Topic outline

  • General

  • Pendahuluan

    • Materi yang disajikan pada LMS ini membicarakan tentang bioremediasi yang secara umum membahas peran mikroorganisme dalam perombakan senyawa xenobiotik, interaksinya dengan tanaman serta peranannya dalam restorasi lingkungan. Materi-materi disusun secara berurutan dengan harapan membuat pembaca mudah mempelajari dan memahami materi ini. Untuk mendukung hal tersebut, materi disusun dengan berisikan pembahasan tentang sifat-sifat kimia pencemar, distribusi dan pengaruhnya terhadap lingkungan. Selanjutnya disajikan aspek biologis tentang bagaimana respon organisme, khususnya mikrobia, dalam mengatasi senyawa yang tidak mudah berubah strukturnya secara alamiah ini. 

      Sebagai panduan umum, pada setiap Tatap Muka akan dipaparkan materi tertentu, yang akan diikuti dengan pertanyaan, tugas maupun evaluasi diri, yang hasilnya dapat langsung dilihat untuk menguji pemahaman pemakai modul ini. Selain hal tersebut, disajikan juga materi terkait ketrampilan laboratorium yang berhubungan dengan materi Bioremediasi ini. Aktivitas laboratorium yang disajikan pada materi ini disesuaikan dengan teori yang diberikan, dan dapat diaplikasikan pada kegiatan bioremediasi di habitat lain dengan senyawa xenobiotik yang berbeda pula. Selamat belajar.

       

       

  • Tatap muka 1: Toksikologi polutan tanah dan air

    Sub Topik:

    Pertemuan ini mengenalkan mahasiswa mengenai sumber-sumber polutan yang mencemari air dan tanah. Terdapat 3 sumber polutan dari kehidupan sehari-hari yaitu pupuk, pestisida dan logam berat. Bagaimana efek toksik dari polutan tersebut?
    • Salah satu produk atau hasil akhir yang dihasilkan dari suatu aktivias manusia adalah senyawa-senyawa yang bersifat toksik bagi lingkungan. Senyawa-senyawa ini dapat berupa polutan ataupun kontaminan yang dapat menurunkan kualitas kesehatan dan kebersihan lingkungan hidup.


      Melalui pemaparan ini, akan dijelaskan beberapa karakteristik dan jenis senyawa yang dapat merusak lingkungan sehingga dapat memberi pemahaman terkait toksisitas suatu polutan serta pendekatan bioremediasi yang sesuai.

    •  

       

       

       

    • Setelah mengamati dan mempelajari materi dari file powerpoint dan video "Toksikologi I dan II", silahkan kerjakan kuis berikut sebagai bentuk evaluasi dari pembelajaran materi ini.

  • Tatap muka 2: Pengenalan dan penjelasan sifat-sifat senyawa xenobiotik


    • Seiring dengan perkembangan aktivitas manusia, terutama dalam dunia industri, semakin banyak senyawa sintetis yang dihasilkan. Senyawa sintetis ini adalah senyawa yang secara alamiah tidak ada di alam, sebagai contoh adalah pestisida, berbagai jenis plastik, oli atau produk minyak bumi, dan masih banyak lagi. Senyawa-senyawa ini sering disebut sebagai senyawa xenobiotik (Latin: xeno=asing), yaitu senyawa kimia hasil aktivitas manusia.

      Ada beberapa terminologi yang sering dikaitkan dengan senyawa xenobiotik, antara lain sebagai senyawa beracun dan berbahaya karena sifat-sifatnya yang khas (misal: menyebabkan infeksi, mudah meledak, korosif). Beberapa contoh jenis senyawa ini yang dekat dengan kita misalnya adalah hair spray, pengharum ruangan, pemutih pakain, deterjen, kaca, pembasmi serangga dan lain-lain.

      Pada paparan selanjutnya, akan disajikan animasi dampak kecelakaan kapal Exxon Valdez yang menumpahkan 37.000 liter minyak ke laut (sumber: National Geographic, VOA News, NBC News, MSNBC News). Kecelakaan kapal ini terjadi pada tanggal 24 Maret 1989 di pantai Prince William Sound, Alaska, atau lebih dari 30 tahun lalu. Para ilmuwan menyatakan bahwa kecelakan tersebut merupakan salah satu insiden pencemaran lingkungan terburuk yang disebabkan oleh senyawa xenobiotik yang kebetulan terjadi di daerah terpencil dengan lingkungan relatif ekstrem, karena terletak di dekat kutub utara.   

