TESIS - TK 142541
BIOREMEDIASI BENZENE, TOLUENE, DAN XYLENE (BTX) DARI LAHAN TERKONTAMINASI MINYAK BUMI OLEH BAKTERI AEROBIK PADA FASE SLURRY DALAM BIOREAKTOR MARIA ASSUMPTA NOGO OLE 2314 201 202
DOSEN PEMBIMBING Dr. Ir. Sri Rachmania Juliastuti, M. Eng
PROGRAM MAGISTER BIDANG KEAHLIAN TEKNOLOGI PROSES DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2017
THESIS - TK 142541
BIOREMEDIATION OF BENZENE, TOLUENE AND XYLENE (BTX) FROM PETROLEUM CONTAMINATED SOIL BY AEROBIC BACTERIA AT SLURRY PHASE IN BIOREACTOR MARIA ASSUMPTA NOGO OLE 2314 201 202
DOSEN PEMBIMBING Dr. Ir. Sri Rachmania Juliastuti, M. Eng
MAGISTER PROGRAM PROCESS OF TECHNOLOGY CHEMICAL ENGINEERING DEPARTMENT FACULTY OF INDUSTRIAL TECHNOLOGY INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2017
BIOREMEDIASI BENZENE, TOLUENE, DAN XYLENE (BTX) DARI LAHAN TERKONTAMINASI MINYAK BUMI OLEH BAKTERI AEROBIK PADA FASE SLURRY DALAM BIOREAKTOR
ABSTRAK
Kontaminasi tanah oleh kegiatan eksplorasi, produksi dan buangan limbah minyak bumi ke lingkungan menyebabkan kerusakan serius bagi ekosistem lingkungan, manusia dan hewan. Proses biodegradasi (bioremediasi) mengalami kesulitan terutama pada kompleksitas hidrokarbon yang terserap ke dalam tanah. Berbagai metode telah diterapkan untuk pemulihan tanah yang tercemar minyak bumi. Salah satu metode yang dikembangkan dalam bioremediasi tanah tercemar minyak bumi adalah bioremediasi ex-situ dengan fase slurry bioreactor. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk menentukan efisiensi biodegradasi serta kinetika biodegradasi benzene, toluene, dan xylene (BTX) dalam proses pengolahan tanah yang tercemar minyak bumi oleh bakteri aerobik di mana bakteri yang digunakan adalah Bacillus cereus, Pseudomonas putida dan Rhodococcus erythropolis. Residu BTX diukur dengan menggunakan metode kromatografi gas. Proses bioremediasi diamati selama 56 hari dengan menggunakan 10 jenis bioreaktor. Bioreaktor pertama tanpa penambahan bakteri, dan tiga bioreaktor dengan penambahan 12,5% (v/v); 15% (v/v) dan 17,5% (v/v) bakteri Bacillus cereus, tiga bioreaktor dengan penambahan 12,5% (v/v); 15% (v/v) dan 17,5% (v/v) bakteri Pseudomonas putida serta tiga bioreaktor dengan penambahan 12,5% (v/v); 15% (v/v) dan 17,5% (v/v) bakteri Rhodococcus erythropolis. Bioreaktor diagitasi dan diaerasi selama proses bioremediasi berlangsung. Pada hari ke-56, total degradasi terbaik pada bioreaktor dengan penambahan 17.5% Pseudomonas putida yang menghasilkan 97.5% total degradasi dimana kadar akhir BTX diperoleh 6.4338 μg/g. Kata kunci: biodegradasi, BTX, slurry bioreactor, bakteri aerob
iii
Halaman ini sengaja dikosongkan
iv
BIOREMEDIATION OF BENZENE, TOLUENE AND XYLENE (BTX) FROM PETROLEUM CONTAMINATED BY AEROBIC BACTERIA AT SLURRY PHASE IN BIOREACTOR
ABSTRACT
Land contamination by petroleum exploration, production and discharge of waste into the environment causing serious damage to the ecosystem of the environment, human and animal. Biodegradation (bioremediation) processes have difficulty focused on the complexity of the hydrocarbons that was adsorbed by the soil. Various methods have been applied to recovery the petroleum contaminated soil. A method that was developed in bioremediation of petroleumcontaminated soil in addition to in-situ bioremediation is the ex-situ bioremediation with slurry phase bioreactor. The objective of this research is to determine efficiency of bioremediation and bioremediation kinetics in biodegradation process by aerobic bacteria. The bacteria are Bacillus cereus Pseudomonas putida and Rhodococcus erythropolis. Residues of petroleum hydrocarbon (BTX) were measured by gas chromatography method. Process was identified in 56 days in 10 bioreactors. One without addition of bacteria, three bioreactors with addition of 12.5% (v/v), 15% (v/v) dan 17.5% (v/v) Bacillus cereus bacteria, three bioreactors with addition of 12.5% (v/v), 15% (v/v) and 17.5% (v/v) Pseudomonas putida bacteria and three bioreactors with addition of 12.5% (v/v), 15% (v/v) and 17.5% (v/v) Rhodococcus erythropolis bacteria. The bioreactors were agitated and aerated during bioremediation process. After 56 days, the best result for total degradation of BTX was in bioreactor with 17.5% Pseudomonas putida with 97.5% total degradation and final result of BTX degradation was 6.4338μg/g. Keywords: biodegradation, BTX, slurry bioreactor, aerobic bacteria
v
Halaman ini sengaja dikosongkan
vi
KATA PENGANTAR Puji syukur saya panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa, karena berkat dan rahmat karunia-Nya sehingga laporan tesis ini dapat terselesaikan. Laporan tesis yang berjudul “Bioremediasi Benzene, Toluene, Dan Xylene (BTX) dari Lahan Terkontaminasi Minyak Bumi oleh Bakteri Aerobik pada Fase Slurry dalam Bioreaktor” merupakan syarat untuk menyelesaikan program magister Teknik Kimia di Institut Teknologi Sepuluh Nopember. Dalam kesempatan ini saya juga ingin mengucapkan terima kasih yang sedalam-dalamnya kepada : 1.
Bapak Juwari, S.T., M.T., M.Eng, selaku Kepala Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya.
2.
Bapak Dr. Tantular Nurtono, ST. M.Eng selaku Koordinator Pascasarjana Teknik Kimia, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya
3.
Ibu Dr. Ir. Sri Rachmania Juliastuti selaku Kepala Laboratorium Pengolahan Limbah Industri dan dosen pembimbing yang telah memberikan banyak masukan dan saran serta support dan motivasi selama pengerjaan tesis ini.
4.
Bapak Prof. Dr. Ir. Arief Widjaja, M.Eng, Bapak Prof. Dr. Ir. Tri Widjaja, M.Eng, dan Bapak Dr. Ir. Susianto, DEA selaku dosen penguji yang telah memberikan saran dan masukan selama pengerjaan laporan ini.
5.
Bapak dan Ibu Dosen Jurusan Teknik Kimia yang telah memberikan ilmunya kepada penulis.
6.
Orang tua (Bapak Bernardus Wato Ole dan Mama Cornelia Wasti Tamo Ina) serta saudara (Rinus & Talis) dan saudari (Nasti, Imel, Rima, Helena dan Yuni) atas doa, perhatian, serta kasih sayang yang selalu tercurah selama ini.
7.
Lembaga Pengelola Dana Pendidikan (LPDP) sebagai lembaga pemberi beasiswa yang telah memberikan dukungan secara materil dan non materil.
8.
Keluarga Besar Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya, temanteman di Laboratorium Pengolahan Limbah Industri (Bos Abu, Bos Ramli, Mbak Ira, Hamidah, Hilal, Fanny, Anissa, Dalyla, Tunny, Tika, Dwi, Dessy, Vivi, Bulloh, Adi, Yumna, Didit, Reynad, Rilya, Nora, April, Luqman, Rifki, vii
Hudha, Ibnu, John dan Sandrian), Kepompong (Maria, Helda, Cucuk), Mba Ernia, Mba Fitri, Mbak Puspita, dan Siblings from another parents (Delftya dan Imam). 9.
Teman-teman alumni SDK St. Arnoldus Penfui 1997, SMPN 2 Bajawa 2003, SMAK Syuradikara 2006 dan Teknik Kimia ITN Malang 2009 atas doa dan dukungan selama proses kuliah dan penyelesaian tesis ini.
10. Maximilianus H. Nanga, teman spesial, yang selalu mendengarkan dan memerikan masukan dalam setiap masalah, serta teman-teman diskusi yang dengan ide cemerlangnya memperkenalkan saya pada dunia baru (Bonjo, Joe, Fr. Ageng). 11. Sahabat-sahabat yang lain tidak bisa disebutkan satu-persatu di sini, terima kasih atas support dan doa saat suka dan duka. Penulis menyadari bahwa tesis ini masih belum sempurna, oleh karena itu kritik dan saran dari berbagai pihak sangat diharapkan demi perbaikan penelitian dan mutu penulisan selanjutnya. Terimakasih.
Surabaya, 27 Januari 2017 Penulis
viii
DAFTAR ISI Halaman Lembar Pengesahan ........................................................................................ i Abstrak ............................................................................................................ iii Abstract ........................................................................................................... v Kata Pengantar ................................................................................................ vii Daftar Isi........................................................................................................... ix Daftar Tabel ..................................................................................................... xiii Daftar Gambar .................................................................................................. xv Daftar Notasi .................................................................................................... xvii Bab 1. Pendahuluan .......................................................................................... 1 1.1.Latar Belakang .................................................................................... 1 1.2.Rumusan Masalah ............................................................................... 6 1.3.Tujuan ................................................................................................ 6 1.4.Manfaat Penelitian .............................................................................. 6 Bab 2. Kajian Pustaka ...................................................................................... 9 2.1.Hidrokarbon ........................................................................................ 9 2.2.Biodegradasi dan Bioremediasi .......................................................... 11 2.3.Mikroba Pendegradasi......................................................................... 15 2.4.Pengaruh Struktur Kimia Hidrokarbon Terhadap Biodegradasi ......... 18 2.5.Benzene, Toluene, dan Xilene (BTX) .................................................. 19 2.6.Slurry Bioreactor ................................................................................ 21 2.7.Baku Mutu Pengolahan Minyak Bumi ................................................ 24 2.8.Parameter Kinetika Mikroba ............................................................... 25
ix
2.8.1. Kinetika Kultur Batch ................................................................. 26 2.8.2. Substrate-Limited Growth ........................................................... 27 2.9.Penelitian Terdahulu .............................................................................. 29 Bab 3. Metode Penelitian ................................................................................... 33 3.1. Rancangan Penelitian ........................................................................... 33 3.2. Variabel Penelitian .............................................................................. 33 3.2.1. Kondisi Operasi .......................................................................... 33 3.2.2. Variabel Percobaan..................................................................... 33 3.3. Bahan, Alat dan Skema Alat Penelitian ............................................... 34 3.3.1. Bahan Penelitian ......................................................................... 34 3.3.2. Alat Penelitian ............................................................................ 34 3.3.3. Skema Alat Penelitian ................................................................ 34 3.4. Diagram Alir Penelitian........................................................................ 35 3.5. Tahapan Penelitian ............................................................................... 35 3.5.1. Preparasi Tanah yang Tercemar Minyak Bumi .......................... 35 3.5.2. Biodegradasi Tanah yang Tercemar Minyak Bumi ................... 36 3.5.3. Pengambilan Sampel .................................................................. 36 3.5.4. Prosedur Analisa......................................................................... 37 Bab 4. Hasil dan Pembahasan ............................................................................ 41 4.1. Kondisi Awal Tanah Tercemar Minyak Bumi ..................................... 41 4.2. Pengaruh bakteri indigenous dan eksogenous terhadap penurunan konsentrasi Benzene, Toluene dan Xylene (BTX) ................................ 42 4.3. Pengaruh waktu reaksi terhadap penurunan konsentrasi Benzene, Toluene dan Xylene (BTX) ................................................................... 45
x
4.4. Pengaruh konsentrasi bakteri terhadap penurunan konsentrasi Benzene, Toluene dan Xylene (BTX) ....................................................47 4.5. Kinetika Penurunan Substrat pada Penambahan Bakteri Bacillus cereus pada Masing-Masing Bioreaktor ...............................................51 4.6. Kinetika Penurunan Substrat pada Penambahan Bakteri Pseudomonas putida pada Masing-Masing Bioreaktor .......................54 4.7. Kinetika Penurunan Substrat pada Penambahan Bakteri Rhodococcus erythropolis pada Masing-Masing Bioreaktor ...............56 4.8. Perhitungan Konstanta Laju Kematian(Kd) ..........................................57 Bab 5. Kesimpulan dan Saran .............................................................................61 5.1. Kesimpulan ...........................................................................................61 5.2. Saran .....................................................................................................62 Daftar Pustaka .....................................................................................................63 Appendiks A .......................................................................................................67 Appendiks B ........................................................................................................73
xi
Halaman ini sengaja dikosongkan
xii
DAFTAR TABEL Halaman Tabel 2.1. Kondisi optimal pertumbuhan mikroba dan biodegradasi hidrokarbon...................................................................................... 13 Tabel 2.2. Perkembangan metode yang diaplikasikan pada proses bioremediasi .................................................................................... 15 Tabel 2.3. Beberapa mikroorganisme pendegradasi hidrokarbon .................... 18 Tabel 2.4. Hubungan struktur kimia hidrokarbon dan kemempuan terbiodegradasi................................................................................. 18 Tabel 2.5. Sifat kimia dan Fisika BTX ............................................................. 19 Tabel 2.6. Persyaratan nilai akhir hasil pengolahan sludge minyak bumi........ 24 Tabel 4.1. Karakteristik Tanah di Lokasi Pengeboran Minyak ........................ 41 Tabel 4.2. Degradasi BTX pada Bioreaktor Setiap 14 Hari ............................. 43 Tabel 4.3. Hasil Perhitungan Konstanta Laju Kematian (kd) ........................... 59
xiii
Halaman ini sengaja dikosongkan
xiv
DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar 2.1. Struktur molekular hidrokarbon ................................................ 9 Gambar 2.2. Reaksi degradasi hidrokarbon alifatik ........................................ 17 Gambar 2.3. Reaksi degradasi hidrokarbon aromatik ..................................... 17 Gambar 2.4. Bakteri Bacillus cereus ............................................................... 20 Gambar 2.5. Bakteri Pseudomonas putida ...................................................... 20 Gambar 2.6. Bakteri Rhodococcus erythropolis .............................................. 21 Gambar 2.7. Plot Grafik Persamaan Henri untuk Kinetika Michaelis-Menten pada Reaktor Batch .................................................................... 24 Gambar 2.8. Tipikal kurva pertumbuhan untuk populasi bakteri .................... 25 Gambar 2.9. Dependence of The Spesific Growth Rate in The Concentration of The Growth Limiting Nutrient ................................................ 28 Gambar 3.1. Rangkaian alat slurry bioreactor ................................................ 34 Gambar 3.2. Alur rancangan penelitian secara umum ..................................... 35 Gambar 3.3. Haemmocytometer ...................................................................... 37 Gambar 4.1. Tanah Tercemar Minyak Bumi di Lokasi Pengeboran PPEJ ..... 41 Gambar 4.2. Grafik Degradasi BTX oleh indigenous bacteria ....................... 42 Gambar 4.3. Grafik degradasi (a) benzene, (b) toluene dan (c) toluene untuk penambahan 17.5% bakteri Bacillus cereus, Pseudomonas putida dan Rhodococcuc erythropolis ........................................ 44 Gambar 4.4. Hubungan antara % Degradasi dan Waktu ................................ 46 Gambar 4.5. Hubungan antara Kadar BTX dan Populasi Bakteri dengan Waktu Degradasi pada Penambahan Bakteri (a) Bacillus cereus, (b) Pseudomonas putida dan (c) Rhodococcus erythropolis ................................................................................ 47 Gambar 4.6. Grafik hasil degradasi BTX pada penambahan 17.5% bakteri Bacillus cereus, Pseudomonas putida dan Rhodococcus erythropolis ................................................................................ 49
xv
Gambar 4.7. Grafik Perhitungan Konstanta Kinetika pada Bioreaktor dengan Penambahan (a) 12.5%; (b) 15% dan (c) 17.5% Bacillus cereus .......................................................................... 52 Gambar 4.8. Hubungan antara ko dan Km dengan konsentrasi Bakteri Bacillus cereus .......................................................................... 53 Gambar 4.9. Grafik Perhitungan Konstanta Kinetika pada Bioreaktor dengan Penambahan (a) 12,5%; (b) 15% dan (c) 17,5% Pseudomonas putida ................................................................. 54 Gambar 4.10. Hubungan antara ko dan Km dengan konsentrasi Bakteri Pseudomonas putida ................................................................. 55 Gambar 4.11. Grafik Perhitungan Konstanta Kinetika pada Bioreaktor dengan Penambahan (a) 12,5%; (b) 15% dan (c) 17,5% Rhodococcus erythropolis ......................................................... 56 Gambar 4.12. Hubungan antara ko dan Km dengan konsentrasi Bakteri Rhodococcus erythropolis ......................................................... 57 Gambar 4.13. Grafik perhitungan slope untuk Menentukan Nilai kd (a) Bakteri B. cereus, (b) Bakteri P.putida dan (c) bakteri R. erythropolis ............................................................................... 58
xvi
DAFTAR NOTASI
a
= surface area per unit volume
mL-1
D
= dilution rate
hari-1
F
= laju alir
liter/jam
kd
= konstanta laju kematian
hari-1
Km
= konstanta Michaelis-Menten
mg/hari
KS
= konstanta Monod
mg/hari
ko
= konstanta laju pertumbuhan maksimum
hari-1
Qo
= laju alir influent
liter/jam
rfb
= laju pembentukan biomass
mg/L.hari
rfi
= laju pembentukan produk
mg/L.hari
rfs
= laju pembentukan substrat
mg/L.hari
S
= konsentrasi substrat
mg/L
Si
= konsentrasi masuk
mg/L
So
= konsentrasi keluar
mg/L
So
= konsentrasi substrat mula-mula
mg/L
t
= waktu
hari
VR
= volume kultur
liter
X
= konsentrasi biomassa
mg/L
Xo
= konsentrasi umpan solid
mg/L
Y
= growth yield
mg biomass/mg substrat
μ
= laju pertumbuhan spesifik mikroba
hari-1
μmax
= laju pertumbuhan max. spesifik mikroba
hari-1
xvii
Halaman ini sengaja dikosongkan
xviii
BAB I PENDAHULUAN
1.1.Latar Belakang Perkembangan pesat ekonomi dunia mengakibatkan kebutuhan manusia akan energi semakin meningkat. Setiap negara mempercepat eksploitasi dan penggunaan sumber daya minyak dan gas, menyebabkan semakin banyak sumur minyak dan gas muncul di dunia. Selama proses eksplorasi, eksploitasi, produksi, transportasi, penyimpanan dan proses pemurnian, oil-well blowing, kebocoran dan seterusnya akan membawa dampak kontaminasi pada tanah. Residu yang diperoleh dalam proses pengolahan minyak bumi telah meningkatkan perhatian beberapa tahun terakhir. Residu tersebut mengandung hidrokarbon minyak bumi dalam konsentrasi tinggi dan komponen rekalsitran lainnya. Permintaan global akan minyak bumi dan produk-produknya telah berkontribusi terhadap efek yang merugikan pada lingkungan ekosistem. Dan masalah umum baru serta pada jangka panjang menyebabkan kerusakan pada ekosistem air, tanah kesehatan manusia dan sumber daya alam serta lingkungan lainnya. Pencemaran ini, meskipun
dengan
konsentrasi
hidrokarbon
yang
rendah
akan
sangat
mempengaruhi bau dan rasa air tanah. Dikatakan bahwa setiap kali ladang minyak beroperasi, jumlah minyak yang tersisa di ladang minyak beberapa dekade menjadi beberapa ratus kilogram. Area terkontaminasi pada sumur pengeboran minyak bumi mencapai 0,5-2,1 m2 (Chunrong dkk, 2013). Minyak bumi yang sebagian besar terdiri dari hidrokarbon, molekul organik, dapat mematikan dalam konteks ekologi jika dilepas atau dibuang ke lingkungan. Hal ini secara fisika, kimiawi dan biologis sangat berbahaya untuk tanah karena keberadaan senyawa beracun, seperti polisiklik hidrokarbon aromatik, benzen dan substitusi cincin sikloalkana dalam konsentrasi yang relatif tinggi.
