reduksi nitrat
DESCRIPTION
reduksi nitratTRANSCRIPT
TINJAUAN PUSTAKA
Muara Sungai
Sungai Cimandiri merupakan bagian dari kawasan Daerah Aliran Sungai
(DAS) yang terletak di bagian timur Teluk Pelabuhan Ratu. Posisi geografis
kawasan Teluk Pelabuhan Ratu adalah 6º57´-7º07´ LS dan 106º22´-106º33´ BT
(Sanusi 1994). Muara Sungai Cimandiri merupakan muara sungai yang tercemar
dengan berbagai polutan. Pada daerah muara ini terakumulasi berbagai bahan
yang dibawa di sepanjang aliran sungai. Berbagai sampah rumah tangga, limbah
pertanian dan bahan-bahan lain yang menurunkan kualitas air muara Sungai
Cimandiri. Selain limbah yang masuk aktivitas penambangan pasir sepanjang
DAS menyebabkan warna air menjadi coklat sampai cukup jauh ke daerah pantai
(Marnis 2008).
Muara Sungai Cisadane selain sebagai sumber air untuk berbagai keperluan
sehari-hari juga dimanfaatkan untuk pengairan pertanian. Selain itu sungai ini
berfungsi juga sebagai tempat pembuangan limbah rumah tangga, industri,
pertanian dan peternakan. Tingkat pencemaran muara Sungai Cisadane lebih
tinggi dari muara Sungai Cimandiri. Beberapa parameter kualitas air yang
menunjukkan muara Sungai Cisadane tercemar adalah rendahnya kandungan
oksigen terlarut, tingginya konsentrasi amonium dan nitrit serta suhu air yang
tinggi (Syahputra 2008).
Muara Sungai Cimandiri dan Muara Sungai Cisadane merupakan ekosistem
estuaria yang terdapat di daerah tropikal. Ekosistem estuaria merupakan bagian
dari wilayah pesisir (Dahuri et al. 1996). Chester (1990), menyatakan bahwa
estuari merupakan bentuk pantai yang sebagian tertutup, dimana air tawar dan air
laut bertemu dan bercampur. Terjadinya proses percampuran kedua masa air ini
sangat bervariasi karena masing-masing memiliki karakteristik yang berbeda dan
dipengaruhi oleh kekuatan tiga unsur yaitu daratan, lautan dan atmosfir. Namun
demikian yang sangat mempengaruhinya adalah kekuatan masukkan dari sungai.
Muara sungai berfungsi sebagai media penyaring bagi semua bahan organik
dan anorganik yang akan masuk ke dalam perairan laut. Bahan-bahan organik dan
anorganik di muara sungai yang ada diendapkan, terlarut, dan terbawa oleh arus
5
ke laut. Proses biologi sangat mempengaruhi konsentrasi bahan organik dan
anorganik yang ada di dalamnya (Chester 1990).
Pada kedua muara sungai tersebut senyawa nitrogen umumnya berasal dari
limbah organik rumah tangga, yang mengalami dekomposisi, limbah pupuk
nitrogen anorganik dari areal pertanian, dan senyawa nitrogen anorganik tanah
yang mengalami erosi tepi sungai. Sumber senyawa nitrogen lain adalah berasal
dari proses nitrifikasi, proses dekomposisi mikroorganisma, dan eksresi organisma
di habitat muara sungai serta gas oksida nitrogen dari udara yang terlarut melalui
air hujan.
Senyawa Nitrogen
Sumber utama nitrogen adalah nitrogen bebas (N2) yang terdapat di
atmosfir, yang takarannya mencapai 78 persen volume, dan sumber lainnya yang
terdapat di kulit bumi dan perairan. Nitrogen juga terdapat dalam bentuk yang
komplek, tetapi hal ini tidak begitu besar pengaruhnya sebab sifatnya yang mudah
larut dalam air. Derivat nitrogen pada umumnya sangat penting bagi kebutuhan
dasar nutrisi organisme, tetapi dalam kenyataannya substansi nitrogen adalah hal
yang menarik sebagai polutan di lingkungan.
