Komunitas mikroba anaerobik dan fungsinya dapat memberikan informasi tentang praktik pengelolaan limbah, serta mengungkap metabolisme degradasi baru yang dapat digunakan dalam pengolahan air limbah. Penelitian ini ditujukan untuk industri minyak kelapa sawit yang berkelanjutan dengan menilai evolusi mikroba selama pemrosesan fermentasi gelap lumpur anaerobik minyak kelapa sawit dan limbah pabrik kelapa sawit (POME) dalam mode batch selama dua bulan dengan waktu inkubasi yang berbeda selama 24 jam. Proses ini dirancang menggunakan metodologi permukaan respons (RSM) dengan aklimatisasi inokulum menggunakan POME dengan kebutuhan oksigen kimia (COD) 36 g-COD/l. Pengaruh kondisi mesofilik dan termofilik serta pH pada penghilangan COD, kandungan hidrogen, dan hasil hidrogen (HY) diselidiki. Sampel potensial dipilih untuk analisis mikroba setelah bulan pertama dan kedua operasi berdasarkan hasil maksimum yang dicapai selama percobaan. Komunitas bakteri pada pH 5,6 dan suhu 55 ◦C dengan kandungan hidrogen maksimum 64,13 %, dan HY 0,93 ml H2/g-COD didominasi oleh tiga filum: Firmicutes, Actinobacteria, dan Bacteroidota. Hasil yang diperoleh dari pyrosequencing throughput tinggi menunjukkan bagaimana periode aklimatisasi mempengaruhi struktur komunitas mikroba terhadap filum Firmicutes, yang mencakup sebagian besar mikroorganisme penghasil hidrogen.

Produksi bioenergi dari limbah organik menjadi bagian penting dari pengembangan energi berkelanjutan. Sebagian besar produksi minyak sawit Malaysia adalah minyak sawit mentah (CPO), yang diproduksi setiap tahunnya dengan laju 13 juta ton per tahun. Diproyeksikan bahwa sekitar 1,5 ton limbah cair pabrik kelapa sawit (POME) diproduksi per ton tandan buah segar (TBS) selama ekstraksi minyak sawit. POME adalah air limbah berwarna kecoklatan yang kental dengan jumlah kebutuhan oksigen kimia (COD) dan kebutuhan oksigen biologis (BOD) yang tinggi yang didefinisikan sebagai jumlah oksigen yang dibutuhkan untuk mengoksidasi senyawa kimia atau menguraikan bahan organik secara biologis oleh mikroorganisme, yang dapat menyebabkan pencemaran lingkungan yang parah, terutama pencemaran sumber daya air.

Sebanyak tiga sampel lumpur telah dikirim ke lab eksternal untuk diekstraksi untuk DNA genomik dengan sequencing generasi berikutnya (NGS). Sebagai bagian dari proses pemurnian DNA, gel agarosa, spektrofotometer, dan kuantifikasi fluorometrik digunakan untuk melakukan kontrol kualitas (QC) sampel DNA. Sampel DNA yang lolos kontrol kualitas sampel DNA kemudian dikenakan kontrol kualitas reaksi berantai polimerase (PCR) amplikon. Untuk sampel PCR amplikon yang gagal, pemurnian DNA (misalnya presipitasi etanol atau penghilangan inhibitor PCR) akan disediakan sebagai layanan tambahan. Sebagai bagian dari pedoman persiapan pustaka metagenomik 16S Illumina, sampel DNA yang lolos QC PCR amplikon akan disiapkan menjadi pustaka amplikon menggunakan PCR 2-Langkah. Untuk mengevaluasi kualitas pustaka amplikon yang dibangun, Agilent Bioanalyzers dan metode berbasis fluoresensi digunakan. Sebagai hasil dari QC pustaka, pustaka yang lolos selanjutnya diurutkan dengan platform Illumina MiSeq. DNA genomik diekstraksi menggunakan kit komersial FastDNA™ Spin Soil Kit (MP Biomedicals). Kualitas DNA yang dimurnikan pertama-tama dipantau pada gel agarosa TAE 1%. Semua reaksi PCR dilakukan dengan KOD -Multi & Epi-® (Toyobo). Pustaka yang dinormalisasi dan dikumpulkan diurutkan menggunakan platform MiSeq menggunakan 300 PE menurut protokol Illumina.

