PENGARUH PENAMBAHAN KITOSAN SEBAGAI AGEN ANTI-MIKROBA PADA PEMBUATAN MEMBRAN SELULOSA ASETAT TERHADAP BIOFOULING YANG DISEBABKAN OLEH BAKTERI GRAM POSITIF Nur Novilina Arifianingsih1, Titik Istirokhatun1,Heru Susanto2
Abstract Biofouling issues become major problems that occurred in membrane application for water and waste water treatment. Biofouling which is caused by the activity of microorganisms is the effect of acumulation of bacteria colony on the surface of the membrane. In this study, cellulose acetate membranes were prepared by adding chitosan as an antibacterial agent with various concentration. The modified membranes were tested in two stages, the first is characterization test that include membrane permeability test, FTIR, and SEM, the second is antibacterial test. S. aureus bacteria was used in this study by using inhibition zone methode. Compared to other variations, chitosan blending membran 0.5% had a better antibacterial levels. The result in antibacterial test showed that chitosan can be used as an agent antibacterial in membrane but it is less effective than when chitosan as a solution. Keywords: Cellulose Acetate, Chitosan, Biofouling, Antimicrobial I. PENDAHULUAN Sistem pemisahan dengan teknologi membran saat ini sangat luas digunakan terutama untuk pemurnian air baik dari air sungai, air laut maupun air limbah karena memiliki potensi yang sangat menjanjikan seperti mampu memisahkan partikel mikroorganisme, polutan organik (bau dan rasa), dan senyawa anorganik (kesadahan dan garam). (Hilal et.al., 2012). Namun teknologi membran memiliki permasalah utama berupa fouling yang akan menghambat laju alir pemisahan. Beberapa jenis fouling pada membran yaitu scaling, organik fouling dan biofouling. Biofouling diakibatkan oleh penempelan satu atau lebih bakteri pada permukaan membran yang diikuti dengan pertumbuhan dan perkembangan sel yang meluas karena nutrisi yang ada pada air umpan. Dengan adanya nutrisi yang memadai dan waktu yang lama, maka akhirnya bakteri ini akan membentuk lapisan biofilm di permukaan membran. (Hilal et al., 2012) Keberadaan lapisan biofilm ini dapat mengganggu sistem pengoprasian membran karena menutup pori membran. Telah banyak penelitian yang dilakukan untuk menyelesaikan permasalahan biofouling. Salah satu caranya adalah dengan melakukan suatu
rekayasa kimia dengan menambahkan suatu zat aditif pada membran. Contoh zat aditif yang biasa digunakan adalah dengan menambahkan kitosan dalam modifikasi komposisi membran. Beberapa penelitian menunjukan bahwa kitosan mampu untuk membunuh mikroba/bakteri dengan berbagai mekanisme, diantaranya adalah (1) kemampuan kitosan dalam berinteraksi dengan lipopolisakarida (LPS), (2) kitosan mengikat Deoxyribose Nucleic Acid (DNA) atau asam deoksiribonukleat,, (3) penumpukan kitosan di permukaan bakteri, (4) kitosan diserap oleh bakteri. (Li et.al., 2010) Penelitian ini bertujuan untuk menganalisis komposisi terbaik campuran selulosa asetat dan kitosan dalam mencegah biofouling. Dan untuk mengkaji pengaruh metode pembuatan membran dalam pengurangan penempelan bakteri pada membran. Dalam penelitian ini, kitosan ditambahkan dalam pembuatan membran selulosa asetat melalui 2 metode yaitu blending dan coating. II. METODE PENELITIAN 2.1 Bahan Selulosa asetat sebagai bahan utama pembuatan membran dibeli dari Aldrich Chemistry, USA. Sebagai zat aditif
1) Jurusan Teknik Lingkungan, Fakultas Teknik, Universitas Diponegoro 2) Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Diponegoro
2.3 Karakterisasi membran Untuk mengetahui jumlah permeat yang dihasilkan per satuan luas dalam satuan waktu (L/m2.jam) dilakukan uji permeabilitas. Ikatan senyawa kimia yang terjadi di dalam membran dilakukan uji Fourier Transform Infrared (FTIR). Untuk mengetahui morfologi dan struktur membran secara visual dilakukan uji Scanning Electron Microscope (SEM). 2.4 Uji Antibakteri Untuk mengetahui kemampuan antibakteri pada kitosan dengan berbagai variabel dilakukan uji antimikroba dengan metode zona hambat. Inokulan S. aureus diambil menggunakan ose steril sebanyak seujung ose kemudian dimasukan kedalam larutan Nutrient Broth (NB) dan dibiarkan selama 18-24 jam. Membran dipotong dengan diameter ± 2 cm kemudian disterilkan menggunakan autoklaf selama 15 menit dalam suhu 121oC dan tekanan 2 atm.
