Pemanasan global (global warming) telah menjadi sorotan utama berbagai masyarakat dunia, terutama negara yang mengalami industrialisasi dan pola konsumsi tinggi (gaya hidup konsumtif). Pemanasan global adalah kejadian meningkatnya temperatur rata-rata atmosfer, laut dan daratan bumi.

Pendahuluan

Pada saat ini, bumi menghadapi pemanasan yang cepat, yang oleh para ilmuan dianggap disebabkan aktivitas manusia. Penyebab utama pemanasan ini adalah pembakaran bahan bakar fosil, seperti batu bara, minyak bumi, dan gas alam, yang melepas karbondioksida dan gas-gas lainnya yang dikenal sebagai gas rumah kaca ke atmosfer. Ketika atmosfer semakin kaya akan gas-gas rumah kaca ini, ia semakin menjadi insulator yang menahan lebih banyak panas dari matahari yang dipancarkan ke bumi (http://id.wikipedia.org, diakses tanggal 6 Agustus 2008).  Penghasil terbesar gas-gas tersebut adalah negeri-negeri industri seperti Amerika Serikat, Inggris, Rusia, Kanada, Jepang, dan China. Ini diakibatkan oleh pola konsumsi dan gaya hidup masyarakat negera-negara utara yang 10 kali lipat lebih tinggi dari penduduk negara selatan. Untuk negara-negara berkembang meski tidak besar, ikut juga berkontribusi dengan skenario pembangunan yang mengacu pada pertumbuhan.

Meningkatnya temperatur global diperkirakan akan menyebabkan perubahan-perubahan yang lain seperti naiknya muka air laut, meningkatnya intensitas kejadian cuaca yang ekstrim, serta perubahan jumlah dan pola presipitasi. Akibat-akibat pemanasan global yang lain adalah terpengaruhnya hasil pertanian, hilangnya gletser dan punahnya berbagai jenis hewan.

Di Indonesia, meningkatnya suhu ini, ternyata telah menimbulkan makin banyaknya wabah penyakit endemik “lama dan baru” yang merata dan terus bermunculan; seperti leptospirosis, demam berdarah, diare, dan malaria. Padahal penyakit-penyakit seperti malaria, demam berdarah dan diare adalah penyakit lama yang seharusnya sudah lewat dan mampu ditangani dan kini telah mengakibatkan ribuan orang terinfeksi dan meninggal. Selain itu, ratusan desa di pesisir Jatim terancam tenggelam akibat naiknya permukaan air laut pada bulan Mei 2007 (http://www.kompas.com).

Bertitik tolak dari hal tersebut, maka diperlukan upaya antisipasi untuk mencegah terjadinya pemanasan global yang lebih ekstrim lagi. Hal ini bisa dilakukan dengan berbagai cara, salah satunya adalah dengan memanfaatkan mikroalga. Mikroalga diketahui mempunyai peranan yang cukup penting terkait dengan pemanasan global.

Maksud Dan Tujuan

Penulisan artikel ini dimaksudkan untuk memberikan informasi yang cukup mengenai pemanasan global sekaligus mengkaji peranan mikroalga dalam mengantisipasi dan mereduksi pemanasan global. Diharapkan bahwa tulisan ini membantu kita untuk memahami dengan lebih baik kompleksitas permasalahan tersebut dan bagaimana mikroalga mampu menjawab permasalahan tersebut.

Proses Terjadinya Pemanasan Global

Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) menyatakan bahwa, sebagian besar peningkatan temperatur rata-rata global sejak pertengahan abad ke-20 kemungkinan besar disebabkan oleh meningkatnya konsentrasi gas-gas rumah kaca akibat aktivitas manusia melalui efek rumah kaca. Kesimpulan dasar ini telah dikemukakan oleh setidaknya 30 badan ilmiah dan akademik, termasuk semua akademi sains nasional dari negara-negara G8. Akan tetapi, masih terdapat beberapa ilmuwan yang tidak setuju dengan beberapa kesimpulan yang dikemukakan IPCC tersebut.

