POLUSI TANAH DAN AIR TANAH
Karakteristik Biologis Tanah Prof. Dr. Budi Indra Setiawan Dr. Satyanto Krido Saptomo, Allen Kurniawan ST., MT.
Departemen Teknik Sipil dan Lingkungan Institut Pertanian Bogor 2011
Karakteristik Biologis Tanah
Pendahuluan Mikroorganisme dalam Tanah Konsorsium Mikroorganisme Faktor-Faktor yang Mempengaruhi Proses Biologis Kinetika Reaksi Biotransformasi
Acuan : Notodarmojo, S. (2005), Pencemaran Tanah dan Air Tanah, Penerbit ITB, Bandung.
Pendahuluan
Di dalam tanah, terdapat suatu sistem yang kompleks dengan ada keterikatan antara reaksi:
Fisik
Biologis Kimia
Pada karakteristik biologis, mikroorganisme mampu melakukan transformasi biotis terhadap kontaminan anorganik dan biodegradasi kontaminan organik melalui proses yang panjang dan kompleks.
Tidak hanya mikroorganisme yang mampu melakukan transformasi zat-zat kimia dalam tanah dan air tanah, namun ada bebeapa jenis hewan yang umumnya hidup pada tanah permukaan.
Semut Cacing Tanah
Rayap
Arthropoda
Mikroorganisme dalam Tanah
Semakin banyak kandungan organik tanah dan oksigen, semakin tinggi jumlah dan jenis mikroorganisme. Kelompok mikroorganisme dalam kaitannya dengan mobilitas zat pencemar adalah bakteri, jamur (fungi), algae, dan protozoa.
Bakteri
Morfologi ukuran 0,5-3 µm; berbentuk bulat, tongkat, spiral; hidup di tanah yang memiliki kelembaban dan ketersediaan substrat cukup. Bakteri yang penting dalam degradasi zat pencemar tanah antara lain Pseudomonas, Nocardia, Mycobacterium, Arthrobacter, dan Bacillus umumnya mampu mendegradasi senyawa hidrokarbon alifatik. Kemampuan mikroorganisme telah dikembangkan dalam penanganan limbah organik seperti hidrokarbon dan peptisida, melalui proses bioremediasi.
Bakteri pendegradasi hidrokarbon alifatik:
Pseudomonas sp.
Bacillus cereus
Nocardia sp.
Rhodococcus sp.
Mycobacterium sp.
Acinetobacter sp.
Jamur
Morfologi berbentuk filamen panjang, memperbanyak diri melalui spora, dan bersifat heterotrophis. White rot fungi dapat merombak lignin menjadi zat yang dapat didegradasioleh bakteri, karena mampu mengeluarkan enzim peroxidase. Jamur mempunyai kemampuan hidup pada rentang pH yang luas. Bacidiomycetes hidup di sekitar akar tumbuhan membentuk simbiosis dengan akar tumbuhan dalam membantu ajar dalam menarik air tanah.
Beberapa jenis jamur yang diidentifikasi dapat mendegradasi zat pencemar di dalam tanah:
Aspergillus niger
Bjerkendera sp.
Cunninghamella elegans
Pestalotia sp.
Tremetes versicolor
Neurospora crassa
Algae
Hidup pada lingkungan dengan intensitas cahaya dan kelembaban yang cukup. Berperan dalam mengikat nitrogen dari udara dan melepaskan oksigen sebagai hasil asimilasi ke dalam tanah. Mampu mendegradasi kontaminan berbahaya yang mempunyai ikatan senyawa hidrokarbon.
Oscillatoria sp.
Cylindrotheca sp.
Nostoc sp.
Amphora sp.
Anabaena sp.
