Metabolisme mikroba dan gas yang dihasilkannya: enzim dan energi, respirasi aerob dan anaerob, fermentasi, daur nitrogen dan sulfur, hidrogen sulfida dan metana di saluran, perangkap lemak, dan tangki septik, dan bahaya ruang terbatas

Ruang pompa buangan dapur sebuah hotel berada di basement, di bawah dapur banquet. Setiap Senin pagi ruang itu berbau telur busuk. Dapur banquet tutup pada akhir pekan, sehingga air di bak penampung diam sekitar dua hari, dan perangkap lemak di hulunya terakhir dikuras sepuluh minggu sebelumnya. Pada satu Senin, pompa celup macet karena pelampungnya terbelit lemak. Seorang teknisi membuka tutup bak dan bersiap turun, tetapi detektor gas rekannya berbunyi di mulut bak, dan rencana itu dibatalkan.

Mengapa bau paling kuat setelah air diam, dari mana gasnya berasal, dan mengapa bau yang menyengat berkurang setelah beberapa menit padahal detektor tetap berbunyi? Jawabannya ada pada metabolisme mikroba, yaitu cara bakteri dan arkea memperoleh energi, terutama setelah oksigen habis. Bab ini menjelaskan proses itu dan tempat gasnya terbentuk.

Batas pembahasan

Bab ini membahas metabolisme mikroba dari sisi gas dan bau. Volume molar, gas berbahaya, dan ventilasi dibahas di Bab 11 · Kimia tentang stoikiometri gas; masuk ruang terbatas di Bab 11 · Keselamatan tentang ruang terbatas; perangkap lemak dan bau saluran di Bab 15 · Bangunan & Fasilitas tentang pemeliharaan dan diagnosis plumbing; karakteristik air limbah di Bab 16 · Air & Pengolahan Air; lumpur aktif di Bab 18 · Air & Pengolahan Air; tangki septik dan IPAL kecil di Bab 19 · Air & Pengolahan Air; kolam stabilisasi di Bab 28 · Air & Pengolahan Air; dan enzim pencucian di Bab 7 · Laundry. Kelompok bakteri ada di Bab 14 tentang keragaman bakteri, dan kebutuhan oksigen mikroba di Bab 16 tentang kebutuhan tumbuh mikroba.

Bab ini tidak memuat batas paparan gas dan tidak memberi wewenang merancang IPAL atau masuk ruang terbatas. Contoh kerja memakai volume molar 24,0 L/mol pada 20 °C dan 1 atm dari Bab 11 · Kimia.

Energi, enzim, dan penggolongan mikroba

Metabolisme (metabolism) adalah seluruh reaksi kimia di dalam sel. Katabolisme (catabolism) adalah jalur metabolisme yang memecah molekul kompleks menjadi molekul sederhana sambil melepaskan energi, sedangkan anabolisme membangun molekul kompleks dengan memakai energi. Energi berpindah sebagai elektron: oksidasi melepas elektron, reduksi menerimanya, dan keduanya selalu berpasangan, dengan NAD⁺/NADH dan FAD/FADH₂ sebagai pembawa. ATP (adenosine triphosphate) adalah molekul yang menyimpan energi kimia sel dalam dua ikatan fosfat berenergi tinggi dan melepaskannya ketika ikatan itu diputus.

Enzim (enzyme) adalah protein yang mempercepat reaksi biokimia di dalam sel dengan menurunkan energi aktivasi tanpa ikut habis terpakai. Substrat terikat di sisi aktif, dan kecocokan bentuk sisi aktif membuat setiap enzim spesifik. Faktor yang memengaruhi kerja enzim:

Enzim patogen manusia bekerja paling baik pada 37 °C, sedangkan enzim mikroba sumber air panas bekerja pada suhu tinggi. Lipase, protease, dan amilase dari mikroba juga dipakai di deterjen laundry, seperti di Bab 7 · Laundry tentang enzim dalam pencucian. Bagi saluran, air buangan yang hangat dan mendekati netral mempercepat kerja enzim mikroba.

