i

ABSTRAK

EVALUASI AKUMULASI MINYAK DALAM SEL DIATOM

LAUT TROPIS Thalassiosira sp. PADA KONDISI KULTUR

LUAR RUANGAN

Oleh:

PINTAKA KUSUMANINGTYAS

NIM: 30513001

(Program Studi Doktor Kimia)

Mikroalga diatom laut tropis Thalassiosira sp. yang ditanam pada kondisi kultur

dalam ruang mampu menghasilkan minyak (lipid netral yang berbentuk cair) yang

sesuai untuk bahan baku biodiesel. Untuk menghasilkan biomassa Thalassiosira

sp. dalam jumlah besar, kultivasi skala besar perlu dilakukan dengan

menggunakan pupuk pertanian dan paparan sinar matahari langsung untuk

fotosintesis. Namun sejauh ini, belum tersedia data mengenai nutrisi yang

bersumber dari pupuk pertanian yang mengarah pada akumulasi minyak dalam sel

Thalassiosira sp. yang dikultur di luar ruang. Sebagaimana diketahui bahwa

kultur alga yang ditumbuhkan di luar ruangan biasanya terpapar oleh kombinasi

tekanan lingkungan, yang meliputi intensitas cahaya matahari dan suhu yang

tinggi, yang berpengaruh terhadap melambatnya kecepatan fotosintesis,

menurunnya produktivitas biomassa, dan perubahan jalur dan aktivitas

metabolisme sel yang mengakibatkan perubahan produk simpanan makanan di

dalam sel, terutama minyak dan asam lemak. Oleh karena itu, penelitian ini

bertujuan untuk menemukan nutrisi yang mampu mengarahkan metabolisme sel

Thalassiosira sp. pada akumulasi minyak dengan produktivitas yang tinggi.

Metode yang digunakan dalam penelitian ini terdiri atas 3 tahap. Pertama,

melakukan evaluasi terhadap 3 jenis media pupuk pada kondisi laboratorium

untuk menemukan medium pupuk yang sesuai untuk pertumbuhan sel

Thalassiosira sp. Medium pupuk yang menunjukkan pertumbuhan sel terbaik

dievaluasi untuk menentukan komponen nutrisi yang berperan dalam produksi

biomassa dan minyak dari Thalassiosira sp. Kedua, mengevaluasi status nutrisi

dari kultur Thalassiosira sp. untuk mengetahui kecukupan dari 3 makronutrisi

penting (fosfat, nitrat, dan silikat) untuk pertumbuhan sel di bawah kondisi

tekanan di luar ruangan. Nutrisi yang ditemukan mengalami defisiensi, dioptimasi

lebih lanjut untuk mendapatkan konsentrasi nutrisi yang optimum untuk

pertumbuhan dan produksi minyak di bawah kondisi tekanan cahaya di dalam

ruangan. Ketiga, sel Thalassiosira sp. yang ditumbuhkan di luar ruangan

dievaluasi pada berbagai kondisi cuaca dan musim untuk menentukan

produktivitas minyak yang diakumulasikan di dalam sel.

Tiga jenis media pupuk yang dievaluasi dalam penelitian ini, yaitu: medium P1

(pupuk urea, pupuk TSP dan pupuk Si–P–PG), medium P2 (pupuk NPK dan

ii

pupuk Si–P–PG), dan medium P3 (pupuk NPK dan natrium metasilikat). Media

pupuk pertanian tersebut dikembangkan berdasarkan medium air laut diperkaya

(enriched seawater, ES) yang telah dipublikasikan sebelumnya. Hasil evaluasi

dari ketiga medium pupuk ini menunjukkan bahwa medium P3 mampu

menghasilkan produktivitas sel paling tinggi dengan produktivitas lipid total

sebesar 10,4 ± 0,9 mg L–1

h–1

, yang menunjukkan bahwa medium P3 sesuai untuk

pertumbuhan sel Thalassiosira sp. Evaluasi komponen nutrisi yang terkandung

dalam medium P3 menunjukkan bahwa nitrat berperan dalam meningkatkan hasil

biomassa, dan mineral renik berperan dalam meningkatkan kandungan lipid

totalnya. Kedua komponen nutrisi tersebut juga berperan dalam meningkatkan

proporsi asam lemak tak jenuh jamak (PUFA) dalam asam lemak total

Thalassiosira sp. Evaluasi status nutrisi dari kultur di luar ruangan menunjukkan

bahwa kultur mengalami defisiensi silikat. Oleh karena itu, optimasi konsentrasi

silikat dilakukan pada kondisi kultur dalam ruangan dengan meningkatkan

konsentrasi silikat dari 10 mg/L menjadi 45 dan 120 mg/L. Kultur yang

ditumbuhkan dalam medium P3 dengan konsentrasi silikat yang lebih rendah (10

dan 45 mg/L) menunjukkan akumulasi minyak yang tinggi di dalam sel. Namun,

kultur dalam medium dengan konsentrasi silikat 45 mg/L dapat menghasilkan

biomassa yang lebih tinggi secara signifikan dibandingkan dengan kultur dalam

medium dengan konsentrasi silikat 10 mg/L pada kondisi tekanan cahaya tinggi.