Perubahan global senyawa nitrogen dapat terjadi di lingkungan oleh adanya
interaksi antara nitrogen oksida dengan ozon di zona atmosfir. Nitrogen dalam air
dapat berada dalam berbagai bentuk : nitrit, nitrat, amonia atau N yang terikat oleh
bahan organik atau anorganik. Nitrit dan nitrat merupakan bentuk nitrogen
teroksidasi dengan tingkat oksidasi +3 dan +5. Nitrit biasanya tidak bertahan lama
dan merupakan keadaan sementara dari proses oksidasi antara amonia dan nitrat
yang dapat terjadi dalam air sungai.
Laju penambahan nitrogen yang diakibatkan oleh aktivitas manusia,
terutama penggunaan pupuk nitrogen dan pembakaran bahan bakar fosil,
kontribusinya mencapai 55% (140 Tg N per tahun) dari total senyawa nitrogen
baru yang masuk ke lingkungan (Vitousek et al. 1997). Kennish (1994)
menyatakan bahwa nitrogen adalah nutrien pembatas utama untuk produsen
primer di daerah estuari, selain fosfat dan silikat. Nitrogen juga berperan penting
bagi pertumbuhan organisme karena menjadi unsur utama dalam pembentuk
6
protein (Kirchman 2000). Selanjutnya Kennish (1994) menyatakan, bahwa
terdapat tiga bentuk nitrogen anorganik yang terlarut di estuari yaitu amoniak,
nitrit dan nitrat, sedangkan nitrogen organik terdapat pada bahan organik yang
terlarut dan dalam bentuk partikel tersuspensi. Menurut Hutagalung dan Rozak
(1997) komposisi nitrogen sangat dipengaruhi oleh kandungan oksigen bebas
dalam air. Pada saat oksigen rendah nitrogen akan bergerak menuju amonia,
sedangkan pada oksigen tinggi nitrogen akan bergerak menuju nitrat.
Menurut Rompas (1998) dalam kondisi tertentu masih terdapat ion nitrit dan
sebagian besar dari nitrogen terikat dalam nitrogen organik (47,9%), yaitu bahan-
bahan yang berprotein, juga terdapat dalam bahan pencemar seperti asam sianida
(HCN), asam etilen diamin tetra asetat (EDTA) atau dalam bentuk asam
nitrilotriasetat (NTA). Siklus nitrogen dapat dilihat pada Gambar 1.
N2
Gambar 1 Siklus Nitrogen (Sitaresmi 2002)
Nitrogen dalam air terjadi dalam berbagai bentuk senyawa. Nitrogen yang
terbanyak dalam bentuk N-molekuler (N2) yang berlipat ganda jumlahnya
daripada nitrit (NO2) atau nitrat (NO3), tetapi tidak dalam bentuk yang berguna
bagi jasad hidup (Davis 1986). Komponen N di atmosfir dapat berbentuk amonia
(NH3), molekul nitrogen (N2), dinitrit oksida (N2O), nitrogen oksida (NO),
7
nitrogen dioksida (NO2), asam nitrit (HNO2), asam nitrat (HNO3), basa amino
(R3-N) (Soderlund dan Rosswall, 1980).
Transformasi senyawa nitrogen dapat melibatkan organisme ataupun tidak
melibatkan organisme. Lima fase transformasi dalam siklus nitrogen secara
mikrobiologi meliputi: asimilasi nitrogen, nitrifikasi, denitrifikasi, fiksasi
nitrogen, dan amonifikasi. Asimilasi nitrogen merupakan proses pemanfaatan
nitrogen untuk pembentukan asam amino dalam protoplasma bagi fitoplankton,
alga, dan bakteri. Amonia juga dapat mengalami asimilasi menjadi asam amino
dan dapat diasimilasi secara langsung oleh diatom, alga seluler, dan tanaman
tingkat tinggi. Nitrifikasi merupakan reaksi oksidasi, yaitu proses pembentukan
nitrat dari amonia. Proses nitrifikasi dapat berlangsung secara bakteriologis atau
kimiawi. Denitrifikasi merupakan reaksi reduksi nitrat menjadi nitrit, nitrit oksida,
nitrous oksida, dan terakhir dibentuk gas dinitrogen. Fiksasi nitrogen merupakan
pengikatan gas nitrogen menjadi amonia dan nitrogen organik. Proses ini dapat
terjadi pada daerah pantai, yang umumnya melibatkan simbiosis alga dengan
bakteri. Amonifikasi adalah proses pembentukan amonia dari materi organik
(Dong et al. 2002).
