Methan dan methanogenesis

Methan/CH4

Adalah komponen minor dari siklus karbon, memegang peranan penting bergantung situasi lokasi.

Pembentukkan methan merupakan hasil metabolisme mikrobial dalam keadaan anaerobik yang dihasilkan oleh kelompok methanogen yaitu Archaea yang merupakan anaerobik obligat.

metanogen

Menggunakan CO2 sebagai aseptor elektron terminal dalam respirasi anaerob dan mereduksi menjadi metan dengan elektron donor yang digunakan adalah H2.

Secara Garis besar reaksi metanogenesis :4H2 + CO2 menjadi CH4 + 2 H2OMetan adalah produksi komponen karbon yang

sedikit oleh metanogen dari bahan organik yang kompleks.

Sumber metan di atmosfir

Habitat Methanogenik :

1. Biogenik adalah ruminansia, sawah, rawa, termite, lautan, danau

2. Abiogenik adalah pembakaran biomassa, tambang batu bara, gunung berapi dan mobil

Methanogenik obligat

Terdapat di alam dengan jumlah terbanyak ada di rawa, rumen, tanah hutan, padang rumput.

Sumber bakteri metan terbanyak :

Di dalam rumen, 85/180 X 100% jumlah total sumber bakteri biogenik.

methanogen

Juga ditemukan pada saluran pencernaan mamalia, usus serangga pemakan kayu, dan habitat lain seperti rawa, sedimen, sawah.

Hidup endosimbion dengan berbagai protozoa termasuk amuba yang hidup bebas di perairan dan flagella yang ditemukan pada usus serangga.

Metanogenesis di laut

Metanogenesis lebih ekstensif di perairan tawar daripada lautan karena lautan memiliki kandungan sulfat yang tinggi.

Bila kandungan sulfat tinggi, bakteri pereduksi sulfat akan lebih aktif mereduksi H2 sehingga H2 yang dikonsumsi bakteri sulfat akan lebih banyak daripada oleh metanogen.

EKOSISTEM MIKROBIAL RUMEN

Ruminansia adalah mamalia herbivora yang mempunyai organ spesial yaitu rumen sebagai tempat pencernaan selulosa dan polisakarida tanaman lainnya, terjadi dengan bantuan aktivitas populasi mikrobial spesial.

Contoh hewan ruminansia :

Sapi, biri-biri, dan kambing

Rumen merupakan lingkungan anaerobik yang stabil

Proses pencernaan pada rumen adalah mencerna selulosa, tepung dan nutrisi lain menjadi CO2, H2 dan CH4 serta asam organik dengan berat molekul rendah seperti asam asetik, propionat dan butirik

Asam-asam organik tersebut akan diserap aliran darah hewan dan dioksidasi secara aerob untuk menghasilkan energi.

Akan tetapi CO2 dan CH4 bukan merupakan nutrisi untuk hewan.

Rumen

Fermentasi rumen

Tanaman terestrial mengandung polisakarida dengan kandungan selulosa lebih dari 40-50% dari total berat kering batang, daun dan akar.

Serat tersebut terdiri dari hemiselulosa dan polimer fenolik (lignin kompleks karbohidrat).

Selulosa adalah polimer linear dari molekul glukosa yang terikat satu sama lain oleh rantai beta (1-4) glikosidik yang merupakan masalah dalam sistem pencernaan vertebrata.

enzim penghidrolisis rantai beta (1-4) glikosidik

Tidak terdapat pada vertebrata.

Mamalia yang tidak punya enzim ini mendapatkan energi dari selulosa dengan bantuan mikroorganisme sebagai agen pencerna.

RUMEN

Tempat pencernaan selulosa yang mempunyai ukuran sangat besar (100-150 liter pada sapi, 6 liter pada biri-biri).

Suhu konstan 39oC

pH 6.5

Kandungan mikroba 1010-1011 sel/ml cairan rumen

Kandungan protozoa 106 sel/ml cairan rumen

Komposisi mikroba rumen

Bakteri 40-60%

Protozoa 40-60 %

Fungi 5-10 %

Archaea 3 %

Virus tidak jelas

Dari seluruh total mikroorganisme dalam rumen

Mekanisme pencernaan ruminansia

Makanan masuk rumen +air liur yang mengandung bikarbonat sehingga terjadi fermentasi mikroba.

Makanan dalam bentuk CUDS masuk retikulum, kembali ke mulut dan dikunyah kembali.

Setelah menjadi padatan+saliva langsung menuju omasum, abomasum, yang menyerupai lambung sebenarnya (asidik), dan terjadi pencernaan secara kimiawi, masuk usus halus dan usus besar.

Mekanisme perjalanan makanan

Makanan dalam rumen 9-12 jam

Bakteri + protozoa selulolitik menghidrolisis selulosa menjadi disakarida selubiose dan menjadi unit-unit glukosa bebas.

Glukosa yang dibebaskan oleh fermentasi bakteri adalah volatil fatty acid (VFAs), acetik primer, propionik dan butirik, gas CO2 serta metan.

Asam lemak yang masuk aliran darah dioksidasi menjadi sumber energi

Fermentasi karbohidrat

Fermentasi lain

Lipid, lignin, mineral dan vitamin kurang berperan dalam pencernaan karbohidrat dan protein tapi keberadaannya penting.

Lipid

Sebagian akan terhidrolisa, terhidrogenasi dan sumber gliserol.

Bila keberadaan lipid terlalu banyak, dapat menghambat fermentasi dalam rumen karena karbon dari karbohidrat dan protein sebagian besar akan digunakan oleh mikrobial lipid

Kadar lipid yang tinggi terutama dalam bentuk unsaturated lipid dalam rumen akan menjadi racun untuk mikroba lain dan menekan aktivitas fermentasi karbohidrat.