Medium P3 dengan konsentrasi silikat 10 mg/L dapat mengarahkan metabolisme

sel Thalassiosira sp. pada akumulasi PUFA yang tinggi, terutama AA, EPA dan

DHA, pada kondisi tekanan cahaya tinggi, sehingga berpotensi untuk digunakan

sebagai sumber asam lemak omega-3, sedangkan medium P3 dengan konsentrasi

silikat 45 mg/L mengarahkan metabolisme sel Thalassiosira sp. pada akumulasi

minyak dengan proporsi asam lemak jenuh (SFA) dan asam lemak tak jenuh

tunggal (MUFA) yang tinggi sehingga sesuai sebagai bahan baku biodiesel.

Untuk menemukan nutrisi yang mampu mengarahkan metabolisme sel

Thalassiosira sp. pada akumulasi minyak dengan produktivitas yang tinggi di luar

ruang, sel Thalassiosira sp. dikultur dalam media dengan sumber N berbeda

(medium ES-nitrat dan ES-urea). Sel yang dikultur dalam medium dengan ES-

urea menunjukkan pertumbuhan sel yang lebih lambat dan kandungan klorofil

yang lebih tinggi, sehingga memicu akumulasi minyak yang lebih tinggi di dalam

sel. Sumber N yang berbeda juga meregulasi komposisi asam lemak di dalam sel.

Kultur dalam medium ES-urea mampu mengakumulasikan minyak yang kaya

PUFA, terutama AA, EPA, dan DHA, pada fase eksponensial, yang

mengindikasikan bahwa biosintesis lipid di dalam sel berlangsung lebih cepat.

Berbeda dengan kultur dalam medium ES-nitrat yang menunjukkan pertumbuhan

sel yang lebih cepat dan DHA hanya diakumulasikan pada fase stasioner.

Penemuan ini memberikan informasi mengenai sumber N yang mengarahkan

metabolisme sel pada produksi biomassa dan minyak yang tinggi di luar ruangan.

Selanjutnya, kombinasi kedua jenis sumber N, yaitu nitrat dan urea, dalam

medium P3 dievaluasi pada kondisi luar ruangan dengan konsentrasi silikat

berbeda (10 mg/L dan 45 mg.L). Sel Thalassiosira sp. yang dikultur dalam

medium P3 dengan konsentrasi silikat 10 mg/L mampu mengakumulasikan

minyak yang kaya PUFA, terutama AA, EPA, dan DHA, pada musim hujan

iii

dengan produktivitas lipid total sesebar 6,6 ± 1,9 mg L–1

h–1

, sedangkan pada

musim kemarau, profil asam lemaknya berubah menjadi lebih jenuh dengan

produktivitas lipid total yang lebih rendah, yaitu sebesar 2,2 ± 1,9 mg L–1

h–1

.

Sebaliknya, kultur dalam medium P3 dengan konsentrasi silikat 45 mg/L mampu

menghasilkan minyak dengan komposisi asam lemak yang lebih stabil yang

didominasi oleh SFA dan MUFA baik di dalam maupun di luar ruangan, dengan

produktivitas lipid total yang lebih tinggi yaitu mencapai 10,86 ± 2,50 mg L–1

h–1

.

Meskipun demikian, minyak yang terkandung dalam lipid total dari Thalassiosira

sp. yang dikultur di luar ruangan lebih tinggi daripada pada kondisi dalam

ruangan, sehingga kultur di luar ruangan ini dapat menghasilkan minyak dengan

produktivitas yang 1,5 kali lebih tinggi, yang mengindikasikan bahwa kultivasi

Thalassiosira sp. di luar ruang memungkinkan untuk dilakukan pada skala besar

guna menghasilkan minyak baik sebagai sumber asam lemak omega-3 maupun

sebagai bahan baku biodiesel.

Kata kunci: Thalassiosira sp., medium pupuk, akumulasi minyak, komposisi

nutrisi, komposisi asam lemak.

v

ABSTRACT

EVALUATION OF OIL ACCUMULATION IN THE TROPICAL

MARINE DIATOM CELLS OF Thalassiosira sp. UNDER

OUTDOOR CULTURE CONDITIONS

by:

PINTAKA KUSUMANINGTYAS

NIM: 30513001

(Doctoral Program In Chemistry)

A tropical marine diatom of Thalassiosira sp. grown indoor capable of producing

oil (fluid-neutral lipids) that suitable for biodiesel feedstock. To produce the huge

biomass of Thalassiosira sp., the cells should be cultivated in a large scale under

fertilizer-based medium and direct sunlight exposure for photosynthesis.

However, so far, no published data on nutrients derived from agricultural

fertilizers leading to the oil accumulation in the Thalassiosira sp. cells cultured

outdoors. As known that algal cultures grown outdoors are usually exposed to a

combination of environmental stress, including high sunlight intensity and

temperature, that affect on lowering of photosynthesis rate, reducing of biomass

productivity, and altering of pathways and activities of cells metabolism causing

the changes of food reserved products, in particular oils and fatty acids.

