Cyanobacteria, Generasi Baru Bahan Baku Penghasil Energi Alternatif

[caption id="attachment_386457" align="aligncenter" width="600" caption="Ilustrasi biofuel (Foto: Kompas.com)"][/caption]

Saat ini, masyarakat begitu dikejutkan dengan harga Bahan Bakar Minyak (BBM) yang melonjak naik, dilema tingginya harga jual BBM ini sejak lama telah menjadi permasalahan bagi masyarakat Indonesia. Masalah selanjutnya terjadi pada ketergantungan Indonesia pada energi fosil, seperti yang dilansir pada National Gegraphic Indonesia, ketergantungan ini membuat produksi minyak bumi dalam negeri menurun drastis sejak tahun 2001 silam. Keadaan ini didorong oleh kebutuhan yang terus naik dan tumbuhnya sektor industri di Indonesia. Kepala Badan Geologi Kementerian ESDM, Surono mengatakan bahwa ketergantungan energi fosil masih didominasi oleh kebutuhan minyak yang mencapai 41,8 persen, disusul batu bara 29 persen dan gas 23 persen. Kebutuhan yang sangat besar ini ternyata tidak bisa ditopang oleh cadangan energi di Indonesia yang kian menipis.

Salah satu solusi pada permasalah ini yaitu denganbiorefinery dan bahan bakar biologi (biofuels). Bioetanol dapat digunakan sebagai campuran premium, bahkan bisa dijadikan pengganti minyak tanah. Karena berasal dari tumbuh-tumbuhan maka penggunaan bioethanol dianggap ramah lingkungan dan dapat menghemat pemakaian minyak bumi. Selama ini pembuatan bioethanol menggunakan bahan dasar tumbuhan yang menghasilkan pati seperti jagung. Namun seiring dengan berkembangnya teknologi dan dilakukannya beberapa penelitian,Cyanobacteria dapat dijadikan salah satu alternatif dalam menghasilkan bioethanol. Selama ini bioethanol dihasilkan dari karbohidrat (contohnya glukosa), namun Cyanobacteria ternyata menghasilkan senyawa lain yakni glikogen. Glikogen terdiri atas subunit glukosa dengan ikatan rantai lurus (α1→4) dan ikatan rantai percabangan (α1→6). Glikogen memiliki struktur mirip amilopektin (salah satu jenis pati) tetapi dengan lebih banyak percabangan, yaitu setiap 8-12 residu.

Cyanobacteria dan mikroalga lebih efisiens mengubah energi matahari menjadi biomassa dengan tingkat efisiensi 0,5-2,0% daripada energi yang dihasilkan oleh switchgrass dengan efisiensi 0,2%. α-polyglucans seperti glikogen dari Cyanobacteria atau zat pati dari mikroalga dapat diubah menjadi bioethanol dengan proses fermentasi ragi. Selain itu, mereka juga mampu tumbuh di lingkungan perairan, sepanjang tahun memberikan manfaat tambahan budidaya dengan menggunakan lahan non-pertanian. Secara khusus, budidaya Cyanobacteria dan mikroalga dengan menggunakan air laut atau air payau dapat menghilangkan dampak pada sumber air tawar. Spesies penghasil karbohidrat ini perlu mentolerir berbagai salinitas yang luas karena salinitas air pantai berfluktuasi dengan perubahan air tawar oleh iklim, cuaca, dan arus pasang surut diurnal.

Produktivitas glikogen didapat dari kandungan glikogen dan produktivitas biomassa sel. Untuk meningkatkan produktivitas glikogen di cyanobacteria, baik konten glikogendan produktivitas biomassa perlu ditingkatkan. Secara umum, glikogen terakumulasi melalui pengurangan nitrogen di berbagai spesies Cyanobacteria, seperti Synechococcus sp. strain PCC 7002, Synechocystis sp. strain PCC 6803, Arthrospira platensis, Arthrospira maxima, Anabaena variabilis, dan Anacystis nidulans. Sayangnya, kandungan glikogen yang tinggi dihasilkan di bawah pengurangan nitrogen yang berhubungan dengan produktivitas biomassa yang rendah. Oleh karena itu, penting untuk mendapatkan produktivitas biomassa yang tinggi dengan kandungan glikogen yang memuaskan.