Menurut sumber karbon, autotrof mengubah karbon dioksida menjadi senyawa organik, sedangkan heterotrof memakai senyawa organik. Menurut sumber energi, organotrof memakai senyawa organik. Litotrof (lithotroph) adalah kemotrof yang memperoleh energi dari senyawa anorganik seperti hidrogen sulfida dan besi tereduksi. Bakteri pemakan sisa makanan di lumpur saluran adalah kemoheterotrof, sedangkan bakteri pengoksidasi hidrogen sulfida adalah kemolitotrof.

Respirasi aerob dan hasil ATP

Respirasi aerob (aerobic respiration) adalah respirasi sel yang memakai oksigen sebagai penerima elektron akhir. Tahapnya:

1. Glikolisis di sitoplasma memecah satu glukosa menjadi dua piruvat, dengan hasil bersih 2 ATP dan 2 NADH. Glikolisis sendiri tidak memakai oksigen.
2. Reaksi transisi melepaskan satu CO₂ dari setiap piruvat, membentuk NADH, dan menyerahkan gugus asetil kepada koenzim A.
3. Siklus Krebs menghasilkan per putaran 2 CO₂, 1 ATP, 3 NADH, dan 1 FADH₂, dan satu glukosa memerlukan dua putaran.
4. Sistem transpor elektron di membran sel prokariot meneruskan elektron dari NADH dan FADH₂ ke oksigen, yang tereduksi menjadi air. Energinya dipakai memompa ion H⁺ ke luar membran, dan aliran balik H⁺ melalui ATP sintase membentuk ATP. Cara ini disebut fosforilasi oksidatif.

Bila dianggap 3 ATP per NADH dan 2 ATP per FADH₂, hasil teoretis maksimumnya 38 ATP per glukosa: 34 dari fosforilasi oksidatif dan 4 dari fosforilasi tingkat substrat. Glikolisis memberi 2 NADH, reaksi transisi 2 NADH, dan dua putaran siklus Krebs 6 NADH dan 2 FADH₂, sehingga NADH berjumlah 10, dan $10 \times 3 + 2 \times 2 + 4 = 38$ ATP. Hasil nyata biasanya lebih rendah, karena jumlah H⁺ yang dipompa berbeda antarspesies.

Respirasi aerob tidak mungkin bila sel tidak memiliki gen sitokrom oksidase yang sesuai, tidak memiliki enzim penetral radikal oksigen, atau kekurangan oksigen. Keadaan ketiga terjadi di bak yang airnya diam: bakteri aerob memakai oksigen terlarut lebih cepat daripada oksigen masuk dari permukaan. Bab 11 · Keselamatan tentang ruang terbatas mencatat bahwa oksigen di ruang terbatas dapat habis terpakai oleh karat, pembusukan, dan bakteri.

Respirasi anaerob: penerima elektron selain oksigen

Respirasi anaerob (anaerobic respiration) adalah respirasi sel yang memakai molekul anorganik selain oksigen sebagai penerima elektron akhir. Siklus Krebs-nya umumnya lengkap, tetapi gradien yang terbentuk lebih kecil, sehingga totalnya hanya 5 sampai 36 ATP per glukosa. Penerima elektron yang tersedia menentukan gas yang terbentuk:

Bakteri pereduksi sulfat (sulfate-reducing bacteria) adalah bakteri yang memakai sulfat sebagai penerima elektron akhir dalam rantai transpor elektron dan menghasilkan hidrogen sulfida. Bakteri ini tergolong kelas Deltaproteobacteria, dengan genus Desulfovibrio sebagai contoh.

