BAHAN DAN METODE Bahan

BIOREMEDIATION OF SOIL CONTAMINATED HEAVY METAL FROM DEINKING PROCESS WASTE IN THE PAPER INDUSTRIES

Bahan

1. Tanah Percobaan

Tanah terkontaminasi: adalah tanah yang di- ambil dari lahan pembuangan limbah padat pabrik kertas proses deinking. Cara pengam-

bilan contoh tanah di lokasi timbunan ter- buka dilakukan secara acak dengan memetak 2 x 2 m pada kedalaman sekitar 1 m. Selan- jutnya dicampur dan dikeringkan dengan cara diangin-anginkan, diserbuk dan disaring menggunakan saringan nylon 2 mm, serta di inkubasi selama 1 minggu agar tanah yang digunakan relatif stabil.

2. Mikroba yang digunakan adalah mikroba konsorsium, campuran dari beberapa jenis bakteri pengakumulasi logam Pb yaitu PG 65- 06 (A) : PG 97-02 (B); MR 1.12-05 (C) dan A1 (D) dengan perbandingan 1:1:1:1. Kultur tersebut diperoleh dari Balai Litbang Biotek- nologi dan Sumberdaya Genetika Pertanian. 3. Reaktor yang digunakan dalam percobaan ini terdiri dari rangkaian reaktor skala laboratorium dengan ukuran tinggi 30 cm x diameter 10 cm, CO₂removal trap, tabung penangkap CO₂.

Metode

Penelitian dilakukan di laboratorium yang meliputi, karakterisasi media tanah terkontaminasi limbah deinking ; pembuatan inokulum mikroba dan percobaan bioremediasi. Tahapan percobaan dapat dilihat pada diagram alir penelitian Gambar 1.

1. Karakterisasi tanah terkontaminasi limbah

deinking. Karakterisasi meliputi parameter

kesuburan tanah, kandungan logam dalam tanah.

2. Pembuatan inokulum mikroba, mikroba yang digunakan dalam penelitian dikultur pada medium PGE (Glukosa-ekstrak ragi) cair, diaktivasi sejumlah 3 kali dengan menggunakan medium PGE cair, mikroba dikultur selama 24 jam, suhu 37°C dengan kecepatan pengadukan 150 rpm. Setiap inokulum ditu- mbuhkan secara terpisah, satu ose biakan di inokulasi ke dalam 10 mL medium pepton- glukose-ekstrak, kemudian diinkubasi 1 hari dan dianalisis jumlah selnya

3. Percobaan dilakukan dengan variasi perlakuan jumlah inokulum : 0; 5; 10 dan 15% (v/w) dan waktu inkubasi : 10; 20; 30; 40; 50; dan 60 hari ; replikasi 3 kali

4. Pengamatan parameter logam Pb meliputi :

Soluble-exchangeable, Bound to carbonates, Bound to Fe–Mn oxides, Bound to organic

matter, dan Residual, Uji itotoksisitas (Ger-

HASIL DAN PEMBAHASAN

Karakterisasi Logam Berat Limbah Sludge Secara umum hasil analisis total logam dalam limbah sludge dan tanah terkontaminasi limbah

sludge proses deinking menunjukkan bahwa pa-

rameter kandungan logam berat khususnya Zn, Pb dan Cu cukup tinggi dibandingkan dengan persyaratan logam dalam tanah tidak berbahaya. Hasil analisis tersebut dapat dilihat pada Tabel 1. Konsentrasi logam berat dalam tanah terkontaminasi lebih tinggi dibandingkan dengan lim-

bah sludge, terutama logam Pb, Cu, Cr dan Zn.

Nilai tersebut melebihi nilai maksimal tanah tidak berbahaya menurut AMEG, sehingga dapat dianggap berbahaya bagi manusia atau populasi biologis. Meningkatnya kandungan logam dalam tanah terkontaminasi menunjukkan bahwa logam telah terkonsentrasi dalam tanah. Meningkatnya

kandungan logam dalam tanah terkontaminasi ini disebabkan karena tanah terkontaminasi sudah cukup lama sekitar 3 tahun lebih, sehingga senyawa organik yang ada telah mengalami degradasi. Oleh karena itu kandungan logam yang ada dalam tanah terjadi peningkatan.

