Memanfaatkan Pengurusan Sisa Menggunakan Teknologi Sel Fuel Mikrob

Penulis:  Mimi Hani Binti Abu Bakar¹, Lim Swee Su¹, Muhammad Nabil Alias¹, Kartik Raj A/L Chandran², Wan Syaidatul Aqma Binti Wan Mohd Noor³, Nurul Huda Binti Abd Karim³, Muhamad Ramdzan Bin Buyong⁴

¹Institut Sel Fuel, UKM, ²Kolej Yayasan UEM, ³Fakulti Sains & Teknologi, UKM, Institute of Microengineering and Nanoelectronics, UKM⁴

Pengenalan

Menurut laporan United Nations (2025), populasi dunia telah mencapai 8.0 bilion pada pertengahan November 2022 dan dijangka akan meningkat hampir 2 bilion dalam tempoh 30 tahun akan datang dengan anggaran kemuncak sekitar 10.4 bilion pada pertengahan 2080-an. Peningkatan populasi ini selari dengan pertumbuhan industri dan urbanisasi yang secara langsung menyumbang kepada pencemaran alam sekitar khususnya pencemaran air akibat pelepasan bahan organik dan inorganik. Di Malaysia, pembuangan sisa makanan dilaporkan mencecah 17,000 tan setiap hari yang merangkumi 45% daripada jumlah sisa pepejal negara  (Ahmad Razali Bin Ishak, 2023). Sisa makanan ini bukan sahaja mencemarkan persekitaran dan menghasilkan bau yang tidak menyenangkan tetapi juga menimbulkan risiko kesihatan awam serta memberikan kesan negatif kepada ekonomi negara akibat pembaziran sumber, peningkatan kos, kehilangan hasil dan inflasi harga makanan. Selain itu, sektor perindustrian dan pertanian turut menajdi penyumbang dominan kepada pencemaran khususnya melalui pelepasan bahan seperti logam berat, racun perosak dan bahan kimia sintetik yang boleh menjejaskan ekosistem dan kesihatan manusia (Rajah 1).

Menurut Abd Rahman Jabir Mohd Din (2022) dalam artikelnya Intervensi Mikroorganisma Tingkatkan Potensi Komersil Produk Berasaskan Sisa Pertanian (URL: https://www.majalahsains.com/intervensi-mikroorganisma-tingkatkan-potensi-komersil-produk-berasaskan-sisa-pertanian/) yang diterbitkan di Majalah Sains, konsep ekonomi berkitar (circular economy) ditekankan sebagai pendekatan untuk memaksimumkan penggunaan bahan buangan dalam jangka masa panjang. Pendekatan ini melibatkan pelbagai strategi seperti kitar semula dan pengkomposan bagi mengurangkan kesan negatif terhadap alam sekitar. Salah satu teknologi yang menyokong ekonomi berkitar ialah Sel Fuel Mikrob (MFC). Teknologi ini semakin mendapat perhatian dalam kalangan penyelidik di Malaysia kerana keupayaannya menggunakan mikroorganisma untuk menguraikan bahan sisa sambil menjana tenaga elektrik. Pendekatan inovatif ini bukan sahaja membantu dalam pengurusan sisa organik tetapi juga berpotensi sebagai sumber tenaga mampan.

Mikroorganisma secara semula jadi berperanan dalam proses penguraian dengan memecahkan, mengoksidakan atau menukarkan pelbagai substrat bagi memperoleh nutrien. Teknologi MFC memanfaatkan mekanisma ini dengan menjadikan mikroorganisma sebagai pemangkin biologi untuk penjanaan tenaga elektrik. Proses ini berlaku melalui pemindahan elektron hasil daripada pengoksidaan sebatian organik ke elektrod sekali gus mengurangkan kandungan bahan pencemar dalam persekitaran. Menurut artikel Revolusi Tenaga – Bakteria Sebagai Sumber Elektrik oleh Abu Bakar (2024) (URL: https://www.majalahsains.com/revolusi-tenaga-bakteria-sebagai-sumber-elektrik/) yang diterbitkan di Majalah Sains, teknologi MFC berpotensi sebagai sumber tenaga mampan yang inovatif. Pelbagai kajian telah melaporkan jenis sebatian yang boleh dioksidakan oleh mikroorganisma dalam sistem MFC. Antara sebatian yang pernah dikaji termasuk:

Sebatian Organik

Sebatian organik secara umum ditakrifkan sebagai sebatian kimia yang mengandungi atom karbon yang terikat secara kovalen kepada atom hidrogen serta boleh turut mengandungi unsur lain seperti oksigen, nitrogen, sulfur dan halogen. Sebatian ini memainkan peranan penting dalam sistem biologi dan pelbagai aplikasi industri. Salah satu contoh sebatian organik yang biasa ditemui ialah sukrosa yang dikenali sebagai gula pasir (table sugar). Sukrosa tergolong dalam kumpulan karbohidrat dan berfungsi sebagai sumber tenaga utama dalam pelbagai proses biologi (Rajah 2a & 2b).

