Fitoremediasi Merkuri
Kata fitoremediasi berasal dari gabungan antara Bahasa Yunani "phyto" ('tanaman') dan Bahasa Latin "remedium" ('menyembuhkan dari yang jahat'). Kata fitoremediasi pertama kali diciptakan oleh Ilya Raskan pada 1994. Fitoremediasi adalah teknik untuk memfasilitasi reklamasi tanah dan air oleh tanaman. Reklamasi tersebut dilakukan tanaman dengan cara mengakumulasi polutan
pada tanaman, mengindikasikan keberadaan polutan, dan/atau mengekstruksi polutan ke permukaan. Polutan yang dimaksud dapat berupa polutan organik ataupun polutan anorganik. Teknik fitoremediasi terbagi menjadi lima tipe, yaitu fitoekstraksi, rhizofiltrasi, fitostabilisasi, fitodegradasi, dan fitovolatilisasi. Fitoremediasi juga dapat dilakukan secara in situ dan ex situ bergantung dari keadaan yang terjadi.
Logam berat yang menjadi salah satu sumber polutan anorganik dapat berasal dari pestisida dan pupuk, lumpur, gas buang kendaraan, pabrik peleburan, residu dari tambang tembaga, dan emisi dari "incinerator". Logam-logam ini mencemari tanah karena konsentrasi yang tinggi, apalagi jika sudah tidak terpakai dan menjadi karat sehingga mempengaruhi kesehatan manusia dan lingkungan. Hal ini juga meningkatkan tingginya laju kematian dan rusaknya lahan pertanian.
Salah satu logam berat yang menjadi kontaminan paling berbahaya adalah merkuri (Hg). Merkuri merupakan senyawa non-esensial dan merupakan salah satu bahan yang paling berbahaya dan beracun. Merkuri juga bertanggung jawab terhadap kesehatan manusia dan ekosistem. Tanaman dapat mengubah merkuri menjadi bentuk yang lebih tidak toksik. Proses fitoremediasi yang
terjadi pada penguraian merkuri adalah fitovolatilisasi. Rekayasa genetika dapat membantu tanaman untuk meningkatkan toleransinya terhadap merkuri sehingga proses fitoremediasi menjadi lebih efektif.
Beberapa spesies tanaman dapat mengakumulasikan logam pada jaringan atas tanah pada konsentrasi yang lebih tinggi daripada konsentrasi logam yang ada di tanah. Tanaman ini dapat disebut sebagai hiperakumulator ketika konsentrasi logam yang diakumulasi 50-100 kali lebih tinggi (tergantung jenis logam) daripada konsentrasi logam yang ada pada tanaman non-akumulator. Tanaman hiperakumulator telah
dimanfaatkan dalam fitoremediasi. Tanaman hiperakumulator dapat dihasilkan melalui "selective breeding" (alami) dan rekayasa genetik yang menghasilkan tanaman transgenik.
Metode "selective breeding "memiliki proses yang lebih sederhana untuk mendapatkan tanaman hiperakumulator dari non akumulator dan akumulator. Hal ini disebabkan karena mekanisme hiperakumulasi melibatkan berbagai tahapan di berbagai bagian tanaman yang dimulai dari peningkatan penyerapan logam ke dalam akar, "xylem loading", translokasi ke pucuk ("shoot") melalui transpor "ligand", "unloading" dan
akhirnya penyimpanan di vakuola. Berbagai protein transpoter juga menunjukkan regulasi yang dipengaruhi oleh berbagai faktor (umur, jaringan, jenis logam) yang berbeda.
Oleh karena itu, untuk membuat tanaman hiperakumulator melalui rekayasa genetik dari tanaman non-akumulator, harus dilakukan modifikasi ekspresi berbagai gen di berbagai jaringan yang spesifik, kemungkinan pada berbagai tahap tanaman dan ontogenesis daun. Hal ini menyebabkan tanaman hiperakumulator alami lebih dipilih, kecuali ditemukan ""switch gene"" umum yang dapat mengubah
ekspresi semua gen lain yang terlibat dalam hiperakumulasi. Sedangkan, tanaman transgenik dari hiperakumulator dapat dimodifikasi sehingga memiliki koefisien bioakumulasi yang lebih tinggi dan tanaman tidak hanya dapat mengakumulasi logam tetapi dapat melakukan fitoremediasi (mengubah logam yang berbahaya menjadi bentuk yang tidak berbahaya).
Gen yang mengatur kemampuan organisme dalam melakukan fitoremediasi bagi lingkungan adalah kompleks gen rekombinan "mer"A, "mer"B, "mer"C. Kompleks gen ini secara spesifik berperan menguraikan atau meremediasi cemaran logam merkuri. Gen "mer"A mengkodekan ion merkuri reduktase yang berperan menguraikan dan mendetoksifikasi bentuk asli logam merkuri menjadi bentuk elementalnya, dengan reaksi sebagai berikut.