Aktivasi Mikroba

Jumlah inokulum mikroba yang digunakan dalam percobaan bioremediasi adalah ± 109 CFU/ml (log cell density 9,1). Inokulum tersebut merupakan hasil konsorsium 4 jenis bakteri yaitu PG 65-06 (A), PG 97-02 (B), MP 1.12-05 (C) dan A1 (D) dengan perbandingan 1:1:1:1 (v/v). Jumlah inokulum dari masing-masing bakteri dan hasil konsorsium dapat dilihat pada Gambar 2. Keberadaan mikroorganisme dalam jumlah dan jenis merupakan faktor utama dalam proses bioremediasi.

Tanah Terkontaminasi

Limbah proses deinking

Pembuatan inokulum mikroba PG 65-06 (A); PG 97-02 (B); MR 1.12-05 (C); A1 (D) Percobaan Bioremediasi Karakterisasi: -Analisis Logam - Analisis sifat fisika- kimia tanah

- Aktivasi 1-3 (Medium PGE) - 24 jam, 37°C, 150 rpm, kondisi gelap

-Analisis konsorsium mikroba

-Variasi jumlah inokulum: Kontrol (-), 5%, 10%,15% (v/w) - Variasi waktu inkubasi : 10, 20, 30, 40.50,60 hari

Parameter uji:

-Fraksinasi logam Pb -pH, Moisture content

-Germination Index(GI)

Evaluasi Data

Gambar 1. Diagram Alir Penelitian Tabel 1. Hasil Analisis Logam Berat

Parameter Satuan

Hasil Analisis

Nilai maks. tanah tidak berbahaya*

Limbah Sludge Tanah

terkontaminasi Kadmium (Cd) mg/kg 3,8 4,9 0,08 Khrom (Cr) mg/kg 15,1 57,8 10 Tembaga (Cu) mg/kg 110 140 2,0 Timah (Pb) mg/kg 39,0 63,1 - Nikel (Ni) mg/kg 13 16 0,4 Seng (Zn) mg/kg 142 234 4,0

Sumber : Pencemaran Tanah dan Air Tanah, 2005

Gambar 2. Hasil Aktivasi Konsorsium Mikroba untuk Bioremediasi

Mikroorganisme umumnya bekerja sama dalam suatu kelompok yang disebut sebagai konsorsium. Konsorsium mikroorganisme secara sinergis mempunyai kemampuan yang lebih untuk mendegradasi, sehingga semakin besar kemungkinan untuk memperoleh energi dan berta- han hidup. Dengan keanekaragaman yang tinggi dalam suatu konsorsium, maka degradasi dapat terjadi sebelum tercapai suatu produk akhir. Bila mikroorganisme tersebut ada secara individu yang memungkinkan melakukan sinergis, maka reaksi komplit tidak akan terjadi, sehingga degradasi tidak terjadi secara sempurna.

Pertumbuhan mikroba dalam tanah selama percobaan bioremediasi dapat dilihat pada Gam- bar 3. Pengaruh inokulasi terhadap log cell den- sity dipengaruhi oleh waktu inkubasi dan jumlah inokulum. Hasil uji ANAVA menunjukkan bahwa perlakuan jumlah inokulum dan waktu inkubasi mempunyai pengaruh yang sangat nyata terhadap respon log cell density.

P ertumbuhan Mikroba dalam R eaktor B ioremedias i 6 6.5 7 7.5 8 8.5 9 9.5 10 10.5 0 10 20 30 40 50 60

W a ktu Inkuba si (Ha ri)

L o g C e ll D e n s it y

K ontrol (-) inokulum 5% inokulum 10% inokulum 15%

Gambar 3. Jumlah Mikroba Tanah dalam Reak- tor

Hasil pengamatan menunjukkan jumlah mikroba tanah tertinggi pada hari ke-0 diperoleh pada penambahan inokulum mikroba 10% dan 15%

(log cell density 9,55 dan 9,91), jumlah mikroba

terendah diperoleh pada penambahan inokulum

5% (log cell density 7,13). Jumlah mikroba tanah

pada perlakuan kontrol sangat berluktuasi, me-

ningkat pada hari ke-10 dan hari ke-20 menurun, kecenderungan yang sama terjadi sampai dengan hari ke-60. Untuk perlakuan penambahan inokulum 5%, jumlah mikroba tanah meningkat pada hari ke-10 s/d hari ke-30, menurun pada hari ke- 40 kemudian cenderung stabil sampai dengan hari ke-60. Jumlah mikroba tanah tertinggi pada penambahan inokulum 10% dan 15% diperoleh pada hari ke-0 kemudian menurun pada hari ke- 10 lalu cenderung stabil sampai dengan hari ke- 60.