1
Indonesia sebagai salah satu negara penghasil minyak bumi terbesar (urutan ke-8) dengan produksi 1,27 juta barrel per hari pada tahun 2003. Kini produksi minyak mentah di Indonesia semakin menurun di kisaran 900 ribu barrel per hari. Dari angka tersebut, diperkirakan akan menimbulkan 150.000 ton limbah per tahun, dimana 37.000 ton di antaranya diperkirakan merupakan limbah B3. (Santosa, 2004 dalam Nugoho, 2006). Jumlah tanah yang terkontaminasi minyak bumi yang dihasilkan dalam proses produksi minyak telah meningkat ribuan ton setiap tahun di Indonesia. Berbagai upaya telah dilakukan untuk mengatasi pencemaran lingkungan dengan perbaikan pada stem pengeboran, pengolahan, penyaluran minyak bumi dan pengolahan limbah. Proses remediasi mengarah pada proses removal hidrokarbon minyak bumi dari lingkungan yang melibatkan tiga metode, yaitu fisika, kimia dan biologi. Metode fisika dan kimia secara luas digunakan untuk clean up. Namun metode fisika-kimia memiliki keterbatasan, yaitu mahal untuk diterapkan pada skala besar, tidak ramah lingkungan, teknologinya kompleks dan menyebabkan kerusakan tekstur dan karakteristik tanah. Metode fisika-kimia hanya dapat dilakukan jika tumpahan minyak belum menyebar kemana-mana. Penanganan secara biologi merupakan salah satu alternatif dalam upaya mendegradasi kandungan minyak bumi di lingkungan. Karena keterbatasan teknologi kimiafisika di atas, maka penanganan secara biologi dengan metode bioremediasi (biodegradasi) adalah alternatif dan atau suplemen untuk metode ini. Ini karena biayanya efektif, ramah lingkungan, sederhana dalam teknologi dan konservasi dari tekstur dan karakteristik tanah. Bioremediasi secara ekonomis dan lingkungan sangat atraktif memberikan solusi untuk memulihkan lokasi tersebut. Polutan hidrokarbon di tanah yang terkontaminasi dapat berpotensi terdegradasi oleh aktivitas mikroba. Potensi mikroba sebagai agen degradasi beberapa senyawa dapat menunjukkan bahwa pengolahan secara biologis sebagai alternatif utama yang menjanjikan untuk mengurangi dampak lingkungan yang disebabkan oleh polutan. Breakdown mikroba polutan hidrokarbon umumnya merupakan proses yang sangat lambat tetapi dapat dioptimalkan untuk memungkinkan tingkat transformasi mikroba lanjut menjadi lebih cepat.
2
Pentingnya mikroorganisme dalam dekomposisi residu organik alami dalam ekosistem tanah, sedimen dan air sudah sejak lama diakui. Transformasi mikroba dan kontaminan organik bisa terjadi karena organisme dapat menggunakan kontaminan tersebut untuk kebutuhan energi sendiri, pertumbuhan dan reproduksi. Kemampuan mikroorganisme tertentu untuk mendegradasi minyak bumi tampaknya menjadi proses adaptif dan diatur oleh kondisi lingkungan. Keberadaan minyak bumi mungkin juga mempengaruhi komunitas mikroba melalui seleksi dari spesies. Degradasi hidrokarbon oleh komunitas mikroba tergantung pada komposisi dari komunitas dan responnya terhadap kehadiran hidrokarbon. Bakteri dan jamur adalah agen-agen kunci degradasi, dimana bakteri diasumsikan dominan berperan pada ekosistem air laut, sedangkan jamur pada ekosistem darat dan air tawar. Komunitas bakteri mengalami adaptasi, dimana bakteri yang sebelumnya terkena hidrokarbon akan menunjukkan laju biodegradasi yang lebih tinggi daripada komunitas tanpa kontaminasi hidrokarbon. Mikroorganisme ini akan mati seiring dengan habisnya minyak mentah. Biodegradasi hidrokarbon minyak bumi dalam lingkungan adalah proses kompleks, yang aspek kualitatif dan kuantitatif bergantung pada sifat dari sejumlah besar minyak bumi atau hidrokarbon yang ada, kondisi ambient, lingkungan dan komposisi dari autochthonous microbial community. Dalam proses biodegradasi minyak bumi, penggunaan mikroorganisme harus disesuaikan dengan isolat bakterinya, dengan modifikasi faktor mikro lingkungan untuk pertumbuhan mikroba, yang berdampak pada proses bioremediasi yang berlangsung dengan cepat. Untuk penyebaran dan kelangsungan hidup di lingkungan, mikroba bergantung pada nutrisi, pH, temperatur untuk produksi mikrobial indigenus dan ekskresi eksoenzim untuk memecah hidrokarbon dan produk mereka. Aktifitas mikroorganisme dalam merombak hidrokarbon ini sangat ditunjang oleh transfer massa oksigen di dalam bakteri yang menyebabkan kerja bakteri optimal, di samping keberadaan nutrien bagi bakteri tersebut. Berdasrkan
tempat
berlangsungnya,
bioremediasi
dapat
diaplikasikan
langsung (in situ) pada lingkungan yang tercemar. Mikroba remediator yang
3
digunakan adalah mikroba indigenous. Sifat remediasinya secara alamiah (natural attenuation) dan proses biodegradasi bahan pencemar berlangsung sangat lambat. Teknik bioremediasi dapat pula dilaksanakan di luar lingkungan tercemar (ex situ), yaitu dengan membawa tanah yang terkontaminasi tersebut ke lokasi pengolahan yang telah ditetapkan. Pengolahan secara ex situ dan in situ sebagian besar diterapkan ketika konsentrasi pencemarnya tinggi dan rekalsitran. Jika permeabilitas tanah rendah, dan/atau bahan organik tinggi, kondisi iklim akan menghambat perlakuan in situ sehingga teknologi ex situ lebih disukai. Pengembangan metode ex situ dengan slurry bioreactor berhasil diterapkan oleh Ayotamuno dkk (2007) pada degradasi lumpur minyak. Remediasi bioslurry dilakukan melalui penambahan extraneous microbes serta regular mixing and watering menghasilkan reduksi TPH dalam lumpur mencapai 40,7% - 53,2% pada 2 minggu pertama perlakuan dan 63,7% - 84,5% setelah 6 minggu. Dalam penelitian yang dilakukan Thavasi R dkk (2011) dengan menggunakan tiga jenis bakteri yaitu Bacillus meganterium, Corynebacterium kutscheri dan Pseudomonas aeruginosa dalam upaya mendegradasi crude oil dengan penambahan biosurfaktan dan fertilizer. Fertilizer yang digunakan adalah urea dan K2HPO4 dengan perbandingan berat 1:1. Biosurfaktan yang digunakan berasal dari bakteri yang dipakai, sedangkan mineral yang dipakai sebagai media adalah K2HPO4, MgSO4 7H2O, FeSO4 7H2O, CaCl22H2O, Na2MoO4 2H2O, dan NaCl. Hasil yang diperoleh dari penelitian ini adalah maksimum degradasi terjadi dengan menggunakan bakteri P. aeruginosa dengan persen degradasi 89% pada penambahan 0,1% biosurfaktan. El-Naas dkk, pada 2014 melakukan review terhadap perkembangan dan prospek biodegradasi BTEX secara aerobik, dengan menggunakan beberapa jenis bakteri. Penguraian BTEX dengan free Pseudomonas sp., Yarroia sp., Acinetobacter sp., Corynebacterium sp., dan Spingomonas sp. pada proses batch dengan konsentrasi 15 dan 75 mg/L BTEX. Efisiensi penguraian paling baik adalah 97% benzene, 93% toluene, 90% ethylbenzene dan 98% xylene pada kondisi pH 7 dan temperatur 28 – 30oC serta membutuhkan waktu tinggal selama 50 jam. Penguraian dengan bakteri Bacillus sphaericus, dengan konsentrasi
4
pencemar 0,0970; 0,0978; 0,0971 dan 0,0968 mL/L BTEX pada proses kontinyu menggunakan bench scale corn cob-based biofilter column memberikan lebih dari 98% penguraian pada suhu 30 ± 2oC. Bambang Yudono pada tahun 2009 melakukan riset mengenai kinetika dari bakteri Bacillus myciodes yang diisolasi dan kemudian digunakan pada prosses biodegradasi ex situ. Degradasi dilakukan dengan 10% (v:w) bakteri dimasukkan ke dalam bioreaktor kemudian diinkubasi selama 14 hari. Hasil yang diperoleh adalah konsentrasi total petroleum hydrocarbon (TPH) akan menurun dengan konstanta reaksi 0,0361/hari dan model kinetika bioremediasi y = -0,0362x + 2,2448. Pada 1996, Kelly dkk. menemukan bahwa dengan mengacu pada persamaan Monod, untuk sistem batch, di bawah kondisi oxic, konstanta laju biodegradasi (k1) untuk benzen adalah 1,32 mmol/L.jam, 1,42 mmol/L.jam untuk toluene dan 0,833 mmol/L.jam untuk xylene. Abbasi & Shquirat (2008) menggunakan bakteri indigenous Stenotophomonas multophilia dalam reaktor teraerasi untuk merombak tanah tercemar minyak bumi, menemukan bahwa konstanta kinetika orde pertama bervariasi, antara 0,041/hari dan 0,0071/hari (pada reaktor yang berbeda). Tuhuloula dan Juliastuti pada 2011 melakukan bioremediasi terhadap lahan terkontaminasi minyak bumi dengan bakteri Bacillus cereus dengan konsentrasi 5%, 10% dan 15% (v/v) pada slurry bioreactor. Pada awal perlakuan, konsentrasi BTEX secara berturut-turut adalah 35,28%; 42,25%; 9,57% dan 12,9%. Pada akhir proses degradasi, dilakukan analisa kadar BTEX dan diperoleh persen biodegradasi BTEX berturut-turut untuk konsentrasi bakteri 5% adalah 98,09%; 49,56%; 84,15% dan xylene 96,14%. Kemudian untuk konsentrasi bakteri 10%, secara berturut-turut persen degradasi BTEX adalah 98,29%; -%; 92,79% dan 96,22%. Sedangkan untuk kaonsentrasi bakteri 15%, persen degradasi BTEX adalah 98,51%; -%; -% dan 96,34%. Dari penelitian tersebut maka direncanakan penelitian berikutnya hanya memperhatikan penurunan konsentrasi benzene, toluene dan xylene (BTX) saja, mengingat konsentrasi etilbenzen dalam tanah sebelum proses degradasi sudah sangat kecil dan setelah hari ke 49 sudah tidak dapat terbaca konsentrasinya lagi.
5
Dalam upaya mecegah pencemaran minyak bumi pada tanah dalam konsentrasi rendah maupun tinggi, maka diperlukan suatu metode yang efektif, efisien, dan ekonomis dalam mengolah polutan dan tidak merusak lingkungan. Dengan pengembangan proses secara biologis, degradasi kontaminan minyak bumi di tanah oleh mikroorganisme aerobik Bacillus cereus, Pesudomonas putida dan Rhodococcus erythropolis pada lingkungan yang tercemar perlu dipahami efektivitas bakteri murni dalam mendegradasi limbah minyak bumi agar lebih efisien. 1.2.
Rumusan Masalah
Dari latar belakang di atas maka disusunlah rumusan masalah sebagai berikut: 1.
Bagaimana efisiensi biodegradasi sebagai fungsi konsentrasi minyak (hingga jenuh) dengan parameter pengukuran: konsentrasi BTX dan populasi bakteri pada pengolahan tanah yang terkontaminasi secara ex situ?
2.
Bagaimana kinetika biodegradasi (specific growth rate, konstantaMichaelisMenten dan Yield) pada pengolahan tanah yang tercemar minyak bumi oleh bakteri aerobik?
1.3. 1.
Tujuan Menentukan efisiensi biodegradasi sebagai fungsi konsentrasi minyak (hingga jenuh) dengan parameter pengukuran: konsentrasi BTX, populasi bakteri (Bacillus cereus, Pseudomonas putida dan Rhodococcus erythropolis pada pengolahan tanah yang terkontaminasi secara ex situ.
2.
Menentukan kinetika biodegradasi (specific growth rate, konstantaMichaelisMenten dan Yield) dalam proses pengolahan tanah yang tercemar minyak bumi oleh bakteri aerobik.
1.4.
Manfat Penelitian
Penelitian ini dapat bermanfaat untuk: 1. Mengurangi jumlah limbah hidrokarbon akibat kebocoran dalam proses pengeboran, pipanisasi, tangki penyimpnan bawah tanah, rembesan alam dan tumpahan minyak yang terdampar dengan menggunakan metode biologi.
6
2. Mendapatkan informasi tentang pemanfaatan bakteri Bacillus cereus,
Pseudomonas putida, dan Rhodococcus erythropolis dalam proses biodegradasi baik untuk masing-masing bakteri atau jika dikombinasikan. 3. Mengetahui kinetika reaksi penguraian BTX oleh bakteri.
7
Halaman ini sengaja dikosongkan
8
BAB II KAJIAN PUSTAKA
2.1. Hidrokarbon Hidrokarbon merupakan senyawa organik yang terdiri dari karbon dan hydrogen (Desai & Vyas, 2006). Hidrokarbon terjadi secara alami, senyawa organik yang mudah terbakar dalam minyak mentah ditemukan dalam formasi geologis di bawah permukaan bumi. Hidrokarbon yang terkandung dalam minyak mentah dikategorikan dalam komposisi molekuler sebagai alkana, naphthenes, aromatik dan alkena yang memiliki struktur molekul yang berbeda dan dapat dilihat pada gambar 2.1 (Scholz dkk, 1999).
H
H
H
H
H
C
C
C
C
H
H
H
H
C H
CH2
CH3 Alkena, CnH(2n-2)
Alkana, CnH(2n+2) H2 C
H
H2C H2C
C
H2C
H
H
CH2
H
CH2
C C C
C C
C
H
H
H
Napthenes, CnH2n
Aromatik, 6 cincin karbon, CnHn
Gambar 2.1 Struktur molekular hidrokarbon Senyawa hidrokarbon dapat digolongkan berdasarkan jenis ikatan antara atom C dan atom H, yakni: 1) Hidrokarbon alifatik Hidrokarbon alifatik, yaitu senyawa hidrokarbon dengan ikatan antara rantai C dan H terbuka (tidak berbentuk cincin), sehingga dapat disebut hidrokarbon rantai. Hidrokarbon rantai terdiri dari alkana, alkena dan alkuna. Hidrokarbon alkana (paraffin) memiliki rumus kimia CnH2n+2. Hidrokarbon alkena (CnH2n) biasa disebut olefin, memiliki satu atom karbon yang memiliki ikatan rangkap pada rantainya, sedangkan alkuna (CnH2(n-1)) disebut asetilen memiliki ikatan
9
rangkap tiga pada rantai karbonnya. Senyawa alkana merupakan hidrokarbon jenuh, sedangkan alkena dan alkuna merupakan hidrokarbon tak jenuh. 2) Hidrokarbon alisiklik Hidrokarbon alisiklik merupakan senyawa dengan rumus CnH2n dengan ikatan rantai C dan H yang tertutup (berbentuk cincin) sehingga bersifat lebih stabil. 3) Hidrokarbon aromatik Hidrokarbon aromatik merupakan hidrokarbon dengan keberadaan yang lebih sedikit dalam minyak bumi dibandingkan dengan paraffin. Contoh senyawa aromatik yang paling sederhana adalah benzena yang terdiri dari 6 atom karbon dengan ikatan rangkap di antara satu atom C dengan yang lainnya. (Nugroho A, 2006). Persentase komposisi utama minyak mentah adalah 80-89% karbon, 12-14% hydrogen, 2-3% oksigen, 0-3% sulfur, dan 0,3-1% nitrogen. Selain itu minyak mentah juga mengandung impurities Cl, Ni, Mo, Fe, Na dan unsur lain yang bervariasi tergantung pada asal minyak mentah tersebut (Nugroho A, 2006). Dengan adanya proses kimia dan fisika, minyak bumi mentah dapat diubah menjadi berbagai produk. Jenis ikatan antara atom C dan H mempengaruhi produk turunan minyak bumi. Produk-produk tersebut antara lain: (Nugroho A, 2006) 1) Gas, terdiri dari hidrokarbon C1 hingga C5 dari alkana rantai normal dan bercabang. 2) Bensin, terdiri dari hidrokarbon C6 hingga C10 dari alkana rantai normal dan bercabang serta sikloalkana dan alkil benzena. 3) Kerosin, terdiri dari hidrokarbon C11 hingga C12 dari alkana rantai normal dan bercabang, sikloalkana, serta campuran aromat-sikloalkana. 4) Minyak diesel ringan, terdiri dari hidrokarbon C12 hingga C18 dari alkana rantai normal,
sikloalkana, olefin, serta campuran aromatik dengan olefin
(stirena). 5) Minyak diesel berat dan minyak lumas ringan, terdiri dari hidrokarbon C18 hingga C25. 6) Pelumas, terdiri dari hidrokarbon C26 hingga C38 dari alkana rantai normal dan bercabang.
10
7) Aspal, terdiri dari senyawa polisiklik berat. 2.2. Biodegradasi dan Bioremediasi Biodegradasi merupakan proses penguraian oleh aktifitas mikroba, yang mengakibatkan transformasi struktur suatu senyawa sehingga terjadi perubahan integritas molekuler. Biodegradasi minyak bumi merupakan proses salami yang melibatkan mikroba yang dapat mentransformasikan dan mendekomposisikan hidrokarbon minyak bumi menjadi komponen-komponen lain yang lebih sederhana (Nugroho A, 2006). Bioremediasi adalah penggunaan organisme, khususnya mikroorganisme untuk mendegradasi kontaminan yang ada di lingkungan menjadi bentuk yang kurang berbahaya (less toxic). Dalam aplikasinya, proses bioremediasi menggunakan bakteri dan jamur atau tanaman untuk mendegradasi atau mendetoksifikasi substansi yang berbahaya, baik bagi kesehatan manusia dan/atau lingkungan. Mikroorganisme dapat berasal langsung dari daerah yang terkontaminasi, atau dapat pula diisolasi dari tempat lain kemudian diaplikasikan ke daerah yang terkontaminasi (Vidali, 2001). Laju degradasi mikroba terhadap minyak bumi bergantung pada beberapa faktor, yaitu faktor fisik dan lingkungan, faktor konsentrasi dan perbandingan berbagai struktur hidrokarbon yang ada serta faktor kemampuan mikroba pendegradasi. (Nugroho A, 2006). Gordon (1994) menyebutkan bahwa ada tiga faktor yang mempengaruhi bioremediasi, yaitu mikroba, nutrient, dan faktor lingkungan. Ketiga faktor tersebut diuraikan sebagai berikut: (Nugroho A, 2006). a. Nutrisi Nutrient yang dibutuhkan oleh mikroba bervariasi menurut jenis mikrobanya, namun seluruh mikroba memerlukan nitrogen, fosfor dan karbon. Selain itu, ada beberapa mineral yang dibutuhkan dalam jumlah kecil, seperti potassium, mangan, kalsium, besi, tembaga, kobalt dan seng. Pada struktur molekul minyak bumi, terdapat sejumlah karbon yang dapat didekomposisi mikroba. Kandungna karbon akan berkurang karena
11
digunakan sebagai sumber energi mikroba, dimana rantai karbon menghasilkan energi yang tinggi. b. Lingkungan Faktor lingkungan yang mempengaruhi laju degradasi antara lain: 1. Oksigen Biodegradasi didominasi oleh proses oksidasi. Enzim-enzim bakteri akan mengkataliskan pemasukan oksigen ke dalam hidrokarbon sehingga molekul dapat dikonsumsi untuk metabolisme sel. Oleh sebab itu oksigen adalah kebutuhan terpenting dalam proses biodegradasi minyak bumi. Secara perhitungan teori, dalam degradasi aerobik, 3,5 gram minyak bumi dapat dioksidasi oleh 1 gram oksigen yang ada dalam bioreaktor (Atlas dan Bartha, 1985). Kebutuhan oksigen untuk mikroba aerobik diperoleh dari oksigen terlarut dimana DO (dissolved oxygen) untuk mikroba aerobik adalah > 2 mgO2/L. Sedangkan untuk proses anaerobik, kebutuhan oksigen diperoleh dari oksigen yang terikat sebagai NO3 (Dou, 2008). 2. pH untuk mendukung kebutuhan mikroba, pH tanah harus berada antara 68 dengan pH optimal 7. Nilai pH tanah asam dapat dinaikkan dengan cara penambahan kapur dan pH tanah basa dapat diturunkan dengan penambahan sulfur. 3. Temperatur Pada temperatur rendah, pergerakan molekul cenderung lambat, dan molekul-molekul yang menyatu cenderung tidak ikut bereaksi. Peningkatan temperatur akan meningkatkan kemungkinan terjadinya reaksi dan meningkatkan laju difusi. Aktivitas mikroba biasanya mempunyai temperatur optimum antara 15-35oC. 4. Kelembapan Air diperlukan untuk proses biodegradasi karena kebanyakan reaksi enzim berlangsung pada fasa larutan.