Senyawa Nitrat
Menurut Kirchman (2000), nitrat ( NO3- ) adalah bentuk nitrogen yang
dinamis dan manjadi bentuk yang paling dominan pada air limpasan (run-off),
masukan sungai, keluarnya air tanah, dan deposisi atmosfir ke laut. Nitrat adalah
nutrien utama bagi pertumbuhan alga. Nitrat sangat mudah larut dalam air dan
bersifat stabil. Nitrat dihasilkan dari proses oksidasi sempurna senyawa nitrogen
dan amonia di perairan (Effendi 2000). Sumber utama nitrat berasal dari erosi
tanah, limpasan dari daratan termasuk pupuk, dan limbah (Chester 1990).
Konsentrasi nitrat pada perairan dipengaruhi oleh proses nitrifikasi.
Rusmana (2003b) menyatakan bahwa terdapat tiga proses reduksi nitrat disimilatif
pada bakteri yaitu: denitrifikasi, reduksi nitrat menjadi amonium disimilatif, dan
oksidasi amonium disimilatif (anaerob ammonia oxidation, anammox).
Denitrifikasi adalah proses reduksi nitrat menjadi N2O atau N2. Pada proses ini
bakteri menggunakan nitrat sebagai penerima elektron terakhir untuk memperoleh
8
energi pada kondisi O2 terbatas atau anaerob (Zumft 1997; Ricardson 2000;
Ricardson et al. 2001). Reduksi nitrat menjadi amonium disimilatif adalah proses
untuk menghilangkan kelebihan tenaga pereduksi dan menunjang pertumbuhan
bakteri pada kondisi anaerob (Cole 1996). Anamoks adalah oksidasi amonia
secara anaerobik dimana terjadi perubahan amonium dan nitrat atau nitrit menjadi
gas nitrogen. Pada metabolisma ini membentuk senyawa antara hidroksil amin
dan hidrazin (Jetten et al. 2001).
Tiga lintasan proses reduksi nitrat oleh aktivitas bakteri dapat digambarkan
sebagai berikut (Rusmana 2003b).
(2)
(1)
(3)
NH4
NH3
N2N2H2NH2OH
NO3-
N2N2O NO
NO2-
N2O
Gambar 2 Lintasan reduksi nitrat oleh aktivitas bakteri (1) Denitrifikasi, (2) Reduksi nitrat amonifikasi disimilatif, (3) Oksidasi amonia secara anaerob.
Enzim-Enzim yang Berperan dalam Reduksi Nitrat
Kelompok bakteri pereduksi nitrat baik denitrifikasi, bakteri DNRA maupun
anamoks memiliki enzim-enzim tertentu untuk mengkatalisasi reaksi-reaksi
reduksi nitrat. Enzim pada bakteri denitrifikasi adalah nitrat reduktase (Nar dan
9
Nap), Nitrit reduktase (Nir), Nitrit oksid reduktase (Nor), Nitrous oksid reduktase
(Nos) (Moreno - Vivian et al. 1999; Zumft 1997; Ricardson et al. 2001).
Bakteri DNRA memiliki enzim nitrat reduktase (Nap dan Nar) yang
mereduksi nitrat menjadi nitrit dan dua enzim yang mereduksi nitrat menjadi
amonium yaitu Nir B (Harbone et al. 1992) dan enzim formate dependent nitrite
reduction to amonium atau Nrf (Cole 1996). Pada spesies tertentu seperti
Wollinella succinogens dan Campylobacter fetus memiliki enzim nitrous oksida
reduktase (Nos). Enzim ini mereduksi gas N2O menjadi gas Nitrogen
(Zumft 1997).
Bakteri Nitrat Amonifikasi Disimilatif (DNRA)
Beberapa genus DNRA pada kondisi yang sesuai dapat mereduksi nitrit
menjadi amonia melalui proses reduksi nitrat disimilasif. Prosesnya berlangsung
pada saat kandungan senyawa nitrit tinggi (Kelso et al. 1997). Kelompok bakteri
ini bersifat fermentatif (Rusmana & Nedwell 2004), dapat memanfaatkan senyawa
organik untuk pembentukan energi melalui transfer elektron di sitoplasma
(Purwoko 2007).
