Rangkuman Proses Biologis Dalam Tanah dan Air Tanah (lanjutan)

Metabolisme mikroorganisme

Metabolisme mikroorganisme merupakan proses-proses kimia yang terjadi di dalam tubuh mikroorganisme. Metabolisme disebut juga reaksi enzimatis, karena metabolisme terjadi selalu menggunakan katalisator enzim. Dalam metabolisme mikroorganisme, energi fisik atau kimiawi dikonversi menjadi energi melalui metabolisme mikrorganisme dan disimoan dalam bentuk senyawa kimia yang disebut adenosine 5′-triphospate (ATP).

Gambar 1.Struktur molekul ATP

Energi yang tersimpan dalam bentuk senyawa ATP dapat diperoleh oleh mikroorganisme melalui hidrolisa. Energi yang diperoleh dari melalui proses atau reaksi kimia disebut sebagai free energy atau energi bebas (G). Pada reaksi yang melepaskan energi, maka harga G adalah negatif, sedangkan pada reaksi yang memerlukan energi, maka harga G adalah positif.  Energi hasil metabolisme disimpan oleh mikroorganisme dalam bentuk senyawa phosporyl.

ATP terbentuk dari reaksi antara adenosine 5′-diphospate (ADP) dengan phospat anorganik, membentuk ikatan phosporyl sebagai berikut (Horan, 1991):

ADP^3- + P_i + H⁺ → ATP^4- +H₂O ΔG= +30 kJ/mol (1)

Reaksi diatas menunjukkan proses katabolisme, yaitu proses penguraian zat untuk membebaskan energi kimia sebesar 30 kJ yang tersimpan dalam senyawa organik.

ATP yang telah tersintesa tersebut disimpan di dalam sel untuk digunakan bila diperlukan. Energi yang tersimpan tersebut dikeluarkan melalui hidrolisa ikatan phosporyl dalam suatu reaksi yang merupakan kebalikan dari reaksi (1), yaitu sebagai berikut:

ATP^4- +H₂O → ADP^3- + P_i + H⁺ ΔG= -30 kJ/mol (2)

Reaksi diatas merupakan proses anabolisme, yaitu pembentukan molekul yang kompleks dengan menggunakan energi sebesar 30 kJ/mol. Kedua reaksi di atas terjadi karena katalisa enzim ATP-ase.

Reaksi redoks dalam proses metabolisme

1. akseptor electron dan pendonor electron

Zat organik yang berfungsi sebagai substrat yang digunakan sebagai sumber energi dan pertumbuhan disebut sebagai electron donor, sedangkan energi yang diperoleh oleh mikroorganisme tersebut dapat dilepas atau digunakan untuk bereaksi dengan electron acceptor.

Reaksi oksidasi akan menghasilkan energi yang berasal dari energi bebas yang dilepaskan. Sabagai contoh, oksidasi senyawa AH₂ berlangsung sebagai berikut:

AH₂ → A + 2H⁺ + 2e^- ΔG= -energi (3)

Contoh reaksi oksidasi yaitu oksidasi yang dilakukan oleh bakteri Thiobacillus ferooxidans atau Gallionella ferruginosa dalam mengoksidasi ferro menjadi feri, sebagai berikut: Fe²⁺ → Fe³⁺ + e^-. Ion feri kemudian membentuk feri hidroksida yang tidak larut dalam air dan membentuk endapan.

Reaksi reduksi akan memerlukan input energi supaya proses reduksi dapat berlangsung. Conto reduksi B dapat terjadi sebagai berikut:

B + 2H⁺ + 2e^- → BH₂ ΔG= +energi (4)

Pada reaksi redoks, reaksi oksidasi atau reduksi harus berpasangan. Dalam kasus ini, reaksi AH₂/A dan B/BH₂, masing-masing disebut reaksi setengah sel atau pasangan redoks. Reaksi pasangan redoks diatas dapat dtuliskan sebagai berikut:

AH₂ B

A                     BH₂

Dalam kaitannya dengan degradasi kontaminan, secara konseptual,bila reaksi 3 dan 4 dijumlahkan dapat ditulis sebagai berikut:

Kontaminan + X_oks → Produk + X_red ΔG= ±energi

Potensi untuk melakukan reaksi oksidasi atau reduksi dari suatu pasangan reaksi di atas disebut sebagai potensial redoks (E₀). Tabel 3 menyajikan potensial redoks standar dari reaksi setengah sel yang umumnya terjadi dalam reaksi redoks biologis.