Salah satu hambatanrekayasametabolikutama pada Cyanobacteria adalahkemampuanmengarahkankarbon dariglikogendanprotein utamamenujukejalurtujuan. Dengan jalurmetabolismepusat diharuskanuntuk meningkatkan hasilprodukdengan mengorbankanakumulasibiomassa, tanpamempengaruhifotosintesisdan karbontingkatfiksasi.

Intensitas cahaya dan konsentrasi CO2 adalah faktor lingkungan utama yang dibutuhkan untuk pertumbuhan sel Cyanobacterial. Cahaya merupakan sumber energi utama bagi Cyanobacteria. Ketersediaan cahaya yang terbatas dapat menurunkan persediaan nutrisi sehingga akan menghambat pertumbuhan. Sementara karbondioksida (CO2) merupakan faktor penting yang dapat mempengaruhi pertumbuhan dan metabolisme mikroalga Semakin tinggi konsentrasi gas CO2 maka semakin besar pula pembentukan biomassa yang terjadi karena gas CO2 diserap dan digunakan oleh mikroalga untuk proses biofiksasi menghasilkan biomassa.

Glikogen Cyanobacterial adalah sumber karbon yang luar biasa untuk produksi bioetanol dengan fermentasi ragi. Percobaan In vitro dan In situ kinetik mengungkapkan bahwa sintesis glikogen Cyanobacterial diatur oleh aktivitas adenosin difosfat (ADP) pyrophosphorylase -glucose (AGPase), yang ditingkatkan oleh akumulasi 3-fosfogliserat (3-PG) dan dihambat oleh akumulasi fosfor anorganik. Oleh karena itu, 3-PG mungkin terakumulasi oleh peningkatan intensitas cahaya dan konsentrasi CO2, yang akan mengakibatkan akumulasi glikogen. Akumulasi glikogen banyak terjadi pada Cyanobacteria, seperti pada Synechococcus sp. strand PCC 7002, Synechocystis sp. strand PCC 6803, A. platensis, A. maxima, A. variabilis, dan A. nidulans, dalam kondisi kekurangan nitrogen. Tingginya tingkat glikogen yang dihasilkan di bawah penipisan nitrogen berhubungan dengan produktivitas biomassa yang rendah. Produksi glikogen ini dipengaruhi oleh salinitas media.

Kandungan glikogen intraseluler di Synechococcus sp. strand PCC 7002 berkorelasi positif dengan tingkat ekspresi dan gliseraldehida -dependent dehidrogenase 3-fosfat NAD (GAPDH-1) gen dalam kondisi fotoautotropik. Dengan demikian, produktivitas glikogen pada Synechococcus sp. strand PCC 7002 dapat lebih ditingkatkan dengan kombinasi optimalisasi kondisi pertumbuhan dan overekspresi-GAPDH 1. Glikogen diproduksi oleh Synechococcus sp. strand PCC 7002 dikonversi menjadi etanol oleh ragi fermentasi. Sehingga Peningkatan produksi glikogen oleh Synechococcus sp. strand PCC 7002 akan memberikan kontribusi untuk produksi biofuel.

Ditemukannya Cyanobacteria sebagai unit penghasil glikogen dan memiliki peran dalam pembentukan biofuels diharapkan dapat menjadi suatu solusi dalam mengatasi permasalahan saat ini. Seperti kita ketahui terdapat beberapa keunggulan biofuels dibandingkan bahan bakar fosil, karena biofuels merupakan sumber energi terbarukan yang lebih ramah lingkungan dan bersifat karbon netral. Biofuels memproduksi energi tanpa meningkatkan kadar CO2 di atmosfer, tidak seperti bahan bakar fosil yang akan mengembalikan karbon ke atmosfer. ***

Amelia Gusmalini, Dwie Saptarani, Mentari Alwasilah, Tiara Puspa Indah

Mahasiswa Jurusan Pendidikan Biologi UPI