Purwoko (2007), mengemukakan bahwa sebagian besar prokariota
fermentatif menghasilkan semua Adenosin Tri Fosfat (ATP) melalui fosforilasi
tingkat subtrat, kemudian ATP dihidrolisis oleh ATP sintetase, sehingga dapat
menghasilkan perbedaan potensial yang digunakan untuk aktivitas membran.
Organisma fermentatif memerlukan akseptor elektron untuk menerima elektron
dari NADH. Kelompok bakteri pereduksi nitrat dapat memanfaatkan senyawa
nitrat sebagai penerima elektron alternatif untuk mendapatkan energi dibawah
kondisi oksigen terbatas (Ricardson et al. 2001).
Kelompok bakteri DNRA mereduksi senyawa nitrat sejalan dengan
penambahan senyawa nitrit. Ketika konsentrasi nitrat rendah terjadi penambahan
senyawa amonium (Kelso et al. 1997). Pada beberapa pengamatan di lapangan
menunjukkan bahwa proses nitrat amonifikasi disimilatif banyak terjadi pada suhu
tinggi (Herbert dan Nedwell 1990). Bakteri DNRA lebih dominan pada
lingkungan dengan rasio C/N nya tinggi (Nedwell 1982). Bakteri DNRA lebih
10
kompetitif dari pada bakteri denitrifikasi pada lingkungan dengan konsentrasi
bahan organik yang tinggi.
Bakteri-bakteri nitrat amonifikasi disimilatif diantaranya adalah Bacillus
pyocyanes, Clostridium pasteurianum, Desulfovibrio desulfuricans (Moat et al.
2002). Bacillus licheniformis, Wollinella succinogenes, Citrobacter freundii,
Klebsiella oxytoca, K. Pneumonia, Escherichia coli (Rusmana 2003a).
Rusmana (2003a) telah mengisolasi dan mengkarakterisasi Klebsiella
pneumonia yang dapat mereduksi nitrat menjadi amonium dan menghasilkan N2O
sebagai produk sampingnya. Syahputra (2007) telah mengisolasi dan menyeleksi
bakteri nitrat amonifikasi disimilatif dari muara sungai Cisadane. Isolat terpilih
setelah dikarakterisasi mempunyai kemiripan dengan Escherichia sp 21 CR
dengan tingkat kemiripan 97%. Sebagian besar famili Enterobacteriaceae
mereduksi nitrat dan bersifat fermentatif (Holt et al. 1994).
Proses pembentukan N2O pada kelompok bakteri nitrat amonifikasi
disimilatif bukan sebagai senyawa antara seperti pada kelompok bakteri
denitrifikasi, akan tetapi merupakan produk samping melalui reaksi kimia dalam
menghasilkan amonium (Rusmana 2003a). Bagan proses reaksi kimia reduksi
nitrat menjadi amonium dengan produk samping N2O, dapat dilihat pada
Gambar 3.
NO3
- NO2- NO NOH
N2O
NH4+N2O2H2 NH2OH
Gambar 3 Bagan pembentukan N2O pada reduksi nitrat oleh bakteri DNRA (Darjamurni 2003)
Pada kelompok bakteri DNRA terjadi dua tahap reaksi enzimatik yaitu tahap
pertama oleh enzim Nap dan Nar yang mereduksi nitrat menjadi nitrit seperti pada
bakteri dinitrifikasi, sedangkan tahap kedua reduksi nitrit menjadi amonium yang
dikatalisis oleh multiheme cytochrome c nitrit reductase (Nrf) (Richardson 2000).
11
Patereu et al. (1994) menyatakan bahwa terdapat dua tipe enzim yang mereduksi
nitrat menjadi nitrit yaitu nitrat reduktase yang terdapat pada membran (Nar) dan
nitrat reduktase yang terdapat pada periplasmik (Nap). Enzim Nar aktivitasnya
berhubungan langsung dengan proses respirasi pembentukan ATP yang dapat
dipengaruhi oleh konsentrasi oksigen, keberadaan Oksigen akan menghambat
sistem transpor nitrat. Enzim Nap yang mereduksi nitrat dalam periplasma tidak
sensitif terhadap keberadaan oksigen. Enzim Nar yang terdapat pada membran
plasma mempunyai transmembran proton motive force (PMF), yaitu tempat
terjadinya sintesis ATP (Moreno- Vivian et.al 1999).