Metanogen (methanogen) adalah arkea yang menghasilkan metana, terutama dengan memakai karbon dioksida sebagai penerima elektron akhir. Hanya arkea yang diketahui menghasilkan metana; metanogen mereduksi karbon dioksida dengan hidrogen, sebagian memfermentasi asetat menjadi metana dan karbon dioksida, dan metana menumpuk di tanah dan perairan anaerob. Bab 19 · Air & Pengolahan Air tentang IPAL kecil menguraikan tahapan yang sama di IPAL: bahan organik diurai menjadi asam organik, lalu menjadi metana dan karbon dioksida.

Di bak yang airnya diam, penerima elektron dipakai berurutan: oksigen, lalu nitrat, lalu sulfat, dan metanogen paling aktif di lumpur yang paling lama tanpa oksigen.

Fermentasi

Fermentasi (fermentation) adalah proses yang memakai molekul organik, biasanya piruvat, sebagai penerima elektron akhir untuk mengembalikan NADH menjadi NAD⁺ sehingga glikolisis dapat berlanjut. Fermentasi tidak memakai rantai transpor elektron, sehingga hasilnya paling banyak 2 ATP per glukosa. Sebagian mikroba, seperti Streptococcus, tidak dapat berespirasi walaupun ada oksigen, sedangkan mikroba fakultatif beralih ke respirasi bila penerima elektron tersedia.

Kebanyakan fermentasi, kecuali fermentasi homolaktat, menghasilkan gas, biasanya CO₂ dan/atau hidrogen. Beberapa jalurnya:

Pada fermentasi alkohol, piruvat dekarboksilase melepaskan CO₂ dari piruvat dan membentuk asetaldehida, lalu alkohol dehidrogenase mereduksinya menjadi etanol. Satu glukosa menghasilkan dua piruvat, sehingga melepaskan dua CO₂ (Contoh 1). Laboratorium memakai gas fermentasi untuk mengenali bakteri, misalnya gas yang tertangkap di tabung Durham terbalik. Di lapangan, sisa makanan bergula di tong tertutup menjadi asam dan berbusa, dan wadahnya dapat menggembung oleh CO₂.

Penguraian lemak dan protein

Jalur penguraian lemak dan protein bermuara ke glikolisis, reaksi transisi, dan siklus Krebs.

Lemak. Trigliserida dipecah lipase menjadi gliserol dan asam lemak, dan fosfolipid dipecah fosfolipase. Gliserol masuk glikolisis. Beta-oksidasi (beta-oxidation) adalah proses yang berulang kali memotong gugus asetil berkarbon dua dari ujung rantai asam lemak sambil membentuk NADH dan FADH₂. Elektron dari kedua pembawa itu dipakai membentuk ATP lewat fosforilasi oksidatif. Bab 15 · Bangunan & Fasilitas tentang pemeliharaan plumbing mencatat bahwa penguraian biologis lemak umumnya aerobik. Akibatnya, lemak di perangkap yang tanpa oksigen terurai lambat dan menumpuk, sehingga harus dikeluarkan secara fisik.

Protein. Protease ekstraseluler memotong protein menjadi peptida, protease di dalam sel memecahnya menjadi asam amino, dan asam amino dideaminasi. Deaminasi (deamination) adalah pelepasan gugus amino dari asam amino oleh enzim. Sisa rantai karbonnya masuk reaksi transisi atau siklus Krebs. Dalam daur nitrogen, limbah bernitrogen diubah menjadi amonia, dan pengurai melepas belerang dari asam amino sebagai hidrogen sulfida. Karena itu protein dari darah, daging, ikan, telur, dan susu di air buangan dapur dan laundry adalah sumber amonia dan H₂S, terutama setelah air menjadi anaerob.

Daur nitrogen dan sulfur

Daur biogeokimia (biogeochemical cycle) adalah perputaran bahan anorganik antara makhluk hidup dan lingkungan tak hidup. Mikroba berperan di setiap langkahnya, kebanyakan lewat reaksi oksidasi dan reduksi.