Jumlah mikroba tanah tertinggi pada hari ke- 50 diperoleh pada perlakuan penambahan inokulum 15%.

Adanya penurunan jumlah mikroba tanah pada penelitian ini kemungkinan disebabkan oleh beberapa hal yaitu:

1. Mikroba yang ditambahkan ke dalam reaktor tidak mampu berkompetisi dengan mikroba indigenous yang sudah ada pada tanah terkontaminasi

2. Kondisi lingkungan yang kurang mendukung pertumbuhan mikroba karena adanya penurunan kadar air di dalam reaktor akibat adanya evaporasi

Seleksi dan pemilihan biomassa merupakan unsur yang penting dalam mendisain suatu proses bioremediasi. Hal yang paling penting dalam pemilihan biomassa ini adalah toleransi suatu mikroorganisme terhadap ion logam berat itu sendiri, waktu tinggal juga merupakan variable

yang sangat berpengaruh terhadap proses bioremediasi, termasuk ke dalamnya immobilisasi sel, pH dan konsentrasi biomasa.

Pengaruh Penambahan Jumlah Inokulum Dan Waktu Inkubasi

Proses bioremediasi tanah terkontaminasi logam Pb dari limbah padat industri kertas proses

deinking telah menggunakan aktivitas mikroor-

ganism sebagai sumber energi, sumber karbon atau aseptor elektron untuk metabolisme hidup- nya. Masuknya bakteri pada ukuran populasi tertentu terutama bakteri yang adaptif dan resisten

terhadap lahan terpolusi, dapat mengikat logam berat karena mikroba memproduksi protein permukaan yang mampu mengikat logam berat.

Keberhasilan bioremediasi adalah mengubah logam aktif dalam tanah terkontaminasi menjadi tidak aktif oleh aktivitas mikroba, dengan melalui analisis fraksinasi dengan cara ekstraksi berurutan. Hal ini ditunjukkan dengan adanya peningkatan kandungan logam dalam fase residual dan menurunnya kandungan logam dalam fase tertukarkan. Analisis fraksinasi dengan cara ekstraksi berurutan digunakan secara tidak lang- sung untuk mengkaji mobilitas potensial dan ket- ersediaan logam dalam tanah. Fraksi kation yang teradsobsi pada permukaan logam Pb di dalam tanah menentukan sifat aktif maupun tidak aktif logam dalam tanah. Tujuan dari bioremediasi tanah terkontaminasi logam Pb adalah mereduksi logam Pb aktif dalam tanah menjadi tidak aktif.

Fraksi kation yang teradsorpsi pada permu-

kaan tanah dapat diklasiikasikan berdasarkan

ikatan dengan permukaan partikel tanah yang ditentukan menurut metode ekstraksi berurutan

(Sequential Extraction method, Tessier) ada lima

fraksi kation yang tersorpsi atau terikat oleh partikel tanah, yaitu dalam bentuk tertukarkan (Ex-

changeable); bentuk yang berasosiasi dengan

karbonat; bentuk yang berasosiasi dengan oksida logam besi (Fe) dan mangan (Mn); bentuk yang berasosiasi dengan organik dan fraksi residu (Huang et al, 2005).

Pengaruh jumlah inokulum (5%; 10% dan

15%) pada waktu inkubasi terhadap koeisien

distribusi logam Pb dalam fase tertukarkan dapat dilihat pada Gambar 4, sedangkan dalam fase residual dapat dilihat pada Gambar 5.