Emisi berupa gas yang keluar melalui cerobong asap pada industri batubara menghasilkan gas asam-arang dan gas rumah kaca lainnya yang dicurigai meningkatkan temperatur, dan ini juga merupakan sumber oksida belerang, (SO2 dan SO3) dan oksida nitrogen, NOX (NO dan NO2) ( Rao dan Rao 1996). Konsentrasi SOx di atmosfir tergantung pada kandungan belerang yang digunakan dalam bahan bakar. Sekitar 80% belerang di dalam batubara ditemukan dalam bentuk dioksida belerang ( SO2) dan belerang trioxide ( SO3) ( Rao Dan Rao 1996).

SO2 dilepaskan ke udara secara normal dioksidasi oleh suatu rangkaian reaksi kimia sebagai SO3. Ada beberapa reaksi potensial yang dapat berperan untuk oksidasi dioksida belerang di atmosfir, salah satunya adalah fotooksidasi SO2 oleh cahaya ultraungu. Reaksi ini telah ditemukan memberikan kontribusi kepada pembentukan asam belerang. Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut ( Wedzicha 1984):

(1) 2SO2 + O2 2SO3

(2) SO3 + H2O H2SO4

Reaksi (2) terjadi dengan cepat, oleh karena itu pembentukan SO3 ( hidrofil asam) di atmosfir yang lembab diasumsikan mendorong reaksi kearah pembentukan asam belerang tersebut.

Pemisahan dioksida belerang terjadi dengan suatu proses berikut:

(1a) SO2 (g) + H2O (l) SO2 . H2O (aq)

(1b) SO2 . H2O (aq) H+ + HSO3- pK1 = 1.76

(2) HSO3- (aq) H+ + SO32- pK1 = 7.21

Pada fase aquaeus, sulfur dioxide terdiri atas 3 jenis:

[S (IV)] = [SO2. H2O)] + [HSO3- ] + [SO32- ]

Reaksi diatas terjadi bergantung pada pH, droplet ukuran, dan lain lain. Hukum Keseimbangan Henry akan mampu membuat reaksi tersebut bisa bergeser ke kanan atau ke kiri ( Babich Dan Stotzky 1980).

Emisi gas-gas tersebut telah menyebabkan perubahan iklim secara global. Model iklim yang dijadikan acuan oleh projek IPCC menunjukkan temperatur permukaan global akan meningkat 1.1 hingga 6.4 °C (2.0 hingga 11.5 °F) antara tahun 1990 dan 2100. Adanya beberapa hasil yang berbeda diakibatkan oleh penggunaan skenario-skenario berbeda pula dari emisi gas-gas rumah kaca di masa mendatang juga akibat model-model dengan sensitivitas iklim yang berbeda pula. Walaupun sebagian besar penelitian memfokuskan diri pada periode hingga 2100, pemanasan dan kenaikan muka air laut diperkirakan akan terus berlanjut selama lebih dari seribu tahun jika tingkat emisi gas rumah kaca telah stabil. Ini mencerminkan besarnya kapasitas panas dari lautan.

Namun, lautan yang makin panas itu suatu saat juga mungkin tidak mampu lagi untuk menyerap karbon dioksida (CO2) dari atmosfir bumi. Pada saat yang sama, jumlah pepohonan yang mampu menyerap karbon dioksida semakin berkurang akibat perambahan hutan untuk diambil kayunya maupun untuk perluasan lahan pertanian. Dengan demikian, walaupun lautan dan proses alam lainnya mampu mengurangi karbondioksida di atmosfer, aktivitas manusia yang melepaskan karbondioksida ke udara jauh lebih cepat dari kemampuan alam untuk menguranginya.

Pada tahun 1750, terdapat 281 molekul karbon dioksida pada satu juta molekul udara (281 ppm). Pada Januari 2007, konsentrasi karbon dioksida telah mencapai 383 ppm (peningkatan 36 persen). Jika prediksi saat ini benar, pada tahun 2100, karbondioksida akan mencapai konsentrasi 540 hingga 970 ppm. Estimasi yang lebih tinggi malah memperkirakan bahwa konsentrasinya akan meningkat tiga kali lipat bila dibandingkan masa sebelum revolusi industri.