Nitrogen. Nitrogen udara masuk ke makhluk hidup lewat fiksasi oleh bakteri, dan nitrogen organik kembali menjadi gas melalui tiga langkah:

1. Amonifikasi (ammonification) adalah perubahan limbah bernitrogen dari hewan atau sisa organisme mati menjadi amonia oleh bakteri dan jamur tertentu.
2. Nitrifikasi (nitrification) adalah oksidasi amonia menjadi nitrit lalu nitrat oleh bakteri nitrifikasi seperti Nitrosomonas.
3. Denitrifikasi (denitrification) adalah perubahan nitrat menjadi gas nitrogen oleh bakteri yang memakai nitrat sebagai penerima elektron akhir dalam respirasi anaerob.

Menurut Bab 18 · Air & Pengolahan Air tentang lumpur aktif, nitrifikasi di IPAL memerlukan oksigen dan umur lumpur panjang, sedangkan denitrifikasi terjadi di zona tanpa oksigen terlarut. Biofilter anaerob-aerob di Bab 19 · Air & Pengolahan Air tentang IPAL kecil mengalirkan balik air kaya nitrat dari ruang aerob ke ruang anaerob supaya nitrat diubah menjadi gas nitrogen. Nitrogen dan fosfor berlebih di badan air menimbulkan eutrofikasi: ganggang tumbuh berlebihan lalu mati, dan air menjadi anaerob. Patokan nutrien air limbah ada di Bab 16 · Air & Pengolahan Air tentang karakteristik air limbah.

Sulfur. Belerang adalah bagian asam amino sistein dan metionin. Daur sulfur punya dua arah:

1. Reduksi. Pengurai melepas belerang dari asam amino sebagai H₂S, dan bakteri serta arkea pereduksi sulfat mengubah sulfat menjadi H₂S dalam respirasi anaerob.
2. Oksidasi. Bakteri fotosintetik anoksigenik serta arkea dan bakteri kemoautotrof memakai H₂S sebagai donor elektron dan mengoksidasinya menjadi belerang unsur, lalu sulfat.

Bakteri belerang ungu, anaerob ketat yang hidup di air, mengoksidasi H₂S menjadi belerang unsur dan asam sulfat. Bab 28 · Air & Pengolahan Air tentang kolam stabilisasi memakai warna merah muda sampai ungu di kolam anaerob sebagai tanda beban berlebih yang menghasilkan sulfida. Beggiatoa hidup di air berkadar sulfida tinggi dan dapat mengganggu pengolahan air limbah, dan bakteri pengoksidasi sulfida menghasilkan banyak asam sulfat pada air asam tambang.

Tempat gas terbentuk di gedung

Pemetaan proses ke tempat kerja teknisi:

Kasus pembuka kini terbaca. Selama dua hari tanpa aliran, bakteri aerob menghabiskan oksigen di bak, lalu bakteri pereduksi sulfat dan pengurai protein di lumpur dan lemak membentuk H₂S. Ketika air bergerak lagi pada Senin pagi, gas yang terkumpul dan terlarut terlepas ke ruang pompa.

Gas dari mikroba, ruang terbatas, dan batas wewenang

Sifat gas dari metabolisme mikroba, seperti dicatat Bab 11 · Kimia tentang gas berbahaya dan Bab 11 · Keselamatan tentang ruang terbatas:

1. Hidrogen sulfida beracun, lebih berat daripada udara, berbau telur busuk pada kadar rendah, dan melumpuhkan penciuman pada kadar tinggi.
2. Metana tidak berwarna, tidak berbau, lebih ringan daripada udara, dan mudah terbakar dengan batas nyala sekitar 5 sampai 15 persen volume (nilai baku pendekatan di Bab 11 · Kimia).
3. Karbon dioksida tidak berbau, lebih berat daripada udara, dan pada kadar beberapa persen volume sudah menyebabkan napas cepat, pusing, dan kebingungan.
4. Gas nitrogen tidak beracun, tetapi dalam jumlah besar mendesak oksigen, yang di ruang tertutup juga habis dipakai bakteri.

Bab 11 · Keselamatan menjelaskan mengapa orang dapat pingsan dalam beberapa tarikan napas dan penolong sering menjadi korban.

