Biogas dan Digestat: Peranan Mikroba dalam Memproduksi Keduanya

Beberapa limbah peternakan Sapi  Desa  di Bali,   dengan program simantrinya, biasanya membuat intalasi biogas.  Simantri  merupakan singkatan dari "Sistem pertanian terintegrasi, yang  merupakan salah satu program unggulan daerah Pemprov Bali untuk peningkatan peran sektor pertanian mendukung Bali Mandara. Program ini diluncurkan sejak tahun 2009. 

Selain penggemukan dan pembibitan sapi Bali, Simantri juga memanfaatkan  kotoran sapi  untuk menghasilkan biogas dan pupuk organik dari limbah instalai biogas. Strategi untuk mengoptimalakan pendapatan petani. 

Biogas adalah campuran gas yang dihasilkan dari proses dekomposisi bahan organik dalam kondisi anaerobik (tanpa oksigen). Proses ini biasanya dilakukan oleh mikroba yang memecah bahan organik seperti limbah tanaman, limbah hewan, dan sisa makanan. Biogas  adalah salah satu   bentuk energi terbarukan.

Biogas adalah sumber energi terbarukan yang dapat dihasilkan dari berbagai jenis limbah organik yang dapat didaur ulang dan murah, sambil mengurangi emisi gas rumah kaca. Produksi biogas juga memberikan manfaat ekonomi bagi petani melalui pembuatan pupuk organik, pengurangan mikroorganisme patogen, dan penghilangan bau. Evaluasi terbaru menunjukkan bahwa pencernaan anaerobik (AD) adalah teknologi alternatif yang efisien, menggabungkan produksi biogas dengan pengelolaan limbah yang berkelanjutan. AD adalah suatu proses biologis di mana bahan organik kompleks terurai tanpa kehadiran oksigen melalui beberapa fase: hidrolisis, asidogenesis, asetogenesis, dan metanogenesis.

Pencernaan biomassa organik kompleks ini menjadi sumber energi yang bersih dan terbarukan mengurangi efek rumah kaca dan menghasilkan dua produk berharga: biogas dan digestat. Biogas terdiri dari CH4, CO2, H2S, NH3, N2, dan uap air dalam jumlah kecil Digestat adalah residu dari produksi biogas yang mengandung berbagai makro dan mikronutrien. Digestat ini dapat digunakan sebagai pupuk tanah karena rasio C/N-nya yang baik, keseragaman, ketersediaan nutrisi, dan bau yang sangat berkurang.

Dalam proses biogas, komunitas mikroba tampaknya mengalami perubahan besar dalam keanekaragaman spesies dalam jangka pendek, tetapi menunjukkan ketahanan dan konsistensi yang mengejutkan dalam jangka panjang. Dinamika mikroba sangat terkait dengan parameter operasi seperti komposisi substrat, suhu proses, waktu retensi, dan laju pemuatan organik. Banyak penelitian terkini telah menyelidiki korelasi antara komposisi mikroba dan kinerja digester dalam hal komunitas mikroba.

Melihat itu, kita harus melihat apa peran mikroba dalam produksi biogas. Mikroba memainkan peran yang sangat penting dalam produksi biogas, yang merupakan salah satu bentuk energi terbarukan. Proses produksi biogas melibatkan beberapa tahapan yang dikendalikan oleh berbagai jenis mikroba. Berikut adalah peran mikroba dalam proses ini:

• Fermentasi (Pencernaan Awal): Pada tahap ini, mikroba fermentatif, terutama bakteri anaerob, memecah bahan organik kompleks seperti selulosa dan hemiselulosa menjadi produk yang lebih sederhana. Proses ini menghasilkan asam lemak volatile, alkohol, dan gas hidrogen serta karbon dioksida.
• Asidogenesis (Pembentukan Asam):Bakteri asidogenik mengubah produk dari fermentasi menjadi asam-asam organik seperti asam asetat, asam propionat, dan asam butirat. Selain itu, gas hidrogen (H) dan karbon dioksida (CO) juga diproduksi dalam tahap ini.
• Asetogenesis (Pembentukan Asetat):  Pada tahap ini, bakteri asetogenik mengubah asam-asam organik dan gas hidrogen menjadi asetat (CHCOO), serta CO dan H. Asetat adalah salah satu bahan baku utama dalam proses pembentukan metana.
• Metanogenesis (Pembentukan Metana):Proses terakhir dalam produksi biogas adalah metanogenesis, di mana bakteri metanogenik mengubah asetat, hidrogen, dan karbon dioksida menjadi metana (CH) dan CO. Metanogen adalah mikroba yang sangat khusus dan penting dalam tahap ini, karena mereka bertanggung jawab untuk produksi gas metana yang merupakan komponen utama biogas.
• Secara keseluruhan, mikroba-mikroba ini bekerja sama dalam ekosistem mikroba kompleks untuk memecah bahan organik dan menghasilkan biogas. Proses ini biasanya berlangsung dalam kondisi anaerobik (tanpa oksigen) di dalam reaktor biogas. Hasil akhirnya adalah campuran gas yang sebagian besar terdiri dari metana dan karbon dioksida, dengan jejak gas lain dalam jumlah kecil. Biogas ini dapat digunakan sebagai sumber energi terbarukan untuk berbagai keperluan, termasuk pembangkit listrik dan pemanasan.

struktur, keanekaragaman dan aktivitas, serta jalur degradasi.  Akan tetapi, sebagian besar penelitian ini tidak dapat menunjukkan hubungan yang konsisten, khususnya untuk produksi metana. Pergeseran skala besar dalam komunitas telah diamati, khususnya dalam komunitas bakteri, tanpa perubahan apa pun dalam fungsi digester. Perubahan kinerja tanpa perubahan signifikan dalam komunitas mikroba yang ada juga telah diamati. Akan tetapi, beberapa penyelidikan terkini menggunakan perangkat molekuler telah berhasil menghubungkan mikroorganisme tertentu dengan kinerja digester, termasuk produksi metana dan degradasi asam lemak serta parameter operasi seperti suhu dan konsentrasi amonia

Kompleksitas sistem biogas diilustrasikan dengan jelas dalam publikasi terkini yang meneliti total 43 digester pedesaan di Tiongkok. Analisis jaringan berbasis korelasi dari komunitas prokariotik di semua digester menunjukkan korelasi kuat dalam dan antardomain antara berbagai kelompok mikroorganisme dalam sistem pencernaan biogas.

Analisis ini juga menunjukkan bahwa komunitas prokariotik digester biogas terorganisasi dengan baik oleh beberapa modul fungsional. Selain itu, korelasi positif yang signifikan diamati antara anggota dalam modul, yang menunjukkan interaksi mutualistik seperti pertukaran zat antara metabolik dan interaksi sintropik. Jelas bahwa penelitian lebih lanjut diperlukan di area ini untuk menghubungkan sepenuhnya mikrobiologi dengan fungsi proses dan untuk mencapai titik ketika manajemen mikroba dapat dicapai. Secara umum, anggota Firmicutes dan Bacteriodetes mendominasi dalam proses biogas, tetapi perwakilan dari filum Proteobacteria dan Chloriflexi juga umum ditemukan, meskipun dalam jumlah yang lebih sedikit.

Bakteri dalam filum ini secara keseluruhan memiliki kemampuan hebat untuk mendegradasi berbagai macam makromolekul organik kompleks, yang kemungkinan besar menjelaskan prevalensinya yang tinggi dalam reaktor biogas. Selain itu, beberapa contoh yang termasuk dalam filum lain seperti Acidobacteria, Actinobacteria, Fibrobacteres, Spirochaetes, Thermotogae, Planctomycetes, Synergistetes, Tenericutes, kandidat filum Cloacimonetes, Thermi dan Verrucomicrobia juga telah ditemukan, tetapi biasanya pada tingkat yang relatif lebih rendah.

Meskipun secara keseluruhan beberapa filum mendominasi, tingkat variasi yang tinggi sering terlihat berkaitan dengan varians antara, tetapi juga dalam, filum ini. Keragaman ini didorong oleh komposisi substrat yang digunakan untuk proses biogas dan oleh kondisi operasi yang diterapkan, termasuk parameter yang sangat mengatur seperti waktu retensi, laju pemuatan organik, dan suhu. Tingkat amonia adalah parameter lain yang memiliki dampak kuat pada struktur komunitas mikroba.

