Perlindungan Korosi Logam yang Dilakukan oleh Biofilm yang Dibentuk Oleh Bakteri

Eksopolisakarida (EPS) merupakan material penting yang dikeluarkan bakteri memerankan peranan sebagai pertahanan diri terhadap tekanan lingkungan dengan cara dapat menempel ke permukaan dan menjerap makanan, yang difasilitasi dengan proses pembentukkan dan perkembangan biofilm. Biofilm mikroorganisme selain dikenal sebagai penyebab korosi logam, biofilm ini juga ternyata dapat melindungi logam dari korosi. Hal ini terlihat pada kemampuan biofilm mikroorgansime yang dapat mencegah korosi pada peralatan, permukaan benda, dan material yang menempel pada galangan kapal.1,2

Korosi logam merupakan masalah yang serius pada perusahaan. Diperkirakan biaya yang dikeluarkan pertahun untuk masalah korosi hingga 4.2% dari pendapatan kotor AS. Biaya ini dapat dikurangi secara signifikan dengan teknik perlindungan korosi yang lebih baik dan lebih luas. Perlindungan korosi secara tradisional melibatkan penggunaan pelapis kimia untuk melindungi permukaan logam melalui mekanisme penghalang dan pasif. Meskipun demikian, lapisan ini tidak permanen dan biaya yang digunakan untuk pelapisan komponen sangat mahal. Penggunaan pelapis sebelum komponen dikenalkan melibatkan layanan yang memperbengkak biaya karena bahan-bahan tersebut rentan terhadap abrasi dan bentuk lain secara mekanik meninduksi rusak. Oleh karena itu, pelapisan dapat diaplikasikan dengan mudah dan perawatan pada bagian yang terkorosi dan hemat-biaya merupakan alternatif yang menarik untk melindungi metode yang saat ini digunakan.

Kadmium merupakan bahan pelapis logam karbon yang sangat tahan terhadap korosi, terutama di lingkungan bergaram, memiliki koefisien friksi yang rendah, dan dapat menempel secara elektrik dengan baik. Bahan ini digunakan di industri minyak, automotif, listrik dan elektronik. Kadmium sangat beracun dan memiliki titik didih yang rendah sehingga sangat berbahaya untuk industri makanan dan farmasi. Kadmium dicatat sekarang sebagai salah satu penyebab keracunan logam terbesar. Berdasarkan survey yang dilakukan oleh agen untuk materi dan penyakit Amerika, ATSDR (Agency for Toxic Substances and Disease Registry) dan badan perlindungan lingkungan, EPA (Environmental Protection Agency) kadmium menempati posisi ke tujuh sebagai bahan yang berbahaya dan resiko bahaya yang tinggi bagi manusia.3

Ada data indikator yang menunjukkan produksi EPS dapat berefek terhadap penghambatan korosi logam oleh Lactobacillus fermentum Ts. Strain Lactobacillus fermentum Ts strain diisolasi dari tepung rye Bulgarian. Diujikan kemampuannya untuk memproduksi eksopolisakarida ketika ditumbuhakan pada medium. Hasil sampel stabilitas logam yang terkorosi, rasio korosi, derajat perlindungan, dan koefisien perlingungan telah dikalkulasi. Struktur lapisan yang menutupi lempengan logam dianalisi dengan SEM (scanning electron microscopy) JSM 5510.

Percobaan yang dilakukan dengan panel logam ( 10 × 4 × 0.2 mM) diperlakukan dengan C2H5OH 70%, dicuci dengan air dan dikeringkan dengan oven, didinginkan di desikator, berat diukur hingga diperoleh nilai yang konstan. Berat diukur dengan metode analytical balances. Dimensi diukur dengan mikrometer. Sampel logam dimasukan ke dalam air laut sebagai kontrol dan dilarutkan (3: 100) pada media pertumbuhan, strain ditambahkan sebagai penghambat korosi. Durasi inkubasi sesuai prosedur 120 jam pada suhu 18°C. Setelah perlakuan sampel logam dicuci dengan air dan dikeringkan hingga diperoleh berat yang konstan.  Struktur lapisan yang menutupi lempeng logam dianalisis dengan menggunakan SEM (scanning electron microscopy) JSM 5510.

Strain Lactobacillus delbrueckii B5, L. delbrueckii K27, L. delbrueckii B8, L. delbrueckii O43, L. delbrueckii K3, L. delbrueckii K17, and L. delbrueckii K15 dapat menyintesis eksopolisakarida yang memiliki properti penghambatan. Beberapa strain lactobacillus seperti genus Leuconostoc juga diketahui menyekresikan trans glucosidases setalah ditumbuhkan pada medium yang mengandung sukrosa.