Beberapa jenis sebatian organik sisa telah dikaji untuk menilai kesesuaiannya dalam teknologi MFC. Antara sisa yang telah diuji termasuk air kumbahan domestik dan sisa industri seperti efluen kilang kelapa sawit yang mengandungi bahan organik yang boleh dioksidakan oleh mikroorganisma bagi penjanaan tenaga elektrik. Selain itu, pelbagai jenis mikroorganisma telah digunakan dalam sistem MFC termasuk Escherichia coli (Rajah 3a), iaitu bakteria yang lazimnya ditemui dalam saluran pencernaan haiwan berdarah panas serta di dalam air, tanah dan mendapan. Selain kultur tunggal, sistem MFC juga boleh menggunakan konsortium mikroorganisma (Rajah 3b), iaitu gabungan pelbagai spesies mikroorganisma yang secara semula jadi terdapat dalam air kumbahan dan persekitaran lain yang kaya dengan bahan organik (Nachammai et al. 2023).

Sebatian Inorganik

Selain daripada penguraian bahan organik, terdapat juga mikroorganisma yang berupaya mengurangkan kesan pencemaran daripada bahan inorganik seperti logam berat serta sebatian kimia seperti nitrogen, sulfat dan fosfat. Sebatian sisa inorganik merangkumi pelbagai bahan seperti garam, logam dan mineral yang tidak mengandungi ikatan karbon-hidrogen (C-H) sebagai struktur utama. Contoh sebatian inorganik biasa termasuk air (H₂O), garam natrium klorida (NaCl) (Rajah 2c) dan asid sulfurik (H₂SO₄).

Dalam konteks teknologi MFC, beberapa sebatian inorganik telah dikaji bagi menilai kesesuaiannya untuk proses rawatan dan penjanaan tenaga. Antaranya ialah pengurangan nitrat kepada nitrogen dalam air kumbahan serta pengoksidaan sulfur inorganik dari air kumbahan perlombongan. Pengurangan kandungan nitrat dalam air kumbahan adalah penting bagi mengelakkan fenomena eutrofikasi, di mana sumber air menjadi terlalu kaya dengan nutrien (Rajah 4a). Keadaan ini boleh mencetuskan pertumbuhan alga secara berlebihan sekali gus mengurangkan kadar oksigen terlarut dalam air dan membahayakan hidupan akuatik (Wu et al. 2022). Pada masa yang sama, teknologi ini menawarkan pendekatan alternatif dalam proses denitrifikasi tanpa memerlukan penambahan bahan kimia tambahan di samping menghasilkan tenaga elektrik. Bagi tujuan ini, mikroorganisma daripada genus Geobacter telah digunakan kerana keupayaannya dalam proses pemindahan elektron secara langsung semasa pengurangan nitrat. Spesies Geobacter ini boleh ditemui dalam persekitaran air kumbahan yang menjadikannya sesuai untuk aplikasi rawatan sisa dan penghasilan tenaga secara bersepadu.

Sulfur organik yang terkandung dalam air sisa kumbahan boleh menjejaskan keseimbangan ekosistem sekiranya tidak dikawal dengan baik. Proses pengoksidaan sulfur dalam persekitaran akuatik boleh menghasilkan asid sulfurik yang seterusnya menurunkan nilai pH air kumbahan kepada tahap yang sangat berasid. Keadaan ini dikenali sebagai saliran lombong berasid (acid mine drainage, AMD) (Rajah 4b) dan boleh menyebabkan pencemaran air yang serius (Yaashikaa et al. 2022). Teknologi MFC berpotensi mengawal pembentukan AMD melalui proses pengoksidaan sulfur yang terkawal. Selain itu, teknologi ini turut membolehkan penjanaan tenaga elektrik dan pemulihan sumber seperti logam berat daripada air kumbahan. Kajian terdahulu menunjukkan bahawa beberapa mikroorganisma daripada genus Leptospirillum (Rajah 4c), Sulfobacillus dan Acidithiobacillus yang berasal daripada konsortium mikroorganisma dalam mineral sulfida yang mengandungi emas, mampu menjalankan proses pemulihan sumber logam ini dengan berkesan (Quach et al. 2022).