12
5. Tekstur tanah Tekstur
tanah
mempengaruhi
permeabilitas,
kelembapan
dan
kepadatan dari tanah. Untuk meyakinkan bahwa penambahan oksigen, distribusi nutrient dan kelembapan tanah apat berlangsung dalam rentang yang tepat, maka tekstur tanah harus diperhatikan. Misalnya, tanah lempung sangat sulit diaerasi dan mengakibatkan rendahnya oksigen. Selain itu, sulit untuk mendistribusikan nutrient secara seragam dan menahan air untuk masuk ke dalam tanah (presipitasi) Kondisi lingkungan yang optimal untuk pertumbuhan mikroba dan biodegradasi hidrokarbon diberikan pada tabel 2.1. Tabel 2.1 Kondisi optimal pertumbuhan mikroba dan biodegradasi hidrokarbon Parameter
Pertumbuhan Mikroba
Biodegradasi Hidrokarbon
kemampuan menahan air
25 – 28
40 – 80
pH
5,5 – 8,8
6,5 – 8
10%
10 – 40%
N dan P untuk pertumbuhan mikroba
100:10:1
15 – 45
20 – 30
kontaminan
tidak terlalu beracun
5 – 10% berat kering tanah
logam berat
2000 ppm
700 ppm
oksigen nutrient (C:N:P) o
temperatur ( C)
Vidali, “Bioremediation: An Overview “ c. Mikroba Penambahan jumlah bakteri pada tumpahan minyak mempercepat proses degradasi dari minyak bumi dan tempat yang paling baik untuk menemukan mikroba pendegradasi minyak bumi adalah tumpahan minyak itu sendiri. Faktor-faktor pembatas ekologis bagi berlangsungnya proses bioremediasi minyak bumi daapt dibagi menjadi tiga bagian, yaitu: (Nugroho A, 2006). a. Faktor kimia - Kurang tersedia suatu nutrient, dapat diatasi dengan penambahan biosurfaktan.
13
- Tidak dijumpai senyawa penunjang pertumbuhan, dapat diatasi dengan suplai ko-substrat. - Tidak ada inductor enzim yang diperlukan, diatasi dengan pemberian induktor untuk peningkatan metabolisme. b. Faktor lingkungan - Kondisi fisik yang ekstrim (pH, kelembapan, redoks potensial), dapat diatasi dengan pengubahan kondisi lingkungan sehingga merangsang aktivitas mikroba. c. Faktor mikrobiologi - Tidak ada populasi mikroba dapat diatasi dengan bioaugmentasi, yaitu menginokulasi daerah tercemar dengan mikroorganisme perombak polutan. - Jumlah mikroba yang rendah, dapat diatasi dengan enrichment, yaitu merangsang pertumbuhan dan aktivitas mikroba setempat yang dapat merombak polutan, misalnya dengan penyuntikan nutrient ke daerah tercemar. Berdasarkan tempat berlangsungnya, teknik bioremediasi dapat diaplikasikan langsung (in situ) pada lingkungan yang tercemar. Mikroba remediator yang digunakan adalah mikroba indigenous. Sifat remediasinya alamiah dan proses biodegradasi bahan pencemar berlangsung sangat lambat. Teknik bioremediasi juga dapat dilakukan di luar lingkungan yang tercemar (ex situ), yaitu dengan membawa tanah yang terkontaminasi tersebut ke lokasi pengolahan yang telah ditetapkan. Bioremediasi ex situ dibedakan menjadi bioremediasi fase padat (solid phase bioremediation), bioremediasi fase cair (liquid phase remediation), dan bioremediasi semi padat (slurry phase remediation). Bioremediasi fase padat merupakan pengolahan untuk melenyapkan bahan pencemar yang berupa limbah cair atau padat yang mencemari suatu areal tanah. Bioremediasi fase cair dilakukan untuk menghilangkan bahan pencemar yang mengkontaminasi daerah perairan. Bioremediasi fase semi padat dilakukan dengan menggunakan bioreaktor, baik yang tertutup maupun yang terbuka. Bahan pencemar yang diremediasi dengan teknik ini bisa dalam bentuk padat maupun
14
semi padat. Bioremediasi dengan cara ini dapat memungkinkan suplai oksigen, nutrient, kelembapan, pH dan temperatur (Nugroho A, 2006). Perkembangan metode yang dapat diaplikasikan pada proses bioremediasi dapat dilihat pada tabel 2.2. Tabel 2.2 Perkembangan metode yang diaplikasikan pada proses bioremediasi Teknik in situ
ex situ
Jenis biosaparging
manfaat paling efisien dan noninvasive
bioventing bioaugmentation
relatif pasif Naturally attenuated process, mengolah tanah dan air murah, sederhana, self-heating murah, laju reaksi cepat, selfheating dapat dilakukan di tempat kinetika degradasi cepat, mengoptimalkan parameter lingkungan, meingkatkan transfer massa dan eektif penggunaan inokulan dan surfaktan
land farming composting
Bioreaktor
Presispitasi/ flokulasi
mikrofiltrasi
elektrodialisis
biopiles Slurry reactors aqueous reactors
tidak diarahkan secara kompleksasi reaksi fisika kimia antara kontamiann terlarut dan biaya komponen selular membrane mikrofiltrasi digunakan pada tekanan konstan menggunakan pasangan membrane kation dan aion exchange
biaya efektif (hemat)
remove terlarut
dengan
cepat
padatan
menahan suhu tinggi dan dapat digunakan kembali
Aplikasi kemempuan dari mikroorganisme indigenous untuk biodegradasi logam dan senyawa anorganik parameter lingkungan biodegrability polutan Distribusi polutan Aplikasi permukaan, proses aerobik, aplikasi bahan organik untuk tanah alami dengan irigasi lebih cepat pengolahan dari tanah tercemar dengan biostimulation dan bioaugmentation, konsentrasi beracun kontaminan, eksavasi tanah relatif mahal dan operasi relatif mahal removal logam berat
Referensi Sei et al (2001), Niu et al. (2009)
AntizarLadislao et al. (2008) Behkis et al. (2007)
Natrajan (2008)
pengolahan air limbah, pemulihan dan penggunaan kembali lebih dari 90% air limbah yang asli efisienremoval padatan terlarut
N. Das “Microbial Degradation of Petroleum Hydrocarbon Contaminants” 2.3. Mikroba Pendegradasi Suthersan (1999), mengatakan mikroorganisme pendegradasi hidrokarbon ada di maan-mana di alam akan tetapi dapat ditemukan pada jumlah relatif tinggi di dalam lokasi terkontaminasi minyak bumi. Mikroorganisme dapat diisolasi dari hamper semua kondisi lingkungan. Syarat utama adalah adanya sumber energi dan sumber karbon. Karena adanya adaptasi dari mikroba dan sistem biologis lainnya, maka mikroba dapat digunakan untuk mendegradasi atau memulihkan lingkungan yang berbahaya. Mikroorganisme ini dapat dibagi ke dalam grup sebagai berikut:
15
a. Aerobik Bakteri aerobik yang mampu mendegradasi adalah pseudomonas, alcaligenes, sphigomonas, rhodococcus dan mycobacterium. Mikroba ini mampu mendegradasi hidrokarbon dan pestisida, yang merupakan senyawa alkana dan poliaromatik. Kebanyakan bakteri ini menggunakan kontaminan sebagai saru-satunya sumber karbon dan energi. b. Anaerobik Bakteri anaerobik jarang digunakan seperti bakteri aerobik. Bakteri anaerobik dapat digunakan untuk bioremediasi polychlorinated biphenyls (PCBs) dalam sedimen sungai, deklorinasi dari pelarut trichloroethane (TCE) dan kloroform. c. Psychrophiles Organisme ini memiliki temperatur yang optimal 15 ± 5oC dan temperatur minimum 0oC atau di bawah. Dapat tumbuh pada 0oC dan akan mati pada suhu kamar. d. Mesophiles Organisme ini memiliki temperatur optimal antara 25 – 40oC. Sebagian besar
mikroorganisme
penghuni
subsurface
adalah
mesophiles.
Mikroorganisme ini efektif dalam proses bioremediasi pada rentang temperatur 10 – 40oC e. Thermophiles Organisme ini memiliki temperatur optimal >45oC. Degradasi senyawa alifatik (paraffin) melalui oksidasi pada gugus metal terminal membentuk alkohol primer dengan bantuan enzim oksigenase. Alkohol akan dioksidasi lebih lanjut menjadi aldehida, kemudian asam organik, dan akhirnya menghasilkan asam lemak dan asetil koenzim-A. Senyawa antara (asetil ko-A) akan masuk ke siklus Krebs, dan rantai karbon akan berkurang dari Cn menjadi Cn-2 dan terus berlanjut hingga semua molekul hidrokarbon teroksidasi. (Atlas & Bartha, 1998) Senyawa aromatik banyak digunakan sebagai donor elektron secara aerobik oleh mikroorganisme seperti bakteri dari genus Pseudomonas. Metabolisme
16
senyawa ini oleh bakteri diawali pembentukan katekoll atau protokatekuat. Senyawa tersebut selanjutnya didegradasi menjadi senyawa yang dapat masuk ke dalam siklus Krebs, yaitu asam suksinat, asetil ko-A dan asam piruvat.
Gambar 2.2 Reaksi degradasi hirokarbon alifatik
Gambar 2.3 Reaksi degradasi hidrokarbon aromatik
17
Rincian bakteri yang mampu merombak rantai hidrokarbon dapat dilihat pada tabel 2.3: Tabel 2.3 Beberapa mikroorganisme pendegradasi hidrokarbon Komponen minyak mentah Saturates
Monocyclic aromatic hydrocarbon
Polycyclic aromatic hydrocarbon
Resin
Desai
&
Vyas,
Applied
Mikroorganisme Arthrobacter sp., Acinetobacter sp., Candida sp., Rhodococcus sp., Streptomyces sp., Bacillus sp., Aspergillus japonicas Pseudomonas sp., Bacillus sp., B. stereothermophilus, Vibrio sp., Nocardia sp., Corynebacterium sp., Achromobacter sp. Arthrobacter sp., Bacillus sp., Burkholderia cepacia., Pseudomonas sp., Mycobacterum sp., Xanthomonas sp., Phanerochaete chrysosporium, Anabaena sp., Alcaligenes. Pseudomonas sp., members of Vibrionaceae, Enterobacteriaceae, Moraxella
Microbiology.
Petroleum
and
Hydrocarbon
Microbiology” 2.4. Pengaruh Struktur Kimia Hidrokarbon Terhadap Biodegradasi Van Hamme dkk (2003) mengemukakan kemampuan degradasi oleh mikroba terhadap jenis-jenis produk hidrokarbon, dengan urutan sampai yang tersulit didegradasi, yaitu: n-alkana > alkana bercabang > alkena bercabang > n-alkil aromatik yang mempunyai berat molekul rendah > monoaromatik > siklik alkana > polinuklear aromatik > senyawa asfaltik. Tabel 2.4 menunjukkan hubungan struktur kimia dan kemampuan terbiodegradasnya. Tabel 2.4 Hubungan struktur kimia hidrokarbon dan kemempuan terbiodegradasi kemampuan terbiodegradasi Mudah terdegradasi
sulit terdegradasi
konstituen n-butana, I-pentana, n-oktana, nonana metal butana, dimetilpentana, metiloktana benzene, toluene, etil benzen, xylene propil benzen decana dodecana tridecana tetradecana naphtalen flourantenes pyrenes acnapthenes
(sumber: EPA, 2009) 18
produk pada konstituen bensin, diesel bensin bensin diesel, kerosin diesel kerosin heating fuels minyak pelumas diesel kerosin heating oil minyak pelumas
2.5. Benzena, Toluena dan Xilene (BTX) Monoaromatik hidrokarbon, terdiri atas benzen, toluene, etil benzen dan tiga isomer xilene, sehingga dapat disingkat menjadi BTEX. BTEX memasuki lingkungan terutama melalui proses yang terkait dengan bensin dan minyak bumi kebocoran tangki penyimpanan minyak bawah tanah dan tumpahan minyak di sumur tetapi juga dari dari limbah industri, pemrosesan kayu, dan pabrik pestisida, detergent, pabrik kimia, cat dan varnish. BTEX bersifat
mudah larut dan
merupakan zat beracun yang mudah menguap (Andreoni, 2007). BTEX dapat menjadi polutan bagi air, tanah dan udara. Keberadan BTEX akan memberikan dampak serius bagi air dan tanah karena sifatnya yang beracun dan mudah larut dalam air. Tabel 2.5. Sifat kimia dan Fisika BTX
BTEX sangat rentan terhadap serangan mikroba sehingga dapat didegradasi, pada kondisi aerobik. Toluene merupakan senyawa yang paling mudah didegradasi, dibandingkan dengan lima senyawa lainnya. Proses degradasi membutuhkan dissolved oxygen (DO) untuk mengaktifkan ring dan merombak cincin aromatik serta menjadi aseptor elektron bagi reaksi degradasi lengkap oleh bakteri, jamur, maupun alga. Suatu senyawa aromatik hanya dapat dianggap terdegradasi sempurna apabila cincin aromatiknya telah pecah. (El-Naas, 2014).
19
Pada penelitian yang dilakukan oleh Deeb dkk (1999) menggunakan konsorsium bakteri dan R. rhodochorus, memberikan hasil bahwa laju degradasi benzene dan toluene akan meningkat jika di dalamnya terdapat o-xylene. Selain itu, keberadaan toluene, bezene dan etil benzene akan menghambat degradasi xilene. Etilbenzene menjadi penghambat dalam degradasi BTEX dan BTX memberikan efek hambatan bagi degradasi etilbenzen. (El-Naas, 2014). Bakteri yang berperan dalam proses degradasi BTEX antara lain: a. Bacillus cereus Bacillus cereus merupakan bakteri gram positif yang bersifat aerobik dengan sel berbentuk batang dan bersifat facultative aerobic serta dapat membentuk spora. Bakteri ini dapat dibedakan dari spesies bacillus lainnya berdasarkan posisi serta tes biokimia. Bakteri ini tumbuh optimal pada range suhu 28 – 35oC dan pH antara 4,9 – 9,3. (Wong, 2009)
Gambar 2.4. Bakteri Bacillus cereus b. Pseudomonas putida Pseudomonas putida merupakan bakteri aerobik gram negatif yang berbentuk batang berukuran 2 – 4 μm dan memiliki flagel. Bakteri ini hidup pada pH normal (±7) dan temperatur 25 – 30oC. (Elomari, 1997).
Gambar 2.5. Pseudomonas putida 20
c. Rhodococcus erythropolis Merupakan bakteri aerobik dan tidak berspora serta termasuk dalam grup actinomycetes. Secara taksonomi, baktei ini dekat hubungannya dengan Nocardia dan Mycobacterium. Bakteri ini dapat hidup pada kondisi suhu 26 – 37oC dan pada pH normal. (Bicca dkk, 1999)
Gambar 2.6. Rhodococcus erythropolis 2.6. Slurry Bioreactor Slurry reactor (suspended fine solid) merupakan reaktor yang berisi larutan dengan padatan yang tersuspensi dengan viskositas ± 12 cp pada suhu ruangan dengan konsentrasi solid 10% - 50% (v/w) (Nugroho, 2016). Untuk menjaga homogenitas padatan tersuspensi maka perlu dilakukan agitasi sehingga dapat meningkatkan transfer massa dan meningkatkan kontak antar partikel. Homogenisasi yang baik dan aerasi yang cukup dapat dicapai ketika kandungan slurry 10 – 30% berat solid (w/v) dimana solid sebelumnya dihancurkan menjadi partikel halus 500 – 800 μm (Robles-Gonzalez dkk, 2008). Dalam bioremediasi, slurry bioreactor merupakan teknik yang didesain untuk mengoptimasi kondisi abiotik untuk biodegradasi. Bioreaktor ini terdiri atas campuran tanah dan air dengan rasio yang bervariasi dan dapat meningkatkan kecepatan pengolahan tanah dengan adanya kontak antara mikroorganisme, hidrokarbon, nutrient dan padatan (Machín-Ramírez dkk, 2008). Slurry bioreactor dapat didefinisikan sebagai bejana dan peralatan yang digunakan untuk membentuk kondisi pengadukan tiga fase (solid, liquid dan gas) untuk meningkatkan kecepatan bioremediasi dengan menggunakan biomassa (biasanya bakteri indigenous) sehingga mampu mendegradasi kontaminan. Secara umum, kecepatan dan tingkat biodegradasi di dalam sistem bioreaktor lebih tinggi
21
dibandingkan pada sistem in situ atau pada sistem fase solid karena lingkungan lebih mudah diatur, dikontrol dan diprediksi perubahannya. (Vidali, 2001). Proses bioremediasi dengan fase slurry mempunyai beberapa keuntungan dibandingkan dengan bioremediasi dengan kondisi tanah padat. Keuntungan tersebut antara lain: a. Proses yang terjadi lebih seragam b. Meningkatkan kelarutan dari bahan-bahan organik yang terlarut c. Menghancurkan partikel-partikel padat d. Meningkatkan kontak antara mikroba dan kontaminan e. Mampu meningkatkan kelarutan kontaminan dengan penambahan surfaktan f. Meningkatkan distribusi nutrient dan substrat g. Mempunyai laju biodegradasi yang lebih tinggi Adapun kelemahan slurry bioreactor ini antara lain: a. Memerlukan penambahan energi b. Memerlukan pengolahan yang lebih besar c. Memerlukan proses pemisahan antara zat padat dan cair setelah pengolahan d. Memerlukan biaya yang lebih besar. Kadar padatan dalam lumpur dapat mencapai 65 – 95% berat. Kadar padatan yang terlalu tinggi dapat menyebabkan penurunan difusi oksigen ke dalam cairan, akibatnya pertumbuhan mikroba akan terhambat. Apabila proses bioremediasi telah selesai, materi lumpur akan dikeluarkan dari bioreaktor. Sebagian lumpur yang mengandung mikroba tetap ditinggalkan dalam bioreaktor dan berfungsi sebagai sumber inokulum pada siklus remediasi selanjutnya (Nugroho, 2006). Dalam suatu reaktor batch, jika konsentrasi awal substrat dianggap moderat (So ≈ Km) maka persamaan umum dapat dituliskan sebagai: Laju reaksi substrat
k0 XS dS dt Y K m S
22
(2.1)
Persamaan (2.1) kemudian diintegrasikan: S
S
dS K m S S
0
k0 X dt Y 0 t
(2.2)
Gates dan Marlar (1968) mengembangkan metode trial-error untuk menghitung konstanta kinetika. Integrasi persamaan (2.2) kemudian disusun kembali menjadi:
1 S ln(1 ad ) ln 0 c b t S t
(2.3)
Dimana: Y X0 k b o X 0 YS 0 YK m a
c 1
(2.4)
(2.5)
X 0 YS 0 YK m
(2.6)
d S0 S
(2.7)
Dengan plot 1/t ln S/So melawan ln (1+ad)/t, maka aka terbentuk garis lurus dimana c adalah slope dan b sebagai intercept. Nilai a ridak dapat ditetapkan hanya dengan satu pengukuran sehingga metode trial-error dapat digunakan. Nilai a dapat ditetntukan apabila garis lurus yang terbaik telah terbentuk. Konstanta kinetika kemudian dapat dihitung menggunakan nilai dari a, b dan c dari garis lurus terbaik, dimana: b c 1 1 S0 Km a c 1 0 Y aX k0
(2.8) (2.9) (2.10)
Apabila diasumsikan X ≈ X0 maka persamaan (2.2) dapat diintegrasi untuk menghasilkan persamaan Henri:
1 S 0 S S 0 k0 X 0 ln t S K mt YKm
(2.11)
23
Dengan plot 1/t ln So/S melawan (S0 – S)/t akan menghasilkan grafik persamaa Henri untuk kinetika Michaelis-Menten pada reaktor batch
Gambar 2.7. Plot Grafik Persamaan Henri untuk Kinetika Michaelis-Menten pada reaktor Batch (Sundstroms dan Klei, 1979) 2.7. Baku Mutu Pengolahan Minyak bumi Keputusan Menteri Lingkungan Hidup Nomor 128 tahun 2003 mengatur tentang tatacara dan persyaratan teknis pengolahan limbah dan tanah terkontaminasi oleh minyak bumi secara biologis. Persyaratan nilai akhir hasil pengolahan sludge minyak bumi ditampilkan dalam tabel 2.6. Tabel 2.6 Persyaratan nilai akhir hasil pengolahan sludge minyak bumi Parameter
Satuan
Analisa limbah sludge *) 1. pH 2. TPH 3. Benzena 4. Toluene 5. Ethylbenzene 6. Xylene 7. Total PAH
Nilai akhir hasil olahan
6–9 (μg/g) 10.000 (μg/g) 1 (μg/g) 10 (μg/g) 10 (μg/g) 10 (μg/g) 10 *) Hasil analisis kimia untuk nilai konsentrasi (μg/g) limbah sludge minyak bumi yang ditentukan dalam berat kering
(Sumber: KEPMENLH 128, 2003)
24
2.8. Parameter Kinetika Mikroba Pertumbuhan suatu mikroorganisme dapat digambarkan sebagai suatu peningkatan rapi dalam semua unsur kimianya (Bailey, 1986), seperti pada gambar 2.3. Massa mikroba akan meningkat dengan waktu dan dapat diuraikan dengan sederhana: Substrates + Cells → Extracellular Products + more cells Kurva pertumbuhan mikroorganisme ditunjukkan oleh gambar 2.8, dimana tahapan pertumbuhan bakteri adalah sebagai berikut: Lag phase Tidak ada pertumbuhan populai karena sel menglami perubahan komposisi kimiawi dan ukuran serta bertambahnya substansi intraseluler sehingga siap untuk membelah diri. Exponential / logarithmic phase Sel membelah diri dengan laju yang konstan, massa menjadi dua kali lipat dan keadaan pertumbuhan seimbang.