        

    • Berdasarkan video diatas – kasus pencemaran minyak akibat tenggelamnya kapal Exxon Valdez, memberi gambaran kepada kita pengaruh senyawa xenobiotik terhadap lingkungan. Ditinjau dari segi ekologi, pantai atau daerah tersebut merupakan habitat bagi ikan salmon, berang-berang laut, anjing laut, berbagai plankton, burung laut yang hidup dengan “menangkap” ikan yang hidup di perairan tersebut. Dapat dilihat dampak pencemaran itu sampai saat ini, atau lebih dari 30 tahun. Masalah pencemaran minyak tersebut belum berhasil diatasi, dan manusia/para ahli harus secara hati-hati membersihkan burung atau berang-berang yang terdampak karena minyak yang menempel di tubuh mereka menyebabkan burung tidak dapat terbang, dan efek sejenis bagi organisme lain.

      Hal yang sama dapat terjadi juga di Indonesia, baik itu karena kecelakaan kapal ataupun tanker pembawa minyak yang sering terjadi di perairan Indonesia, maupun sampah yang berasal dari sekitar kita, dan juga aktivitas manusia di bidang indutri atau transportasi yang menghasilkan polutan dan senyawa xenobiotik. Oleh karena itu, pada bagian berikutnya akan disajikan pengertian, jenis-jenis, dan berbagai sifat senyawa xenobiotik. 

       

    • Untuk memperkaya pengetahuan setelah mendengarkan/menyaksikan kedua video di atas, pengguna materi ini diharap membaca jurnal berikut: 

      Fewson CA. 1988. Biodegradation of xenobiotic and other persistent compounds: the causes of recalcitrance. Trends in Biotechnology. 6(7): 148-153. ISSN 0167-7799. DOI: 10.1016/0167-7799(88)90084-4

      Jurnal yang diterbitkan pada tahun 1988 ini sudah disitasi lebih dari 200 kali dan sampai saat ini masih relevan untuk memahami apa yang dimaksud dengan senyawa xenobiotik, penjelasan runtut mengapa senyawa ini bersifat rekalsitran/persisten, serta kemungkinan pengaruh baik-buruknya bagi lingkungan. 

      Jurnal ini akan digunakan pada pertemuan ke-2 dan ke-3, dan pada setiap pertemuan tersebut akan diberikan pertanyaan-pertanyaan singkat terkait materi pembelajaran yang diberikan.

    • Setelah mengamati dan mempelajari video "Pengantar senyawa xenobiotik" serta memahami jurnal (Fewson, 1988) silahkan kerjakan kuis berikut sebagai bentuk evaluasi dari pembelajaran materi ini.

  • Tatap muka 3: Pengenalan dan pengertian bioremediasi


    • Materi ini membahas bagaimana biodegradasi senyawa xenobiotik terjadi, terutama yang berkaitan dengan logika biokimia. Bacaan utama untuk materi ini masih menggunakan jurnal yang digunakan pada pertemuan sebelumnya, yaitu Fewson, 1988. Secara sederhana dapat disampaikan bahwa degradasi senyawa xenobiotik dapat terjadi dengan beberapa kondisi berikut:

      1. organisme harus berada di dekat substrat, atau dengan kata lain organisme harus “tertarik” pada substrat yang berupa senyawa yang tidak lazim digunakan, bahkan kadang bersifat mematikan mikroorganisme. Mikroorganisme yang mampu melakukan biodegradasi biasanya memiliki kemampuan khemotaksis positif terhadap substrat

      2. adsorpsi substrat dengan sel, yaitu kemampuan mikroorganisme mengikat substrat sehingga dapat terjadi metabolisme

      3. kemampuan menghasilkan enzim ekstraseluler untuk memecah senyawa xenobiotik sehingga dapat dibawa masuk ke dalam sel. Selain itu, enzim ekstraseluler tersebut juga penting untuk mengubah kelarutan senyawa xenobiotik karena sebagian besar senyawa tersebut bersifat tidak larut dalam air

      4. transport substrat ke dalam sel, yang melibatkan sistem transport sel yang inducible

      5. metabolisme intraseluler melalui jalur metabolisme perifer. Dilaporkan bahwa jalur ini sering tergantung adanya plasmid pada mikroorganisme yang mampu melakukan biodegradasi. 

       

    • Setelah memahami jurnal (Fewson, 1988) pada tatap muka ke-2 dan mengamati video “Pengertian dan jalur metabolisme” mengenai pengertian dan jalur biodegradasi senyawa xenobiotik pada pertemuan ke-3 ini, silahkan kerjakan pertanyaan-pertanyaan singkat berikut terkait materi tersebut.