III. HASIL DAN PEMBAHASAN 3.1 Uji permeabilitas membran Berikut adalah hasil uji permeabilitas membran blending:
80 70 60 50 40 30 20 10 0
Fluks Air Murni
68.79
35.68
28.14 7.68
0
0.5
1
1.5
Konsentrasi Kitosan (% berat)
Gambar 1. Grafik Hubungan Konsentrasi Kitosan dan Nilai Fluks
Dari gambar 1 dapat dilihat bahwa terjadi penurunan nilai fluks setiap penambahan konsentrasi kitosan. Menurut penelitian Liu, et al. (2005) diketahui bahwa penurunan fluks pada membran selulosa asetat-kitosan bisa disebabkan karena berubahnya sifat membran yang hidrofilik. Semakin banyak penambahan kitosan semakin berkurang hidrofilisitas membran hal ini yang mengurangi jumlah fluks membran. Nilai Fluks (L/m2.jam)
2.2 Pembuatan membran Pada pembuatan dengan cara blending, Dibuat larutan dope dengan komposisi selulosa asetat 12% dengan variasi konsentrasi kitosan 0%, 0,1%, 0,5% dan 1% dalam asam asetat 70%. Dicetak dengan mesin casting kemudian direndam dengan aquadest selama 30 menit kemudian aquadest dibuang dan direndam dengan non solvent aquadest kembali hingga 24 jam, kemudian dikeringkan. Pada pembuatan dengan cara coating, membran selulosa asetat dengan kitosan 0% dilapisi dengan larutan kitosan dengan variasi konsentrasi 0,1%, 0,5% dan 1% sebanyak masing-masing 1x, 2x dan 3x pelapisan.
Larutan bakteri diambil sebanyak 1 mL, dituang dalam cawan petri yang telah berisi media padat Nutrient Agar (NA), dihomogenkan, kemudian didiamkan hingga padat. Potongan membran kemudian diletakan diatas permukaan media. Media diinkubasi dalam suhu 37oC selama 18-24 jam.
Nilai Fluks (L/m2.jam)
digunakan kitosan (C6H11NO4)n, diproduksi oleh Biotect Surendo, Komp. Pelapuhan Perikanan No.1 Kejawanan, Cirebon. Kultur Staphylococus aureus (S. aureus) didapatkan dari Laboratorium Mikrobiologi Universitas Diponegoro..
80 70 60 50 40 30 20 10 0
68.79
43.58 30.42 28.84
36.48 21.60
17.70 9.78 8.75
10.80
0
1
2
Jumlah Coating Membran
3
Gambar 2. Grafik Hubungan Jumlah Coating dan Nilai Flux
karena puncaknya kebawah dapat disimpulkan bahwa itu hanyalah ketidakmurnian dan oleh bising (noise) elektronik (Fessenden, 1986). Puncak ketiga yaitu pada panjang gelombang 3690 yang mewakili gugus hidroksil (-OH) (Leceta et al., 2013). Ikatan hidrogen mengubah posisi dan penampilan pita absorbsi. Jika pada spektra infrared pitanya melebar artinya ikatan hidrogen yang ada murni dari senyawa dalam fase cair. Namun jika spektra yang terbentuk berupa pita yang meruncing maka dapat disimpulkan ikatan hidrogennya tak terikat (fase uap) (Fessenden, 1986). Hal ini membuktikan bahwa ikatan –OH murni berasal dari senyawa di dalam membran, bukan karena adanya uap air dari luar. Dari ketiga puncak tersebut merupakan gugus yang khas berada dalam senyawa kitosan sehingga dapat disimpulkan bahwa kitosan yang ditambahkan dengan cara blending berinteraksi dengan kuat dengan selulosa asetat.