Chlorella sorokiana
Klasifikasi Mikroorganisme Kriteria Klasifikasi Sumber Energi
Sumber Karbon Sumber Elektron dalam Proses Metabolisme
Kategori
Penjelasan
Phototrophs
Dari sinar matahari
Chemotrophs
Dari senyawa kimia
Autothroph
Memanfaatkan CO2
Heterothroph
Memanfaatkan zat organik
Organotroph
Menggunakan zat organik
Lithotroph
Menggunakan zat anorganik
Aerobik
Metabolisme dengan kehadiran molekul oksigen dan bertindak sebagai elektron akseptor.
Anaerobik
Metabolisme yang dapat berlangsung tanpa kehadiran oksigen.
Proses Metabolisme
We need energy!
Mikroorganisme memperoleh energi melalui reaksi redoks (reduksioksidasi). Proses oksidasi atom atau molekul melepaskan elektron Proses reduksi atom atau molekul mendapatkan elektron
Dalam mengoksidasi senyawa organik, dua elektron akan dilepaskan, dan secara simultan dua proton akan menghilang. Hal tersebut setara dengan dilepaskannya 2 atom hidrogen proses dehidrogenasi.
Dalam proses reduksi senyawa organik oleh mikroorganisme, dua elektron dan dua proton ditambahkan proses hidrogenasi.
Proses penting lain dari aktivitas mikroorganisme:
COMETABOLISME : degradasi yang terjadi apabila ada senyawa
organik lain yang berfungsi sebagai sumber energi utama, sehingga substrat yang bukan sebagai sumber energi ikut terdegradasi, karena mikroorganisme tersebut mengeluarkan enzim yang mampu menjadi katalis penguraian substrat selain sumber utama energinya. GRATUITOUS METABOLISME: suatu proses metabolisme pada suatu
mikroorganisme yang mempunyai kemampuan mendegradasi senyawa yang bukan sumber energinya, karena enzim yang dilepaskan oleh mikroorganisme tersebut tidak memerlukan lagi energi untuk proses reduksi.
Konsorsium Mikroorganisme
Konsorsium mikroorganisme yang umumnya bekerja sama dalam suatu kelompok, sehingga tercipta hubungan yang sinergis dalam memperbesar kemungkinan degradasi senyawa organik dan energi yang diperoleh.
Bila mikroorganisme hadir tidak dalam suatu campuran yang memungkinkan mereka melakukan sinergi, maka reaksi kompleks tidak akan terjadi, sehingga degradasi tidak terjadi secara sempurna.
Beberapa keuntungan adanya konsorsium mikroorganisme: o Proses degradasi dapat dilakukan secara berurutan. o Menghasilkan zat atau enzim yang dibutuhkan. o Meningkatkan laju degradasi substrat secara keseluruhan. o Mempermudah reaksi oksidasi karena dapat mencari jalur atau proses secara termodinamik yang paling mudah.
Faktor-Faktor yang Mempengaruhi Proses Biologis Mikroorganisme
Mikroorganisme
Penerima Elektron
Dalam suatu ekosistem terdapat satu jenis mikroorganisme dominan yang mampu bekerja sama dengan mikroorganisme lain. Akibatnya secara berangsur-angsur terjadi perubahan substrat akibat penggunaannya sebagai energi oleh satu jenis mikroorganisme.
Perubahan substrat akan mempengaruhi komposisi spesies yang mampu memanfaatkan substrat yang ada.Dengan demikian, dominasi mikroorganisme akan bergeser ke arah jenis substrat yang paling sesuai dengan mikroorganisme yang ada.
Semakin banyak jenis mikroorganisme yang terlibat dalam proses degradasi, akan semakin membuka kemungkinan jalur proses degradasi.
Substrat dan Nutrien
Faktor Lingkungan
Penerima Elektron
Semua reaksi transformasi biologis pada dasarnya merupakan reaksi redoks yang melibatkan donor elektron akseptor elektron. Beberapa akseptor elektron: O2, NO3-, SO42-, CO2. Level energi dari beberapa reaksi redoks:
Sumber: ICSS, 2006.