Dari hasil penelitian ini, dipostulatkan bahwa Bacteroidetes adalah bakteri proteolitik yang berkontribusi terhadap degradasi protein menjadi VFA, dengan sebagian besar komposisinya terlibat dengan produksi asam asetat. Bentuk distribusi bakteri berbeda pada dua periode aklimatisasi. Kelimpahan relatif Actinobacteria meningkat pada periode primer di bulan pertama operasi, sementara Firmicutes dan Actinobacteria sebagian besar ada dalam filum kekayaan, dan Bactrioidite menurun seiring waktu operasional. Setelah dua bulan aklimatisasi di bawah parameter operasional tertentu, kelimpahan Bacteroidia (Bacteroidales dan Prevotella) 6%, Firmicutes (Clostridia dan Negativicutes) 72%; dan Actinibacteria 23%, masing-masing diperoleh seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6c.

Menarik untuk dicatat bahwa Firmicutes dengan kelimpahan 72% mendominasi selama tahap percobaan, mungkin karena tingginya jumlah kandungan karbohidrat setelah periode operasi yang lama. Sebagian besar sampel terdiri dari Bacillus sp. yang termasuk dalam genus Enterococcus, dengan aktivitas metabolisme yang luas dan kecenderungan untuk menghasilkan asam laktat dan asam asetat, yang sejalan dengan peningkatan hasil hidrolisis dan kelimpahan asam laktat dan asam asetat dalam sampel [35]. Fermentasi karbohidrat dan produksi asam asetat dilakukan oleh Lactobacillus sp. dan Clostridium sp. Menarik untuk dicatat bahwa Bacilli lebih berlimpah setelah inkubasi yang lebih lama. Bifidobacterium sp. yang berkontribusi terhadap produksi asam asetat dan asam propionat meningkat dari 9% menjadi 15% setelah dua bulan operasi seperti yang ditunjukkan pada plot Krona pada Gambar 6b dan c. Limosilactobacillus fermentum mungkin telah mencapai fermentasi yang efisien, pH rendah, dan peningkatan produksi asam laktat dan asam asetat selama produksi biogas karena laju pertumbuhan yang cepat, dan kemampuan untuk memanfaatkan pentosa. Dalam penelitian ini, Limosilactobacillus dengan kelimpahan 26% dicapai melalui produksi bio-hidrogen, yang mungkin menghasilkan asam asetat, dan tumbuh dengan cepat. Hal ini dapat disebabkan oleh aktivitas produksi H 2 yang lebih tinggi, sesuai dengan data eksperimen yang diperoleh pada bulan kedua operasi dengan kandungan hidrogen maksimum 64–66%

Kesimpulan

Penelitian ini menguji keragaman mikroba dalam operasi mode batch menggunakan limbah pabrik kelapa sawit sebagai substrat. Percobaan dirancang dan dilakukan dengan desain komposit pusat dan metodologi permukaan respons selama dua bulan operasi. Analisis komunitas mikroba diprofilkan menggunakan kurva refraksi, struktur komunitas mikroba, diagram Venn dan plot Krona. Komunitas mikroba selama produksi hidrogen dari limbah pabrik kelapa sawit pada pH dan suhu yang terkontrol didominasi oleh Firmicutes dan Actinibacteria yang diidentifikasi sebagai filum yang mendominasi sebagai Clostridium, Lactobacillus, Limosilactobacillus, dan Bifidobacterium. Dari analisis mikroba, diidentifikasi bahwa periode aklimatisasi yang lebih lama dapat mengalami aktivitas produksi hidrogen yang lebih tinggi, yang sejalan dengan data eksperimen yang diperoleh pada bulan kedua operasi dengan kandungan hidrogen 64% dan penghapusan COD 24% pada pH 5,6 dan kondisi termofilik. Kondisi operasi yang beragam ini dapat membantu memperkaya produsen hidrogen asidogenik yang kuat, yang memengaruhi pemilihan dan distribusi bakteri dominan serta jalur metabolisme hidrolisis dan asidogenesis yang lebih cepat.

Penulis: Lilik Jamilatul Awalin, ST, SPd, MT, PhD.

Informasi detail dari riset ini dapat dilihat pada tulisan kami di:
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0960148124017452