunakan dalam kehidupan manusia, plastik dapat di gunakan sebagai alat bantu yang relative kuat, ringan, dan mempunyai harga yang murah. Dalam bidang pertanian plastikpun tidak ketinggalan mengambil peran sehingga terjadi peningkatan produksi pertanian dengan demikian pemanfaatan pelastik terus meningkat. Plastik merupakan bahan yang relative nondegradable sehingga pemanfaatan plastik harus diperhatikan mengingat besarnya limbah yang di hasilkannya .

Plastik merupakan material yang baru secara luas dikembangkan dan digunakan sejak abad ke-20 yang berkembang secara luar biasa penggunaannya dari hanya beberapa ratus ton pada tahun 1930-an, menjadi 150 juta ton/tahun pada tahun 1990-an dan 220 juta ton/tahun pada tahun 2005. Saat ini penggunaan material plastik di negara-negara Eropa Barat mencapai 60kg/orang/tahun, di Amerika Serikat mencapai 80kg/orang/tahun, sementara di India hanya 2kg/orang/tahun (kyrikou,2007).

Meningkatnya penggunaan plastik dalam pertanian memungkinkan petani untuk meningkatkan produksi tanaman mereka. Salah satu kelemahan utama dari polimer yang paling banyak digunakan di bidang pertanian adalah masalah dengan pembuangan mereka, karena  pemanfatan yang terus menerus.Plastik bersifat non-degradable polimer, yang resistif terhadap degradasi (tergantung pada polimer, aditif, kondisi dll) cenderung menumpuk sebagai sampah plastik, menciptakan serius masalah bagi pengelolaan sampah plastik. Dalam kasus plastik seperti berakhir-sampah di tempat pembuangan sampah atau dikuburkan, pertanyaan mengangkat tentang dampak yang mungkin mereka terhadap lingkungan adalah, apakah plastic dapat terurai ? jika terurai bagaimana dengan kecepatan degradasinya dan bagaimana efek degradasi tersebut kepada lingkungan,termasuk efek dari aditif yang digunakan (kyrikou,2007).

 Kemungkinan degradasi sampah plastik pertanian tidak harus menghasilkan kontaminasi tanah dan pencemaran lingkungan (termasuk estetika polusi atau masalah dengan produk pertanian keselamatan). Idealnya, polimer degradable harus sepenuhnya
biodegradable sehingga tidak ada zat berbahaya di lingkungan. Kebanyakan ahli dan standar yang dapat diterima menetapkan sepenuhnya biodegradable polimer sebagai polimer yang benar-benar dikonversi oleh mikroorganisme untuk karbon dioksida, air, mineral dan biomassa, tanpa negatif lingkungan dampak atau kadar racun lingkungan.

            Pemanfaatan plastik telah terbukti meningkatkan produksi pertanian seperti pemanfaatan plastik film bisa meningkatkan kualitas produk dan hasil dilakukan dengan mitigasi ekstrim perubahan cuaca, mengoptimalkan kondisi pertumbuhan, memperluas musim tumbuh dan mengurangi penyakit tanaman (Jouet,2001).

            Salah satu kelemahan utama dari polimer yang paling banyak digunakan di bidang pertanian adalah masalah dengan pembuangan mereka, karena  pemanfatan yang terus menerus.Plastik bersifat non-degradable polimer, yang resistif terhadap degradasi (tergantung pada polimer, aditif, kondisi dll) cenderung menumpuk sebagai sampah plastik, menciptakan serius masalah bagi pengelolaan sampah plastik. Dalam kasus plastik seperti berakhir-sampah di tempat pembuangan sampah atau dikuburkan.

Kemungkinan degradasi sampah plastik pertanian tidak harus menghasilkan kontaminasi tanah dan pencemaran lingkungan (termasuk estetika polusi atau masalah dengan produk pertanian keselamatan). Idealnya, polimer degradable harus sepenuhnya
biodegradable sehingga tidak ada zat berbahaya di lingkungan. Kebanyakan ahli dan standar yang dapat diterima menetapkan sepenuhnya biodegradable polimer sebagai polimer yang benar-benar dikonversi oleh mikroorganisme untuk karbon dioksida, air, mineral dan biomassa, tanpa negatif lingkungan dampak atau kadar racun lingkungan.

 

Permasalahan:

            Seperti yang telah kita ketahui, plastik mengandung polivinil klorida yang bersifat non degradable sehingga dapat menjadi limbah,Bagaimana upaya yang dapat di lakukan agar polivinil klorida yang ada pada plastik dapat mudah di degradabel tanpa harus menghasilkan zat yang berbahaya bagi lingkungan?