Cabaran dan Potensi Masa Depan

Teknologi MFC menawarkan pendekatan dalam pengurusan sisa dengan memanfaatkan proses metabolik mikroorganisma untuk menukarkan sisa organik kepada bioelektrik. Walaubagaimanapun, terdapat beberapa cabaran utama yang perlu diatasi untuk memaksimumkan keberkesanannya. Salah satu halangan utama adalah kos bahan khususnya membran pertukaran proton yang mahal dimana ia boleh menyekat penerapan teknologi ini pada skala besar. Selain itu, kestabilan operasi sistem MFC perlu dipastikan bagi mengekalkan konsistensi dalam pengeluaran tenaga dan keberkesanan rawatan sisa. Penskalaan komersial teknologi MFC masih berada pada peringkat pembangunan terutamanya untuk aplikasi industri berskala besar. Namun, penyelidikan berterusan memberi harapan bahawa MFC dapat dioptimumkan dengan penggunaan bahan mesra alam sebagai elektrod serta peningkatan keupayaan biokatalitik mikroorganisma melalui pendekatan kejuruteraan genetik yang lebih inovatif.

Rujukan

[1] Abd Rahman Jabir Mohd Din. (2022, October 10). Intervensi Mikroorganisma Tingkatkan Potensi Komersil Produk Berasaskan Sisa Pertanian. Majalah Sains, 1–8. https://www.majalahsains.com/intervensi-mikroorganisma-tingkatkan-potensi-komersil-produk-berasaskan-sisa-pertanian/

[2] Abu Bakar, M. H., Alias, M. N., Su, L. S., & Heng, C. J. (2024, August 13). Revolusi Tenaga – Bakteria Sebagai Sumber Elektrik. Majalah Sains, 1–11.

[3] Ahmad Razali Bin Ishak. (2023, June 23). Pengkomposan Sisa Makanan Menggunakan Black Soldier Fly (BSF) dan Teknik Bokashi; Pilihan Alternatif Pengurusan Sisa Secara Lestari. Majalah Sains, 1–10. https://www.majalahsains.com/pengkomposan-sisa-makanan-menggunakan-black-soldier-fly-bsf-dan-teknik-bokashi-pilihan-alternatif-pengurusan-sisa-secara-lestari/

[4] Aungst, H. (2023, April 5). Understanding E. Coli Strains That Do Not Cause Diarrhea Could Lead to New Treatments. University of Maryland School of Medicine.

[5] Ball, D. W., Hill, J. W., & Scott, R. J. (2011, February). Introduction to Chemistry: General, Organic, and Biological. https://2012books.lardbucket.org/books/introduction-to-chemistry-general-organic-and-biological/s11-01-intermolecular-interactions.html

[6] Biodiversity Exploratories. (2025, February 4). MICROBE Consortium. Biodiversity Exploratories.

[7] Brett Housley. (2025, February 3). Acid Mine Drainage Treatment. WESTECH. https://www.westechwater.com/blog/acid-mine-drainage-treatment

[8] Lea, R. (2021, October 11). Metal-Eating Bacteria That Can Eat a Nail in Three Days Found in the Andes. NEWSWEEK. https://www.newsweek.com/metal-eating-bacteria-could-clean-mining-chile-nadac-reales-leptospirillum-atacama-desert-1637558

[9] Nachammai, K. T., Ramachandran, S., Nagarajan, C., Kulanthaivel, L., Subbaraj, G. K., Chandrasekaran, K., Paramasivan, V., & Senthilkumar, S. (2023). Exploration of Bioinformatics on Microbial Fuel Cell Technology: Trends, Challenges, and Future Prospects. Journal of Chemistry, 2023, 1–8. https://doi.org/10.1155/2023/6902054

[10] Quach, N. T., Pham-Ngoc, C., Bui, T. D., Tran, T., Ngo, T. P., Nguyen, V. T., Vu, T. H. N., Tran, T. A., Chu, H. H., & Tien, P. Q. (2022). Bioleaching Potential of Indigenous Bacterial Consortia From Gold-Bearing Sulfide Ore Of Ta Nang Mine in Vietnam. Polish Journal of Environmental Studies, 31(1), 803–813. https://doi.org/10.15244/pjoes/141341

[11] Sahoo, A., Dwivedi, A., Madheshiya, P., Kumar, U., Sharma, R. K., & Tiwari, S. (2024). Insights into the management of food waste in developing countries: with special reference to India. Environmental Science and Pollution Research, 31(12), 17887–17913. https://doi.org/10.1007/s11356-023-27901-6

[12] United Nations. (2025, January 3). Global Issues Population. United Nations: Peace, Dignity and Equality on a Healthy Planet. https://www.un.org/en/global-issues/population

[13] Wu, Q., Liu, J., Li, Q., Mo, W., Wan, R., & Peng, S. (2022). Effect of Electrode Distances on Remediation of Eutrophic Water and Sediment by Sediment Microbial Fuel Cell Coupled Floating Beds. International Journal of Environmental Research and Public Health, 19(16), 10423. https://doi.org/10.3390/ijerph191610423

[14] Yaashikaa, P. R., Priyanka, B., Senthil Kumar, P., Karishma, S., Jeevanantham, S., & Indraganti, S. (2022). A review on recent advancements in recovery of valuable and toxic metals from e-waste using bioleaching approach. Chemosphere, 287. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2021.132230