Dampak pemanasan global

Pemanasan global dapat mengakibatkan dampak yang luas dan serius bagi lingkungan bio-geofisik seperti :

a) pelelehan es di kutub,

b) kenaikan muka air laut,

c) perluasan gurun pasir,

d) peningkatan hujan dan banjir,

e) perubahan iklim,

f) punahnya flora dan fauna tertentu,

g) migrasi fauna dan hama penyakit, dsb.

Sedangkan dampak bagi aktivitas sosial-ekonomi masyarakat meliputi :

a) gangguan terhadap fungsi kawasan pesisir dan kota pantai,

b) gangguan terhadap fungsi prasarana dan sarana seperti jalan, pelabuhan dan bandara

c) gangguan terhadap permukiman penduduk,

d) pengurangan produktivitas lahan pertanian,

e) peningkatan resiko kanker dan wabah penyakit, dsb.

Mikroalga dan Peranannya dalam Antisipasi pemanasan global

Mikroalga

Dengan memperhatikan dampak pemanasan global yang memiliki skala nasional dan dimensi waktu yang berjangka panjang, maka upaya untuk mencegah terjadinya pemanasan global yang lebih ekstrim menjadi sangat penting. Terdapat berbagai upaya antisipasi dan pencegahan, namun artikel ini akan lebih menfokuskan pada peranan mikroalga terkait dengan hal tersebut.

Mikroalga adalah mikroorganisme nabati yang hidup melayang-layang di dalam air, relatif tidak mempunyai daya gerak sehingga keberadaannya dipengaruhi oleh gerakan air serta mampu berfotosintesis (Davis, 1951). Mikroalga umumnya bersel satu atau berbentuk benang, sebagai tumbuhan dan dikenal sebagai fitoplankton. Fitoplankton memiliki zat hijau daun (klorofil) yang berperan dalam fotosintesis untuk menghasilkan bahan organik dan oksigen dalam air. Sebagai dasar mata rantai pada siklus makanan di laut, fitoplankton menjadi makanan alami bagi zooplankton baik masih kecil maupun yang dewasa. Selain itu juga dapat digunakan sebagai indikator kesuburan suatu perairan. Namun fitoplankton tertentu mempunyai peran menurunkan kualitas perairan laut apabila jumlahnya berlebihan. Contoh kelas dinoflgellata tubuhnya memiliki kromatopora yang menghasilkan toksin (racun), dalam keadaan blooming dapat mematikan ikan. Dewasa ini fitoplankton telah banyak dimanfaatkan untuk berbagai keperluan manusia antara lain bidang :

- Bidang perikanan

Sebagai makanan larva ikan, dilakukan melalui isolasi untuk mendapatkan satu spesis tertentu, misalnya Skeletonema. Kemudian dibudidayakan pada bak-bak terkontrol pada usaha pembibitan ikan untuk keperluan makanan larva ikan.

- Industri farmasi dan makanan suplemen

Fitoplankton yang mempunyai kandungan nutrisi yang tinggi digunakan sebagai makanan suplemen bagi penderita gangguan pencernaan dan yang membutuhkan energi tinggi. Contoh produk yang beredar dari jenis Chlorella.

- Pengolahan limbah logam berat

Dalam pengolahan limbah logam berat fitoplankton dapat digunakan untuk mengikat logam dari badan air dan mengendapkannya pada dasar kolam.

- Sumber energi alternatif-biodiesel .

Peranan Mikroalga dalam Antisipasi Pemanasan Global

a. Reduksi CO2, Sox, dan Nox

Danielo (2005) melaporkan dari hasil penelitian menunjukkan bahwa selama periode 7 hari pengukuran, bioreactors mikroalga mampu mengurangi oksida sulfur hingga 85.9%, CO2 82.3% pada saat cuaca cerah, dan 50.1% pada saat cuaca mendung. Metoda Test yang digunakan disesuaikan kepada standard yang dikenakan Environmental Protection Agency ( EPA). Pada penelitian sebelumnya diketahui mikroalga mampu mengurangi emisi CO2 sebesar 5% dan NOX 70%. Sistem dapat digunakan pada garis lintang dimana paparan matahari lemah. Secara teoritis mikroalga mampu menangkap CO2 hingga 90%, tetapi batasan teknologi dan keuangan harus diperhitungkan.