 

Gbr.2  Biofilm dibentuk oleh L. delbrueckii B5 pada permukaan campuran logam, divisualisasi dengan SEM. (a) lempeng logam setelah dikorosi air laut dengan supernatan penghambat yang diperoleh campuran sukrosa 10%; (b) kontrol-lempeng logam setelah dikorosi air laut. courtesy:4

Biofilm membuat materi yang terkena air laut tidak mudah terkorosi, pada gambar dari strain yang sama ditumbuhkan dengan penambahan komposit sukrose 10% (gbr. 2a). gbr.2b menunjukkan gambar sampel lempeng logam yang diperlakukan langsung dengan air laut.

Observasi lapisan korosi yang paling mungkin adalah kristal FeCl2. Penglihatan secara mikroskop memberikan informasi tentang morfologi sel dan koloni, penyebaran mereka di permukaan, dan kehadiran (gbr. 2a) dan produk korosi alami (kristalin atau amorf; gbr.2b). Gambar tersebut juga dapat menunjukkan tipe korosi (contoh, sumuran atau korosi seragam) dengan perubahan visualisasi mikrostruktur dan kenampakan permukaan setelah pembuangan biofilm dan hasil korosi (gbr. 2b).3

Peningkatan kempuan

Penambahan 10% sukrose dan 10% maltose pada medium menstimulasi pembentukkan pembentukkan biofilm untuk melindungi logam dari korosi. 

Mikroorganisme lain yang dapat membentuk biofilm di permukaan logam dan melindungi logam tersebut dari korosi adalah bakteri anaerob Pseudomonas fragi atau bakteri fakultatif Escherichia coli DH5α. Berdasarkan laporan pengurungan masa akibat korosi berkurang hingga 2-10 kali lipat dengan adanya bakteri ini dengan membentuk biofilm pelindung. Peningkatan suhu dari 23⁰C menjadi 30⁰C menyebabkan penurunan penghambatan korosi sebesar 2-5 kali lipat oleh bakteri P. fragi tetapi justru meningkatkan penghambatan korosi 2-kali lipat oleh E-coli. LI. Serratia marcescens juga dapat menetralkan faktor-faktor di lingkungan yang mempengaruhi korosi seperti pH dan senyawa yang bersifat korosif.2,5

Homopolisakarida yang diproduksi oleh bakteri asam laktat GRAS (Generally Recognised as Safe) sering disintesis oleh enzim sukrose ekstra-seluler tunggal, hanya menggunakan sukrosa sebagai substrat. Mereka dapat diproduksi dalam jumlah yang besar. Struktur homopolisakarida yang merupakan material pembentuk EPS, pembentuk biofilm, dapat dimodifikasi untuk mengoptimalkan penggunaan properti fisikokemia mereka.4

PUSTAKA

1. Delbarre-Ladrat, Christine, Corinne Sinquin, Lou Lebellenger, Agata Zykwinska, dan Sylvia Colliec-Jouault. 2014. Exopolysaccharides produced by marine bacteria and their applications as glycosaminoglycan-like molecules. Review. Frontiers in Chemistry. Vol.2 Article 85 
2. Li, Fu-Shao; Mao-zhong An, dan Dong-xia Duan. 2012. Corrosion inhibition of stainless steel by a sulfate-reducing bacteria biofilm in seawater. International Journal of Minerals, Metallurgy, and Materials. Vol. 19. Issue 8, pp717-725 
3. Mainier, Fernando B., Luciane P. C. Monteiro, Lisiane H. Fernandes, dan Marco A. M. Oliveira. 2013. Restrictions on the Use Cadmium Coating in Industries. Journal of Science and Technology. VOL. 3, NO. 2.  
4. Tsveteslava, Ignatova-Ivanova dan Radoslav Ivanov. 2014.  Eksopolisakarida from Lactic acid Bacteria as Corrosion Inhibitors 
5. Videla, H.A.;Guiamet; s. dovalle;; dan E.H. Reinoso. 1993. A Practical Manual on MIC. G. Kobrin ed. NACE Internatioanl , Houston TX 125.

Continue Reading

Produksi Plastik yang bersifat Biodegradable dengan Menggunakan Mikroorganisme

Penggunaan kantong plastik-berbahan dasar minyak bumi dewasa ini cukup diperketat penggunaannya, bahkan dilarang di beberapa negara, karena plastik sulit didegradasi. Degradasi plastik ditentukan oleh struktur dan morfologi bahan kimianya. Polietilen-plastik berbahan dasar minyak, karena bersifat sangat hidrofobis dan memiliki rantai karbon yng sangat panjang, sangat resisten untuk didegradasi. Pada kondisi normal, mineralisasi polimer ini terjadi lebih dari 100 tahun. Degradasi diawali dengan pemecahan secara fisik (melalui fotolisis, pirolisis), baru kemudian diurai secara enzimatis.4,6,10