Studi terkini juga menunjukkan populasi inti dan pola kemunculan bersama  di dalam dan di antara kelompok yang berbeda dalam digester, yang lagi-lagi bervariasi dengan kondisi substrat dan proses. Dalam Firmicutes, kelas Clostridia, yang mendegradasi selulosa dan protein, dan Bacillus, yang biasanya mendegradasi lemak dan karbohidrat, mendominasi. Kelas Clostridia juga mengandung spesies yang mampu melakukan asetogenesis dan degradasi asam sintrofik. Sintrofik yang diketahui yang termasuk dalam kelas ini meliputi genus Syntophomonas, yang mendegradasi berbagai asam lemak termasuk asam lemak rantai panjang, dan pengoksidasi asetat yang termasuk dalam famili Thermoanaerobacteriaceae dan Clostridiaceae. Firmicutes, khususnya kelas Clostridia, telah terbukti meningkat sebagai respons terhadap peningkatan suhu dan peningkatan kadar amonia yang timbul karena degradasi protein.

Filum Bacteriodetes biasanya didominasi oleh kelas Bacteriodia dan filum ini juga telah terbukti memiliki aktivitas hidrolitik . De Vrieze et al. menyatakan bahwa filum ini muncul dalam digester biogas yang beroperasi dalam kondisi "mudah", yaitu kadar asam lemak volatil yang rendah, kondisi mesofilik, dan konsentrasi amonia dan garam yang rendah. Saran ini sejalan dengan hasil yang dilaporkan oleh Sun et al., yang mengidentifikasi peningkatan filum ini sebagai respons terhadap penambahan jerami dan penurunan sebagai respons terhadap peningkatan suhu dalam reaktor biogas yang mencerna pupuk kandang. Namun, perwakilan Bacteroidetes juga dilaporkan memfermentasi gula menjadi asetat dan propionat.

Selain itu, Proteobacteria sering ditemukan dalam jumlah yang relatif tinggi dalam sistem lapisan lumpur anaerobik aliran atas (UASB) dan filum ini mengandung banyak anggota yang dapat mengubah gula, asam lemak, dan senyawa aromatik seperti benzoat dan etanol. Filum ini mencakup sintrof yang termasuk dalam genus Syntrophus, Pelobacter, Smithella, Syntrophorhabdus, dan Syntrophobacter. Selain itu, gen yang diperlukan untuk degradasi selulosa telah ditemukan pada bakteri yang termasuk dalam filum ini.

Filum kandidat Cloacimonetes telah ditemukan mewakili sebanyak 10% dari komunitas dan klaster yang tidak dikultur ini telah ditemukan di beberapa pengurai anaerobik . Genom salah satu spesies dari filum ini, yaitu 'Candidatus Cloacamonas acidaminovorans', ditemukan dalam sebuah studi metagenomik yang menunjukkan bahwa bakteri tersebut merupakan bakteri sintrofik yang mampu mendegradasi propionat dan asam amino. 

Dalam sebuah studi baru-baru ini, muncul bukti yang menunjukkan bahwa kelompok bakteri ini juga terlibat dalam pencernaan anaerobik selulosa, melalui proses hidrolisis selulosa ekstraseluler dan/atau fermentasi substrat organik yang berasal dari selulosa. Filum Fibrobacter juga mengandung Anggota yang mendegradasi lignoselulosa, sejauh ini hanya diwakili oleh dua spesies yang dibudidayakan.

Termotogae, yang mengandung anggota hipertermofilik, termofilik, dan mesofilik, diketahui mendegradasi karbohidrat dengan produksi hidrogen dan biasanya terlihat dalam jumlah yang lebih banyak di pabrik biogas termofilik.  Perwakilan dari filum ini juga diduga terlibat dalam oksidasi asetat sintrofik (SAO). Filum Chloriflexi telah terbukti mendominasi dalam digester yang beroperasi dengan air limbah kota  sedangkan digester pupuk kandang lebih sering didominasi oleh Firmicutes . Mirip dengan perwakilan dari filum Synergistetes, banyak bakteri yang termasuk dalam Chloriflexi mampu melakukan metabolisme sintrofik yang berhubungan dengan metanogen hidrogenotrofik. Moga bermanfaat***