Lignin

Adalah komponen fenolitik yang jarang dicerna tapi dapat diserap oleh fungi.

Lignin dapat bergabung dengan nutrisi lain dari hasil pencernaan dan membantu degradasi.

Mineral

Penting untuk pertumbuhan mikroba dan hewan

Vitamin dihasilkan oleh mikroba dalam bentuk Cyanocobalamin dalam kuantitas besar. Lebih mencukupi untuk hewan terutama saat vitamin pada pakan sangat kurang.

Fungsi bakteri rumen

1.Sintesis selulosa menghasilkan enzim pemecah rantai beta(1-4)glikosidik menjadi sumber energi utama (glukosa) yang dipecah lagi menjadi VFAs, asetik primer, propionik dan butirik.

2. Sintesis protein kualitas tinggi dalam bentuk sel-sel bakteri.

3. Sintesis protein dari sumber nitrogen non protein seperti urea

4. Sintesis vitamin B, semua vit B

Fungsi bakteri dalam rumen

1. Dekomposer serat/ Fibrolitik

2. Dekomposer tepung/amilolitik

3. Dekomposer laktat

4. Dekomposer pektin

5. proteolitik

6. Metanogen

Dekomposer selulose

Bacteroides succinogenes Butyrivibrio fibrisolvens Ruminococcus albus Clostridium lochheadii

Dekomposer tepung

Bacteroides amylophilus Bacteroides ruminicola Selenomonas ruminantium Succinomonas amylolytica Streptococus bovis

Dekomposer laktat

Selenomonas lactilytica

Peptostreptococcus elsdenii

Dekomposer pectinLachnospira multiparus

MetanogenMethanobrevibacter ruminantium

Methanomicrobium mobile

protozoa

Cilliata dan Flagellata yang anaerob obligat

Contoh Diplodium dan Sarcodina

Tidak penting dalam proses fermentasi dalam rumen tapi menghidrolisis selulosa dan tepung, dan fermentasi glukose dengan menghasilkan bentuk asam organik yang sama seperti bakteri.

Fungsi protozoa

Mengendalikan densitas bakteri rumen/ fagositosis mikroba lain

Predator mikroba lain

Sumber protein yang dicerna enzim dalam rumen yang lebih cepat dicerna dibandingkan protein bakteri.

Menyimpan sebagian besar karbohidrat

Fungi rumen

Anaerobik, dengan spesies gabungan antara flagellata dan bentuk thallus.

Penelitian dalam kultur murni menunjukkan bahwa mereka dapat fermentasi selulosa menjadi VFAs.

Fungsi fungi :

Degradasi polisakarida lain dari tanaman yaitu lignin, hemiselulosa dan pektin.

Pemecahan dari senyawa tersebut akan menjadi partikel yang lebih mudah dicerna.

Fungi rumen akan hilang bila komposisi pakan hewan kurang atau rendah serat.

cyllamices

Archaea

Autotrofik metanogen

Produksi metan melalui respirasi anaerob.

CO2 direduksi menjadi metan.

Virus

Jumlah tidak diketahuiTidak berkontribusi dalam aktivitas

fermentasi atau respirasi.Fungsi melisis mikroba, melepaskan hasil

asimilasi mikroba dan fermentasi proses tersebut disebut microbial recycling, sama seperti protozoa yang secara kuantitatif lebih penting.

Dinamika ekosistem rumen

Umumnya konstan

Dikendalikan proporsi makanan

Kombinasi dan konsentrasi bakteri bergantung :

a. Komposisi pakan

b. Tingkat VFAs yang dihasilkan

c. Tingkat CO2

d. Kestabilan metan

Perubahan komposisi mikroba

Hewan dapat sakit/mati Asidosis atau pembentukan asam

dalam rumen yang dapat membunuh flora normal rumen.

Pada kondisi asidosis, kondisi lingkungan rumen sangat asam akibat fermentasi tepung, dan gula menjadi VFA dan Laktat.

Mikroba yang suka pH rendah akan mulai mendominasi ekosistem dalam rumen

Asam yang terbentuk membentuk gas yang menekan paru-paru dan mengakibatkan hewan kembung hingga pingsan.

Bila rumen asidosis seringkali pakan yang dimakan ternak jadi turun/sedikit.

Hewan pemakan rumput lain

1. Paus balen, punya lambung mirip rumen. VFAs yang dihasilkan mirip dari rumen tapi berasal dari khitin hewan invertebrata, ikan kecil dan kelp.Energi utama untuk mikrobial fermentasi dalam lambung ikan paus balen adalah N-asetilglukosamin (unit monomerik utama kitin).

Selanjutnya……

2. Burung hoatzin, punya usus fermentasi seperti rumen yang disebut CROP dan merupakan organ pencernaan utama, pH netral dan ada bakteri. VFAs dihasilkan sama seperti dalam rumen. Burung ini obligat folivorous, sumber karbon berasal dari selullosa. Setelah dicerna dalam CROP, makanan melewati oesophagus dan proventrikulus (asidik) menuju usus kecil.

crops

lanjutan

3. Kuda dan Kelinci mamalia herbifora bukan ruminansia. Lambungnya hanya satu tapi punya organ yang disebut Cecum, suatu organ pencernaan kecil yang terletak posterior pada usus besar(sebelum anus) sebagai saluran fermentasi selulolitik.

Mengandung banyak mikroflora selulolitik pencerna selulosa, yang berbeda spesies dengan mikroflora rumen. MO selulolitik ini dapat masuk ke lambung (asidik) menjadi sumber protein hewan. Mikroflora sering keluar bersama feses. Untuk mengganti kehilangan protein, kelinci suka makan kotoran sendiri/COPROPHAGA.