Jika dilihat secara umum, nilai fluks pada membran coating lebih besar dibandingkan dengan nilai fluks membran blending. Perbedaan nilai fluks ini kemungkinan terjadi karena adanya penyumbatan pori (pore blocking) pada membran coating. Karena penambahan kitosan pada membran coating hanya dilakukan pada permukaan membran saja. Hal ini diperkuat dengan penelitian yang dilakukan oleh Mollahoseini et. al. (2012) yang menyatakan bahwa penyumbatan pori lebih mempunyai pengaruh dalam penurunan performa membran dibandingkan dengan hidrofilisitas membran. 3.2 Fourier Transform Infrared (FTIR) 1.6 1.4 1.2
KI 0% KI 0.1% KI 0.5% KI 1%
1 0.8 0.6 0.4 1.4 0.2
KI 0% KI 0.1% 1x KI 1% 3x KI 1% 1x
1.2
Terjadi beberapa puncak yang berbeda antara membran selulosa asetat dan kitosan (CA/CS) dan CA/CS 0% yaitu pada panjang gelombang 1514 pada garis merah, hijau dan ungu sedangkan pada garis biru tidak terdapat puncak. Maka garis 1514 mewakili ikatan amida I (-NH) (Li, et al. 2010). Dan dari grafik dapat diketahui bahwa dua buah peak kecil di antara 1460 – 1560 adalah peak ikatan –NH dalam bentuk amina primer. NH yang terbentuk adalah amina primer karena menghasilkan dua peak kembar (Fessenden, 1986). Puncak kedua yaitu pada panjang gelombang 2397 pada garis merah, hijau dan ungu dimana garis biru tidak menampakkan puncak,
1
0.8 0.6 0.4 0.2 0 405 549 694 838 983 1128 1272 1417 1562 1706 1851 1996 2140 2285 2430 2574 2719 2864 3008 3153 3298 3442 3587 3732 3876
Gambar 3. Grafik Panjang Gelombang pada Membran Blending Selulosa Asetat dengan Kitosan (CA/CS)
Absorbansi
399 543 688 833 977 1122 1267 1411 1556 1701 1845 1990 2135 2279 2424 2569 2713 2858 3003 3147 3292 3437 3581 3726 3871
0
Panjang Gelombang (cm-1)
Gambar 4. Grafik Panjang Gelombang pada Membran Coating Selulosa Asetat dengan Kitosan
Pada gambar 4 puncak pertama yaitu pada panjang gelombang 1564 terdapat puncak di garis merah, hijau dan ungu tetapi pada garis biru tidak terdapat puncak. Maka garis 1564 mewakili ikatan amida I (NH) (Sun, et al. 2011 ). Puncak pada panjang gelombang 3313 yang mewakili gugus hidroksil (-OH) (Kumar, et al. 2013). Dengan adanya gugus amida I tersebut
membuktikan bahwa kitosan berikatan dalam membran. Secara umum puncak yang terbentuk pada membran selulosa asetat murni maupun dengan perlakuan coating tidak begitu jauh berbeda. Hal ini bisa diakibatkan karena konsetrasi kitosan yang ditambahkan sangat sedikit. (Liu et al., 2010 ) 3.3 Scanning Electron Microscope (SEM) Penyebaran pori pada gambar 5 terbentuk karena pada saat pembentukan membran, terjadi proses solidifikasi atau pemadatan.