Bak penampung, perangkap lemak besar, tangki septik, ruang anaerob, dan bak IPAL termasuk ruang terbatas. Di Indonesia, K3 di ruang terbatas diatur Peraturan Menteri Ketenagakerjaan Nomor 11 Tahun 2023. Basis data peraturan BPK mencatatnya berlaku dengan beberapa pasal dicabut peraturan menteri tahun 2026, dan ringkasan JDIH Kemnaker menyebut izin masuk, formulir bebas gas berbahaya, isolasi energi, serta personel seperti teknisi deteksi gas dan petugas K3 penyelamat. Per Oktober 2026, isi pasalnya belum dapat dipastikan dari teks resminya.

Pengetahuan metabolisme membantu teknisi mengenali keadaan pembentuk gas, yaitu air diam, lumpur dan lemak menumpuk, tutup rapat, dan blower mati; mengerjakan dari luar lebih dulu seperti di Bab 11 · Keselamatan; meminta pengukuran di beberapa ketinggian (Contoh 3); dan melaporkan bau berulang sebagai tanda pengurasan terlambat, seperti di Bab 15 · Bangunan & Fasilitas.

Contoh kerja

Angka dalam kasus pembuka, contoh, dan soal latihan di bawah adalah angka latihan, kecuali disebut asalnya.

Contoh 1: CO₂ dari fermentasi alkohol. Persamaan reaksinya:

$\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 \rightarrow 2\,\text{C}_2\text{H}_5\text{OH} + 2\,\text{CO}_2$

Sisa sirup dan buah berisi 1 kg gula (dianggap glukosa). Dengan massa molar glukosa 180,16 g/mol, satu kilogram glukosa adalah $1.000/180{,}16 = 5{,}55$ mol, sehingga menghasilkan $2 \times 5{,}55 = 11{,}1$ mol CO₂, yaitu $11{,}1 \times 24{,}0 = 266$ L. Di gudang 12 m³ tanpa ventilasi, bila tercampur merata, kadarnya $266/12.000 = 2{,}2$ persen volume atau 22.200 ppm, dan lebih pekat di dekat lantai.

Contoh 2: metana dari asetat di tangki septik. Metanogen memfermentasi asetat menjadi metana dan CO₂:

$\text{CH}_3\text{COOH} \rightarrow \text{CH}_4 + \text{CO}_2$

Lumpur menghasilkan 0,2 mol asetat per jam yang diurai metanogen, dan ruang udara tangki 1,5 m³ tertutup selama 24 jam, dengan udara terdesak keluar lewat ven. Metana yang terbentuk $0{,}2 \times 24 = 4{,}8$ mol, yaitu $4{,}8 \times 24{,}0 = 115$ L atau $115/1.500 = 7{,}7$ persen volume, di dalam rentang nyala sekitar 5 sampai 15 persen. CO₂ juga 115 L, sehingga udara tinggal $1.500 - 230 = 1.270$ L, dan oksigen turun menjadi $20{,}9 \times 1.270/1.500 = 17{,}7$ persen.

Contoh 3: di mana gas berkumpul. Dengan massa molar udara 28,96 g/mol dari Bab 11 · Kimia, perbandingan massa jenis dengan udara adalah: metana $16{,}04/28{,}96 = 0{,}55$, gas nitrogen $28{,}01/28{,}96 = 0{,}97$, hidrogen sulfida $34{,}08/28{,}96 = 1{,}18$, dan CO₂ $44{,}01/28{,}96 = 1{,}52$. Metana cenderung ke atas, sedangkan H₂S dan CO₂ ke dasar bak, sehingga pengukuran di mulut bak saja tidak cukup.