Fotosintesis Mikroalga

Fotosintesis berasal dari bahasa Yunani “Foto” yang berarti menerangi dan ” sintese” yang berarti membuat sesuatu. Suatu contoh alami terjadinya reaksi biologi oxidation-reduction adalah proses fotosintesis. Ini merupakan suatu proses yang sangat kompleks yang dilaksanakan oleh mikroalga dan tumbuhan hijau. Organisme ini bisa memanfaatkan energi yang terdapat pada cahaya matahari, dan melalui satu rangkaian reaksi oxidation-reduction menghasilkan oksigen dan karbohidrat ( Karube et al. 1992).

CO2 + H2O + Energi [Cahaya] ( CH2O)N+ O2

Persamaan ini adalah hasil dari dua proses. Satu proses melibatkan pemisahan air, yang merupakan suatu proses oxidative yang memerlukan cahaya. Reaksi ini ditulis:

12 H2O+ [Cahaya] Atau Energi radiasi 6O2+ 24 H++ 24e-

Oksidasi hidrogen merupakan suatu reaksi pengurangan menghasilkan suatu senyawa yang disebut Nicotinamide Adenine Dinucleotide Fosfat (NADPH). Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut :

NADP++ H2 NADPH + H++ O

Reaksi pembentukan NADPH bersama reaksi lain menghasilkan pembentukan suatu senyawa yang disebut Adenosine Triphosphate (ATP). Reaksi ini melibatkan penambahan suatu fosfat membentuk Adenosine Diphosphate ( ADP). Energi cahaya yang ditangkap, disimpan dalam wujud ikatan kimia campuran seperti NADPH dan ATP. Energi yang terdapat dalam NADPH dan ATP kemudian digunakan untuk mereduksi gas asam-arang menjadi glukosa ( C6H12O6).

Toleransi mikroalga terhadap CO2

Mikroalga telah dibuktikan sebagai pemakai gas asam-arang yang paling produktif, yang dapat tumbuh dalam berbagai kondisi lingkungan. Untuk mengurangi emisi CO2, berbagai kultur mikroalga telah digunakan. Hamasaki et al. ( 1994) melakukan pengujian terhadap Nannochloropsis salina, strain NANNP-2, Phaeodactylum Tricornutum, strain PHAEO-2 dan Tetraselmis sp, strain T-S3 dalam 10% CO2 dan N2 pada suhu 25°C di dalam rumah dan di luar pada corong asap. Murakami dan Ikenouchi ( 1997) juga berhasil mengisolasi dua strain alga hijau, yaitu Chlorella UK001 dan Chlorella littorale dan dilaporkan mampu memfiksasi CO2 sampai 1g CO2/l/hari. Chlorella UK001, yang merupakan microalga unicellular, telah dilaporkan mampu tumbuh pada tingkatan CO2 40%, pada temperatur maksimum 30°C ( Hirata et al. 1996). Okano (1999) juga mengisolasi Microalga dari Teluk Beaver dan menguji kultur itu pada bermacam-macam temperatur, cahaya dan konsentrasi CO2. Kultur tersebut mampu tumbuh pada temperatur berkisar antara 25°C – 37°C, intensitas cahaya berkisar antara 45 – 141 µmol/m2-s, dan konsentrasi CO2 kurang lebih 20%.

Yanagi et al. (1995) meneliti pengaruh 50 ppm NOx dan SOx dan 10% CO2 pada pertumbuhan Chorella HA-1, pada 380 µmol/m2-s pada temperatur 26°C. Chorella HA-1 tidak mentoleransi 50 PPM SO2 dan tidak juga terpengaruh oleh penambahan NO atau NO2. Sakai et al. ( 1995) Chlorella unicellular yang diiisolasi dari Jepang memperlihatkan laju pertumbuhan spesifik paling tinggi pada temperatur 42°C dan 40% konsentrasi CO2.

b. Bioenergi

Dalam konteks perubahan iklim global, biodiesel kini diperkenalkan sebagai alternatif energi yang dapat diperbaharui. Saat ini, banyak riset dilaksanakan terhadap mikroalga yang ternyata kaya akan minyak. Pada skala industri, bioreactors dengan menggunakan mikroalga untuk menjerat CO2 dan NOX telah dikembangkan di Amerika Serikat.