Gambar 2.8. Tipikal Kurva Pertumbuhan untuk Populasi Bakteri
25
Deceleration phase Fase pertumbuhan lambat terjadi setelah fase eksponensial. Pada fase ini, pertumbuhan
berlangsung
lambat
karena
beberapa
faktor
seperti
berkurangnya nutrisi penting atau akumulasi produk pertumbuhan yang bersifat racun bagi bakteri. Fase ini terjadi selama periode yang sangat singkat. Stationary phase Terjadinya penumpukan racun karena metabolime sel dan kandungan nutrien mulai habis. Akibatnya terjadi kompetisi nutrisi sehingga beberapa sesl mati dan yang lainnya tetap tumbuh. Jumlah sel menjadi konstan. Death phase Sel menjadi mati akibat penumpukan racun dan habisnya nutrisi menyebabkan jumlah sel yang mati lebih banyak sehingga mengalami penurunan jumlah sel secara eksponensial. 2.8.1. Kinetika Kultur Batch Keseimbangan substrat dalam suatu kultur batch untuk komponen i dalam volume kultur VR dan perubahan konsentrasi molar Ci adalah sama dengan laju pembentukan produk: d VR Ci VR rfi dt
(2.12)
Jika volume kultur konstan, maka persamaan (2.12) direduksi menjadi: dCi rfi dt
(2.13)
Laju pembentukan produk, rfi, tergantung atas kondisi populasi sel, lingkungan, temperatur, pH, komposisi media dan morfologi dengan distribusi umur sel mikroorganisme. Fase eksponensial pertumbuhan mikroba kultur batch adalah: dX . X dt
(2.14)
μ adalah laju pertumbuhan spesifik. Jika persamaan (2.14) diturunkan terhadap waktu, maka:
26
X t X 0et
(2.15)
Bila μ konstan dengan waktu sepanjang periode pertumbuhan secara eksponensial, persamaan (2.15) dapat diintegrasi dari waktu to ke t, menghasilkan:
ln
X t t0 X0
(2.16)
Seperti dilihat pada persamaan (2.16) di atas, pertumbuhan yang bersifat eksponen ditandai oleh suatu garis lurus pada suatu plot semilogaritma ln X versus waktu 2.8.2. Substrate-Limited Growth Efek konsentrasi substrat pada laju pertumbuhan spesifik (μ) dalam suatu kultur batch terkait dengan waktu dan μmax; hubungan ini dikenal sebagai persamaan laju Monod. Kerapatan sel (ρcell) meningkat secara linier dalam fase exponent. Ketika substrat (S) dihabiskan, laju pertumbuhan spesifik akan berkurang. Persamaan Monod diuraikan (Ghasem D. Najafpour, 2007) :
max
S KS S
(2.17)
Dimana, μmax adalah specific growth rate maximum (h-1). KS adalah konstanta saturation atau konstanta Monod (mg/L) dan S adalah konsentrasi substrat (mg/L). Bentuk linearisasi dari persamaan Monod:
1
KS 1 1 max S max
(2.18)
Ketika μ = μmax/2, maka KS = S. Persamaan Monod adalah semiempiris dan sesuai dengan suatu cakupan data yang luas. Persamaan (2.17) menjadi model yang diterapkan dari substrate-limited microbial growth. Rata-rata konsentrasi biomass digambarkan sebagai produk hasil biomass dan perubahan konsentrasi substrat dalam arus masuk dan keluar. Neraca biomassa: X YX / S (S ) YX / S Si S0
27
(2.19)
dimana, X merupakan rata-rata konsentrasi biomass (mg/L), Si dan S0 adalah konsentrasi masuk dan keluar (mol/L) dan YX/S merupakan yield pertumbuhan (mg biomass/mg substrat). laju pada persamaan Monod untuk mensuport substrat, diberikan oleh persamaan laju (2.17)
KS S max .S
atau
KS max S
(2.20)
Persamaan (2.20) disusun kembali untuk substrat dengan laju spesifik:
S
K S . max
(2.21)
Pada kondisi steady-state, seperti yang telah dinyatakan pada (2.17), laju konsumsi substrat sama dengan generasi biomass, dengan asumsi laju kematian nol:
D S0
K S .D max D
(2.22)
D merupakan kecepatan pengenceran (D = F/VR), yang merupakan kebalikan dari waktu tinggal. Pada gambar 2.9, untuk persamaan Monod, peningkatan kontinyu dalam konsentrasi substrat setelah μ mencapai μmax tidak mempengaruhi laju pertumbuhan spesifik. Meskipun telah diamati bahwa laju pertumbuhan spesifik berkurang ketika konsentrasi substrate meningkat di luar suatu tingkatan tertentu, yang mana adalah situasi inhibisi substrate. Di bawah keadaan seperti itu, model inhibisi Haldane telah diusulkan untuk menyatakan laju pertumbuhan spesifik:
28
Gambar 2.9. Dependence of The Spesific Growth Rate in The Concentration of The Growth Limiting Nutrient (Shuler dan Kargi, 2002) Dalam beberapa hal, kematian terjadi dalam fase pertumbuhan sel. Laju spesifik netto untuk kematian mempunyai bentuk sebagai berikut:
max S KS S
K 'd
(2.23)
K’d adalah konstanta laju kematian (h-1) Untuk lebh menguraikan kinetika pertumbuhan, hubungan stoikiometri antara pemanfaatan substrat dan produksi biomassa digambarkan sebagai (Schuler and Kargi, 2002): dX ds YX / S dt dt
(2.24)
dimana YX/S adalah koefisien yield (berat kering biomassa/berat substrat): YX / S
dX dS
(2.25)
Di dalam sistem kontinyu, koefisien yield adalah tetap untuk mikroorganisme. 2.9. Penelitian Terdahulu Beberapa penelitian telah dilakukan untuk mengetahui berbagai faktor yang mempengaruhi biodegradasi. Untuk pengembangan metode ex situ, penelitian telah dilakukan oleh Ayotamuno dkk (2007) yang mengaplikasikan pendekatan remediasi bioslurry untuk perlakuan lumpur minyak dengan penambahan extraneous microbes serta regular mixing and watering sehinga menghasilkan reduksi TPH dalam lumpur adalah 40,7 – 53,2% dan 63,7 – 84,5% secara berturut-turut setelah dua minggu dan enam minggu perlakuan. Ward dkk, (2003) menginvestigasi biodegradasi lumpur minyak dalam fase slurry dengan konsentrasi lumpur dalam rentang 1,55 – 12,8% dan menemukan bahwa degradasi TPH dalam rentang 80 – 99% dalam 10 – 12 hari dengan menggunakan three different bio-surfactant producing microbial consortiums. Moliterni dkk, (2012) menguji kinetika biodegradasi minyak diesel dengan menggunakan konsorsium bakteri yang diisolat dari tanah tercemar pada suhu 25, 30 dan 35oC serta konsentrasi diesel 0,1; 1 dan 3% menghasilkan 80% substrat
29
terdegradasi selama 40 jam dengan μmax antara 0,17 – 0,3/jam. Omotayo (2012) mempelajari konstanta laju pertumbuhan dan laju biodegradasi dengan isolat bakteri Micrococus varians, Bacillus badius, Corynebacterium ulcerans dan Corynebacterium amycolatum sehingga diperoleh konstanta laju pertumbuhan secara berturut-turut antara 0,027 dan 25,5; 0,025 dan 27,5; 0,019 dan 36,3; 0,023 dan 30. Setelah 30 hari inkubasi, laju biodegradasi 93,10%, 89,22%, 88,22% dan 90,82%. Kelly dkk (1996) menemukan bahwa pada kondisi aerob konstanta laju biodegradasi (K1) adalah 1,32 mmol/L.jam untuk benzen, 1,42 mmol/L.jam untuk toluene dan 0,833 mmol/L.jam untuk xilen, yang mengacu kepada persamaan Monod. Agarry dkk, (2013) dengan menggunakan bakteri Aeromonas, Micrococcus dan Serratir sp. pada biodegradasi lubricating motor oil mendapatkan konstanta laju biodegradasi (kinetika orde satu) untuk masingmasing bakteri adalah 0,015/hari, 0,033/hari dan 0,030/hari dengan half-life time adalah 46,2 hari, 21 hari dan 23 hari. Tuhuloula dan Juliastuti pada 2011 melakukan bioremediasi terhadap lahan terkontaminasi minyak bumi dengan bakteri Bacillus cereus dengan konsentrasi 5%, 10% dan 15% (v/v) pada slurry bioreactor. Pada awal perlakuan, konsentrasi BTEX secara berturut-turut adalah 35,28%; 42,25%; 9,57% dan 12,9%. Pada akhir proses degradasi, dilakukan analisa kadar BTEX dan diperoleh persen biodegradasi BTEX berturut-turut untuk konsentrasi bakteri 5% adalah 98,09%; 49,56%; 84,15% dan xylene 96,14%. Kemudian untuk konsentrasi bakteri 10%, secara berturut-turut persen degradasi BTEX adalah 98,29%; -%; 92,79% dan 96,22%. Sedangkan untuk konsentrasi bakteri 15%, persen degradasi BTEX adalah 98,51%; -%; -% dan 96,34%. Dalam penelitian ini juga diperoleh model kinetika biodegradasi untuk berbagai konsentrasi bakteri dalam bioreaktor. Untuk bioreaktor 5% (v/v) diperoleh Y= 1,745 mg biomass/mg substrat, kd= 0,028 hari-1; ko = -0,028 hari-1; dan Km = 1745201 mg/L. untuk bioreaktor 10% (v/v), didapat nilai Y = 1,634 mg biomass/mg substrat, kd= 0,041 hari-1; ko = 0,318 hari-1; dan Km = 44501,6 mg/L. sedangkan untuk bioreaktor 15% (v/v), nilai Y = 2 mg biomass/mg substrat, kd = 0,032 hari-1; ko = 0,941 hari-1; dan Km = 81200 mg/L.
30
Pada tahun 2002, Reardon dkk., melakukan penelitian untuk mengetahui kinetika degradasi hidrokarbon aromatik dengan penambahan kultur tunggal dan campuran bakteri. Dari penelitian tersebut dihasilkan bahwa pada penambahan pseudomonas memberikan rate pertumbuhan Pseudomonas putida berbeda-beda pada masing-masing substrat. Pada toluene, menghasilkan laju pertumbuhan (μm) sebesar 0.86 ± 0.01 per jam, dalam benzene sebesar 0.73 ± 0.03 dan pada phenol sebesar 0.11 ± 0.01per jam. Suschka dkk (2001) melakukan penelitian dengan membandingkan poses degradasi pada kondisi aerobik dan anarobik dengan memanfaatkan bakteri Aeromonas
sobria,
Bacillus
stearothermophillus,
Enterobacter
sakazi,
Pseudomonas aeruginosa, Staphylococcus lentus, dan campuran mikroorganisme. Dari penelitian tersebut memberikan hasil di mana degradasi cepat terjadi pada kondisi aerobik di 7 hari pertama proses berlangsung. Selajutnya akan diikuti dengan proses degradasi lambat selama 28 hari. Dari penelitian ini juga didapatkan hasil bahwa benzene merupakan senyawa yang paling sukar didegradasi dan yang bisa menegradasi benzene dengan baik adalah Bacillus stearothermophilus. Sedangkan senyawa aromatik yang paling mudah didegradasi adalah p-xylene.
31
Halaman ini sengaja dikosongkan
32
BAB III METODE PENELITIAN
3.1. Rancangan Penelitian Penelitian dilakukan secara eksperimental dengan melakukan percobaan di laboratorium Pengolahan Limbah Industri, Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya pada Februari 2016 – Desember 2016, untuk menghasilkan data bioremediasi dengan menggunakan bakteri Bacillus cereus, Pseudomodas putida dan Rhodococcus erythropolis secara batch dalam fase slurry bioreactor. Alur penelitian seperti pada gambar 3.2 3.2. Variabel Penelitian 3.2.1. Kondisi Operasi - Suhu
= 20 – 30oC
- pH
= 6,5 – 8
- tekanan
= 1 atm
- oksigen terlarut
= 2 – 8 mgO2/L
- rasio tanah : air
= 20 : 80 (% w/w)
- Agitasi
= 100 rpm
3.2.2. Variabel percobaan - Jenis bakteri
= Bacillus cereus Pseudomodas putida Rhodococcus erythropolis
- Waktu
= 1 – 8 minggu
- Konsentrasi bakteri
= 12.5%; 15%; dan 17.5% (v/v) Dengan populasi bakteri 105 – 108 sel/ml
33
3.3. Bahan, alat dan skema alat penelitian 3.3.1. Bahan penelitian Bahan yang dibutuhkan dalam penelitian ini adalah: - Aquadest - Biakan bakteri Bacillus Cereus - Biakan bakteri Pseudomonas putida - Biakan bakteri Rhodococcus erythropolis - Na2SO4 - n-Hexane - Tanah yang terkontaminasi minyak bumi 3.3.2. Alat penelitian Alat yang akan digunakan dalam penelitian ini adalah: - cawan porselin
- pH meter,
- counting chamber
- pipet volume
- DO meter,
- rangkaian alat ekstraksi
- Erlenmeyer,
- saringan 10 mesh,
- gelas beker,
- serangkaian peralatan slurry
- gelas ukur
bioreactor (gambar 3.1),
- kertas saring
- termometer
- oven 3.3.3. Skema alat penelitian 3
Keterangan gambar:
2
1. Bioreaktor
v
2. Tangki nutrient 3. Motor pengaduk
4
4. Statip dan klem 5. Sumber listrik 5
1
6. Aerator 7. Valve
8 6
8. Spurger
v 7
Gambar 3.1. Rangkaian alat slurry bioreactor 34
3.4. Diagram Alir Penelitian Tanah yang tercemar Analisa pH, BTX, MLSS, MLVSS Sterilisasi selama 15 – 20 menit.
Mixing: Tanah dan air dengan rasio 20:80
Air Bakteri sesuai variabel (12,5%; 15%; 17,5% (v/v))
Proses bioremediasi selama 7 minggu (DO >2 ppm)
Nutrien (N danP); Udara
Analisa pH, MLSS, MLVSS Ekstraksi sampel tanah Analisa BTX Kajian: Kinetika reaksi
Gambar 3.2. Alur rancangan penelitian secara umum 3.5. Tahapan penelitian 3.5.1. Preparasi Tanah yang Tercemar Minyak Bumi Tanah yang tercemar minyak bumi diambil dari lokasi pengeboran dengan cara sampling di beberapa titik. Tanah tersebut kemudian dipersiapkan dengan memisahkan daun, puing, dan material besar lainnya, serta dipindahkan dari lokasi pencemaran. Tanah tercemar minyak bumi ini kemudian dicampur dengan air dengan rasio 20:80.
35
3.5.2. Biodegradasi Tanah yang Tercemar Minyak Bumi Tanah yang digunakan dalam penelitian ini mengandung hidrokarbon aromatik. Penambahan mikroba Bacillus cereus, Pseudomonas putida dan Rhodococcus
erythropolis dimaksudkan agar bakteri yang
ditambahkan dapat mendegradasi benzene, toluene, dan xylene (BTX) dalam kondisi aerob dengan penambahan oksigen ke dalam bioreactor. Umpan awal diperoleh dengan cara mencampur tanah yang tercemar dengan air dengan perbandingan 20:80, kemudian dimasukkan ke dalam
bioreactor
Pseudomonas
dan
putida
ditambahkan dan
bakteri
Rhodococcus
Bacillus
cereus,
erythropolis
dengan
konsentrasi 12.5% ; 15% dan 17.5% (v/v) serta nutrien (N dan P) lalu diaerasi. pH dipertahankan pada range 6.5 – 8.0 dengan penambahan agen penetral. Temperatur juga dipertahankan pada 20 - 30oC. Proses biodegradasi akan dilakukan sampai hasil degradasi memenuhi syarat baku mutu sesuai dengan Keputusan Mentri Negara Lingkungan Hidup Nomor: 128 tahun 2003. Monitoring kondisi operasi dilakukan setiap hari. 3.5.3. Pengambilan Sampel Pengambilan sampel dilakukan per 14 hari kemudian diekstraksi dengan pelarut n-Hexane selama 10 – 16 jam kemudian hasilnya dianalisa dengan metode GC. 3.5.4. Prosedur Analisa a.
Analisa pH Pengukuran pH dengan menggunakan pH meter Pengukuran suhu dilakukan dengan menggunakan thermometer alkohol yang dimasukkan ke dalam bioreaktor.
b. Analisa Suhu dan Analisa Dissolved Oxygen (DO) Pengukuran suhu dan kadar oksigen dalam bioreaktor dilakukan dengan menggunakan DO-meter, dengan cara memasukkan elektroda
36
ke dalam bioreaktor. Suhu dan kadar oksigen yang terlarut akan terbaca pada display DO-meter. c.
Analisa Populasi Bakteri Analisa populasi bakteri menggunakan haemocytometer dengan prosedur sebagai berikut: - Mengencerkan 0,1 mL sampel dengan aquadest 9,9 mL (pengenceran 100 kali) - Meneteskan ke permukaan counting chamber hingga dapat menutupi seluruh permukaannya. - Meletakkan haemocytometer di bawah lensa mikroskop untuk dihitung jumlah selnya. - Melakukan pengamatan di mikroskop dengan perbesaran 400 kali.
Gambar 3.3. Haemmocytometer d. Analisa BOD5 (Biological Oxygen Demand) 1. Menyiapkan 4 buah botol winkler yang sudah dicuci bersih. 2. Mengambil 10 mL sampel sesuai variable dan memasukkannya ke dalam botol winkler yang telah disiapkan. 3. Menambahkan aquades ke dalam botol hingga volume 250 mL dan 1 botol yang kosong diisi dengan aquades saja sebanyak 250 mL. 4. Mengukur DO (Dissolve Oxygen) pada masing-masing botol menggunakan DO-meter sebagai pengukuran DO0. 5. Menginkubasi keempat botol selama 5 hari. 6. Setelah inkubasi, mengukur kembali DO pada masing-masing botol dan dicatat sebagai DO5. Perhitungan BOD menggunakan persamaan 3.1
37
mL × DO -DO L = DO -DO 250 10 mL
BOD5 mg BOD5 DOs
0
DOs5 DOf5
e.
5
s
= = = =
f
f
0 s
(3.1)
bioogical oxygen demand hari ke-5 dissolved oxygen sampel pada hari ke-0 dissolved oxygen sampel pada hari ke-5 dissolved oxygen aquadest pada hari ke-5
Analisa MLSS (Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater 21st Edition, 2005: Fixed and Volatile Solids Ignited at 550°C) Analisa dilakukan pada sampel setiap 3 hari untuk masing-masing bioreaktor. Prosedur analisa adalah sebagai berikut: - Memanaskan cawan krus yang sudah dibersihkan ke dalam oven pada suhu 105oC untuk mendapatkan berat konstan kemudian mendinginkannya selama 15 menit dalam desikator. - Menimbang cawan tersebut (B1) - Memasukkan sejumlah sampel ke dalam cawan - Memasukkan cawan + sampel ke dalam oven sampai suhu 105oC selama 3 jam, kemudian didinginkan selama 15 menit di dalam desikator. - Menimbang cawan dan abu (B2) - Menghitung kadar abu dengan persamaan 3.2
MLSS (mg / L)
B2 B1 vol.sampel
1000
B1
= berat cawan kosong
B2
= berat cawan + abu
38
(3.2)
f.
Analisa MLVSS (Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater 21st Edition, 2005: Fixed and Volatile Solids Ignited at 550°C) - Setelah analisa MLSS, memasukkan kembali cawan + abu ke dalam furnace pada suhu 550oC selama 10 – 20 menit - Memindahkannya ke dalam oven dengan suhu 105oC selama 1 jam sebelum mendinginkannya ke dalam desikator selama 15 menit. Kemudian ditimbang - Menghitung MLVSS dengan persamaan 3.3.
MLVSS (mg / L)
g.