Substrat dan Nutrien
Substrat diperlukan sebagai sumber energi dan sumber karbon, sedangkan nutrien diperlukan untuk pertumbuhan dan penggandaan sel.
Kebutuhan mikroorganisme akan nutrien kurang lebih sama dengan komposisi sel yang terdiri dari empat elemen utama karbon, hidrogen, oksigen, dan nitrogen.
Semakin banyak jenis mikroorganisme yang terlibat dalam proses degradasi, akan semakin membuka kemungkinan jalur proses degradasi.
Faktor Lingkungan a) Kelembaban Tanah Kelembaban yang rendah akan menghalangi aktivitas bakteri, karena menghalangi gerakan sel dan reaksi metabolisme. Kelembaban yang tinggi menyebabkan tanah menjadi tergenang, sehingga transfer oksigen menjadi terbatas dan mengakibatkan lingkungan tanah menjadi anaerobik. Kelembaban tanah yang mengandung ± 15% kandungan air, merupakan kondisi yang optimal bagi perkembangan mikroorganisme. b) Temperatur Peningkatan temperatur akan meningkatkan aktivitas mikroorganisme dan laju reaksi. Suatu peningkatan temperatur sebesar 10°K dapat meningkatkan laju reaksi hingga dua kali lipat (Notodarmojo dalam Cookson, 1990). Temperatur optimum bagi hampir semua mikroorganisme yang hidup dalam tanah umumnya 10-40°C.
c) pH pH mempengaruhi kemampuan fungsi-fungsi sel, seperti transpor melalui membran sel, keseimbangan reaksi yang terkatalis oleh enzim. Kisaran pH yang umum bagi mikroorganisme untuk hidup dalam tanah adalah 5 hingga 10. d) Kandungan Garam dalam Larutan Air Tanah Mempengaruhi tekanan osmosis dari larutan air tanah atau kelembaban yang ada. Perubahan tekanan osmosis akan mempengaruhi fenomena transport substrat atau nutrien melalui membran sel.
Kinetika Reaksi Biodegradasi Mengapa diperlukan analisis kinetika biodegradasi ?
• Dapat mengkarakterisasi setiap saat
konsentrasi senyawa kimia yang tersisa pada tanah, • Memberikan rekomendasi berupa prediksi level lingkungan pada saat ini dan di kemudian hari, • Dan mengeliminasi adanya kontaminan berbahaya sebelum memasuki komponen lingkungan yang rentan.
Pertumbuhan Bakteri
Pertumbuhan bakteri lebih mengacu kepada peningkatan
semua komponen di dalam sel sehingga menghasilkan suatu peningkatan ukuran sel dan pembelahan sel (kecuali mikrobia yang membentuk filamen) dan terjadi peningkatan jumlah individu di dalam populasi.
Pada umumnya bakteri dapat memperbanyak diri dengan pembelahan biner, sehingga pertumbuhan dapat diukur dari bertambahnya jumlah sel. Waktu yang diperlukan untuk membelah diri dari satu sel menjadi dua sel sempurna disebut waktu generasi. Sedangkan waktu yang diperlukan oleh sejumlah sel atau massa sel menjadi dua kali jumlah/massa sel semula disebut doubling time atau waktu penggandaan.
Waktu pertumbuhan bakteri akan berhenti dikarenakan sokongan nutrisi pada lingkungan sudah tidak memadai lagi, sehingga akan terjadi kemerosotan jumlah sel akibat bakteri tidak mendapatkan nutrisi hingga pada titik ekstrim menyebabkan terjadinya kematian total bakteri. Kejadian di atas apabila digambarkan dalam bentuk kurva:
Sumber:http://biobakteri.files.wordpress.com/2009/06/kurva.jpg
Fase pertumbuhan bakteri:
Metode perhitungan fase pertumbuhan bakteri: Fase yang dianalisis
Proses adaptasi dan aktivasi isolat
Metode Langsung
Formula : dengan, 𝜇 = konstanta laju pertumbuhan (jam-1) Xt = jumlah populasi pada saat t (sel/ml) X0 = jumlah populasi pada saat to (sel/ml) t-t0 = interval waktu (jam)
Metode Tidak Langsung
• Mengukur tingkat turbiditas menggunakan spektrofotometer, λ = 610 nm nilai optical density (OD) • Nilai µ merupakan slope dari fasa eksponensial dari nilai OD.