Struktur material plastik yang dapat didegradasi, courtesy: wikipedia

Struktur material plastik berbahan dasar minyak bumi, polietilen, courtesy: chemheritage.org

Plastik yang dapat didegradasi secara biologi dapat dibentuk dari pati, selulosa, PLA (poli asam laktat), PHA (Polihidroksialkanoat).4. PHA adalah salah satu polimer yang dapat didegradasi secara biologi, merupakan senyawa poliester yang mengandung monomer asam hidroksialkanoat yang juga dapat disisntesis lagi secara biologi dari bahan-bahan limbah pati. PHA merupakan salah satu bahan dalam pembuatan plastik konvensional, kontainer kosmetik, bidang pengobatan digunakan sebagai plat tulang, struktur operasi, pengganti pembuluh darah, bidang industri farmasi dan makanan digunakan sebagai material yang dapat didegradasi yang dapat digunakan sebagai karier dalam obat dan hormon.9 Poli-(3-hidroksibutirat), P(3HB), merupakan bagian PHA yang memiliki sifat kristanilitas yang tinggi dan resistensi terhadap sinar UV yang lebih tinggi dibandingkan polimer biasa sehingga cocok digunakan untuk membuat plastik.

Konsep desain siklus pati dalam pembuatan, courtesy: Michigan Biotechnology Institute dalam Srirroth

Produksi PHA sudah dilakukan sejak lama dengan menggunakan teknik fisika dan kimia yaitu dengan mencampurkan pati dengan plasticizer seperti gliserol tetapi masih menghadapi kendala biaya yang tinggi. Alternatif terbaru adalah memproduksi PHA dengan bantuan mikroorganisme. Selain menghemat biaya, produksi PHA dengan menggunakan mikroorganisme juga dapat memanfaatkan limbah industri pertanian dan makanan, seperti molase gula, molase beet, limbah sisa produksi malt, wheat bran, tepung kentang, bungkil minyak wijen, bungkil minyak kacang, bubuk singkong, bubuk biji nangka, dan tepung jagung.8

Pembuatan plastik secara sederhana dapat dilakukan dengan menambahkan pati dengan air dipanaskan ada suhu 90⁰C selama 35 menit sambil terus diaduk, ditambahkan gliserol diaduk lagi selama lima menit, tuang ke dalam cetakkan dan panaskan pada suhu 60⁰C selam 24 jam.1,2,4

Proses sintesis PHA oleh mikroorganisme dapat terjadi sebagai berikut: 1) ada sebuah kondensasi dari dua molekul acetyl-coenzyme A (acetyl-CoA) menjadi acetoacetylCoA (dengan menggunakan enzim β-ketothiolase), 2) pengurangan acetoacetyl-CoA menjadi hydroxybutyryl-CoA (enzim bergantung pada NADPH-acetoacetyl-CoA reductase), 3) monomer hydroxybutyryl-CoA dipolimerisasi menjadi PHA (oleh enzim polimerisasi-PHA).9

Mikroorganisme mengakumulasi PHA di dalam sel tubuhnya sebagai sumber karbon atau energi, terutama ketika nutrisi esensial di lingkungan berkurang seperti nitrogen, fosfor, oksigen dan belerang. Bacillus amyloliquefaciens, Bacillus stearothermophilus, Bacillus subtilis, Bacillus megaterium, dan Bacillus licheniformis, Ralstonia eutropha (akhir-akhir ini diberi nama Cupriavidus necator), rekombinan E. coli, recombinan E. coli dan Klebsiella aerogenes merupakan organisme yang mampu memproduksi PHA dari limbah pati. Bacillus merupakan mikroorganisme yang dapat membentuk spora, mudah disimpan dan dikembangbiakan, lebih toleran terhadap stress, jumlahnya melimpah di tanah dan air, dan tidak bersifat patogenik. 5,6,7

Meningkatkan produksi

Meningkatkan kemurnian/ hidrolisat substrat bahan mentah diketahui dapat meningkatkan produksi P(3HB). Penambahan masa inkubasi Bacillus megaterium BA-019 selam 12 jam dapat meningkatkan produksi PHB sebesar 61.6% (w/w sel kering). Dan penambahan hidrolisat pati sebesar 40% (v/v), setara dengan 4 g/L gula, juga diketahui dapat meningkatkan hasil P(3HB).6

 PUSTAKA

1.      Anggraini, Fetty. 2013. Aplikasi plastiizer gliserol pada pembuatan plastik biodegradable dari biji nangka. Skripsi. Jurusan kimia fakultas matematika dan ilmu pengetahuan alam. Universitas negeri semarang

2.      Bertuzzi, Maria Alejandra; Juan Carlos Gottifredi; Margarita Armada. 2012. Mechanical properties of a high amylose content corn  starch based film, gelatinized at low temperature. Braz. J. Food Technol Campinas, v. 15, n. 3, p. 219-227