F as e T ertukarkan 0.2 0.22 0.24 0.26 0.28 0.3 0.32 0.34 0 10 20 30 40 50 60 70

Wa ktu Inkuba si (Ha ri)

K o e fi s ie n D is tr ib u s i

K ontrol : T a na h ta npa Inokulum T a na h + inokulum 5% T a na h + inokulum 10% T a na h + Inokulum 15%

Gambar 4. Fase Tertukarkan

Gambar 5. Fase Residual

Koeisien distribusi untuk fase tertukarkan

logam dipengaruhi oleh waktu inkubasi dan jumlah inokulum. Hasil uji ANAVA menunjukkan bahwa perlakuan jumlah inokulum dan waktu inkubasi mempunyai pengaruh yang sangat nyata terhadap respon logam Pb dalam fase tertukarkan. Namun perlakuan waktu inkubasi dan interaksinya antara perlakuan jumlah inokulum dan waktu inkubasi tidak memperlihatkan pengaruh nyata terhadap respon logam Pb dalam fase tertukarkan. Hasil analisis menunjukkan bahwa koe-

isien distribusi dari fraksi tertukarkan Pb cukup

tinggi untuk o hari berada pada nilai 0,29, selanjutnya menurun seiring dengan waktu inkubasi yang makin lama. Kecenderungan ini ditunjukkan oleh perlakuan penambahan inokulum 10% pada waktu inkubasi 10 hari, nilainya sekitar 0,27, kemudian menurun menjadi 0,25 pada pengamatan waktu inkubasi 20 hari, dan hampir konstan pada waktu inkubasi 40 hari sampai 60 hari dengan

nilai koeisien distribusi sekitar 0,23.

Pola yang sama terjadi pada pengamatan terhadap untuk fase residual. Hasil uji ANAVA menunjukkan bahwa perlakuan jumlah inokulum dan waktu inkubasi mempunyai pengaruh yang sangat nyata terhadap respon logam Pb dalam fase residual dan interaksi antar kedua perlakuan tersebut juga memberikan pengaruh sangat nyata. Hasil uji F berdasarkan ANAVA untuk perlakuan jumlah inokulum sebesar 27,43 sedangkan nilai F

tabel sebesar 2,41 (α 95%) dan 3,42 (α 99%). Be- gitu pula untuk perlakuan waktu inkubasi sebe-

sar 41,19 sedangkan nilai F tabel sebesar 2,80 (α 95%) dan 4,22 (α 99%) dan interaksinya adalah

sebesar 27,63 sedangkan nilai F tabel sebesar

Hasil analisis menunjukkan bahwa koeisien

distribusi dari fraksi residual cukup rendah untuk 0 hari berada pada nilai 0,13, selanjutnya me-ningkat seiring dengan waktu inkubasi yang makin lama. Kecenderungan ini ditunjukkan oleh perlakuan penambahan inokulum 10% pada waktu inkubasi 10 hari, nilainya sekitar 0,21, kemudian meningkat menjadi 0,24 pada pengamatan waktu inkubasi 30 hari, dan naik hingga mencapai 0,32 pada waktu inkubasi 40 hari sampai 60 hari.

Tanah terkontaminasi logam Pb dapat dipulihkan dengan proses bioremediasi. Hal ini ditunjukkan dari kemampuan mikroba untuk mengubah logam, terlihat dari kandungan logam Pb dalam fase tertukarkan semula sebesar 19,36 mg/ kg berkurang menjadi 15,91 mg/kg. Selanjutnya ditinjau dari fase residual terjadi peningkatan kandungan logam Pb yang semula 7,77 mg/kg menjadi 17 mg/kg, hal ini berarti adanya proses bioremediasi mengubah sifat logam yang semula aktif menjadi tidak aktif.

Pengamatan terhadap fraksi lainnya, yaitu fase terikat karbonat dan fraksi oksidasi metal (Fe dan Mn) menunjukkan dengan nilai 0,15 cukup rendah dibandingkan fraksi lain. Namun pada penambahan inokulum 15% fraksi residu meningkat. Kondisi ini menunjukkan bahwa bentuk Pb ditransfer kedalam bentuk fraksi lain.

Koeisien distribusi logam Pb dalam fase terikat

karbonat dan fraksi oksidasi metal (Fe dan Mn) serta fase terikat organik dapat dilihat pada Gam- bar 6, 7 dan 8.

