Bab 2. Kajian Pustaka
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
12
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 6-8 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.
13 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
oksigen 10% 10 – 40%
nutrient (C:N:P) N dan P untuk pertumbuhan mikroba 100:10:1
temperatur (oC) 15 – 45 20 – 30
kontaminan tidak terlalu beracun 5 – 10% berat kering tanah
logam berat 2000 ppm 700 ppm
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.
14
- 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
15
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 Jenis manfaat Aplikasi Referensi
in situ biosaparging paling efisien dan noninvasive kemempuan dari
mikroorganisme indigenous untuk biodegradasi logam dan senyawa anorganik Sei et al (2001), Niu et al. (2009) bioventing bioaugmentation relatif pasif
Naturally attenuated process,
mengolah tanah dan air
parameter lingkungan
biodegrability polutan
Distribusi polutan
ex situ land farming composting
biopiles
murah, sederhana, self-heating murah, laju reaksi cepat,
self-heating
dapat dilakukan di tempat
Aplikasi permukaan, proses
aerobik, aplikasi bahan
organik untuk tanah alami dengan irigasi
Antizar-Ladislao et al. (2008)
Bioreaktor Slurry reactors aqueous reactors
kinetika degradasi cepat,
mengoptimalkan parameter
lingkungan, meingkatkan transfer
massa dan eektif penggunaan
inokulan dan surfaktan
lebih cepat pengolahan dari
tanah tercemar dengan
biostimulation dan
bioaugmentation, konsentrasi
beracun kontaminan, eksavasi
tanah relatif mahal dan
operasi relatif mahal
Behkis et al. (2007) Presispitasi/ flokulasi tidak diarahkan secara kompleksasi reaksi fisika kimia antara kontamiann terlarut dan biaya komponen selular
biaya efektif (hemat) removal logam berat Natrajan
(2008)
mikrofiltrasi membrane
mikrofiltrasi digunakan pada tekanan konstan
remove dengan cepat padatan
terlarut
pengolahan air limbah,
pemulihan dan penggunaan kembali lebih dari 90% air limbah yang asli
elektrodialisis menggunakan
pasangan membrane kation dan aion exchange
menahan suhu tinggi dan dapat digunakan kembali
efisienremoval padatan
terlarut
N. Das “Microbial Degradation of Petroleum Hydrocarbon Contaminants”