3.      Darni Y., Herti U. dan Siti N.A. 2009. Peningkatan Hidrofobisitas dan Sifat Fisik Plastik Biodegradabel Pati Tapioka Dengan Penambahan Selulosa Residu Rumput Lauft Euchema spinossum. Seminar Hasil Penelitian dan Pengabdian Kepada Masyarakat. Lampung: Universitas Lampung dan Larotonda, Fabio D. S., Katia N. Matsui, Valdir Soldi, and Joao B. Laurindo. 2004. Biodegradable Films Made from Raw and Acetylated Cassava Starch. Brazilian Archieves of Biology and Technology Journal, 47(3): 477-484 dalam Anggraini, Fetty. 2013. Aplikasi plastiizer gliserol pada pembuatan plastik biodegradable dari biji nangka. Skripsi. Jurusan kimia fakultas matematika dan ilmu pengetahuan alam. Universitas negeri semarang

4.      Ezeoha , S. L. dan J. N. Ezenwanne. Production of Biodegradable Plastic Packaging Film from Cassava Starch. IOSR Journal of Engineering (IOSRJEN) Vol. 3, Issue 10

5.      Fonseca, G.G.; De Arruda-Caulkins, J.C. and Vasconcellos Antonio, R. 2008. Production and characterization of poly-(3-hydroxybutyrate) from recombinant Escherichia coli grown on cheap renewable carbon substrates. Waste Management & Research, vol. 26, no. 6, p. 546-552. [CrossRef] dalam Krueger, Christina L., Claudamir M. Radetski, Amanda G. Bendia, Ida M. Oliveira. Marcus A. Castro-Silva, Carlos R. Rambo, Regina V. Antonio, André O.S. Lima. 2012. Bioconversion of cassava starch by-product into Bacillus and related bacteria polyhydroxyalkanoates. Electron. J. Biotechnol. /vol15-issue3-fulltext-6

6.      Krueger, Christina L., Claudamir M. Radetski, Amanda G. Bendia, Ida M. Oliveira. Marcus A. Castro-Silva, Carlos R. Rambo, Regina V. Antonio, André O.S. Lima. 2012. Bioconversion of cassava starch by-product into Bacillus and related bacteria polyhydroxyalkanoates. Electron. J. Biotechnol. /vol15-issue3-fulltext-6

7.      Law, K.H.; Cheng, Y.C.; Leung, Y.C.; LO, W.H.; Chua, H. dan Yu, H.F. 2003. Construction of recombinant Bacillus subtilis strains for polyhydroxyalkanoates synthesis. Biochemical Engineering Journal, vol. 16, no. 2, p. 203-208. [CrossRef] dalam Krueger, Christina L., Claudamir M. Radetski, Amanda G. Bendia, Ida M. Oliveira. Marcus A. Castro-Silva, Carlos R. Rambo, Regina V. Antonio, André O.S. Lima. 2012. Bioconversion of cassava starch by-product into Bacillus and related bacteria polyhydroxyalkanoates. Electron. J. Biotechnol. /vol15-issue3-fulltext-6

8.      Mose, Bruno Robert dan Stephen Moffat Maranga. 2011. A Review on Starch Based Nanocomposites for Bioplastic Materials. Journal of Materials Science and Engineering B 1, 239-245 Formerly part of Journal of Materials Science and Engineering. 

9.      Reddy, C.S.K.; Ghai, R.; Rashmi, T. dan kalia, V.C. 2003. Polyhydroxyalkanoates: An overview. Bioresource Technology, vol. 87, no. 2, p. 137-146. [CrossRef] dalam Krueger, Christina L., Claudamir M. Radetski, Amanda G. Bendia, Ida M. Oliveira. Marcus A. Castro-Silva, Carlos R. Rambo, Regina V. Antonio, André O.S. Lima. 2012. Bioconversion of cassava starch by-product into Bacillus and related bacteria polyhydroxyalkanoates. Electron. J. Biotechnol. /vol15-issue3-fulltext-6

10.  Roddrigues da Luz, Jose Maria, Sirlaine Albino Paes, Denise Mara Soares Bazzolli, Marcos Rogerio Totola, Antonio Jacinto Demuner, Maria Catarina Megumi Kasuya. 2014. Abiotic and Biotic Degradation of Oxo-Biodegradable Plastic Bags by Plourotus ostreatus. Plos.org

11.  Michigan Biotechnology Institute. 1994. Dalam Sriroth, Klanarong; Rungsima Chollakup, Kuakoon Piyachomkwan, dan Christopher G. Oates. Diodegradable Plastics from Cassava Starch in Thailand. Department of Biotechnology, Kasetsart Unversity, Bangkok, Thailand

Wikipedia.com

Continue Reading