TUGAS BIOPROSES : SIKLUS KARBON

Disusun oleh:

CINTIYA SEPTA HASSANNAH (14/373616/PTK/09969)

CYRILLA OKTAVIANANDA (14/376450/PTK/10153)

MAGISTER TEKNIK PENGENDALIAN PENCEMARAN LINGKUNGAN

JURUSAN TEKNIK KIMIA

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS GAJAH MADA

2015

1. Pendahuluan

Karbon merupakan unsur kedua yang paling berlimpah dalam organisme hidup, hadir

dalam semua molekul organik. Perannya dalam struktur makromolekul adalah

kepentingan utama bagi organisme hidup. Senyawa karbon mengandung bentuk tinggi

energi, yang manusia digunakan sebagai bahan bakar. Sejak tahun 1800-an (awal

Revolusi Industri), jumlah negara yang menggunakan sejumlah besar bahan bakar fosil

meningkat, sehingga menimbulkan tingkat karbon dioksida di atmosfer melimpah.

Peningkatan karbon dioksida telah dikaitkan dengan perubahan iklim dan gangguan lain

dari ekosistem bumi. Ini merupakan masalah utama lingkungan di seluruh dunia.

2. Siklus karbon

2.1 Siklus Karbon di Alam

Karbon merupakan senyawa yang sangat penting keberadaannya di bumi. Manusia

sangat membutuhkan senyawa ini dari mulai bahan bakar, makanan, barang sehari-hari

bahkan kita sendiri terbentuk dari karbon. Dalam siklus karbon, tumbuhan mendapatkan

sumber karbon dalam bentuk CO2 dari atmosfer yang kemudian digunakan dalam proses

fostosintesis. Tumbuhan tersebut kemudian menjadi sumber karbon bagi konsumen.

Respirasi oleh konsumen mengembalikan CO2 ke atmosfer. Tumbuhan dan konsumen

yang mati selanjutnya mengalami biodegradasi, diuraikan oleh mikroorganisme. Pada

gambar 1 dapat dilihat siklus karbon antara atmosphere, daratan dan lautan.

Siklus karbon sendiri dibagi menjadi 2 yaitu siklus lambat dan siklus cepat. Siklus

lambat terjadi melalui reaksi kimia dan aktifitas tektonik. Karbon membutuhkan waktu

sekitar 100 – 200 juta tahun untuk berpindah dari batuan, tanah, lautan dan atmosphere.

Siklus cepat terjadi pada bentuk kehidupan organisme di bumi atau biosphere. Karbon

memerankan peranan penting pada proses biologi karena sifatnya yang dapat membentuk

1

ikatan yang besar. Pada siklus cepat bakteri (organisme) menggunakan karbon untuk

menghasilkan energi maupun menghasilkan senyawa yang mengandung karbon.

Gambar 1. Siklus Karbon di Alam

Bagian terbesar dari karbon yang berada di atmosfer bumi adalah gas karbon

dioksida (CO2). Meskipun jumlah gas ini merupakan bagian yang sangat kecil dari

seluruh gas yang ada di atmosfer (hanya sekitar 0,04% dalam basis molar, meskipun

sedang mengalami kenaikan), namun ia memiliki peran yang penting dalam menyokong

kehidupan. Gas-gas lain yang mengandung karbon di atmosfer adalah metan dan

kloroflorokarbon atau CFC (CFC ini merupakan gas artifisial atau buatan). Gas-gas

tersebut adalah gas rumah kaca yang konsentrasinya di atmosfer telah bertambah dalam

dekade terakhir ini, dan berperan dalam pemanasan global.

2

2.2 Siklus Karbon dalam Mikroorganisme (Siklus Karbon Biologi)

Gambar 2. Siklus Karbon dalam Mikroorganisme

2.2.1 Carbon Dioxide Fixation

Carbon fixation adalah sintesis dari anorganik karbon (karbon dioksida)

menjadi senyawa organik oleh mikroorganisme. Contoh carbon fixation yang paling

banyak terjadi adalah fotosintesis. Diperkirakan hampir 258 milliar ton CO2/ tahun

diubah menjadi senyawa organic pada proses fotosintesis. Mayoritas carbon fixation

terjadi di lingkungan laut.

Autotroph merupakan mikroorganisme yang tumbuh menggunakan karbon.

Contoh mikroorganisme jenis autotroph antara lain:

1. Photoautotrophs yang mensintesis senyawa organic menggunakan sumber sinar

matahari.

2. Lithoautotrophs yang mensintesis senyawa organic menggunakan energy dari

oksidasi anorganik.