Biomassa mikroalga selain mengandung protein, karbohidrat dan vitamin juga mengandung minyak. Bahkan jenis mikroalga tertentu, misal Botrycoccus braunii memiliki kandungan minyak yang komposisinya mirip seperti tanaman darat dengan jumlah yang lebih tinggi bila dibanding dengan kandungan minyak pada kelapa, jarak dan sawit. Budidaya dan pemanfaatan mikroalga untuk tujuan komersial telah berkembang dengan pesat, dan seiring dengan munculnya krisis energi yang diakibatkan oleh mahalnya bahan bakar fosil, maka penelitian untuk menggunakan mikroalga sebagai sumber energi alternatif, intensif dilakukan para peneliti mulai awal tahun 1980an. Mikroalga potensial penghasil biodiesel memiliki kandungan minyak yang komposisinya mirip seperti tanaman darat, bahkan untuk jenis tertentu mempunyai kandungan minyak cukup tinggi melebihi kandungan minyak tanaman darat, seperti kelapa, jarak dan sawit.

Mikroalga seperti Botrycoccus braunii, Dunaliella salina, Chlorella vulgaris, Monalanthus salina mempunyai kandungan minyak berkisar 40 – 85% (sementara untuk kelapa hanya mengandung minyak sekitar 40 – 55%, jarak mempunyai kandungan minyak 43 – 58% , dan untuk sawit berkisar 45 – 70%. Borowitzka. (1998) dan Pootet (2006). Semua jenis alga memiliki komposisi kimia sel yang terdiri dari protein, karbohidrat, lemak (fatty acids) dan nucleic acids. Persentase keempat komponen tersebut bervariasi tergantung jenis alga. Ada jenis alga yang memiliki komponen fatty acids lebih dari 40%. Dari komponen fatty acids inilah yang akan diekstraksi dan diubah menjadi biodiesel. Secara teoretis, produksi biodiesel dari alga dapat menjadi solusi yang realistik untuk mengganti solar. Hal ini karena tidak ada feedstock lain yang cukup memiliki banyak minyak sehingga mampu digunakan untuk memproduksi minyak dalam volume yang besar. Tumbuhan seperti kelapa sawit dan kacang-kacangan membutuhkan lahan yang sangat luas untuk dapat menghasilkan minyak supaya dapat mengganti kebutuhan solar dalam suatu negara. Hal ini tidak realistik dan akan mengalami kendala apabila diimplementasikan pada negara dengan luas wilayah yang kecil.

Berdasarkan perhitungan, pengolahan alga pada lahan seluas 10 juta acre (1 acre = 0.4646 ha) mampu menghasilkan biodiesel yang akan dapat mengganti seluruh kebutuhan solar di Amerika Serikat (Oilgae.com, 26/12/2006). Luas lahan ini hanya 1% dari total lahan yang sekarang digunakan untuk lahan pertanian dan padang rumput (sekitar 1 milliar acre). Diperkirakan alga mampu menghasilkan minyak 200 kali lebih banyak dibandingkan dengan tumbuhan penghasil minyak (kelapa sawit, jarak pagar, dll) pada kondisi terbaiknya. Hasil riset National Renewable Energy Laboratory Colorado menunjukkan bahwa untuk luasan areal yang sama mikroalga dapat menghasilkan minyak 30 kali lebih banyak dibandingkan tanaman darat. Hasil penelitian Shifrin pada tahun 1984 diperoleh bahwa rata-rata produktivitas mikroalga dapat mencapai 15-25 gram/m2/hari. Nilai produktivitas ini masih 10% dibawah teori hitungan maksimumnya.