Gen "mer"B sebenarnya adalah gen milik bakteri yang mengkode organomercurial lyase berperan memotong ("cleaved") merkuri organik alami menjadi bentuk metana dan ion merkuri. Dengan kata lain, membuat merkuri alami, menjadi "less toxic ".
Gen "mer"C terdapat pada organel sel tumbuhan. Gen ini memiliki peran yang sangat signifikan, terutama dalam proses transporter merkuri. Gen ini membantu mengubah merkuri yang toksik maksimum menjadi "less toxic ".
Beberapa jenis tanaman sudah digunakan untuk penelitian fitoremediasi ini, antara lain "Arabidopsis thaliana", yaitu tanaman dari famili "Brassicaceae". Tanaman ini sering digunakan sebagai media ekspresi gen dalam teknologi rekayasa tanaman. Proses rekayasa pada tumbuhan ini dilakukan dengan menyisipkan gen "mer"A dan diekspresikan secara spesifik pada bagian akar. "A.
thaliana" ini memiliki tingkat resistensi mencapai 80 M HHgCl. Gen "mer"A banyak diaplikasikan secara spesifik untuk berekspresi di bagian akar, karena akar adalah bagian tumbuhan yang paling rentan terhadap cemaran logam merkuri. Tanaman lain yang digunakan sebagai media ekspresi adalah padi ("Oryza sativa"). Tanaman padi juga disisipkan gen "mer"A sebagai perkembangan
tumbuhan dan memiliki resistensi mencapai 250 M HgCl untuk tanaman rekombinasi dan untuk tipe liar memiliki resistensi hanya 150 M HgCl. Tumbuhan lain ada "Spartina alterniflora" atau tanaman rumput-rumputan yang resisten hingga 500 M HgCl ketika sudah direkayasa. Ada pula tanaman "Chlorella" sejenis mikro alga yang memiliki resistensi 40 M HgCl setelah disisipkan "mer"A.
Secara umum, gen "mer"A mampu memproteksi tanaman, namun tidak dalam pencemaran skala besar dan "high toxicity mercury". Tanaman membutuhkan kombinasi kerja gen "mer"A dan "mer"B untuk melindungi sel dari logam merkuri organik, karena bentuk organik merkuri lebih berbahaya daripada bentuk inorganiknya. Ketika gen "mer"B ini disisipkan ke genom inti sel tanaman "A. thaliana"
resistensinya meningkat sebanyak 1 M PMA ("phenylmercuric acetate"). Namun, ketika tanaman ini dikombinasikan gen "mer"A dan "mer"B resistensinya mengkat sebanyak 5 M PMA. Lokasi ekpresi dari gen-gen tersebut berada di retikulum endoplasma dan dinding sel untuk gen "mer"B. Sedangkan kombinasi 2 gen tersebut terekspresi di sitoplasma.
Aktivitas reaksi redoks yang dikatalisis oleh ekspresi gen "mer"A dan "mer"B membutuhkan ketersediaan "nicotinamide adenine dinucleotide phosphate" (NADPH) dalam jumlah yang banyak sebagaidonor elektron. NADPH dihasilkan oleh reaksi yang terjadi dalam kloroplas, yaitu fotosistem 1. Kebutuhan akan NADPH yang tinggi menyebabkan kebergantungan enzim
(MerA) terhadap keberadaan kloroplas. Senyawa organomerkuri (senyawa organik yang mengandung merkuri) bersifat sangat toksik bagi kloroplas. Oleh sebab itu, modifikasi genetik pada genom kloroplas diperlukan agar tercipta kondisi yang mendukung fungsi kerja enzim untuk mendetoksifikasi merkuri yang disandikan oleh gen "mer"A dan "mer"B.
Untuk mendapatkan tingkat resistensi yang lebih tinggi (> 5-10 M PMA), kloroplas memerlukan proteksi terhadap toksik merkuri, karena kloroplas merupakan target utama racun Hg. Toksik merkuri dapat menginhibisi kinerja kloroplas, seperti transpor elektron, reaksi Hill, fotofosforilasi, fotosintesis, metabolisme sulfur atau nitrogen, dan sintesis pati, asam amino, asam lemak,
pigmen, serta vitamin. Rekombinasi genetik kloroplas keuntungan, yaitu dapat dikembangakan pada tanaman transgenik yang membutuhkan ekspresi multiple gen untuk meningkatkan efektivitas fitoremediasi. Dengan transformasi kloroplas, beberapa jalur biosintesis dapat dikembangkan dalam satu transformasi, tanpa membutuhkan "backcross" dengan galur tertentu. Keuntungan lainnya adalah mampu menutupi