Therefore, the present study aimed to discover nutritions that are able to lead the

metabolism of Thalassiosira sp. cells on the accumulation of oils with high

productivity.

This research methods consist of three stages. Firstly, evaluate three types of

fertilizer-based media under laboratory condition to find a suitable fertilizer-

based medium for the growth of Thalassiosira sp. cells. The fertilizer medium

showing the best cell growth was then evaluated to determine the nutritional

components that play a role in the production of biomass and oil from

Thalassiosira sp. Secondly, evaluate the nutritional status of Thalassiosira sp.

culture to determine the sufficiency of three important macronutrients (phosphate,

nitrate, and silicate) for the cell growth under outdoor stress conditions. The

nutrients found to be deficient, further optimized to get an optimum nutrient

concentration for cell growth and oil production under environmental stress

condition indoors. Finally, Thalassiosira sp. cells grown using optimum nutrient

concentration were evaluated outdoors under various weather and season

conditions to determine the productivity of oils accumulated in the cells.

Three types of fertilizer-based media evaluated in this study, namely P1 medium

(urea fertilizer, TSP fertilizer and Si-P-PG fertilizer), P2 medium (NPK fertilizer

and Si-P-PG fertilizer), and P3 medium (NPK fertilizer and sodium metasilicate).

Those fertilizer-based media were developed based on a previously published

enriched seawater (ES) medium. The evaluation showed that P3 medium was able

vi

to produce the highest cell productivity with total lipid productivity of 10.4 ± 0.9

mg L–1

h–1

, indicating that P3 medium was suitable for Thalassiosira sp. cells

growth. The evaluation of nutritional components contained in P3 medium

showed that nitrate plays a role in improving biomass yield, and trace minerals

play a role in increasing the total lipid content. Both components of the nutrient

also play a role in increasing the proportion of polyunsaturated fatty acids

(PUFAs) in total fatty acid of Thalassiosira sp. The evaluation of nutritional status

in the outdoor cultures showed that the cultures has silicate

deficiency.Consequently,the optimization of silicate concentration was conducted

under indoors culture condition by increasing the silicate concentration from 10

mg/L to 45 and 120 mg/L. Culture grown in P3 medium with lower silicate

concentration (10 and 45 mg/L) showed high oils accumulation in the cells.

However, culture in medium with silicate concentration of 45 mg/L can produce

significantly higher biomass than that of 10 mg/L under high light stress

conditions. P3 medium with silicate concentration of 10 mg/L can lead

Thalassiosira sp. cell on high PUFA accumulation, especially AA, EPA, and

DHA, under high light stress conditions, so it is potentially used as a source of

omega-3, whereas P3 medium with silicate concentration of 45 mg/L lead

Thalassiosira sp. cells on the accumulation of oil with high saturated fatty acids

(SFAs) and monounsaturated fatty acids (MUFAs) both in high and low light

stress conditions, so it is suitable as biodiesel feedstock.

To discover nutritions that are able to lead the metabolism of Thalassiosira sp.

cells on the accumulation of oils with high productivity in outdoors, Thalassiosira

sp. were cultured in media with different N source (ES-nitrat medium and ES-urea

medium).The cells cultured in ES-urea medium showed slower cell growth and

higher chlorophyll content, so it triggered higher oils accumulations in the cells.

Different sources of N also regulate the fatty acid composition of the cells.

Cultures in ES-urea medium are able to accumulate PUFA-enriched oils,

especially AA, EPA, and DHA, in the exponential phase, indicating that lipid

biosynthesis in the cells was faster. This contrasts to the culture in ES-nitrate

medium showing faster cell growth and accumulation of DHA only in the

stationary phase. This finding provided the information on N sources that can

lead the cell metabolism to produce high biomass and oils outdoors.

Furthermore, combination of both nitrate and urea as N source in P3 medium was

evaluated under outdoors condition with different silicate concentration (10 mg/L

and 45 mg/L). Thalassiosira sp. cells cultured in P3 medium with silicate

concentration of 10 mg/L was capable of accumulating PUFA-enriched oils,

especially AA, EPA and DHA, in rainy season with total lipids productivity of 6.6

± 1.9 mg L-1

h-1

, whereas in the dry season, the fatty acid profile changed to more

saturated with lower total lipids productivity, which was 2.2 ± 1.9 mg L-1

h-1

. In

contrast, the culture in P3 medium with silicate concentration of 45 mg/L can

produce oils with more stable fatty acids composition dominated SFA and MUFA

both indoors and outdoors,with similar total lipids productivity was reaching

10.86 ± 2.50 mg L-1

h-1

. However, oils contained in total lipids from Thalassiosira

sp. cultured outdoors was higher than that cultured indoors, so this outdoor

cultures can produce oils with the productivity of 1.5 times higher, indicating that

vii

the cultivation of Thalassiosira sp.outdoors is feasible to produce oils in a large

scale either as a sources of omega-3 or as biodiesel feedstock.

Keywords: Thalassiosira sp., fertilizer medium, oil accumulation, nutrient

composition, fatty acids composition.