B2 B3 vol.sampel
1000
(3.3)
B2
= berat cawan + abu sebelum masuk furnace
B3
= berat cawan + abu setelah masuk furnace
Analisa kadar BTX (dengan metode uji standar EPA 8270) Analisa dengan Gas Chromatography (GC) dilakukan untuk mengetahui kadar BTX yang terkandung dalam ekstrak tanah yang tercemar
sebagai
hasil
biodegradasi.
Analisa
dilakukan
di
Laboratorium Pusat Studi Lingkungan universitas Surabaya dengan jenis HP-6890 GC method dan model number: HP 19095P-QO4 Metode yang digunakan yaitu uji standar EPA 8270 Persamaan 3.2 digunakan untuk menghitung persen biodegradasi.
BTX 0 BTX n % bio deg radasi 100% BTX 0 BTX0
= BTX minggu ke-0 (g)
BTXn
= BTX minggu ke-n (g)
39
(3.4)
Halaman ini sengaja dikosongkan
40
BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
Penelitian dan analisa dilakukan di Laboratorium Pengelolaan Limbah Industri Jurusan Teknik Kimia ITS. Hasil yang diperoleh adalah sebagai berikut: 4.1. Kondisi awal tanah tercemar minyak bumi
Gambar 4.1. Tanah Tercemar Minyak Bumi di Lokasi Pengeboran PPEJ Sampel awal diambil dari lokasi pengeboran Pertamina-Petrocina East java Bojonegoro dengan karakteristik tertulis pada tabel 4.1. Tabel 4.1. Karakteristik Tanah di Lokasi Pengeboran Minyak PPEJ Bojonegoro Parameter warna pH Suhu kadar BTX: Benzene Toluene Xylene Kadar PAH Napphthalene Fluorene Anthrancene Fluoranthene Pyrene Chrysene
Karakteristik Coklat mengkilap 9,101 28oC 26,44 ppm 121 ppm 129 ppm 115,646 ppm 30,272 ppm 101,183 ppm 9,691 ppm 18,258 ppm 24,476 ppm
41
Dari karakteristik di atas, tanah pengeboran tidak dapat langsung dibuang ke lingkungan karena tidak memenuhi baku mutu yang disyaratkan dalam KepMenLH No. 128 tahun 2003, seperti yang tertera pada tabel 2.6. 4.2. Pengaruh Bakteri indigenous dan eksogenous terhadap penurunan konsentrasi Benzene, Toluene dan Xylene (BTX) Hasil degradasi tanpa penambahan mikroorganisme dapat dilihat pada gambar 4.2: 140
Konsentrasi (μg/g)
120 100 80 Benzene
60
Toluene 40
xylene
20 0 0
14
28
42
56
Waktu (hari)
Gambar 4.2. Grafik Degradasi BTX oleh indigenous bacteria Dari gamba 4.2 dapat dilihat bahwa penurunan konsentrasi benzene oleh bakteri indigenous berlangsung lambat sedangkan degradasi tolune dan xyle berlangsung lebih cepat. Hal ini menunjukkan bahwa di dalam bakteri indigenous mengandung bakteri yang lebih aktif mendegradasi toluene dan xylene dibandingkan benzene. Untuk mengupayakan kadar BTX dapat terdegradasi seluruhnya, maka dilakukan penggantian jenis bakteri, dengan dimasukkan bakteri eksogenous ke dalam bioreaktor yang berisi tanah terkontaminasi minyak bumi. Pemberian sejumlah mikroorganisme ke dalam bioreaktor kan berakibat pada perubahan laju degradasi BTX. Mikroorganisme yang dimasukkan ke dalam bioreaktor diharapkan mampu menggantikan fungsi bakteri indigenous dalam mendegradasi hidrokarbon bahkan mampu mendegradasi lebih baik lagi. Hasil
42
degradasi oleh bakteri eksogenous (Bacillus cereus, Pseudomonas putida dan Rhodococcus erythropolis) dapat dilihat pada tabel 4.2: Tabel 4.2. Degradasi BTX pada masing-masing Bioreaktor Setiap 14 Hari Hari 0 14 28 42 56
Hari 0 14 28 42 56
Hari
0 14 28 42 56
12.5% Bacillus cereus total B T X BTX 26.44 121 129 276.44 24.61 40.19 35.58 100.38 16.59 20.13 25.12 61.84 7.94 14.74 10.10 32.77 1.96 8.06 5.97 15.99
Konsentrasi BTX (μg/g) 15.0% Bacillus cereus total B T X BTX 26.44 121 129 276.44 10.16 30.39 30.29 70.84 5.16 25.19 20.45 50.80 2.005 10.47 10.36 22.84 0.70 8.02 4.92 13.63
12.5% Pseudomonas putida total B T X BTX 26.44 121 129 276.44 24.24 29.07 13.38 66.69 12.39 10.65 10.84 33.88 10.57 4.09 10.56 25.22 10.36 3.99 10.42 24.77
Konsentrasi BTX (μg/g) 15.0% Pseudomonas putida total B T X BTX 26.44 121 129 276.44 19.71 40.38 32.71 92.80 10.97 15.64 21.71 48.32 9.03 9.78 8.02 26.83 8.15 8.42 7.90 24.47
12.5% Rhodococcus erythropolis total B T X BTX 26.44 121 129 276.44 25.35 40.59 35.27 101.21 20.06 20.73 25.49 66.28 9.44 10.39 10.09 29.92 3.09 9.04 5.09 17.21
Konsentrasi BTX (μg/g) 15.0% Rhodococcus erythropolis total B T X BTX 26.44 121 129 276.44 15.37 31.26 35.71 82.34 10.96 25.67 25.52 62.15 6.03 10.70 10.93 27.66 1.05 9.04 5.10 15.19
17.5% Bacillus cereus B
T
X
26.44 12.09 5.15 1.05 0.4898
121 20.05 5.06 3.05 2.05
129 20.31 10.73 8.01 5.02
17.5% Pseudomonas putida total B T X BTX 26.44 121 129 276.44 12.17 2.41 13.59 28.17 1.18 2.19 8.35 11.72 1.03 0.72 5.18 6.93 0.93 0.70 4.81 6.43
17.5% Rhodococcus erythropolis B
T
X
26.44 12.32 10.39 5.07 0.92
121 20.04 10.23 8.10 6.15
129 20.97 10.58 8.01 4.09
Dari data pada tabel 4.2, dapat pula dilihat bahwa deradasi BTX oleh bakteri eksogenous berlangsung lebih cepat dibandingkan tanpa penambahan bakteri. Apabila dibuat grafik penurunan masing-masing komponen penambahan bakteri dengan konsentrasi 17.5% maka dapat dilihat pada grafik 4.3:
43
total BTX 276.44 52.45 20.94 12.11 7.56
total BTX 276.44 53.33 31.20 21.18 11.15
(b) 140
30 Konsentrasi Toluene (μg/g)
Konsentrasi Benzene (μg/g)
(a)
25 20 15 10 5 0 0
14
28
42
120 100 80 60 40 20 0 0
56
14
28
42
56
Waktu (hari)
Waktu (hari) 17.5% Bacillus cereus
17.5% Bacillus cereus
17.5% Pseudomonas putida
17.5% Pseudomonas putida
17.5% Rhodococcus erythropolis
17.5% Rhodococcus erythropolis
(c) Konsentrasi xylene μg/g)
140 120 100 80 60 40 20 0 0
14
28
42
56
Waktu (hari) 17.5% Bacillus cereus 17.5% Pseudomonas putida 17.5% Rhodococcus erythropolis
Gambar 4.3. Grafik degradasi (a) benzene, (b) toluene dan (c) xylene untuk penambahan 17.5% bakteri Bacillus cereus, Pseudomonas putida dan Rhodococcuc erythropolis Dari grafik 4.3 dapat dilihat bahwa bakteri yang berbeda dapat memberikan hasil yang berbeda pada proses degradasi. Berdasarkan grafik 4.3 (a), degradasi benzene memberikan hasil yang terbaik pada penambahan bakteri Bacillus cereus yaitu mencapai 98.148%. Hal ini sesuai dengan penelitian yang dilakukan oleh Tuhuloula dkk (2011) yang menyatakan bahwa Bacillus cereus mampu
44
memberikan penurunan benzene paling baik yaitu mencapai 98.51%. kemampuan mendegradasi benzene ini disebabkan oleh adanya biosurfaktan yang dihasilkan oleh bakteri Bacillus cereus yang lebih spesifik dan mampu memecah hidrokarbon dengan gugus yang sederhana seperti benzene. Penurunan konsentrasi toluene paling baik pada penambahan bakteri Pseudomonas putida dimana persen degradasi toluene mencapai 99.4%. Hal ini sesuai dengan penelitian yang dilakukan oleh Reardon dkk (2002). Bakteri Pseudomonas putida akan mengekskresi rhamnolipid sebagai biosurfaktan yang akan mampu memecah toluene dengan jalan dioxygenase. Degradasi xylene paling baik terjadi pada penambahan bakteri Rhodococcus erythropolis dengan persen degradas xylenei mencapai 96.83%. Hasil ini sesuai dengan penelitian yang dilakukan oleh Kim dkk (2005) dimana bakteri Rhodococcus sangat berperan pada degradasi xylene dan akan menyebabkan terjadinya pemutusan cincin aromatik pada senyawa tersebut dengan proses oksigenase. 4.3. Pengaruh waktu remediasi terhadap penurunan konsentrasi Benzene, Toluene dan Xylene (BTX) Laju degradasi mikroba terhadap minyak bumi bergantung pada beberapa faktor, yaitu faktor fisik dan lingkungan, faktor konsentrasi dan perbandingan berbagai struktur hidrokarbon yang ada serta faktor kemampuan mikroba pendegradasi. (Nugroho A, 2006). Hasil degradasi BTX dalam penelitian ini dapat dibuat grafik seperti pada gambar 4.4:
45
Pesen Degradasi (%)
100% 80% 60% 40% 20% 0%
Variabel Penelitian
Hari 0
Hari 14
Hari 28
Hari 42
Hari 56
Gambar 4.4. Hubungan antara % Degradasi dan Waktu Penelitian yang dilakukan oleh Suschka (2001) menunjukkan penurunan BTX paling cepat terjadi pada awal proses, dimana pada tujuh hari pertama kadar BTX akan menurun dengan cepat kemudian diikuti dengan penurunan dengan kecepatan konstan pada 28 hari selanjutnya. Menurut Leahy dan Colwell (1990), pertumbuhan di minggu pertama disebut sebagai fase adaptasi, di mana akan terjadi tiga mekanisme, yaitu terjadinya induksi atau keluarnya enzim-enzim spesifik, terjadi perubahan genetik yang berdampak pada kemampuan metabolisme bakteri, sehingga berakibat pada meningkatnya kemampuan organisme untuk mereduksi komponen tertentu. Berdasarkan EPA tahun 2009, senyawa BTX berada pada urutan ke-3 berdasarkan kemampuan terbiodegradasi. Hal ini membuat bakteri pada fase adaptasi lebih memilih untuk mereduksi BTX terlebih dahulu. Apabila kadar BTX telah menurun dan bakteri memasuki fase log, maka senyawa hidrokarbon yang lain direduksi. Hal ini yang menyebabkan penurunan BTX yang sangat cepat pada minggu pertama dan reduksi BTX terus berlanjut hingga memenuhi baku mutu. Gambar 4.4 menunjukkan persentase degradasi yang terjadi pada masingmasing bioreaktor setiap minggunya. Pada 14 hari pertama, penurunan kadar BTX 46
telah mencapai 50% pada masing-masing bioreaktor. Pada hari-hari selanjutnya, dengan didukung oleh asupan oksigen dari luar dan pengadukan, maka kadar BTX akan semakin menurun setiap minggunya. Persentase degradasi akan semakin meningkat dan pada akhir minggu ke-8, degradasi telah mencapai rata-rata 93%. Persentase degradasi terbesar terjadi pada bioreaktor dengan penambahan 17.5% Pseudomonas putida yaitu 97.6726%. 4.4. Pengaruh
Konsentrasi
dan
Jenis
Bakteri
terhadap
Penurunan
Konsentrasi Benzene, Toluene dan Xylene (BTX) Penambahan jumlah bakteri pada tumpahan minyak mempercepat proses degradasi dari minyak bumi dan tempat yang paling baik untuk menemukan mikroba pendegradasi minyak bumi adalah tumpahan minyak itu sendiri. (Nugroho A, 2006) 300
1.40E+09
(a)
Konsentrasi BTX (μg/g)
1.00E+09
200
8.00E+08 150 6.00E+08 100
4.00E+08
50
2.00E+08
0
0.00E+00 0
7
14
21
28
35
42
49
56
Waktu (hari) Indigenous bacteria
12.5% Bacillus cereus
15.0% Bacillus cereus
17.5% Bacillus cereus
Populasi Indigenous bakteri
Populasi Bacillus cereus 12.5%
Populasi Bacillus cereus 15%
Populasi Bacillus cereus 17.5%
47
Populasi bakteri (sel/mL)
1.20E+09
250
1.40E+09
250
1.20E+09 1.00E+09
200
8.00E+08 150 6.00E+08 100
4.00E+08
50
2.00E+08
0
0.00E+00 0
7
14
21
28
35
42
49
Populasi bakteri (sel/mL)
Konsentrasi BTX (μg/g)
(b) 300
56
Waktu (hari)
Konsentrasi BTX (μg/g)
300
12.5% Pseudomonas putida 17.5% Pseudomonas putida Populasi Pseudomonas putida 12.5% Populasi Pseudomonas putida 17.5% 1.50E+09
(C)
200
1.00E+09
100
5.00E+08
0
0.00E+00 0
7
14
21
28 35 Waktu (hari)
Indigenous bacteria 15.0% Rhodococcus erythropolis Populasi Indigenous bakteri Populasi Rhodococcus erythropolis 15%
42
49
Populasi bakteri (sel/mL)
Indigenous bacteria 15.0% Pseudomonas putida Populasi Indigenous bakteri Populasi Pseudomonas putida 15%
56
12.5% Rhodococcus erythropolis 17.5% Rhodococcus erythropolis Populasi Rhodococcus erythropolis 12.5% Populasi Rhodococcus erythropolis 17.5%
Gambar 4.5. Hubungan antara Kadar BTX dan Populasi Bakteri dengan Waktu Degradasi pada Penambahan Bakteri (a) Bacillus cereus, (b) Pseudomonas putida dan (c) Rhodococcus erythropolis Gambar 4.5 menunjukkan bahwa terjadi penurunan konsentrasi BTX dalam tanah tercemar pada semua bioreaktor. Baik pada bioreaktor tanpa penambahan 48
bakteri maupun pada bioreaktor dengan penambahan bakteri. Penurunan paling cepat terjadi pada dua minggu pertama. Apabila dibandingkan dengan fase hidup bakteri, maka dapat dikatakan bahwa penurunan kadar BTX paling besar terjadi pada saat bakteri berada pada fase adaptasi dan fase log. Berdasarkan gambar 4.5, bioreaktor yang memberikan hasil paling baik adalah biorekator dengan penambahan 17.5% bakteri, baik untuk Bacillus cereus, Pseudomonas putida, maupun dengan penambahan Rhodococcus erythropolis. Apabila dikaitkan dengan populasi ketiga bakteri, dapat terlihat di gambar 4.5 bahwa pada bioreaktor dengan konsentrasi 17.5% bakteri memiliki populasi bakteri paling tinggi dibandingkan dengan bioreaktor lain. Hal ini menunjukkan bahwa jumlah bakteri yang dimasukkan ke dalam bioreaktor mempengaruhi kinerja bakteri dalam mendegradasi BTX. Hasil ini sesuai dengan penelitian terdahulu yang dilakukan oleh Tuhuloula dkk. pada 2011, dimana persen degradasi BTX akan meningkat seiring dengan meningkatnya konsentrasi bakteri yang ditambahkan. Pada bioreaktor tanpa penambahan bakteri juga terjadi penurunan kadar BTX, meskipun hasil yang diperoleh tidak sebaik pada proses degradasi dengan bakteri eksogenous. Dalam bioreaktor tersebut terjadi penurunan kadar BTX dari 276.44 μg/g menjadi 33.337μg/g. Hal ini menunjukan bahwa di dalam lumpur terdapat bakteri asli (indigenous) yang apabila diberikan tambahan oksigen akan mendegradasi hidrokarbon. Selain jumlah mikroorganisme dalam bioreaktor, jenis mikroorganisme juga mempengaruhi proses dan hasil biodegradasi. Perbandingan hasil biodegradasi untuk ketiga jenis bakteri dapat dilihat pada gambar 4.6:
49
1.40E+09
250
1.20E+09 1.00E+09
200 8.00E+08 150 6.00E+08 100 4.00E+08
17.5% Bacillus cereus
Populasi bakteri (sel/mL)
Konsentrasi BTX (μg/g)
300
17.5% Pseudomonas putida 17.5% Rhodococcus erythropolis Populasi Bacillus cereus 17.5%
50
2.00E+08
Populasi Pseudomoanas putida 17.5%
0
0.00E+00
Populasi Rhodococcus erythropolis 17.5%
0
7
14
21 28 35 Waktu (hari)
42
49
56
Gambar 4.6 Grafik hasil degradasi BTX pada penambahan 17.5% bakteri Bacillus cereus, Pseudomonas putida dan Rhodococcus erythropolis Gambar 4.6 menunjukkan perbandingan antara ketiga jenis bakteri dalam proses degradasi BTX. Dapat dilihat bahwa populasi bakteri terbaik diperoleh pada penambahan bakteri
Pseudomonas putida
kemudian
Rhodococcus
erythropolis dan yang terakhir adalah Bacillus cereus. Pseudomonas putida merupakan bakteri yang memiliki ketahanan terhadap serangan hidrokarbon. Menurut El-Naas (2014), dalam proses degradasi, Pseudomonas putida akan mengahasilkan rhamnolipids sebagai komponen biosurfaktan yang akan memecah hidrokarbon dengan cara meningkatkan area permukaan hidrokarbon yang akan didegradasi. Selain mampu medegradasi benzene, toluene dan xylene, Pseudomonas putida juga merupakan bakteri yang mampu bertahan pada konsentrasi hidrokarbon yang tinggi. Kemampuan Pseudomonas putida untuk tumbuh dapat disebabkan oleh kemampuannya yang sangat baik dalam mengikat oksigen meskipun dalam keadaan dissolved oxygen yang rendah (Ochoa, dkk 2010) sehingga dapat betumbuh dengan cepat dan proses degradasi memberikan hasil terbaik. Hal ini terlihat pada perhitungan kinetika penurunan substrat dengan bakteri Pseudomonas putida menghasilkan
50
specific growth rate yang sangat besar yaitu 4.3816 hr-1. Hal ini menyebabkan Pseudomonas putida mampu mereduksi 97.67% kadar BTX total. Rhodococcus erythropolis merupakan bakteri yang mampu memecah hidrokarbon dan biasanya digunakan sebagai mix culture bersama dengan Pseudomonas putida. Kemampuan Rhodococcus erythropolis untuk mengikat oksigen mengakibatkan populasinya dapat meningkat dengan baik (Ochoa, dkk 2010). Pacheco, dkk (2010) menyatakan bahwa bakteri Rhodococcus erythropolis menghasilkan biosurfaktan
yang mampu memecah hidrokarbon
dengan
konsentrasi yang rendah. Hasil degradasi dengan bakteri Rhodococcus erythropolis menjadi tidak sebaik Pseudomonas putida dan Bacillus cereus karena selain mendegradasi BTX (mono aromatics hydrocarbons), bakteri ini juga turut aktif dalam degradasi poly aromatics hydrocarbons. Hal tersebut dapat dilihat pada hasil degradasi di mana Rhodococcus erythropolis mendegradasi 95.97% total BTX. Bacillus cereus, sebagai bakteri yang juga berperan pada proses degradasi memiliki kemampuan mendegradasi BTX karena mampu menghasilkan glycolipid sebagai biosurfaktan (Das, 2011) sehingga penambahan bakteri Bacillus cereus pada bioreaktor juga mengakibatkan penurunan konsentrasi BTX dimana bakteri tersebut mampu mendegradasi 97.27% total BTX. Hasil yang diperoleh tidak jauh beda dengan bioreaktor dengan bakteri Pseudomonas putida sehingga bakteri Bacillus cereus dapat pula digunakan sebaai agen pendegradasi hidrokarbon dalam hal ini BTX. 4.5. Kinetika Penurunan Substrat pada Penambahan Bacillus cereus pada Masing-Masing Bioreaktor Analisa kadar substrat dalam penelitian ini dilakukan dengan mengukur BOD5 pada masing-masing bioreaktor. Penurunan BOD5 dapat dilihat pada appendix B. Hasil pengukuran kemudian diolah untuk mengestimasi nilai dari ko dan Km dengan metode Gates dan Marlar menggunakan persamaan (2.3). Grafik perhitungan dapat dilihat pada gambar 4.7
51
(b)
(a) y = 1.1383x - 0.0324 R² = 0.9271
0.1
(1/t)ln(S/S0)
(1/t)ln(S/S0)
0.12 0.08 0.06 0.04 0.02 0 0
0.05 0.1 ln [1+a(S0-S)/t]
0.08 0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0
0.15
y = 1.1388x - 0.0328 R² = 0.9401
0
0.05 ln [1+a(S0-S)/t]
0.1
Perhitungan Kinetika Bacillus cereus 15.00%
Perhitungan Kinetika Bacillus cereus 12.50%
(c) (1/t)ln(S/S0)
0.12 y = 1.1264x - 0.0299 R² = 0.9230
0.1 0.08 0.06 0.04 0.02 0 0
0.05 0.1 ln [1+a(S0-S)/t]
0.15
Perhitungan Kinetika Bacillus cereus 17.50%
Gambar 4.7. Grafik Perhitungan Konstanta Kinetika pada Bioreaktor dengan Penambahan (a) 12.5%; (b) 15% dan (c) 17.5% Bacillus cereus Berdasarkan slope dan intercept dari grafik di atas, maka dapat dihitung nilai konstanta Michaelis-Menten (Km) dari masing-masing bioreaktor. Selain itu, nilai konstanta laju pertumbuhan maksimum (ko) dan growth yield (Y) juga dapat dihitung dengan menggunakan persamaan (2.8), (2.9) dan (2.10). Berdasarkan grafik 4.7 (a) di atas dan hasil perhitungan pada appendix B, maka untuk bioreaktor dengan penambahan 12.5% Bacillus cereus diperoleh ko sebesar 0.2343 hr-1; Km 856.4021 mg/L dan yield sebesar 12.792 mg biomass/mg substrat. Untuk bioreaktor dengan penambahan 15% Bacillus cereus, perhitungan kinetika menggunakan grafik 4.7 (b) dan memperoleh hasil ko sebesar 0.2363 hr-1; Km 1058.5014 mg/L dan yield sebesar 13.12 mg biomass/mg substrat. Sedangkan pada bioreaktor dengan penambahan 17.5% Bacillus creus, dengan grafik 4.7 (c)
52
diperoleh data kinetika ko sebesar 0.2366 hr-1; Km 1102.453 mg/L dan yield sebesar 13.8 gg biomass/mg substrat. Data, grafik dan hasil perhitungan dapat dilihat pada appendix B. Dari data tersebut dapat dibuat hubungan antara konsentrasi bakteri yang dimasukkan ke dalam bioreaktor terhadap konstanta pertumbuhan dan konstanta
0.2370
1150
0.2365
1100
0.2360
1050
0.2355
1000
0.2350
950
0.2345
900
0.2340
850
0.2335 12.50%
15.00%
Km (mg/L)
ko (hr-1)
Michaelis-Menten. Hubungan tersebut dapat dilihat pada gambar 4.8:
800 17.50%
Konsentrasi bakteri Bacillus cereus ko Km
Gambar 4.8. Hubungan antara ko dan Km dengan konsentrasi Bakteri Bacillus cereus Dari gambar 4.8 di atas dapat dilihat bahwa baik konstanta Michaelis-Menten (Km) maupun konstanta laju pertumbuhan maksimum (k0) akan meningkat seiring dengan kenaikan konsentrasi bakteri yang ditambahkan. Kenaikan ini disebabkan oleh semakin banyak jumlah bakteri di dalam bioreaktor yang berkembang biak kemudian menjadi bakteri baru. Apabila didukung oleh kondisi lingkungan dan substrat yang memadai, maka pertumbuhan bakteri akan semkin baik hingga akhirnya mencapai fase kematian.