Menurut Carter et al. (1995) reduksi nitrat dalam periplasma tidak sensitif
terhadap hambatan oksigen. Oleh karena itu, nitrat reduktase periplasmik
berhubungan dengan kemampuan untuk respirasi nitrat dalam ketersediaan
oksigen. Oksidasi quinol oleh nitrat reduktase periplasmik tidak terpusat untuk
menghasilkan gradien proton elektrokimia, tetapi cukup bertindak sebagai katup
untuk membantu keseimbangan regulasi reaksi redoks dan mempertahankan
jalannya rantai respirasi aerobik.
Kelompok bakteri DNRA memiliki kemampuan adaptasi dari kondisi aerob
ke anaerob atau sebaliknya. Oksigen merepresi sintesis reduktase anaerob,
sebaliknya pada kondisi oksigen terbatas akan merepresi sintesis α ketoglutarat
dehidrogenase. Hal ini mengakibatkan perubahan kondisi jalur asam sitrat dari
siklus tri carboxylic acid (TCA) oksidatif menjadi non siklus reduktif (White
1995).
White (1995) menjelaskan bahwa pergantian respirasi oksidatif dan reduktif
pada Escherichia coli sebagai salah satu bakteri DNRA diatur oleh tiga sistem,
yaitu sistem Arc (Aerobic respiration control), sistem Nar (Nitrat anaerobic
respiration) dan sistem Fnr. Sistem Arc merupakan sistem dua komponen. Sistem
ini merepresi gen-gen aerob berupa enzim-enzim siklus asam sitrat, yaitu piruvat
dehidrogenase, asam lemak oksidase, dan sitokrom oksidase. Selain itu sistem
Arc menginduksi gen-gen mikroaerob (sitokrom d oksidase dan sintesis kobal
alamin).
Sistem Fnr merupakan sistem tunggal yang berperanan pada kondisi
anaerob. Protein Fnr berperan sebagai regulator positif untuk transkripsi gen-gen
12
dalam pertumbuhan anaerob dan regulator negatif untuk transkripsi gen-gen
pertumbuhan aerob (White 1995 ; Purwoko 2007). Ketika bakteri hidup di
kondisi anaerob dan terdapat elektron akseptor nitrat atau fumarat maka bakteri
akan melakukan respirasi secara anaerob. Hal ini dikarenakan oksigen merepresi
sintesis nitrat reduktase atau fumarat reduktase, sehingga terlihat hierarki sitokrom
pada respirasi bakteri sebagai berikut, sitokrom bo > sitokrom bd > nitrat
reduktase > fumarat reduktase (Purwoko 2007).
Peranan Sumber Karbon bagi Bakteri DNRA
Sumber karbon dibutuh sebagai donor elektron dalam kondisi anaerob.
Perbandingan diantara sumber karbon sebagai elektron donor dan NO3- sebagai
elektron aseptor sangat penting. Hal ini tidak hanya berpengaruh terhadap lintasan
reduksi nitrat tetapi juga menentukan determinasi produk akhir. Keberadaan
sumber karbon di lingkungan sangat menentukan kemampuan kompetisi bakteri-
bakteri ini dalam mereduksi nitrat juga bergantung pada kondisis lingkungan,
seperti konsentrasi bahan organik dan suhu. Jika kondisi sedimen yang kaya NO3-
dan miskin sumber karbon maka dominasi aktivitas kelompok bakteri denitrifikasi
akan terlihat, sebaliknya jika pada sedimen kaya sumber karbon maka bakteri
DNRA akan lebih dominan. Hal ini disebabkan dengan ketersediaan sumber
karbon sangat disukai oleh bakteri fermentasi (Kelso et al 1999).
Kemampuan bakteri untuk bertahan hidup di lingkungan sangat dipengaruhi
oleh kemampuan bakteri untuk memanfaatkan berbagai sumber karbon yang
tersedia ketika kondisi anaerob. Struktur kimia sumber karbon memiliki efek
yang berbeda terhadap reduksi nitrat dan reduksi nitrit. Pengaruh sumber karbon
terhadap aktivitas reduksi nitrat tergantung dari sensitivitas sistem nitrat reduktase
yang dimilikinya dan kemampuan isolat untuk melakukan metabolisme sumber
karbon yang tersedia dengan lebih efisien dan menghasilkan energi yang besar
serta sedikit menghasilkan gas perantara dalam mereduksi nitrat (Monteith
et al.1980).