Heterotrophs adalah mikroorganisme yang tumbuh menggunakan hasil fixation

oleh mikroorganisme autotroph. Senyawa organic yang dikonsumsi oleh heterotroph

digunakan untuk menghasilkan energy dan membangun struktur selnya.

3

Contoh proses carbon fixation adalah fotosintesis. Fotosintesis merupakan

salah satu jenis carbon fixation yang menggunakan sinar matahari dan oksigen untuk

prosesnya. Fotosintesis biasanya terjadi pada makhluk hidup yang memiliki pigmen

klorofil seperti tumbuhan, algae dan cyanobacteria. Dengan proses sebagai berikut:

2H2O → 4e- + 4H+ + O2

CO2 + 4e- + 4H+ → CH2O + H2O

Pada langkah pertama, air diuraikan menjadi elektron, proton, dan oksigen

bebas. Air digunakan sebagai donor elektron. Langkah ini menggunakan energi sinar

matahari untuk mengoksidasi air menjadi O2 yang kemudan digunakan untuk

menghasilkan ATP.

ADP + Pi ATP + H2O

Dan reduktor, NADPH,

NADP+ + 2e- + 2H+ NADPH + H+

Langkah kedua atau yang disebut siklus Calvin, merupakan tahap dimana

carbon fixation terjadi. Pada tahap ini ATP dan NADPH dikonsumsi untuk mengubah

karbondioksida menjadi gula berupa triase fosfat (TP).

CO2 + 12 e- + 12 H+ + Pi → TP + 4 H2O

2.2.2 Fermentation and Anaerobic Respiration

Sel hidup membutuhkan energi dari sumber luar agar dapat melakukan kerja.

Energi yang tersimpan dalam molekul organik pada makanan berasal dari matahari.

Energi mengalir ke dalam ekosistem sebagai cahaya dan meninggalkan ekosistem

sebagai panas. Sebaliknya, unsur kimia yang penting bagi hidup di-recycled.

Fotosintesis menghasilkan oksigen dan molekul organik yang digunakan oleh

mitokondria sel eukariot sebagai bahan bakar dalam respirasi sel. Proses respirasi

memecah bahan bakar tersebut dan menghasilkan ATP. Produk buangan respirasi

yaitu CO2 dan air, merupakan bahan mentah untuk fotosintesis. Pada proses ini, akan

4

diuraikan bagaimana sel memanen energi kimia yang tersimpan di dalam molekul

organik dan menggunakannya untuk menghasilkan ATP, yaitu suatu molekul yang

mengendalikan sebagian besar kerja sel. Untuk setiap satu molekul glukosa yang

diurai menjadi karbon dioksida dan air melalui respirasi, sel memproduksi sekitar 38

molekul ATP. Respirasi merupakan fungsi kumulatif dari tiga tingkatan metabolisme

(1) Glikolisis, (2) Siklus asam sitrat, dan (3) Fosforilasi oksidatif terdiri dari transport

elektron dan chemiosmosis.

Kata “glikolisis” memiliki arti “pemisahan gula” dan inilah yang terjadi

selama glikolisis. Glukosa (gula berkarbon enam) dipisahkan menjadi dua buah gula

berkarbon tiga. Gula yang lebih kecil ini kemudian teroksidasi dan atom-atom yang

tersisa membentuk dua molekul piruvat (piruvat merupakan bentuk ion dari asam

piruvat).

Siklus asam sitrat disebut juga siklus asam trikarboksil atau siklus Krebs.

Siklus ini berfungsi sebagai pengoksidasi bahan bakar organik yang berasal dari

piruvat.

Pada tingkat ketiga respirasi sel, rangkaian transport elektron menerima

elektron dari produk yang telah terurai pada kedua tingkatan sebelumnya (sebagian

besar melalui NADH) dan meneruskan elektronelektron ini dari satu molekul ke

molekul yang lainnya. Pada akhir dari rantai transpot elektron, elektron bergabung

dengan molekul oksigen dan ion hidrogen (H+) membentuk air. Energi yang

dilepaskan dari tiap tahapan dalam rangkaian tersebut disimpan dalam bentuk dimana

mitokondria dapat menggunakannya untuk membuat ATP. Model pembuatan ATP

yang demikian disebut fosforilasi oksidatif karena dikendalikan oleh rekasi redoks

dari rangkaian transport elektron.