53
4.6. Kinetika Penurunan Substrat pada Penambahan Bakteri Pseudomonas putida pada Masing-Masing Bioreaktor (a)
0.05 0.04 0.03 0.02 y = 1.0080x - 0.0131 R² = 0.9368
0.01
(b)
0.06 -(1/t)ln(S/S0)
-(1/t)ln(S/S0)
0.06
0.05 0.04 0.03 0.02 y = 1.0103x - 0.0203 R² = 0.8566
0.01
0
0 0
0.05 ln [1+a(S0-S)/t]
0.1
0
Perhitungan Kinetika Pseudomonas putida 12.50%
0.05 ln [1+a(S0-S)/t]
0.1
Perhitungan Kinetika Pseudomonas putida 15%
(c) 0.03 -(1/t)ln(S/S0)
0.025 0.02
0.015 0.01
y = 1.0076x - 0.0333 R² = 0.9070
0.005 0 0.04
0.05
0.06
ln [1+a(S0-S)/t] Perhitungan Kinetika Pseudomonas putida 17.50%
Gambar 4.9. Grafik Perhitungan Konstanta Kinetika pada Bioreaktor dengan Penambahan (a) 12.5%; (b) 15% dan (c) 17.5% Pseudomonas putida Gambar 4.9 merupakan grafik yang dibentuk menggunakan persamaan Gates and Marlar (2.3) untuk menghitung konstanta kinetika penurunan substrat untuk bioreaktor yang menggunakan bakteri Pseudomonas putida. Berdasarkan grafik 4.9 (a) untuk penambahan 12.5% bakteri, didapatkan ko sebesar 1.6375 hr-1; Km 14074.1706 mg/L dan yield sebesar 12 mg biomass/mg substrat. Perhitungan kinetika untuk bioreaktor dengan penambahan 15% bakteri dapat menggunakan regresi pada grafik 4.9 (b) sehingga menghasilkan ko sebesar 1.9722 hr-1; Km 15107.14726 mg/L dan yield sebesar 13 mg biomass/mg substrat. Grafik 4.9 (c) digunakan untuk menghitung konstanta kinetika pada bioreaktor dengan
54
penambahan 17.5% Pseudomonas putida. Berdasarkan hasil perhitungan dan data pada appendix B, diperoleh nilai ko sebesar 4.3816 hr-1; Km 16447.3684 mg/L dan yield sebesar 14.4 mg biomass/mg substrat. Dari data tersebut dapat dibuat hubungan antara konsentrasi bakteri yang dimasukkan ke dalam bioreaktor terhadap konstanta pertumbuhan dan konstanta Michaelis-Menten. Hubungan tersebut dapat dilihat pada gambar 4.10 sebagai berikut: 4.6500
17000
4.1500
ko (hr-1)
3.1500 15000
2.6500 2.1500
14000
1.6500 1.1500
Km (mg/L)
16000
3.6500
13000
0.6500 0.1500
12000
12.50% 15.00% Konsentrasi bakteri Pseudomonas putida ko Km
17.50%
Gambar 4.10. hubungan antara ko dan Km dengan konsentrasi Bakteri Pseudomonas putida Dari gambar 4.10 di atas dapat dilihat bahwa baik konstanta Michaelis-Menten (Km) maupun konstanta laju pertumbuhan maksimum (k0) akan meningkat seiring dengan kenaikan konsentrasi bakteri yang ditambahkan. Kenaikan ini disebabkan oleh semakin banyak jumlah bakteri di dalam bioreaktor yang berkembang biak kemudian menjadi bakteri baru. Apabila didukung oleh kondisi lingkungan dan substrat yang memadai, maka pertumbuhan bakteri akan semkin baik hingga akhirnya mencapai fase kematian.
55
4.7. Kinetika Penurunan Substrat pada Penambahan Bakteri Rhodococcus erythropolis pada Masing-Masing Bioreaktor
y = 1.065x - 0.014 R² = 0.950
-(1/t)ln(S/S0)
0.05 0.04 0.03 0.02 0.01
-(1/t)ln(S/S0)
(a)
0.06
0.09 0.08 0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0
0
(b)
y = 1.093x - 0.011 R² = 0.981
0 0
0.05 ln [1+a(S0-S)/t]
0.1
Perhitungan kinetika Rhodococcus erythropolis 12.5%
-(1/t)ln(S/S0)
0.05 ln [1+a(S0-S)/t]
0.1
Perhitungan kinetika Rhodococcus erythropolis 15.0%
(c)
0.09 0.08 0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0
y = 1.0314x - 0.0054 R² = 0.9974
0
0.05 ln [1+a(S0-S)/t]
0.1
Perhitungan kinetika Rhodococcus erythropolis 17.5%
Gambar 4.11. Grafik Perhitungan Konstanta Kinetika pada Bioreaktor dengan Penambahan (a) 12.5%; (b) 15% dan (c) 17.5% Rhodococcus erythropolis Gambar 4.11 merupakan grafik yang dibentuk menggunakan persamaan Gates and Marlar (2.3) untuk menghitung konstanta kinetika penurunan substrat untuk bioreaktor yang menggunakan bakteri Rhodococcus erythropolis. Berdasarkan grafik 4.11 (a) untuk penambahan 12.5% bakteri, didapatkan ko sebesar 0.2 hr-1; Km 815.53846 mg/L dan yield sebesar 12 mg biomass/mg substrat. Perhitungan kinetika untuk bioreaktor dengan penambahan 15% bakteri dapat menggunakan regresi pada grafik 4.11 (b) sehingga menghasilkan ko sebesar 0.25643hr-1; Km 1059 mg/L dan yield sebesar 12.87 mg biomass/mg substrat. Grafik 4.11 (c)
56
digunakan untuk menghitung konstanta kinetika pada bioreaktor dengan penambahan 17.5% Pseudomonas putida. Berdasarkan hasil perhitungan dan data pada appendix B, diperoleh nilai ko sebesar 0.4602 hr-1; Km 3551.3274 mg/L dan yield sebesar 13.2 mg biomass/mg substrat. Dari data tersebut dapat dibuat hubungan antara konsentrasi bakteri yang dimasukkan ke dalam bioreaktor terhadap konstanta pertumbuhan dan konstanta Michaelis-Menten. Hubungan tersebut dapat dilihat pada gambar 4.12 sebagai
0.5000
4000
0.4500
3500
0.4000
3000
0.3500
2500
0.3000
2000
0.2500
1500
0.2000
1000
0.1500
500
Km (mg/L)
ko (hr-1)
berikut:
12.50% 15.00% 17.50% Konsentrasi bakteri Rhodococcus erythropolis ko Km
Gambar 4.12. hubungan antara ko dan Km dengan konsentrasi Bakteri Rhodococcus erythropolis Dari gambar 4.12 di atas dapat dilihat bahwa baik konstanta MichaelisMenten (Km) maupun konstanta laju pertumbuhan maksimum (k0) akan meningkat seiring dengan kenaikan konsentrasi bakteri yang ditambahkan. Kenaikan ini disebabkan oleh semakin banyak jumlah bakteri di dalam bioreaktor yang berkembang biak kemudian menjadi bakteri baru. Apabila didukung oleh kondisi lingkungan dan substrat yang memadai, maka pertumbuhan bakteri akan semkin baik hingga akhirnya mencapai fase kematian. 4.8. Perhitungan konstanta laju kematian (kd) Perhitungan konstanta laju kematian dapat dilihat pada appendix B.VII dimamna perhitungannya menggunakan grafik hubungan antara biomass (ln[x/x0]) dengan perubahan waktu (t) seperti pada grafik 4.13:
57
(a)
4
y = 0.0501x + 2.0953 R² = 0.9133
ln (x/x0)
3 2
y = 0.0447x + 1.7011 R² = 0.8457
y = 0.0443x + 1.7224 R² = 0.8441
1 0
14 Waktu (hari) Konsentrasi Bacillus cereus: 12.50%
ln (x/x0)
0
7
28
15%
17.50%
(b)
1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0
y = 0.0241x + 0.7739 R² = 0.7433 y = 0.0450x - 0.0516 R² = 0.9887 y = 0.0427x - 0.2234 R² = 0.9969 0
7
14 Waktu (hari)
Konsentrasi Pseudomonas putida:
3.00
21
0.125
0.15
28 0.175
(c) y = 0.0593x + 1.1254 R² = 0.8085
2.50 ln (x/x0)
21
y = 0.0694x + 0.5832 R² = 0.8631
2.00 y = 0.0713x + 0.4050 R² = 0.8465
1.50 1.00 0
10 20 Waktu (hari)
Konsentrasi Rhodococcus erythropolis:
30
12.5%
15.0%
17.5%
Gambar 4.13. Grafik perhitungan slope untuk menentukan nilai kd untuk (a) bakteri Bacillus cereus; (b) bakteri Pseudomonas putida dan (c) bakteri Rhodococcus erythropolis
58
Slope dan hasil perhitungan dapat dijabarkan sebagai berikut: Tabel 4.3. Hasil perhitungan konstanta laju kematian (kd) Konsentrasi bakteri (%)
Pseudomonas putida
Bacillus cereus
Rhodococcus erythropolis
Slope
kd (hr-1)
Slope
kd (hr-1)
Slope
kd (hr-1)
12.5
0.0501
-0.03059
0.0427
-0.03515
0.0713
-0.0666
15.0
0.0443
-0.02685
0.045
-0.03377
0.0694
-0.0822
17.5
0.0447
-0.02697
0.0241
0.000491
0.0593
-0.0733
Berdasarkan tabel 4.3, nilai kd sangat kecil mendekati nol (0) sehingga dapat dikatakan bahwa pengaruh koefisien kematian (kd) pada bakteri sangat kecil. Oleh sebab itu dapat disimpulkan bahwa bakteri berada pada fase pertumbuhan (fase log).
59
“Halaman ini sengaja dikosongkan”
60
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
5.1. Kesimpulan Dari hasil penelitian dan analisa yang telah dilakukan, maka diperoleh kesimpulan sementara sebagai berikut: 1. Tanah hasil pengeboran minyak bumi mengandung senyawa hidrokarbon di atas ambang batas yang diperbolehkan sehingga diperlukan pengolahan lanjut sebelum dilepaskan ke lingkungan. 2. Di dalam tanah tercemar minyak bumi terkandung bakteri indigenous yang berperan dalam mendegradasi hidrokarbon yang terkandung dalam tanah. 3. Penambahan bakteri dalam proses biodegradasi mampu meningkatkan persentasi degradasi, di mana bakteri indigenous mampu menurunkan hingga 33.34 μg/g sedangkan dengn penambahan bakteri mampu menutunkan kadar total BTX hingga 6.43 μg/g. 4. Hasil terbaik pada penelitian ini adalah pada penambahan 17.5% Pseudomonas putida yang mampu menurunkan hingga 97.67% BTX seingga menghasilkan kadar akhir benzene 0.925 μg/g; toluene 0.703 μg/g dan xylene 4.806 μg/g dimana kadar tersebut telah memenuuhi baku mutu yang ditetapkan pemerintah yaitu 1 μg/g untuk benzene; 10 μg/g untuk toluene dan 10 μg/g untuk xylene. 5. Konstanta kinetika reaksi bergantung pada jenis bakteri dan jumlah bakteri yang ditambahkan. Spesific growth rate (ko) paling besar dihasilkan pada penambahan 17.5% bakteri Pseudomonas putida dengan ko 4.3816 hr-1; Km 16447.3684 mg/L dan yield sebesar 14.4 mg biomass/mg substrat. 6. Pengaruh koefisien kematian (kd) pada bakteri Bacillus cereus, Pseudomonas putida dan Rhodococcus erythropolis sangat kecil sehingga dapat dikatakan bahwa bakteri berada pada fase log saat proses degradasi.
61
5.2. Saran 1. Lama waktu degradasi perlu ditambahkan untuk bakteri Rhodococcus erythropolis sehingga hasil degradasi dapat memenuhi baku mutu. 2. Konsentrasi bakteri yang ditambahkan dapat ditingkatkan lagi sehingga diharapkan dapat mengurangi waktu degradasi. 3. Diharapkan dapat dilakukan pencampuran (mix bacteria) sehingga dapat mengurangi waktu degradasi dan meningkatkan persen degradasi. 4. Perlu dilakuan proses tambahan dengan memanfaatkan mikroorganisme lain seperti jamur (phytoremediation) sehingga diharapkan dapat menurunkan konsentrasi BTX agar mencapai baku mutu.
62
DAFTAR PUSTAKA
Abbassi, B.E., Shquirqat, W.D., (2007), “Kinetics of Indigenous Isolated Bacteria used for Ex-Situ Bioremediation of Petroleum Contaminated Soil’, Water Air Soil Pollut., Vol.192, hal. 221-226. Agarry, S. E., Aremu, M.O., Aworanti, O.A., (2013), “Kinetic Modeling and Half-Life Study on Bioremediation of Soil Co-Contaminated with Lubricating Motor Oil and Lead Using Different Bioremediation Strategies”, Soil and Sediment Contamination, Vol. 22, hal.800-816. Al-Baqer, D.S. & Madour, M., (2005), ”Bacillus cereus”, King Saud University, Collage of Pharmacy, Section of Microbiology. Andreoni, V. & Gianfreda, L., (2007), “Bioremediation and monitoring of aromaticpolluted habitats”, Appl. Microbial Biotechnol, Vol. 76, hal. 287-308. Atlas, R.M., & Bartha, R., (1998) “Microbial Ecology: Fundamentals & Applications, 4th edition”, Benjamin/Cummings Pubs. Company Inc. Calif. Ayotamuno, M.J., Okparanma, R.N., Nweneka, E.K., Ogaji, S.O.T., Probert, S.D., (2007), “Bio-remediation of a Sludge Containing Hydrocarbons”, Appl. Energy, Vol. 84, hal. 936-943. Bailey, J.E. & Ollis, D.F., (1986), “Biochemical Engineering Fundamental”, 2nd ed., McGraw-Hill, Toronto, p.382-388. Bicca, FC., Fleck LC., Záchia MA., (1999), “Production of Biosurfactant by Hydrocabon Degrading Rhodococcus Ruber And Rhodococcus Erythropolis”, Revista de Microbiologia, Vol 30, page 231 – 236. Bicca, FC., Fleck, LC., Ayub, MAZ., (1999), “Production of Biosurfactant by Hydrocarbon Degrading Rhodococcus ruber and Rhodococcus erythropolis” Revista de Microbiologia vol 30, p 231-236 http://dx.doi.org/10.1590/s0001-37141999000300008. Chun-rong, L., Wen-ke, W., Yu-qing, C., Li-juan Wang, (2013), “Bioremediation of Petroleum Contamines-Soil”, Presented at The 34th Congress of International Association of Hydrogeologists.