  • Praktikum Bagian 1: Pengambilan dan pemurnian sampel

    • Topik utama yang diangkat dalam kegiatan praktikum ini adalah penangangan lingkungan tercemar senyawa xenobiotik yang bersifat toksik bagi lingkungan, yaitu limbah industri penyamakan kulit dan TPST Piyungan, Bantul, Yogyakarta. Melalui kegiatan praktikum ini mahasiswa diharapkan memperoleh pemahaman terkait permasalahan yang terjadi di lingkungan dan teknik-teknik pemulihannya sehingga mampu mendeskripsikan keragaman aktivitas degradasi senyawa xenobiotik tersebut oleh mikrobia dan faktor-faktor yang berperan. Materi praktikum ini kemudian diberi judul Bioremediasi yang terdiri atas part I dan part II. Kedua part video praktikum ini pun terintegrasi dengan materi-materi pembelajaran lainnya sehingga diharapkan dapat membantu mahasiswa untuk memahami dan menginterpretasikan hasil yang diperoleh secara komprehensif.

      Pada video praktikum Bioremediasi part I ini berisi penjelasan mengenai beberapa kegiatan yang dilakukan, antara lain pengambilan air limbah dan tanaman dari wilayah tercemar tersebut, pemaparan limbah pada tanaman selama 6 minggu, pengamatan efek pada morfologi tanaman melalui pengukuran pertumbuhan tanaman, penghitungan jumlah koloni sebelum dan sesudah pemaparan limbah, hingga inokulasi isolat yang kemudian akan dimurnikan menggunakan metode streak plate.

       

       

    • Setelah mengamati dan mempelajari materi dari video praktikum “Bioremediasi Part I”, silahkan kerjakan kuis praktikum berikut sebagai bentuk evaluasi dari pembelajaran materi ini.

  • Tatap muka 4: Peran plasmid dalam biodegradasi


    • Pertemuan ini membahas aspek molekuler biodegradasi, khususnya peran plasmid dalam metabolisme biodegradasi. Sampai saat ini dikenal berbagai plasmid yang terlibat pada biodegradasi senyawa xenobiotik yang berbeda, misalnya plasmid TOL (pWWO) yang berperan pada degrdasi toluena, plasmid OCT pada degrdasi oktana, dan masih banyak lainnya.  

        

    • Selain materi yang telah dipaparkan di atas, disajikan pula pustaka untuk memahami peran plasmid pada biodegradasi senyawa alkana, yaitu:

      Rojo F. 2009. Degradation of alkanes by bacteria. Environmental Microbiology, 11: 2477-2490. doi:10.1111/j.1462-2920.2009.01948.x

      Jurnal tersebut membahas berbagai jalur biokimia yang digunakan untuk metabolisme senyawa alkana, regulasi ekspresi berbagai gen yang berperan pada jalur tersebut dan integrasinya dengan fisiologi sel.

      Pertemuan berikutnya akan disajikan jurnal lain yang mendukung jurnal yang sudah disebutkan, untuk menambah pemahaman tentang mekanisme regulasi dan koordinasi antara plasmid dan kromosom dalam biodegradasi.


    • Setelah mempelajari dan memahami materi dari video “Peran plasmid” dan jurnal (Rojo F.,2009) silahkan kerjakan pertanyaan-pertanyaan singkat berikut sebagai bentuk evaluasi dari materi tersebut.

  • Tatap muka 5: Deskripsi faktor-faktor lingkungan yang berperan dalam biodegradasi


    • Biodegradasi senyawa xenobiotik tidak terjadi secara spontan, yaitu biodegradasi akan terjadi begitu senyawa tersebut tersedia. Berbagai studi menunjukkan bahwa diperlukan masa adaptasi atau aklimatisasi, yaitu suatu periode dimana tidak terjadi perubahan/pertumbuhan mikroorganisme yang melakukan biodegradasi.

      Materi berikut akan menyajikan mengapa muncul periode adaptasi atau aklimatisasi, apa yang terjadi selama periode tersebut, dan beberapa faktor lingkungan kunci yang mempengaruhi terjadinya masa adaptasi.

       

       

       

       

    • Pada pertemuan ini juga disertakan jurnal yang membahas pengaruh lingkungan terhadap ekspresi gen yang terlibat pada degradasi alkana oleh Pseudomonas oleovorans (Chen et al.,1996). Hasil penelitian tersebut melaporkan bagaimana pengaruh ada tidaknya alkana terhadap metabolisme sel, dan juga bentuk serta kecepatan pertumbuhan sel bakteri.