5

Fermentasi Dan Respirasi Anaerob

Karena sebagian besar ATP yang dihasilkan melalui respirasi sel adalah hasil

dari proses fosforilasi oksidatif, maka ATP yang dihasilkan dari respirasi aerobik

bergantung pada suplai oksigen dalam sel. Tanpa adanya oksigen yang bersigat

elektronegatif untuk menarik elekton dari rangkaian TE (Transport Electron),

fosforilasi oksidatif akan berhenti. Namun demikian, terdapat dua mekanisme umum

dimana sel-sel tertentu mampu mengoksidasi bahan bakar organik (materi organik)

dan menghasilkan ATP tanpa menggunakan oksigen yaitu: respirasi anaerobik dan

fermentasi. Perbedaan dari keduanya terletak pada ada tidaknya rangkaian TE.

Anaerobik respirasi berlangsung pada organisme prokariot yang hidup pada

lingkungan tanpa oksigen. Organisme-organisme ini memiliki rangkaian TE tetapi

tidak menggunakan oksigen sebagai penangkap elektron terakhir pada akhir rangkaian

TE. Oksigen mampu menangkap elektron dengan sangat baik karena sifatnya yang

elektronegatif, tetapi substansi lainpun memiliki kemampuan menangkap elektron

walaupun tidak sebaik oksigen; dan substansi ini berfungsi sebagai penangkap

elektron terakhir dalam respirasi anaerobik. Sebagai contoh, bakteria sulfat

menggunakan ion sulfate (SO42-) pada akhir rangkaian TE. Rangkaian TE membentuk

proton-motive force yang digunakan untuk menghasilkan ATP dan sebagai by-

product-nya dihasilkan H2S (bukan H2O).

2.2.3 Siklus Karbon biogeokimia

Pergerakan karbon melalui tanah, air, dan udara adalah kompleks dan, dalam

banyak kasus, hal itu terjadi jauh lebih lambat dari siklus karbon biologis. Karbon

disimpan untuk waktu yang lama yang dikenal sebagai cadangan karbon, yang

meliputi atmosfer, wilayah perairan (sebagian besar lautan), sedimen laut, tanah,

sedimen tanah (termasuk bahan bakar fosil), dan didalam bumi.

6

2.2.3.1 Karbon di atmosfer

Karbon diambil dari atmosfer dengan berbagai cara:

1. Ketika matahari bersinar, tumbuhan melakukan fotosintesa untuk mengubah

karbon dioksida menjadi karbohidrat, dan melepaskan oksigen ke atmosfer.

Proses ini akan lebih banyak menyerap karbon pada hutan dengan tumbuhan yang

baru saja tumbuh atau hutan yang sedang mengalami pertumbuhan yang cepat.

2. Pada permukaan laut ke arah kutub, air laut menjadi lebih dingin dan CO2 akan

lebih mudah larut. Selanjutnya CO2 yang larut tersebut akan terbawa oleh

sirkulasi termohalin yang membawa massa air di permukaan yang lebih berat ke

kedalaman laut atau interior laut (lihat bagian solubility pump).

3. Di laut bagian atas (upper ocean), pada daerah dengan produktivitas yang tinggi,

organisme membentuk jaringan yang mengandung karbon, beberapa organisme

juga membentuk cangkang karbonat dan bagian-bagian tubuh lainnya yang keras.

Proses ini akan menyebabkan aliran karbon ke bawah (lihat bagian biological

pump).

4. Pelapukan batuan silikat. Tidak seperti dua proses sebelumnya, proses ini tidak

memindahkan karbon ke dalam reservoir yang siap untuk kembali ke atmosfer.

Pelapukan batuan karbonat tidak memiliki efek netto terhadap CO2 atmosferik

karena ion bikarbonat yang terbentuk terbawa ke laut dimana selanjutnya dipakai

untuk membuat karbonat laut dengan reaksi yang sebaliknya (reverse reaction).

7

Karbon dapat kembali ke atmosfer dengan berbagai cara pula, yaitu:

1. Melalui pernapasan (respirasi) oleh tumbuhan dan binatang. Hal ini merupakan

reaksi eksotermik dan termasuk juga di dalamnya penguraian glukosa (atau

molekul organik lainnya) menjadi karbon dioksida dan air.

2. Melalui pembusukan binatang dan tumbuhan. Fungi atau jamur dan bakteri

mengurai senyawa karbon pada binatang dan tumbuhan yang mati dan mengubah

karbon menjadi karbon dioksida jika tersedia oksigen, atau menjadi metana jika

tidak tersedia oksigen.

3. Melalui pembakaran material organik yang mengoksidasi karbon yang

terkandung menghasilkan karbon dioksida (juga yang lainnya seperti asap).