Contoh 4: H₂S dari sulfat di bak penampung. Setiap ion sulfat direduksi menjadi satu molekul H₂S, karena keduanya membawa satu atom belerang. Bak berisi 2 m³ air dengan sulfat 40 mg/L memuat $40 \times 2.000 = 80.000$ mg atau 80 g sulfat, yaitu $80/96{,}06 = 0{,}833$ mol. Bila semuanya direduksi, terbentuk 0,833 mol H₂S atau $0{,}833 \times 24{,}0 = 20{,}0$ L gas. Bila terlepas ke ruang udara 3 m³ dan tercampur merata, kadarnya $20{,}0/3.000 \times 10^6 \approx 6.700$ ppm. Sebagian gas biasanya tetap terlarut dan terlepas ketika air diaduk atau dipompa.

Contoh 5: H₂S dari protein sisa makanan. Endapan perangkap lemak berisi 5 kg protein dengan belerang 1 persen massa memuat 50 g belerang, yaitu $50/32{,}06 = 1{,}56$ mol. Bila seluruh belerang dilepas pengurai sebagai H₂S, terbentuk 1,56 mol, yaitu $1{,}56 \times 24{,}0 = 37{,}4$ L gas dengan massa $1{,}56 \times 34{,}08 = 53$ g.

Contoh 6: gas nitrogen dari denitrifikasi. IPAL menerima 20 m³/hari air limbah dengan nitrogen amonia 40 mg/L sebagai N, yaitu $20 \times 40 = 800$ g N per hari, atau $800/14{,}007 = 57{,}1$ mol N. Bila semuanya dinitrifikasi lalu didenitrifikasi, terbentuk $57{,}1/2 = 28{,}6$ mol N₂ per hari, yaitu $28{,}6 \times 24{,}0 = 685$ L. Gas ini, bila terbentuk di dasar bak pengendap kedua, mengangkat lumpur seperti di Bab 18 · Air & Pengolahan Air tentang lumpur aktif.

Kondisi berhenti

Hentikan pekerjaan dan serahkan kepada penyelia, petugas K3, atau pengelola IPAL bila:

1. Tercium bau telur busuk atau bau gas, atau detektor berbunyi, di bak, perangkap lemak, ruang pompa buangan, tangki septik, atau IPAL. Menjauh dan laporkan, seperti di Bab 15 · Bangunan & Fasilitas tentang pemeliharaan plumbing.
2. Pekerjaan memerlukan masuk atau memasukkan kepala ke bak, tangki septik, atau ruang anaerob tanpa izin masuk, uji udara di beberapa ketinggian, ventilasi, penjaga, dan sistem penyelamatan, seperti di Bab 11 · Keselamatan tentang ruang terbatas.
3. Ada orang pingsan, pusing, atau bingung di dalam ruang itu. Jangan masuk menolong tanpa pelatihan dan pelindung napas; panggil tim penyelamat.
4. Ada api, percikan, rokok, gerinda, atau las di dekat ven dan lubang tangki septik atau ruang anaerob yang dapat berisi metana.
5. Ada perintah menuang disinfektan, pemutih, atau bahan kimia pekat ke tangki septik atau IPAL tanpa persetujuan pengelola, karena bahan itu dapat mematikan mikroba pengolah, seperti di Bab 19 · Air & Pengolahan Air tentang IPAL kecil.
6. Lumpur atau isi perangkap lemak akan dibuang ke tempat yang tidak diizinkan.

Salah tafsir yang sering terjadi

Hubungan dengan bab lain

Bab 7 · Laundry membahas enzim deterjen, Bab 11 · Kimia gas berbahaya dan ventilasi, Bab 11 · Keselamatan ruang terbatas, Bab 15 · Bangunan & Fasilitas perangkap lemak, Bab 16 · Air & Pengolahan Air nutrien air limbah, Bab 18 · Air & Pengolahan Air nitrifikasi dan denitrifikasi, Bab 19 · Air & Pengolahan Air proses anaerob, Bab 28 · Air & Pengolahan Air kolam anaerob, Bab 14 kelompok bakteri, dan Bab 16 kebutuhan oksigen mikroba.

Latihan dan pembahasan

Referensi