Gambar 6. Fase Terikat Karbonat

Gambar 7. Fase Terikat Fe-Mn

Gambar 8. Fase Terikat Organik F as e R es idual 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0 10 20 30 40 50 60 70

W a ktu Inkuba si (Ha ri)

K o e fi s ie n D is tr ib u s i

K ontrol : Tanah tanpa Inokulum K ontrol : Tanah tanpa Inokulum + J erami Tanah + inokulum 5% Tanah + jerami + Inokulum 5%

Gambar 9. Fase Residual

Secara keseluruhan menunjukkan bahwa mikroba yang digunakan dalam percobaan mempunyai kemampuan untuk meremediasi logam berat Pb, dalam tanah yang terkontaminasi limbah pa-

dat industri kertas proses deinking. Waktu inkuba-

si mempengaruhi koeisien distribusi logam Pb,

selain itu jumlah inokulum juga berpengaruh. Pengamatan sampai waktu inkubasi 40 hari men-

unjukkan bahwa koeisien distribusi fraksi tertukarkan logam Pb menurun, hal ini menunjukkan bahwa salah satu bentuk Pb ditransform ke dalam bentuk fraksi lain. Hal ini diprediksi adanya pe- rubahan logam aktif dalam tanah menjadi tidak aktif oleh aktivitas mikroba. Kondisi optimum diperoleh pada penambahan inokulum 10% (v/w) dengan waktu inkubasi 40 hari, yang ditunjukkan

oleh menurunnya koeisien distribusi sebesar 23%

dalam fase tertukarkan dan meningkatnya koe-

isien distribusi dalam fase residual sebesar 133%.

Germination Index

Germination index (GI) adalah parameter

yang sangat sensitive yang digunakan untuk

mengevaluasi toksisitas suatu tanaman terhadap bahan tertentu. GI dihitung dengan cara meng- kombinasikan kecambahan biji relative dengan perpanjangan akar relatif. Wei et al (2000) menyatakan jika germination index di atas 80% maka tanah dapat dikatakan bebas dari senyawa yang bersifat toksik bagi tanaman.

Perhitungan germination index dilakukan terhadap tanah yang telah diremediasi pada perlakuan yang optimal, yaitu pada penambahan inokulum 10%. Hasil germination index yang diperoleh dibandingkan dengan kontrol tanpa penambahan inokulum. Pengamatan menunjukkan bahwa GI dari semua perlakuan dari hari ke 10-60 menunjukkan nilai GI di atas 80% artinya tanah yang telah diremdiasi tidak lagi mengan dung material yang bersifat toksik pada tanaman. Nilai germination index dan pertumbuhan akar dapat dilihat pada Tabel 2 dan 3.

Tabel 2. Germination Index (%)

Perlakuan Waktu Inkubasi (Hari)

10 20 30 40 50 60

Kontrol tanpa penambahan inokulum 88,8 104 111,7 108,4 93,1 89,5

Tanah + 10% inokulum 84,3 93,5 123,8 98,95 128,2 136,7

Tabel 3. Pertumbuhan Akar (cm)

Perlakuan Waktu Inkubasi (Hari) Rata-rata

10 20 30 40 50 60

Kontrol tanpa penambahan inokulum 3,78 4,00 4,28 3,25 3,96 3,81 3,85

Tanah + 10% inokulum 3,23 3,98 4,3 3,79 4,95 4,75 4,16

Kontrol air 3,83

Pengamatan panjang akar menunjukkan bahwa panjang akar rata-rata untuk perlakuan dengan penambahan inokulum 10% pertumbu- hannya lebih panjang rata mencapai 4,16 cm dibandingkan dengan perlakuan tanpa penambahan inokulum hanya mencapai 3,85 cm. Bila dilihat dari kontrol hanya mencapai 3,83 cm.

KESIMPULAN

Tanah terkontaminasi logam Pb dapat dipulihkan dengan proses bioremediasi. Hal ini ditunjukkan dari kemampuan mikroba untuk mengubah logam, terlihat dari penurunan koe-

isien distribusi fase tertukarkan dan peningkatan

fase residual. Kondisi optimum diperoleh pada penambahan inokulum 10% (v/w) dengan waktu inkubasi 40 hari. Mikroba konsorsium dari campuran PG 65-06 (A) : PG 97-02 (B) : MR 1.12- 05 (C) dan A1 (D) dengan perbandingan 1:1:1:1 mempunyai kemampuan untuk meremediasi tanah terkontaminasi logam berat Pb dari limbah padat industri kertas proses deinking. Keberhasilan proses bioremediasi ditunjukkan dengan adanya penurunan logam Pb pada fase tertukarkan seiring dengan meningkatnya logam Pb pada fase residu

oleh adanya aktiitas mikroba, artinya mengubah

Dalam dokumen Prosiding Seminar Teknologi Pulp dan Kertas tahun 2010 (Halaman 62-68)