Tabel 3. Potensial redoks standar untuk reaksi setengah sel dari reaksi yang terjadi di dalam proses metabolisme

Reaksi setengah sel	Potensial Redoks* (mV)
1/2O2 + 2H+ + 2e → H2O	+816
Fe3+ + e → Fe2+	+771
Cytochrome a Fe3+ → Cytochrome a Fe2+	+290
Cytochrome b Fe3+ → Cytochrome b Fe2+	+80
Fumarat + 2H+ + 2e → Succinate	+31
Acetaldehyde + 2H+ +2e → Ethanol	-163
Pyruvate + 2H+ +2e → Lactate	-190
NAD+ + 2H+ +2e → NADH + H+	-320
NADP+ + 2H+ +2e → NADPH + H+	-320
CO2 + 2H+ + 2e → Formate	-420
H+ + e → 1/2H2	-420
Acetate + 2H+ + 2e → Acetaldehyde	-600

Catatan: Pada pH = 7 dan temperatur 30^oC

NAD   = nicotinamide adenise dinucleotida group

NADP = nicotinamide adenise dinucleotida phosphate

Sumber : Horan, 1991

Energi netto yang diperoleh dari reaksi pasangan redoks dapat dihitung berdasarkan persamaan sebagai berikut:

ΔG= -n F E₀ (Horan, 1991)

Keterangan:      ΔG  = perubahan energi dari bebas standar (kJ/mol)

n     = jumlah elektron yang ditransfer dalam reaksi

ΔE₀ = perubahan potensial redoks (V)

F     = konstanta Faraday = 96.649 kJ/V.mol

1. Phosphorilasi dan chemiosmoitis

Reaksi penghasil energi oleh dan bagi mikroorganisme dapat dilakukan dengan dua mekanisme:

1.      Phosphorilasi pada tingkat substrat

Beberapa mikrorganisme mampu melakukan sintesa ATP dengan melakukan phosphorilasi substrat, seperti disajikan dalam Tabel 4.

Tabel 4. Reaksi sintesa ATP dengan phosporilasi substrat pada kondisi anaerobik

Reaksi Sintesa	Enzim Aktif	ΔG (kcal/mol)
1,3 – Biphosphoglycerate + ADP → 3-Phosphoglycerate + ATP	Phosphoglycerate kinase	-5.8
Phosphoenolpyruvate + ADP → Pyruvate + ATP	Pyruvate kinase	-5.7
Acetyl phosphate + ADP → Acetate + ATP	Acetate kinase	-3.1
Butyryl phosphate + ADP → Butyrate + ATP	Butyrate kinase	-3.1
Carbanyl phosphate + ADP → Carbamate + ATP	Carbonate kinase	-1.8
N10 – Foryl FH4 + ADP + P → Formate + FH4 + ATP	Formyl FH4 synthetase	+2.0

*1 kJ/mol = 0.239 kcal/mol. Sumber: Horan, 1991

2.      Proses chemiosmotic

Proses chemiosmotic diusulkan oleh Mitchel (1966) yang menerangkan bahwa mekanisme transfer proton dan elektron melewati dinding sel yang bersifat sebagai membran. Teori ini menganggap bahwa terdapat gradien elektrokimia dalam bentuk gradien pH dan potensial elektris antara bagian luar membran sel dan bagian dalamnya, dan enzim ATPase yang mengkatalis reaksi tersebut berada dalam membran. Jumlah gradien ΔH⁺ (dalam bentuk ΔpH) dan potensi elektrik membran (Δψ) disebut sebagai “proton motive force” yang dapat diketahui berdasarkan persamaan sebagai berikut:

ΔP = Δψ -2.3 RTΔpH/F

Keterangan:

ΔP = proton motive force (mV).Tipikal:-100 sampai +300 mV (Horan, 1991)

R   = konstanta gas (8.314 J/K mol)

T   = temperatur absolut (^oK)

F   = konstanta Faraday (96.649 kJ/V.mol)