63
Das, N., Chandra, P., (2011), “Microbial Degradation of Petroleum Hydrocarbon Contaminants: An Overview”, Biotechnol. Res. Int., Vol. 2011, hal 1-14. Deeb, RA., Alvarez-Choen, L., (1999), “Temperature Effects and substrate Interactions During the Aerobic Biotransformation of BTEX Mixtures by Toluene-Enriched Consortia and Rhodococcus rhodochorus” Biotechnol Bioeng 62(5), p 526-536. Desai, A., Vyas, P., (2006), “Applied Microbiology. Petroleum and Hydrocarbon Microbiology”, Departement of Microbiology, M.S University of Baroda. Dou, J., Liu, X., Hu, Z., (2008), “Anaerobic BTX Degradation in Soil Bioaugmented With Mixed Consortia Under Nitrate Reducing Conditions”, Jurnal of Enviromental Sciences, Vol. 20, hal. 585-592. El-Naas, M.H., Acio, J.A., Telib, A.E.E., (2014), “Aerobic Biodegradation: Progresses and Prospects”, Journal of Enviromental Engineering 2, hal. 1104-1122. Elomari, M., Coroler, L., Verhille, S. Izard, D., Leclerc, H., (1997), “Pseudomonas monteili sp. nov., Isolated from Clinical Specimens”, International Journal of Systematic Bacteriology, Vol. Juli 1997, hal. 846-852. Gates, WE., Marlar, JT., (1968), “Analysis of Batch Culture Data Using the Monod Expressions”, Water Pollution Control Federation, Vol 40, No 11, Research Supplement to: 40, 11, part II (Nov., 1968) pp. R469-476. Grachia-Ochoa, F., Gomez, E., Santos, V E., Merchuk, J C., (2010), “Oxygen Uptake Rate in Microbial Processes: An Overview”, Biochemical Engineering Journal, 49: 289-307 Kelly, W.R., Hornberger, G.M., Herman, J.S., Mills, A.L., (1996), “Kinetics of BTX Biodegradation and Mineralization in Batch and Column Systems”, Journal of Contaminant Hydrology, Vol. 23, Hal. 113-132. Keputusan Menteri Lingkungan Hidup Nomor 128 Tahun 2003, “Tentang Tata Cara Persyaratan Teknis Pengolahan Limbah Minyak Bumi dan Tanah Terkontaminasi oleh Minyak Bumi Secara Biologis”. Kim, D., Chae, J., Zylstra, GJ., Sohn, H., Kwon, G., Kim, E., (2005), “ Identification of Two-Component Regulatory Genes Involved in o-
64
Xylene Degradation by Rhodococcus sp. Strain DK17”, The Journal of Microbiology, p 49-53. Leahy, J.G., Colwell, R.L., (1990), “Microbial Degradation of Hydrocarbons in the Environment”, Microbiological Reviews, Halaman. 305-315. Machin-Ramirez, C., Okoh, A.I., Morales, D., Deloisa, K.M., Quintero, R., TrejoHernández, M.R., (2008), “Slurry-Phase Biodegradation of Weathered Oily Sludge Waste”, Chemsophere, Vol.70, hal. 737-744 Moliterni, E., Jimenez-Tusset, R. G., Rayo, M.V., Rodriguez, L., Fernandez, F.J., Villasenor, J., (2012), “Kinetics of Biodegradation of Diesel Fuel by Enriched Microbial Consortia from Polluted Soils”, Int. J. Environ. Sci. Technol., Vol. 9, hal. 749-758 Nugroho, A., (2006), “Bioremediasi Hidrokarbon Minyak Bumi”, Graha Ilmu Universitas Trisakti, Indonesia. Nugroho, A., (2006), “Bioremediasi Sludge Minyak Bumi dalam Skala Mikrokosmos: Simulasi Sederhana Sebagai Kajian Awal Bioremediasi Land Treatment”, Makara Teknologi, Vol. 10, No. 2, hal. 82-89 Ochoa, FG., Gomez, E., Santos, VE., Merchuk, JC., (2010), “Oxygen Uptake Rate in Microbial Processes: An Overview”, Biochemical Engineering Journal 49, p 289-310. Omotayo, A.E., Ojo, O.Y., Amund, O.O., (2012), “Crude Oil Degradation Microorganisms in Soil Compost”, Research J. of Microbiology, hal. 110. Pacheco, G J., Ciapina, E M P., Gomes, E dB., Junior, N P., (2010), “Biosurfactant Production by Rhodococcus erythropolis and Its Application to Oil Removal”, Brazilian Journal of Microbiology, 41: 685-693. Pacheco, GJ., Ciapina, EMP., Gomes, EdB., Junior, NP., (2010), “Biosurfactant Production by Rhodococcus erythropolis and Its Application to Oil Removal”, Brazilian Journal of Microbiology, Vol 41, p 685-693. Reardon, KF., Mosteller, DC., Rogers, JB., DuTeau, NM., Kim, K., (2002) “ Biodegradation Kinetics of Aromatic Hydrocarbon Mixtures by Pure and Mixed Bacteria Cultures”, Environmental Health Perspectives, Vol. 110, p 1005-1011. 65
Roblez-Gonzalez, I.V., Fava, F., Poggi-Varaldo, H.M., (2008), “A Review on Slurry Bioreactors for Bioremediation of Soils and Sediments”, Microbial Cell Factories Vol. 7. Shuler, M.L. & Kargi, F., (2002), “Bioprocess Engineering: Basic Concept”, ed 2nd, Prentice Hall P T R, Englewood Cliffs, New Jersey. Sundstom, D.W., Klei, H.E., (1979), “Wastewater Treatment”, Prantice-Hall Inc. Suschka, J., Machnicka, A., (2001), “Activity of Selected Microorganisms and Mixture in BTX Biodeegradation” Polish Journal of Environmental Studies, Vol 10, no 5, p 341-346. Suthersan, S.S., (1999), “Remediation Engineering Design Consepts”, Lewis Publisher, CRC Press. N.W. Corporate Blvd., Florida. Thavasi, R., Jayalakshmi, S., Banat, I., (2011), “Effect of Biosurfactant and Fertilizer on Biodegradation of Crude Oil by Marine Isolates of Bacillus megeterium, Corinebacterium kutscheri and Pseudomonas aeruginosa”, Bioresource Technology, Vol. 102, hal. 772-778. Tuhuloula, A., (2011), “Bioremediasi Lahan Terkontaminasi Minyak Bumi dengan Menggunakan Bakteri Bacillus cereus pada Slurry Bioreactor”, Thesis, Jurusan Teknik Kimia, FTI-ITS Tuhuloula, A., Juliastuti, S.R., (2010), “Pemanfaatan Bakteri Bacillus cereus pada Proses Bioremediasi Tanah Terkontaminasi Minyak Bumi dengan Metode Slurry Bioreactor”, EKSTRAK, Vol. 5, No. 2, hal 76-83. Van Hamme, JD., Singh AM., Ward, OP., (2003) “Recent advances in Petroleum Microbiology” Microbial Mol. Biol. Rev. 6. P 503-549. Vidali, M., (2001), “Bioremediation. An Overview”, Pure Appl.Chem., Vol. 73, No. 7, hal 1163-1172. Ward,O., Singh, A., Van Hamme, J., (2003), “Accelerated Biodegradation of Petroleum Hydrocarbon Waste”, J. Ind. Microbial Biotechnol, Vol. 30, hal. 260-270. Yudono, B. Said, M., Hakstege, P., Suryadi, F.X., (2009), “Kinetics of Indigenous Isolate Bacteria Bacillus mycoides used for Ex-situ Bioremediation of Petroleum Contaminated Soil in PT. Pertamina Sungai Lilin South Sumatera”, J. Sustain. Dev., Vol.2.
66
APPENDIX A PROSEDUR PERHITUNGAN A.1. Pembuatan Umpan Kebutuhan sampel umpan: Volume umpan
= 5 liter = 5000 mL
Komposisi umpan
= 20% tanah, 80% air
Densitas tanah
= 2,67 gr/mL
Densitas air
= 1 gr/mL
Densitas campuran:
1
mix
mix
0, 2
soil
0,8
air
1 0, 2
0,8
soil air M V mix
1 1, 0667 gr mL 0, 2 0,8 2, 67 1
7000mL 1, 0667 gr
mL
7466,9 gr M tan ah 20% M 20% 7466,9 gr 1493,38 gr M air
80% M 80% 7466,9 gr 5973,52 gr
A.2. Perhitungan Penambahan Nutrient Rasio Nutrient C : N : P = 100 : 10 : 1 BOD contoh : 1550 mg/L
N=
10 ×1550=155 mg L 100
Total penambahan urea =
Mr CO NH 2 2 Ar N 2
67
×N
= P=
60 ×155=332,1429 mg L 28
10 ×1550=15,5 mg L 100 Mr KH 2 PO 4 ×P Ar P 136 = ×15,5=68 mg L 31
Total penambahan KH 2 PO 4 =
A.3. Analisa Populasi Bakteri Contoh perhitungan jumlah sel bakteri dengan menggunakan metode counting chamber: Jumlah sel dalam 3 kotak sedang diamati sebanyak 42, 41 dan 46 sel per kotak. Rata-rata jumlah sel adalah 43 sel/kotak. Pada haemacytometer diketahui total luas area adalah 9 mm2 dimana terbagi menjadi 9 kotak sedang. Sehinggga luas 1 kotak sedang adalah 1 mm2. Kotak yang dihitung adalah kotak kecil yang berjumlah 16 di dalam kotak sedang. Sehingga luasnya adalah 1/16 mm2. Sementara kedalaman kotak adalah 0,1 mm. jumlah sel/kotak
jumlah sel(sel/mL)
=
volume kotak
= luas kotak×kedalaman kotak
volume kotak mm3
×konversi×faktor pengenceran
1 mm 2 ×0,1mm 25 3 = 0,04 mm kotak 43 sel kotak ×1000 mm3 = ×1 3 mL 0,04 mm kotak =1.075.000 =
jumlah sel
Dimana: B1 = berat kertas saring dan cawan B2 = berat cawan + residu setelah dioven 105oC selama 3 jam Hasil perhitungan MLSS dapat dilihat pada lampiran B.
68
A.4. Perhitungan Konsentrasi Contoh perhitungan untuk konsentrasi BTX dalam sampel awal: Senyawa
Area (100%)
Area (pA*s)
Benzene
36.752
97,15768
Toluene
40.989
495,73215
Xylene
115.360
1491,84619
a. Benzene Benzene, FI D1 A Area = 36752. 2461* Amt +0 Area
R el. R es %(1): 0.000
35000
1
30000 25000 20000 15000 10000 5000 0
C orrelation: 1.00000 0
0.5
Amount[ %(v /v )]
Persamaan Kurva = Area = 36752,2461 x Amt+0 Maka konsentrasi benzene:
konsentrasi benzene
= amount =
Area terbaca Area100%
=
97,15768 = 0.00264358% = 26,4358 ppm 36752,2461
b. Toluene Toluene, FID1 A Area = 40988. 5313* Amt +0 Area
Rel. Res%(1): 0.000
40000
1
35000 30000 25000 20000 15000 10000 5000 0
Correlation: 1.00000 0
0.5
69
Amount[ %(v /v )]
Persamaan Kurva = Area = 40988,5313 x Amt +0 Maka konsentrasi toluene:
konsentrasi toluene
= amount =
Area terbaca Area100%
=
495,73215 = 0,012094411% =120,9441ppm 40989,5313
c. Xylene Xy lene, F ID1 A Area = 115364. 266* Amt +0 Area 120000
Rel. Res%(1): 0.000 1
100000 80000 60000 40000 20000 0
Correlation: 1.00000 0
0.5
Amount[ %(v /v )]
Persamaan Kurva = Area = 115364,266 x Amt + 0 Maka konsentrasi xylene: konsentrasi xylene
= amount =
Area terbaca Area100%
1491, 84619 115364, 266 =0,01293161% =129,3161ppm =
A.5. Perhitungan % degradasi BTX
BTX 0 -BTX n % biodegradasi= ×100% BTX 0 276,44-99,05 = ×100% = 64,1694% 276,44 Dimana: BTX0 = kadar BTX minggu ke-0 (ppm) BTXn = kadar BTX minggu ke-n (ppm) 70
A.6. Perhitungan BOD5
mL × DO -DO L = DO -DO 250 10 mL
BOD5 mg
5
s
f
f
0 s
Dari pengukuran pada hai ke-0 di bioreaktor dengan 12.5% Pseudomonas putida diketahui bahwa: DOs 0 5.09 mg L DOs 5 =2.13 mg L DOf 7.93 mg L Maka: 250 mL BOD5 mg = 2.13-7.93 × 7.93-5.09 L 10 mL
BOD mg =65.200 mg L L 5
A.7. Perhitungan Kinetika Pertumbuhan Bakteri Untuk Pseudomonas putida 17.5%
1 S ln(1 ad ) ln 0 c b t S t
(2.3)
Dari data BOD appendiks B dilakukan perhitungan untuk mendapatkan nilai 1 S ln(1 ad ) ln 0 ( sumbu y ) dan ( sumbu x) menghasilkan data seperti t S t
pada tabel berikut: hasil perhitungan plot pada 17.5% Pseudomonas putida 1/t ln S/S0 (y)
ln[1+1(S0-S)]/t (x)
#DIV/0! 0.037827 0.055280 0.051322 0.048648 0.048925 0.046605 0.043051 0.040351
#DIV/0! 0.022766 0.024041 0.018986 0.015708 0.013583 0.011746 0.010252 0.009105
Hasil perhitungan kemudian diplotkan pada grafik :
71
-(1/t)ln(S/S0)
0.03 0.03 0.02
y = 1.0076x - 0.0333 R² = 0.9070
0.02
0.01 0.01 0.00 0.00
0.02
0.04
0.06
ln [1+a(S0-S)/t] Perhitungan Kinetika Pseudomonas putida 17.50%
Gambar B.1. Grafik perhitungan kinetika pada penambahan 17.5% Pseudomonas putida Slope yang diperoleh adalah 1.0076 dan intercept 0.0333 selanjutnya digunakan untuk menghitung nilai konstanta kinetika (ko dan Km). Trial error Nilai a yang agar grafik tersebut menghasilkan garis lurus memberikan nilai a sebesar 0.008 kemudian digunakan untuk menghitung yield. k0
Km
Y
b c 1 0.0333 1.0076 1 4.3816 jam -1 1 S0 a c 1 1 92.830 0.008 1.0076 1 16447.3684 mg/L
(2.8)
(2.9)
aX 0
(2.10)
0.008 18000 14.4 mg biomass / mg substrat
72
APPENDIX B HASIL PENELITIAN DAN PERHITUNGAN B.I. Data Hasil Pengukuran Kadar BTX Hasil Bioremediasi Tabel B.1. Data Perhitungan Kadar BTX Hasil Biodegradasi oleh bakteri Bacillus cereus Hari 0 14 28 42 56
Hari 0 14 28 42 56
Konsentrasi BTX (μg/g) Indigenous bacteria 12.5% Bacillus cereus B T X total BTX B T X total BTX 26.44 121 129 276.44 26.44 121 129 276.44 20.67 35.5 45.98 102.15 24.61 40.19 35.58 100.38 19.4 25.004 33.48 77.884 16.59 20.13 25.12 61.84 9.63 14.5 18.2 42.33 7.94 14.738 10.095 32.7729 8.239 9.098 16 33.337 1.962 8.058 5.972 15.992 Konsentrasi BTX (μg/g) 15.0% Bacillus cereus 17.5% Bacillus cereus B T X total BTX B T X total BTX 26.44 121 129 276.44 26.44 121 129 276.44 10.16 30.39 30.29 70.84 12.09 20.05 20.31 52.45 5.16 25.19 20.45 50.8 5.15 5.06 10.73 20.94 2.005 10.47 10.36 22.835 1.046 3.053 8.011 12.11 0.7019 8.015 4.918 13.6349 0.4898 2.053 5.019 7.5618
Tabel B.2. Data Perhitungan Kadar BTX Hasil Biodegradasi oleh bakteri Pseudomonas putida Hari 0 14 28 42 56
Hari 0 14 28 42 56
B 26.44 20.67 19.4 9.63 8.239
Konsentrasi BTX (μg/g) Indigenous bacteria 12.5% Pseudomonas putida T X total BTX B T X total BTX 121 129 276.44 26.44 121 129 276.44 35.5 45.98 102.15 24.24 29.07 13.38 66.69 25.004 33.48 77.884 12.39 10.65 10.84 33.88 14.5 18.2 42.33 10.57 4.091 10.56 25.221 9.098 16 33.337 10.36 3.989 10.42 24.769
Konsentrasi BTX (μg/g) 15.0% Pseudomonas putida 17.5% Pseudomonas putida B T X total BTX B T X total BTX 26.44 121 129 276.44 26.44 121 129 276.44 19.71 40.38 32.71 92.8 12.17 2.405 13.59 28.165 10.97 15.64 21.71 48.32 1.175 2.193 8.351 11.719 9.03 9.78 8.017 26.827 1.032 0.7235 5.176 6.9315 8.15 8.42 7.898 24.468 0.925 0.703 4.806 6.4338
73
Tabel B.3. Data Perhitungan Kadar BTX Hasil Biodegradasi oleh bakteri Rhodococcus erythropolis Indigenous bacteria
Hari 0 14 28 42 56
Hari 0 14 28 42 56
B
T
X
26.44 20.88 20.67 19.85 19.4
121 41.3 35.5 35.09 25.004
129 68.95 45.98 36.65 33.48
Konsentrasi BTX (μg/g) 12.5% Rhodococcus erythropolis total total B T X BTX BTX 276.44 26.44 121 129 276.44 102.15 25.35 40.59 35.27 101.21 77.884 20.06 20.73 25.49 66.28 42.33 9.44 10.39 10.09 29.92 33.337 3.09 9.038 5.086 17.214
Konsentrasi BTX (μg/g) 15.0% Rhodococcus erythropolis 17.5% Rhodococcus erythropolis total total B T X B T X BTX BTX 26.44 121 129 276.44 26.44 121 129 276.44 15.37 31.26 35.71 82.34 12.32 20.04 20.97 53.33 10.96 25.67 25.52 62.15 10.39 10.23 10.58 31.2 6.031 10.7 10.93 27.661 5.071 8.095 8.014 21.18 1.051 9.038 5.103 15.192 0.9178 6.146 4.091 11.1548
B.II. Data Hasil Perhitungan Persentase Degradasi BTX Tabel B.4. Data Hasil Perhitungan Persentase Degradasi BTX oleh Bakteri Bacillus cereus Persen Degradasi BTX Indigenous bacteria
Hari 0 14 28 42 56
B
T
X
0.0% 21.8% 26.6% 63.6% 68.8%
0.0% 70.7% 79.3% 88.0% 92.5%
0.0% 64.4% 74.0% 85.9% 87.6%
12.5% Bacillus cereus total BTX 0.0% 63.0% 71.8% 84.7% 87.9%
B
T
X
0% 6.921% 37.254% 69.970% 92.579%
0% 66.785% 83.364% 87.820% 93.340%
0% 72.419% 80.527% 92.175% 95.371%
total BTX 0% 63.688% 77.630% 88.145% 94.215%
Persen Degradasi BTX 15.0% Bacilus cereus
Hari 0 14 28 42 56
B
T
X
0.0% 61.573% 80.484% 92.417% 97.345%
0.0% 74.884% 79.182% 91.347% 93.376%
0.0% 76.519% 84.147% 91.969% 96.188%
17.5% Bacilus cereus total BTX 0.0% 74.374% 81.623% 91.740% 95.068%
74
B
T
X
0% 54.274% 80.522% 96.044% 98.148%
0% 83.430% 95.818% 97.477% 98.303%
0% 84.256% 91.682% 93.790% 96.109%
total BTX 0% 81.027% 92.425% 95.619% 97.265%
Tabel B.5. Data Hasil Perhitungan Persentase Degradasi BTX oleh Bakteri Pseudomonas putida Persen Degradasi BTX Indigenous bacteria 12.5% Pseudomonas putida T X total BTX B T X total BTX 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 70.7% 64.4% 63.0% 8.3% 76.0% 89.6% 75.9% 79.3% 74.0% 71.8% 53.1% 91.2% 91.6% 87.7% 88.0% 85.9% 84.7% 60.0% 96.6% 91.8% 90.9% 92.5% 87.6% 87.9% 60.8% 96.7% 91.9% 91.04%
Hari B 0.0% 21.8% 26.6% 63.6% 68.8%
0 14 28 42 56
Hari 0 14 28 42 56
Persen Degradasi BTX 15.0% Pseudomonas putida 17.5% Pseudomonas putida B T X total BTX B T X total BTX 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 25.5% 66.6% 74.6% 66.4% 54.0% 98.0% 89.5% 89.8% 58.5% 87.1% 83.2% 82.5% 95.6% 98.2% 93.5% 95.8% 65.8% 91.9% 93.8% 90.3% 96.1% 99.4% 96.0% 97.5% 69.2% 93.0% 93.9% 91.15% 96.5% 99.4% 96.3% 97.67%
Tabel B.6. Data Hasil Perhitungan Persentase Degradasi BTX oleh Bakteri Rhodococcus erythropolis Indigenous bacteria