non solven dalam perendaman berpengaruh dalam pembentukan diameter pori (Zavastin et al., 2010). 3.4 Uji Antibakteri Berikut adalah gambar hasil uji antibakteri dengan menggunakan metode zona hambat:
(a) (b) (c) Gambar 6. Hasil Uji Antibakteri pada CS 100% dan CA/CS 0% (a) CA/CS 0,5% dan 0,1% blending (b) CA/CS 1% blending (c)
(a) (a)
(b)
(c)
(c) Gambar 7. CA/CS 0,1% Coating 3x dan CA/CS 0,5% Coating 3x (a) CA/CS 0,5% Coating 1x dan CA/CS 0,5% Coating 2x (b) CA/CS 1% Coating 3x (c)
(b)
(d)
(c) Gambar 5. Hasil SEM membran blending (a) CS 0% (b) CA/CS 1% (c) CA/CS 0.1%-1x (d) CA/CS 1%1x (e) CA/CS 1%-3x
Dilihat dari strukturnya, membran selulosa asetat adalah membran asimetris. Hal ini sangat dipengaruhi pembuatan membran dari bentuk larutan yang kemudian dicetak dengan menggunakan mesin casting. Diameter pori yang berbeda beda disebabkan oleh material membran dan metodenya. Interaksi polimer dengan
Gambar 6 dan 7 menunjukkan bahwa kemampuan kitosan sebagai anti bakteri belum begitu signifikan terlihat dari tidak adanya zona bening yang dihasilkan oleh kitosan dalam berbagai variabel, meskipun jika dicermati lebih baik kitosan blending 0,5% memiliki daya hambat yang paling baik. Hal ini dapat dibuktikan jika dilihat lebih dalam lagi dengan SEM didapatkan hasil sebagai berikut:
(a)
(d)
(b)
(e)
(c) (f) Gambar 8 S. aureus dalam membran CA/CS 0% perbesaran 3000x (a) perbesaran 7000x (b) perbesaran 10000x (c) S. aureus dalam membran CA/CS 0,5% blending perbesaran 3000x (d) perbesaran 7000x(e) perbesaran 10000x (f)
Kitosan memiliki kemampuan untuk menghambat bakteri. Menurut Zheng et al., 2003 ada dua kemungkinan mekanisme kitosan sebagai antibakteri. Yang pertama adalah kitosan yang menempel pada permukaan sel bakteri membentuk membran polimer yang dapat mencegah masuknya nutrisi masuk ke dalam sel sehingga lama kelaman sel akan mati. Yang kedua kitosan dengan bobot molekul yang rendah dapat masuk ke dalam sel dan meliputi sel. Karena kitosan dapat mengadsorpsi substansi elektronegatif dalam sel dan membuat mereka terapung, hal ini dapat mengganggu psikologi dari aktivitas bakteri dan membuat mereka lama kelamaan mati. Sel elektronegatif atau polianion dalam bakteri gram positif berada dalam dinding selnya yaitu lipoteichoic acid (LTA). LTA inilah yang akan bereaksi dengan polikation dalam kitosan. (Kong et al., 2010). Pemecahan dinding sel bakteri atau disebut lisis ini dapat dilihat di gambar 8. Meskipun lemah dilihat dari sedikitnya bakteri yang mengalami lisis. Hal ini disebabkan oleh sedikitnya muatan negatif dalam LTA pada bakteri S. aureus. (Kong et al., 2010). Lemahnya daya hambat kitosan ini juga disebabkan oleh perbedaan kekuatan antibakteri pada kitosan jika dalam bentuk larutannya dan dalam bentuk membran. Hal ini dipertegas oleh penelitian
Ma et al., 2007 yang menyatakan bahwa kitosan sudah dikenal sangat luas dalam kemampuannya sebagai antibakteri namun kitosan dalam membran akan lebih lemah aktivitas antibakterinya dibandingkan dengan larutan kitosan. Hal ini dikarenakan adanya penurunan jumlah muatan positif pada kitosan yang disebabkan oleh perendaman saat pembuatan membran. Sehingga interaksi dengan sel negatifnya akan melemah. Untuk mengantisipasinya dapat digunakan zat aditif lain untuk mengkombinasikan dengan kitosan. Sehingga daya hambat bakteri akan lebih optimal. Hal ini sejalan dengan penelitian yang telah dilakukan oleh Liu et al, 2010 yang membandingkan penggunaan kitosan sebagai anti biofouling pada membran selulosa asetat dengan campuran lain seperti kombinasi kitosan, selulosa asetat dan heparin, atau kombinasi kitosan, selulosa asetat dan perak, atau kombinasi kitosan, selulosa