Kinetika Biodegradasi laju pertumbuhan spesifik
laju kematian endogenous
laju pertumbuhan spesifik maksimum
µ kd
laju utilisasi substrat spesifik maksimum
µmax Kinetika Biodegradasi
qmax
q laju utilisasi substrat spesifik
KS
konsentrasi setengah jenuh
Y koefisien produksi sintesis sel
Deskripsi Kinetika Biodegradasi µ : pertambahan jumlah massa sel melebihi dari
inokulum asalnya, yang dilihat berdasarkan jumlah sel, atau turbiditas (diamati pada fasa eksponensial).
µmax : besarnya laju pertumbuhan produksi
biomassa maksimum pada akhir fasa eksponensial.
KS : konsentrasi substrat pada saat µ = 0,5 µmax Kurva Pertumbuhan Monod
Semakin tinggi konsentrasi substrat, maka laju pertumbuhan akan semakin tinggi sampai mencapai nilai maksimum
Y : nilai produksi biomassa yang terbentuk per unit
substrat yang tersisa ketika seluruh energi digunakan untuk sintesis.
q dan qmax : besarnya laju penggunaan substrat (dalam konsentrasi maksium untuk qmax) ketika proses metabolisme sel berjalan.
kd : kecepatan kematian mikroorganisme ketika
substrat yang tersedia tidak cukup digunakan untuk regenerasi sel.
Perhitungan Kinetika Biodegradasi 1,5 1,3
µ
1,1
Pers. Monod :
0,9
0,7 0,5 0
2
4
X
6
8
10
12
Waktu (jam)
Lineweaver-Burk Plotting :
µmax dan
KS
1,8
Y
1,6 Xmax
0,3
Xmax
Optical Density pada 610 nm
1,7
1,4 1,2
y = 0,1246x + 1,377 R² = 0,0322
1,0 0
0,2
0,4 S (%)
S
0,6
0,8
q
dan
qmax
kd
Latihan Dari penelitian melalui proses isolasi bakteri tanah, didapatkan bakteri dominan Pseudomonas putida. Bakteri kemudian dilihat grafik pertumbuhannya selama 12 jam dengan mengukur tingkat kekeruhan (turbiditas) yang tercatat pada spektrofotometer dengan panjang gelombang 610 nm, sehingga didapatkan data sebagai berikut: Konsentrasi Substrat (%) t (jam)
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
Optical Density 0
0,765
0,454
0,947
0,94
0,948
0,612
0,858
1
0,903
0,643
1,013
1,093
0,994
0,78
0,953
2
0,929
0,77
1,2
1,152
1,141
0,98
1,094
3
0,837
0,924
1,014
1,101
1,059
0,827
0,995
4
1,039
0,727
1,195
1,441
1,229
0,863
1,147
5
1,172
0,965
1,072
1,224
1,179
1,13
1,252
6
1,045
0,875
1,382
1,317
1,485
1,104
1,182
7
1,218
0,948
1,42
1,515
1,468
1,218
1,551
8
1,406
1,194
1,509
1,603
1,511
1,142
1,547
9
1,482
1,225
1,192
1,595
1,479
1,183
0,974
10
1,436
0,951
0,887
1,616
1,426
1,176
1,113
11
0,871
0,711
0,948
1,093
0,997
1,179
0,884
12
0,766
0,738
0,902
0,923
0,966
0,718
0,855
Dari data di atas tentukan nilai koefisien biodegradasi bakteri tersebut!