Hari 0 14 28 42 56
Hari 0 14 28 42 56
B
T
X
0.0% 21.0% 21.8% 24.9% 26.6%
0.0% 65.9% 70.7% 71.0% 79.3%
0.0% 46.6% 64.4% 71.6% 74.0%
Persen Degradasi BTX 12.5% Rhodococcus erythropolis total total B T X BTX BTX 0.0% 0% 0% 0% 0% 63.0% 4.12% 66.46% 72.66% 63.389% 71.8% 24.13% 82.87% 80.24% 76.02% 84.7% 64.30% 91.41% 92.18% 89.18% 87.9% 88.31% 92.53% 96.06% 93.77%
Persen Degradasi BTX 15.0% Rhodococcus erythropolis 17.5% Rhodococcus erythropolis total total B T X B T X BTX BTX 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0% 0% 0% 0% 41.87% 74.17% 72.32% 70.21% 53.40% 83.44% 83.74% 80.71% 58.55% 78.79% 80.22% 77.52% 60.70% 91.55% 91.80% 88.71% 77.19% 91.16% 91.53% 89.99% 80.82% 93.31% 93.79% 92.34% 96.03% 92.53% 96.04% 94.50% 96.53% 94.92% 96.83% 95.97%
75
B.III.Data Hasil Perhitungan Populasi Bakteri Tabel B.7. Data Hasil Perhitungan Populasi Bakteri (sel/mL) Time 0 7 14 21 28 35 42 49 56
Indigenous bacteria 5.00E+06 5.22E+06 4.34E+07 8.78E+07 1.67E+08 3.14E+08 3.56E+08 3.00E+08
12.5% 3.67E+07 3.72E+08 7.29E+08 8.58E+08 1.13E+09 1.19E+09 8.06E+08 6.08E+08 4.21E+08
Pseudomonas putida 12.50% 15% 17.50% 4.13E+08 3.66E+08 3.26E+08 4.51E+08 4.69E+08 7.42E+08 5.96E+08 6.86E+08 1.18E+09 7.87E+08 8.50E+08 1.18E+09 1.11E+09 1.25E+09 1.30E+09 1.23E+09 1.27E+09 1.34E+09 1.18E+09 1.09E+09 1.13E+09 7.82E+08 7.02E+08 6.57E+08 4.75E+08 4.45E+08 3.72E+08
Bacillus cereus 15.0% 5.72E+07 3.71E+08 7.47E+08 8.38E+08 1.00E+09 1.11E+09 7.72E+08 6.08E+08 4.29E+08
17.5% 6.22E+07 3.96E+08 7.93E+08 9.21E+08 1.07E+09 1.21E+09 7.89E+08 6.67E+08 3.63E+08
Rhodococcucs erythropolis 12.50% 15% 17.50% 8.75E+07 1.67E+08 4.89E+08 6.72E+08 7.92E+08 8.75E+08 4.17E+08 1.25E+08 5.83E+07
8.75E+07 2.01E+08 5.56E+08 7.58E+08 9.17E+08 1.04E+09 3.33E+08 8.33E+07 6.67E+07
8.75E+07 3.19E+08 8.64E+08 1.01E+09 1.21E+09 1.21E+09 7.78E+08 2.92E+08 1.25E+08
B.IV. Data Pengukuran BOD5 Tabel B.8. BOD pada penambahan Bacillus cereus (12.5%) Hari ke-
DOs0 (mgO2/L)
DOs5 (mgO2/L)
DOf5 (mgO2/L)
BOD5 (mgO2/L)
0 7 14 21 28 35 42 49 56
5.85 6.67 5.38 6.48 7.43 6.01 5.49 4.73 5.76
8.52 4.07 6.09 6.27 5.43 6.47 5.39 5.46 6.83
8.98 8.14 6.68 7.52 8.14 6.42 5.83 5.01 5.89
77.79 32.68 31.91 24.75 15.04 10.3 8.06 7.45 4.19
76
Tabel B.9. BOD pada penambahan Bacillus cereus (15%) Hari ke-
DOs0 (mgO2/L)
DOs5 (mgO2/L)
DOf5 (mgO2/L)
BOD5 (mgO2/L)
0 7 14 21 28 35 42 49 56
5.58 6.2 5.18 6.27 7.3 5.88 5.3 4.7 5.6
8.4 3.92 6.2 6.48 7.77 6.45 5.22 5.2 6.62
8.98 8.14 6.68 7.52 8.14 6.42 5.83 5.01 5.89
84.42 44.28 37.02 30.21 20.63 13.53 12.64 7.94 7.98
Tabel B.10. BOD pada penambahan Bacillus cereus (17.5%) Hari ke-
DOs0 (mgO2/L)
DOs5 (mgO2/L)
DOf5 (mgO2/L)
BOD5 (mgO2/L)
0 7 14 21 28 35 42 49 56
5.39 6.38 5.12 6.19 7.39 5.76 5.37 4.86 5.69
8.58 4.04 4.23 5.74 9.92 6.43 5.32 7.67 6.89
8.98 8.14 6.68 7.52 8.14 6.42 5.83 5.01 5.89
89.35 39.9 36.55 31.47 20.53 16.51 10.99 6.41 6
Tabel B.11. BOD pada penambahan Pseudomonas putida (12.5%) Hari ke-
0 7 14 21 28 35 42 49 56
DOs0 (mgO2/L)
DOs5 (mgO2/L)
DOf5 (mgO2/L)
BOD5 (mgO2/L)
5.09 5.56 6.56 5.40 5.06
2.13 2.32 3.6 3.09 2.79
5.61 6.68 5.57 5.50
3.42 4.5 3.48 3.53
7.93 7.46 7.89 6.5 6.14 6.62 7.57 6.44 6.28
65.200 42.443 29.043 24.215 23.650 22.050 19.180 18.870 16.710
77
Tabel B.12. BOD pada penambahan Pseudomonas putida (15%) Hari ke-
0 7 14 21 28 35 42 49 56
DOs0 (mgO2/L)
DOs5 (mgO2/L)
DOf5 (mgO2/L)
BOD5 (mgO2/L)
4.20 5.00 6.24 5.20 5.14
1.03 2.32 3.77 2.62 2.64
5.69 6.67 5.64 5.49
3.35 4.41 3.59 3.76
7.93 7.46 7.89 6.5 6.14 6.62 7.57 6.44 6.28
86.475 56.360 37.047 28.620 21.500 19.897 19.340 17.230 17.190
Tabel B.13. BOD pada penambahan Pseudomonas putida (17.5%) Hari ke-
0 7 14 21 28 35 42 49 56
DOs0 (mgO2/L)
DOs5 (mgO2/L)
DOf5 (mgO2/L)
BOD5 (mgO2/L)
4.06 4.49 6.02 5.10 5.15
4.01 4.32 3.87 2.97 5.04
5.96 6.98 5.89 5.75
6.87 5.93 3.87 2.76
7.93 7.46 7.89 6.5 6.14 6.62 7.57 6.44 6.28
92.830 71.235 42.813 31.595 23.775 16.750 13.110 11.260 9.690
Tabel B.14. BOD pada penambahan Rhodococcus erythropolis (12.5%) Hari ke-
DOs0 (mgO2/L)
DOs5 (mgO2/L)
DOf5 (mgO2/L)
BOD5 (mgO2/L)
0 7 14 21 28 35 42 49 56
3.9 3.08 2.28 2.52 2.91 2.56 2.64 2.77 3.77
3.43 2.51 2.81 2.43 3.79 2.34 3.87 3.2 4.06
5.98 4.44 3.52 3.59 3.63 3.22 3.21 3.32 4.3
49.45 32.07 30.29 25.59 18.16 15.62 14.91 13.63 13.01
78
Tabel B.15. BOD pada penambahan Rhodococcus erythropolis (15%) Hari ke-
DOs0 (mgO2/L)
DOs5 (mgO2/L)
DOf5 (mgO2/L)
BOD5 (mgO2/L)
0 7 14 21 28 35 42 49 56
4.13 3.34 2.56 2.66 2.79 2.46 2.59 2.66 3.69
3.44 2.48 2.81 2.33 4.35 2.4 3.64 3.35 4.71
5.98 4.44 3.52 3.59 3.63 3.22 3.21 3.32 4.3
43.71 25.54 23.29 21.99 21.72 18.18 15.93 16.53 15.66
Tabel B.16. BOD pada penambahan Rhodococcus erythropolis (17.5%) Hari ke-
DOs0 (mgO2/L)
DOs5 (mgO2/L)
DOf5 (mgO2/L)
BOD5 (mgO2/L)
0 7 14 21 28 35 42 49 56
4.18 3.42 2.56 2.68 2.81 2.49 2.57 2.71 3.67
4.08 2.58 2.87 2.54 3.79 3.15 3.57 3.32 3.68
5.98 4.44 3.52 3.59 3.63 3.22 3.21 3.32 4.3
43.1 23.64 23.35 21.7 20.66 18.18 16.36 15.25 15.13
B.V. Perhitungan Kinetika Penurunan Substrat pada Penambahan Bakteri Bacillus cereus Tabel B.17. Data hasil perhitungan kinetika dengan Penambahan Bakteri Bacillus cereus 12.5% Waktu (hari) 0 7 14 21 28 35 42 49 56
15%
17.5%
1/t ln S/S0 (y)
ln[1+1(S0-S)]/t (x)
1/t ln S/S0 (y)
ln[1+1(S0S)]/t (x)
#DIV/0! 0.1238928 0.0636495 0.0545327 0.0586893 0.0577677 0.0539786 0.0478734 0.0521663
#DIV/0! 0.10665 0.05396 0.03976 0.03334 0.02795 0.02378 0.0205 0.01845
#DIV/0! 0.0921816 0.0588819 0.0489348 0.0503235 0.0523113 0.0452128 0.0482427 0.0421226
#DIV/0! 0.07087 0.04031 0.02974 0.02512 0.02166 0.01821 0.01631 0.01427
79
1/t ln S/S0 (y)
ln[1+1(S0S)]/t (x)
#DIV/0! 0.1151693 0.0638486 0.0496917 0.0525241 0.0482456 0.0498947 0.0537694 0.0482286
#DIV/0! 0.09823 0.05148 0.03662 0.03091 0.02568 0.02245 0.01996 0.01752
Plot (x) dan (y) akan menghasilkan Grafik: (a)
0.099 0.079
(1/t)ln(S/S0)
(1/t)ln(S/S0)
0.119
y = 1.1383x - 0.0324 R² = 0.9271
0.059 0.039 0.019
-0.001 0
0.1 ln [1+a(S0-S)/t]
0.079 0.069 0.059 0.049 0.039 0.029 0.019 0.009 -0.001
(b)
y = 1.1388x - 0.0328 R² = 0.9401
0
0.2
0.05
0.1
ln [1+a(S0-S)/t] Perhitungan Kinetika Bacillus cereus 15.00%
Perhitungan Kinetika Bacillus cereus 12.50%
(c)
0.119 (1/t)ln(S/S0)
0.099 0.079
y = 1.1264x - 0.0299 R² = 0.9230
0.059 0.039 0.019
-0.001 0
0.1 ln [1+a(S0-S)/t]
0.2
Perhitungan Kinetika Bacillus cereus 17.50%
Gambar B.1. Grafik Perhitungan Konstanta Kinetika pada Bioreaktor dengan Penambahan (a) 12,5%; (b) 15% dan (c) 17,5% Bacillus cereus Dengan memperhatikan nilai slope dan intercept, maka dapat dihitung nilai konstanta kinetika, dan ditabelkan pada tabel B.18. Tabel B.18. Data Kinetika untuk penambahan bakteri Bacillus cereus Parameter Kinetika Slope (c) Intercept (b) a K0 (jam-1) Km (mg/L) Y (mg biomass/mg substrat)
12.5% 1.1383 0.0324 0.0246 0.23427 856.402 12.792
80
15% 1.1388 0.0328 0.016 0.23631 1058.5 13.12
17.5% 1.1264 0.0299 0.02 0.23655 1102.45 13.8
B.VI. Perhitungan Kinetika Penurunan Substrat pada Penambahan Bakteri Pseudomonas putida Tabel B.19. Data hasil perhitungan kinetika dengan Penambahan Bakteri Pseudomonas putida 12.5%
Waktu (hari) 0 7 14 21 28 35 42 49 56
15%
17.5%
1/t ln S/S0 (y)
ln[1+1(S0-S)]/t (x)
1/t ln S/S0 (y)
ln[1+1(S0-S)]/t (x)
1/t ln S/S0 (y)
ln[1+1(S0-S)]/t (x)
#DIV/0! 0.061327 0.057762 0.047166 0.036218 0.030976 0.029133 0.025304 0.024312
#DIV/0! 0.056022 0.040497 0.029674 0.022483 0.018496 0.016156 0.013916 0.012583
#DIV/0! 0.061157 0.060548 0.052655 0.049707 0.041980 0.035659 0.032923 0.028849
#DIV/0! 0.051611 0.038498 0.028933 0.023647 0.019257 0.016145 0.014152 0.012388
#DIV/0! 0.037827 0.055280 0.051322 0.048648 0.048925 0.046605 0.043051 0.040351
#DIV/0! 0.022766 0.024041 0.018986 0.015708 0.013583 0.011746 0.010252 0.009105
Plot (x) dan (y) akan menghasilkan Grafik: (a)
-(1/t)ln(S/S0)
y = 1.0080x - 0.0131 R² = 0.9368 0.00
(b)
0.06 -(1/t)ln(S/S0)
0.060 0.050 0.040 0.030 0.020 0.010 0.000
0.05 ln [1+a(S0-S)/t]
-(1/t)ln(S/S0)
0.04 0.03 0.02 y = 1.0103x - 0.0203 R² = 0.8566
0.01 0.00
0.10
0.00
Perhitungan Kinetika Pseudomonas putida 12.50%
0.03 0.03 0.02 0.02 0.01 0.01 0.00
0.05
0.05 ln [1+a(S0-S)/t]
0.10
Perhitungan Kinetika Pseudomonas putida 15%
(c) y = 1.0076x - 0.0333 R² = 0.9070
0.00
0.02
0.04
0.06
ln [1+a(S0-S)/t] Perhitungan Kinetika Pseudomonas putida 17.50%
Gambar B.2. Grafik Perhitungan Konstanta Kinetika pada Bioreaktor dengan Penambahan (a) 12,5%; (b) 15% dan (c) 17,5% Pseudomonas putida
81
Dengan memperhatikan nilai slope dan intercept, maka dapat dihitung nilai konstanta kinetika, dan ditabelkan pada tabel B.20. Tabel B.20. Data Kinetika untuk penambahan bakteri Pseudomonas putida Parameter Kinetika Slope (c) Intercept (b) a K0 (jam-1) Km (mg/L) Y (mg biomass/mg substrat)
12.5% 1.008 0.0131 0.0211 1.6375 14074.1706 12
15% 17.5% 1.010305 1.0076 0.020324 0.0333 0.01445 0.008 1.97224648 4.38157895 15107.1472 16447.3684 13 14.4
B.VII. Perhitungan Kinetika Penurunan Substrat pada Penambahan Bakteri Rhodococcus erythropolis Tabel B.21. Data hasil perhitungan kinetika dengan Penambahan Bakteri Rhodococcus erythropolis 12.5% Waktu (hari)
1/t ln S/S0 (y)
0 7 14 21 28 35 42 49 56
#DIV/0! 0.061863 0.03501 0.03137 0.035776 0.032926 0.028546 0.0263 0.023844
15%
ln[1+1(S0-S)]/t (x)
1/t ln S/S0 (y)
#DIV/0! 0.051545 0.027955 0.022277 0.020638 0.017511 0.01482 0.013051 0.011565
17.5%
ln[1+1(S0-S)]/t (x)
1/t ln S/S0 (y)
#DIV/0! 0.076527 0.041841 0.029219 0.022118 0.019742 0.017476 0.014749 0.013197
#DIV/0! 0.085798 0.04378 0.032677 0.026262 0.024663 0.023064 0.021203 0.018694
#DIV/0! 0.076762 0.053781 0.038589 0.029383 0.02859 0.02697 0.022363 0.020533
ln[1+1(S0-S)]/t (x)
#DIV/0! 0.082245 0.041587 0.029449 0.022878 0.019758 0.017318 0.015277 0.013408
Plot (x) dan (y) akan menghasilkan Grafik:
-(1/t)ln(S/S0)
0.05
y = 1.065x - 0.014 R² = 0.950
0.04 0.03 0.02 0.01 0 0
0.05
0.1
-(1/t)ln(S/S0)
(a)
0.06
0.09 0.08 0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0
(b)
y = 1.093x - 0.011 R² = 0.981
0
ln [1+a(S0-S)/t]
0.05 ln [1+a(S0-S)/t]
0.1
Perhitungan kinetika Rhodococcus erythropolis 15.0%
Perhitungan kinetika Rhodococcus erythropolis 12.5%
82
-(1/t)ln(S/S0)
(c)
0.09 0.08 0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0
y = 1.0314x - 0.0054 R² = 0.9974
0
0.05 ln [1+a(S0-S)/t]
0.1
Perhitungan kinetika Rhodococcus erythropolis 17.5%
Gambar B.3. Grafik Perhitungan Konstanta Kinetika pada Bioreaktor dengan Penambahan (a) 12,5%; (b) 15% dan (c) 17,5% Rhodococcus erythropolis Dengan memperhatikan nilai slope dan intercept, maka dapat dihitung nilai konstanta kinetika, dan ditabelkan pada tabel B.22. Tabel B.22. Data Kinetika untuk penambahan bakteri Rhodococcus erythropolis Parameter Kinetika Slope (c) Intercept (b) a K0 (jam-1) Km (mg/L) Y (mg biomass/mg substrat)
12.5% 1.065 0.013 0.025 0.2 815.53846
15% 1.039 0.01 0.039 0.2564103 1059.0007
17.5% 1.0113 0.0052 0.04 0.460177 3551.3274
12
12.87
13.2
B.VIII. Perhitungan konstanta laju kematian (kd) Konstanta laju kematian dapat dihitung dengan menggunakan persamaan di bawah ini:
dX dt
ko XS Kd X .....................................( B.1) Km S
Berdasarkan
hasil
perhitungan,
nilai
Km
sangat
penyederhanaan tidak dapat dilakukan. Persamaan di atas menjadi:
83
besar,
maka
dX dt
ko S K X ................................( B.2) d K m S
dX X
ko S K d dt ................................( B.3) K m S
ln
X ko S kd t t0 ...........................(B.4) X 0 K m S
Dari persamaan B.4 dapat dibuat grafik sebagai gambar B.3:
(a) 4
y = 0.0501x + 2.0953 R² = 0.9133
3.5
ln (x/x0)
3 2.5 y = 0.0447x + 1.7011 R² = 0.8457
2 y = 0.0443x + 1.7224 R² = 0.8441
1.5 1 0.5 0 0
7
14 Waktu (hari)
Konsentrasi Bacillus cereus:
12.50%
21
28
15%
17.50%
(b) 1.6 1.4 y = 0.0241x + 0.7739 R² = 0.7433
ln (x/x0)
1.2 1 0.8
y = 0.0450x - 0.0516 R² = 0.9887
0.6 0.4
y = 0.0427x - 0.2234 R² = 0.9969
0.2 0 0
7
14 Waktu (hari)
Konsentrasi Pseudomonas putida:
84
21 0.125
0.15
28 0.175
(c)
3.50
y = 0.0753x + 1.0275 R² = 0.9382
ln (x/x0)
3.00
y = 0.0858x + 0.6250 R² = 0.9542
2.50 y = 0.0700x + 0.7176 R² = 0.9597
2.00 1.50 1.00 0
10 20 Waktu (hari)
Konsentrasi Rhodococcus erythropolis:
30 0.125
0.15
0.175
Gambar B.3. Grafik perhitungan slope untuk menentukan nilai kd untuk bakteri (a) Bacillus cereus dan bakteri (b) Pseudomonas putida dan bakteri (c) Rhodococcus erythropolis ko S X di mana kd adalah slope grafik ln versus t t0 X0 K m S Sehingga: ko S k slope...........................................(B.5) Km S d kd
ko S slope...........................................(B.6) Km S
Slope dan hasil perhitungan dapat dijabarkan sebagai tabel B.14: Tabel B.23. Hasil perhitungan kd
Slope
kd (hr-1)
Pseudomonas putida Slope kd (hr-1)
12.5
0.0501
-0.03059
0.0427
-0.03515
0.0713
-0.0666
15
0.0443
-0.02685
0.045
-0.03377
0.0694
-0.0822
17.5
0.0447
-0.02697
0.0241
0.000491
0.0593
-0.0733
Konsentrasi bakteri (%)
Bacillus cereus
Rhodococcus erythropolis Slope kd (hr-1)
Berdasarkan tabel B.23, nilai kd sangat kecil mendekati nol (0) sehingga dapat dikatakan bahwa pengaruh koefisien kematian (kd) pada bakteri sangat kecil. Oleh sebab itu dapat disimpulkan bahwa bakteri berada pada fase pertumbuhan (fase log).
85
Halaman ini sengaja dikosongkan
86
BIODATA PENULIS Maria Assumpta Nogo Ole, lahir di Kupang, Nusa Tenggara Timur pada tanggal 15 Agustus 1991. Penulis menempuh jenjang pendidikan fomal di NTT, mulai dari Sekolah Dasar Katolik St. Arnoldus Penfui (1997-2002) kemudian melanjutkan ke Sekolah Dasar Katolik Ngedukelu, Bajawa (2002-2003). Selanjutnya penulis menempuh sekolah lanjut di Sekolah Menengah Pertama Negeri 2 Bajawa (2003-2006) kemudian melanutkan ke Sekolah Menengah Atas Katolik Syuradikara, Ende (2006-2009). Pada tahun 2013, penulis menyelesaikan pendidikan tinggi dengan gelar Sarjana Teknik dari Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Nasional (ITN) Malang. Untuk memperdalam pengetahuan penulis mengenai industri kimia dan pengolahan limbah, maka pada 2015 penulis melanjutkan pendidikan magister di Departemen Teknik Kimia, pada bidang keahlian Teknologi Proses, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya. Karena ketertarikan penulis pada isu lingkungan, maka penulis memilih menjalankan penelitian di Laboratorium Pengolahan Limbah Industri, dengan judul penelitian “Bioremediasi Benzene, Toluene dan Xylene dari Lahan Terkontaminasi Minyak Bumi oleh Bakteri Aerobik pada Fase Slurry dalm Bioreaktor”. Puji Tuhan, pada bulan Januari 2017 penulis telah mempertanggungjawabkan penelitian yang sudah dilakukan. Penulis berharap hasil penelitian ini dapat berguna dan dapat diaplikasikan untuk mengatasi masalah lingkungan yang sedang marak saat ini. Penulis juga berharap agar ke depannya melalui pendidikan yang telah ditempuh, penulis dapat menjadi berkat bagi diri sendiri maupun bagi banyak pihak lainnya.
DATA PRIBADI PENULIS Nama
: Maria Assumpta Nogo Ole
Tempat/tgl lahir : Kupang, 15 Agustus 1991 Alamat
: Jl. Antonov, RT 24 / RW 09, Desa Oeltua, Kecamatan Taebenu, Kabupaten Kupang Nusa Tenggara Timur.
Telp.
: +6285253335846
Email
:
[email protected] /
[email protected]