asetat, natrium heparin dan ion perak. IV. KESIMPULAN Dari hasil pembahasan dapat disimpulkan bahwa kitosan terbukti mampu mengurangi jumlah bakteri dalam membran atau dengan kata lain berfungsi sebagai antibakteri. Namun lemah karena sedikitnya jumlah polianion dalam LTA pada S.aureus dan sedikitnya polikation dalam kitosan akibat proses perendaman membran. Dari seluruh variabel konsentrasi yang diuji, konsentrasi yang paling optimum bagi kitosan dalam membran sebagai antibakteri adalah 0,5%. Metode pembuatan membran yang paling baik untuk mencegah biofouling dengan mengandalkan kitosan sebagai antibakteri adalah dengan metode blending karena kitosannya tersebar merata di seluruh bagian membran (bukan hanya di permukaan saja) RUJUKAN
Fessenden, Ralp J., and Fessenden, Joan S. 1986. Kimia Organik Jilid I: Penerbit Erlangga. Jakarta. Hilal, Nidal., Kochkodan, Victor., AlKhatib, Laila., and Levadna, Tetyana. 2004. Surface Modified Polymeric Membranes to Reduce (Bio)Fouling : A Microbiological Study Using E. Coli. Desalination. Vol. 167 : 293 – 300. Kong, Ming., Chen, Xi Guang., Xing, Ke., Park, Jin Hyun. 2010. Review Antimicrobial Properties of Chitosan and Mode of Action : A State of The Art Review. International Journal of Food Microbiology. Vol 144 : 51-63. Kumar, Rajesha., Isloor, Arun, M., Ismail, A. F., and Matsuura. 2013. Synthesis and Characterization of Novel Water Suluble Derivative of Chitosan as an Additive for Polysulfone Ultrafiltration Membrane. Journal of Membrane Science. Vol 440 : 140147. Leceta, I., Guerro, P., Ibarburu, I., Duenas, M.T., and Caba, K. de la. 2013. Characterization and Antimicrobial Analysis of Chitosan – Based Film. Journal Food of Engineering. Vol 116: 889 – 899. Liu, Chunxiu., and bai, Renbi. 2005: Preparing Highly Porous Chitosan/ Cellulose Acetate Blend Hollow Fibers as Adsorptive Membranes: Effect of Polymer Consentrations and Coagulant Compositions. Journal of Membrane Science. Vol. 279: 336 – 346. Liu, C. X., Zhang, D. R., He, Yi., Zhao, X. S., and Bai, Renbi. 2010. Modification of membrane surface for anti-biofouling performance : Effect of anti-adhesion and antibacteria approaches. Journal of Membrane Science. Vol 346 : 121130. Li, Xiao-fang., Feng, Xiao-qiang., Yang, Sheng., Fu, Guo-qing., Wang, Tingpu., and Su, Zhong-xing. 2010. Chitosan kills Escherichia coli
through damage to be of cell membrane mechanism. Carbohydrate Polymers. Vol 79 : 493-499. Ma, Yunli., Zhou, Tao., and Zhao Changseng. 2008. Preparation of Chitosan-Nylon-6 Blended Membranes Containing Silver Ions as Antibacterial Materials. Carbohydrate Research. Vol. 343 : 230-237 Mollahosseini, Arash., Rahimpour, Ahmad., Jahamshahi, Mohsen., Peyravi, Majid., and Khavarpour, Maryam. 2012. The Effect of Silver Nanoparticle Size on performance and Antibacteriality of Polysulfone Ultrafiltration Membrane. Desalination. Vol 306 : 41-50 Sun, Yan., Liu, Yong., Li, Yongzhen., Lv, Mingzhe., Li, Puwang,., Xu, Hanglong., and Wang, Lei. 2011. Preparation and Characterization of Novel Curdlan/Chitosan Blending Membranes for Antibacterial Applications. Carbohydrate Polymers. Vol 84 : 952-959. Zavastin, Daniela., Cretescu, Igor., Bezdadea, Mariana., Bourceanu, Militina., Dragan, Maria., Lisa, Gabriela., Mangalagiu, Ionel., Vasic, Vesna., Savic, Jasmina.2010. Preparation, characterization and applicability of cellulose acetatepolyurethane blend membrane in separation techniques. Colloids and Surface A: Physicochemical and Engineering Aspect. Vol 370: 120128. Zheng, Lian-Yiang, Zhu, Ziang-Feng. 2003. Study on Antimicrobial Activity of Chitosan With Different Molecular Weights. Carbohydrate Polymers. Volume 54 Hal 527-531.