Pembakaran bahan bakar fosil seperti batu bara, produk dari industri perminyakan

(petroleum), dan gas alam akan melepaskan karbon yang sudah tersimpan selama

jutaan tahun di dalam geosfer. Hal inilah yang merupakan penyebab utama

naiknya jumlah karbon dioksida di atmosfer.

4. Produksi semen. Salah satu komponennya, yaitu kapur atau gamping atau

kalsium oksida, dihasilkan dengan cara memanaskan batu kapur atau batu

gamping yang akan menghasilkan juga karbon dioksida dalam jumlah yang

banyak.

5. Di permukaan laut dimana air menjadi lebih hangat, karbon dioksida terlarut

dilepas kembali ke atmosfer.

6. Erupsi vulkanik atau ledakan gunung berapi akan melepaskan gas ke atmosfer.

Gas-gas tersebut termasuk uap air, karbon dioksida, dan belerang. Jumlah karbon

dioksida yang dilepas ke atmosfer secara kasar hampir sama dengan jumlah

karbon dioksida yang hilang dari atmosfer akibat pelapukan silikat; Kedua proses

kimia ini yang saling berkebalikan ini akan memberikan hasil penjumlahan yang

8

sama dengan nol dan tidak berpengaruh terhadap jumlah karbon dioksida di

atmosfer dalam skala waktu yang kurang dari 100.000 tahun.

Sebagaimana dinyatakan, penyimpanan utama karbon dalam bentuk karbon dioksida,

sangat penting untuk proses fotosintesis. Tingkat karbon dioksida di atmosfer sangat

dipengaruhi oleh penyimpanan karbon di lautan. Pertukaran karbon antara atmosfer

dan air mempengaruhi berapa banyak karbon yang ditemukan di setiap lokasi;

masing-masing mempengaruhi yang lain secara timbal balik.

2.2.3.2 Karbon di air laut

Laut mengandung sekitar 36.000 gigaton karbon, dimana sebagian besar

dalam bentuk ion bikarbonat. Karbon anorganik, yaitu senyawa karbon tanpa ikatan

karbon-karbon atau karbon-hidrogen, adalah penting dalam reaksinya di dalam air.

Pertukaran karbon ini menjadi penting dalam mengontrol pH di laut dan juga dapat

berubah sebagai sumber (source) atau lubuk (sink) karbon. Karbon siap untuk saling

dipertukarkan antara atmosfer dan lautan. Pada daerah upwelling, karbon dilepaskan

ke atmosfer. Sebaliknya, pada daerah downwelling karbon (CO2) berpindah dari

atmosfer ke lautan. Pada saat CO2 memasuki lautan, asam karbonat terbentuk:

CO2 + H2O ⇌ H2CO3

Reaksi ini memiliki sifat dua arah, mencapai sebuah kesetimbangan kimia.

Reaksi lainnya yang penting dalam mengontrol nilai pH lautan adalah pelepasan ion

hidrogen dan bikarbonat. Reaksi ini mengontrol perubahan yang besar pada pH:

H2CO3⇌ H+ + HCO3−

Karbon dioksida (CO2) dari atmosfer larut dalam air, bergabung dengan

molekul air membentuk asam karbonat. Kemudian mengionisasi untuk karbonat dan

ion bikarbonat.

9

Karbon dioksida bereaksi dengan air untuk membentuk ion bikarbonat dan karbonat.

Lebih dari 90 persen dari karbon di laut ditemukan berupa ion bikarbonat.

Beberapa ion ini bergabung dengan kalsium air laut untuk membentuk kalsium

karbonat (CaCO3), komponen utama dari cangkang organisme laut. Organisme ini

akhirnya membentuk sedimen di dasar laut. Seiring waktu geologi, kalsium karbonat

membentuk kapur, yang merupakan penyimpan karbon terbesar di bumi.

Di darat, karbon disimpan dalam tanah sebagai penguraian organisme hidup atau

pelapukan batuan terestrial dan mineral. Karbon ini dapat tercuci ke dalam waduk air

dengan aliran permukaan. kedalaman bawah tanah, di darat dan di laut, adalah bahan

bakar fosil: sisa-sisa anaerobik- tanaman yang membusuk dan membentuk fosil dalam

jangka waktu jutaan tahun untuk membentuk. Bahan bakar fosil dianggap sebagai

sumber daya yang tidak terbarukan karena penggunaannya jauh melebihi tingkat

pembentukan mereka. Sebuah sumber daya non-terbarukan yang regenerasi sangat

lambat atau tidak sama sekali. Cara lain untuk karbon memasuki atmosfer dari tanah

adalah akibat letusan gunung berapi dan sistem panas bumi lainnya. Sedimen karbon

dari dasar laut yang diambil jauh di dalam bumi dengan proses subduksi: pergerakan

satu lempeng tektonik di bawah yang lain. Karbon dilepaskan sebagai karbon dioksida

ketika gunung berapi meletus atau dari ventilasi hidrotermal gunung berapi.