Berdasarkan hal tersebut, jika diasumsikan, rendemen minyak dalam mikroalga misalnya 30-50% dan waktu efektif 300 hari, maka untuk satu hektar lahan budidaya dalam satu tahun akan dihasilkan minyak sebanyak 15,8 – 37,5 ton. Hasil ini jauh lebih tinggi jika dibandingkan tanaman darat misalnya jarak 1,5 ton/hektar tahun atau sawit 3,3 – 6,0 ton/hektar/tahun. Biodiesel dapat dihasilkan dari berbagai sumber bahan yang terbaharukan baik tumbuhan maupun hewan. Solar dari minyak tumbuhan/hewan ini diperoleh melalui proses transestrifikasi, yaitu dengan cara memanaskan pada suhu tertentu campuran alkohol dan minyak nabati dengan bantuan katalis basa atau asam misalnya NaOH atau H2SO4. Katalis basa proses reaksinya lebih cepat, namun katalis basa dapat menyebabkan terbentuknya sabun sehingga rendemen biodiesel menjadi berkurang. Keuntungan biodiesel dibandingkan dengan solar konvensional antara lain adalah lebih ramah lingkungan, seperti bersifat biodegradable, dan nilai emisinya rendah.

Penutup

Dengan mempertimbangkan bahwa Indonesia adalah negara kepulauan dan terletak di daerah tropis, maka kita mempunyai luasan perairan dan kemelimpahan jenis mikroalga yang sangat besar. Didukung dengan tingkat penguasaan teknologi budidaya alga yang telah berkembang di Indonesia, serta banyaknya peneliti energi alternatif yang kita miliki, semestinya kita secara serius menggarap pemanfaatan Mikroalga sebagai salah satu pilihan sumber alternatif biodiesel yang potensial sekaligus sebagai cara untuk mencegah terjadinya pemanasan global yang lebih serius lagi.

REFERENSI

Fogg, G.E., 1975. Algal cultures and phytoplankton ecology. The University of Wisconsin Press, Wisconsin.

Hamasaki, A., Shioji, N., Ikuta, Y., Hukuda, Y., Makita, T., Hirayama, K., Matuzaki, H., Tukamoto, T, and Sasaki, S. (1994). Carbon Dioxide Fixation by Microalgal Photosynthesis Using Actual Flue Gas from a Power Plant. Applied Biochemistry and Biotechnology, 45-46, 799-809.

Hirata, S., Hayashitani, M., Taya, M., and Tone, S. (1996). Carbon Dioxide Fixation in Batch Culture of Chlorella sp. Using a Photobioreactor with a Sunlight-Collection Device. Journal of Fermentation and Bioengineering, 81(5), 470-472

Karin Larsdotter, 2006. Microalgae for phosphorus removal from wastewater in a Nordic climate. A doctoral thesis from the School of Biotechnology, Royal Institute of Technology, Stockholm, Sweden. ISBN: 91-7178-288-5

Karube, I., Takeuchi, T., and Bares, D. J. (1992). Biotechnological Reduction of CO2 Emissions. Advances in Biochemical Engineering/Biotechnology, 46, 63-79.

Murakami, M., and Ikenouchi, M. (1997). The Biological CO2 Fixation and Utilization Project by Rite (2) – Screening and Breeding of Microalgae with High Capability in Fixing CO2. Energy Conversion Management, 38, 493-497.

Okano, L. (1999). Photosynthetic Algal Culture Technology for Carbon Dioxide Emission Control and Growing of Renewable Fuels. Masters Thesis, Arizona State University, Department of Civil Engineering, Tempe.

Olivier Danielo, 2005. An algae-based fuel Biofutur, No. 255 / May 2005.

Oliver, R.L. dan G.G. Ganf, 2000. Freshwater blooms. In: B.A. Whitton and M. Potts (Eds), The ecology of cyanobacteria: their diversity in time and space, Kluwer, Dordrecht, 149‐194.

www.oilgae.com/algae/oil/biod/cult/cult.html, Cultivation of Algae Strains for Biodiesel, 26/12/2006.

Yanagi, M., Watanabe, Y., and Saiki, H. (1995). CO2 Fixation by Chlorella sp. HA-1 and its Utilization. Energy Conversion Management, 36, 713-716.