    • Setelah mempelajari dan memahami materi dari jurnal (Chen et al.,1996) serta video“Aklimatisasi dan faktor lingkungan”, silahkan kerjakan pertanyaan-pertanyaan singkat berikut sebagai bentuk evaluasi dari materi tersebut.

  • Tatap muka 6: Pengertian dan pengenalan biodegradasi


    • Materi ini menjelaskan jalur biodegradasi beberapa kelompok senyawa xenobiotik, yaitu senyawa hidrokarbon alifatis, senyawa polisiklis aromatis hidrokarbon (PAH: polycyclic aromatic hydrocarbon), dan pestisida. Secara prinsip dikenal peranan enzim oksigenase (mono- atau di-) yang berfungsi “memasukkan” oksigen ke dalam substrat. Melalui reaksi ini, senyawa xenobiotik dapat diubah menjadi suatu senyawa antara yang akhirnya dapat bergabung dengan jalur metabolisme pusat (glikolisis atau siklus Krebs).


       

       

    • Setelah mempelajari dan memahami materi “Biodegradasi senyawa hidrokarbon”, silahkan kerjakan pertanyaan-pertanyaan singkat berikut sebagai bentuk evaluasi dari materi tersebut.

  • Praktikum part 2: Identifikasi dan karakterisasi isolat

    •  Pada tatap muka sebelumnya telah diberikan video praktikum “Bioremediasi part 1” yang menunjukkan serangkaian tahapan yang dilakukan hingga diperoleh isolat tunggal (murni) yang mampu bertahan hidup pada matriks tanah yang telah terpapar limbah selama 6 minggu.

      Sebagai lanjutan kegiatan praktikum, melalui video praktikum “Bioremediasi part 2” ini akan dijelaskan tahapan selanjutnya yaitu identifikasi dan karakterisasi isolat tunggal (murni) melalui uji morfologi (pengecatan gram), biokimia (Indol, MR, VP, Sitrat, Fermentasi Glukosa, Reduksi Nitrat, Katalase) dan molekuler (isolasi DNA dan PCR) diikuti dengan pemaparan hasil yang diperoleh berupa penurunan kadar logam berat krom sebagai salah satu jenis senyawa xenobiotik yang bersifat toksik bagi lingkungan. 

      Dengan demikian, melalui kegiatan praktikum ini diharapkan memberi pemahaman akan arti penting mikroorganisme dan tanaman dalam perombakan senyawa xenobiotik serta potensi pemanfaatannya pada bioremediasi daerah tercemar senyawa tersebut.  

        

    • Setelah mempelajari dan memahami materi dari video praktikum “Bioremediasi part II”, silahkan kerjakan kuis praktikum berikut sebagai bentuk evaluasi dari pembelajaran materi ini.

  • Tatap muka 7: Peran makhluk hidup dalam bioremediasi


    • Bioremediasi merupakan optimasi biodegradasi yang dilakukan untuk mengembalikan lingkungan yang tercemar senyawa xenobiotik menjadi bersih, seperti saat sebelum terjadi pencemaran. Kegiatan ini pada lingkungan terestrial terutama dilakukan oleh tanaman beserta mikroorganisme yang tumbuh pada sistem perakarannya (rhizosphere). Terjadi interaksi menarik, dimana akar tanaman menghasilkan senyawa tertentu, sering disebut sebagai eksudat akar, yang akan mengaktifkan mikrobioma pada rhizosphere.

       

       

       

       

  • Penutup dan Ujian Akhir

    • Inilah bagian akhir materi pembelajaran Bioremediasi yang berisikan penjelasan teoritis dan pendekatan laboratoris. Model pendekatan pembelajaran yang dilakukan dengan memadukan teori dan kegiatan/aktivitas laboratorium dengan menggunakan sampel air yang tercemar limbah industri dan lindi tempat pembuangan sampah terpadu ini memberi pemahaman peran mahluk hidup, khususnya tanaman dan mikrobia, untuk mengurangi pengaruh negatif pencemaran lingkungan.

      Sebagai bagian akhir, akan diberikan soal-soal ujian akhir yang mencakup keseluruhan materi, baik yang terkait dengan teori maupun aktivitas laboratorium untuk mengukur pemahaman pengguna materi ini.

       

       

       

    • Setelah mempelajari keseluruhan materi yang disajikan, baik teori pada pertemuan 1-7 dan materi praktikum 1 dan 2, pengguna modul diminta melakukan Ujian Akhir yang mencakup materi-materi tersebut sebagai uji pemahaman. Soal-soal ujian disusun dengan durasi tidak lebih dari 30 menit, dan dapat dilakukan koreksi jawaban selama waktu ujian belum selesai. Selamat mengerjakan.