Karbon dioksida juga ditambahkan ke atmosfer oleh pembibitan dan peternakan.

Sejumlah besar hewan darat dibangkitkan untuk memberi makan hasil pertumbuhan

10

populasi bumi meningkat kadar karbon dioksida di atmosfer akibat praktek pertanian,

respirasi, dan produksi metana. Ini adalah contoh lain bagaimana aktivitas manusia

secara tidak langsung mempengaruhi siklus biogeokimia secara signifikan. Meskipun

banyak perdebatan tentang dampak masa depan peningkatan karbon di atmosfer pada

perubahan iklim berfokus pada bahan bakar fosil, para ilmuwan mengambil proses

alam, seperti gunung berapi dan respirasi.

Seluruh siklus karbon yang telah dijabarkan memiliki pengaruh yang penting

terhadap lingkungan, dimana apabila salah satu siklus tersebut mengalami gangguan

maka keseimbangan siklus yang lain akan terganggu dan berdampak langsung

terhadap lingkungan. Namun, dari berbagai macam siklus karbon diatas, siklus yang

paling signifikan mampu menjaga lingkungan adalah siklus karbon biologi, pada

siklus tersebut mampu mengkonsumsi karbon menjadi energi yang dibutuhkan pada

siklus yang lainnya. Dalam konteks limbah, kandungan limbah yang paling banyak

adalah karbon yang dihasilkan dari zat organik¸ karbon tersebut secara siklus biologi

mampu diubah menjadi energi yang digunakan pada siklus lainnya.

3. Peran Bioproses Dalam Siklus Karbon

Peran bioproses dalam siklus karbon adalah mengurangi emisi karbon di

atmosfer, salah satunya adalah dengan cara pembuatan biofuels.

Biofuels dapat mengurangi ketergantungan terhadap fossil fuels dan

memperkecil dampak terhadap lingkungan. Bioethanol dan biodiesel adalah biofuels

yang saat ini diproduksi secara komersil. Keduanya dapat dikombinasikan dengan petrol,

diesel, dan aviation kerosene sebagai bahan bakar transportasi. Biodiesel saat ini

diproduksi dengan ekstraksi minyak dari soybean (USA), oilseed rape dan oil palm

(Europe), lalu diubah menjadi biodiesel. Sedangkan bioethanol diproduksi dari sugar

11

beet, sugar cane, dan corn. Fermentasi menjadi etanol dilakukan oleh mikroorganisme

yeast. Biofuels yang diproduksi dari edible crops disebut tradisional, atau ‘first-

generation’ biofuels. Biofuels jenis ini dianggap kurang sustainable karena sumbernya

dari hasil pertanian yang merupakan bahan makanan.

‘Second-’ dan ‘third-generation’ biofuels diproduksi dari non-food crops.

Mikroba berperan penting dalam perkembangan biofuels jenis ini. ‘Second-’ dan ‘third-

generation’ biofuels ini lebih sustainable daripada first-generation biofuels karena yields

lebih tinggi, mengurangi greenhouse gas dan tidak berkompetisi dengan crops sebagai

bahan makanan. Penelitian yang berkembang adalah mengenai lignocellulosic biofuels

and algae.

Lignocellulosic biofuels diproduksi melalui perusakan carbohydrates

(celluloses) dalam dinding sel tanaman yang kemudian fermentasi oleh yeast atau micro-

organisme lain. Lignocellulosic biomass jumlahnya setengah dari total biomassa si dunia

dan merupakan non-edible parts dari crops seperti stalks, chaff (sekam), sawdust and

wood chip.

Algae merupakan mikroorganisme fotosintesis. Mereka menggunakan energi

matahari dan CO2 untuk menghasilkan biomassa termasuk minyak yang dapat dikonversi

menjadi biodiesel. Algae-based biofuels memiliki beberapa kelebihan. Microalgae dapat

menghasilkan minyak per acre 100 kali lebih banyak daripada tumbuhan lain. Selain itu,

algae dapat tumbuh di tanah yang kurang baik. Perkembangan algae-based biofuels

masih dalam tahap eksperimen. Produksi dalam skala besar cukup mahal, sekitar 10-30

kali lebih besar daripada biaya produksi tradisional biofuels.

12