TINJAUAN PUSTAKA
2.7 Mikroorganisme Pengurai Komponen Limbah
meningkatkan pertumbuhan yang akan berbanding lurus dengan jumlah bahan pencemar yang akan diturunkan atau dihilangkan (Sudaryati et al., 2011).
2.7 Mikroorganisme Pengurai Komponen Limbah
Proses penanganan air limbah secara biologis terdiri atas campuran mikroorganisme yang mampu memetabolisme limbah. Mikroorganisme yang ditemukan dalam air dan air limbah digolongkan dalam empat golongan, yaitu : virus, organisme prokariotik, organisme eukariotik, dan invertebrata sederhana (Laksmi, 2003).
Organisme prokariotik dan eukariotik bersel tunggal, sedangkan invertebrata bersel jamak. Virus adalah partikel-partikel yang tidak hidup dan berikatan dengan mikroorganisme yang mendapat perhatian utama baik dalam air maupun dalam penanganan air limbah. Sedangkan bakteri merupakan kelompok mikroorganisme terpenting dalam sistem penanganan air limbah karena kultur bakteri dapat digunakan untuk menghilangkan bahan organik dan mineral-mineral yang tidak diinginkan dalam air limbah (Laksmi, 2003).
2.7.1 Peran Mikroorganisme dalam Pengolahan Limbah Logam Berat Mikroorganisme yang terus menerus terkena paparan logam berat lambat laun akan membuat mekanisme beradaptasi untuk kontaminan logam berat tersebut. Mikroorganisme dapat melindungi diri dari zat-zat beracun di lingkungan dengan mekanisme penyisihan dan penyerapan logam berat melalui mekanisme biosorbsi, bioakumulasi, dan biotransformasi (Chojnacka, 2010). Mekanisme biosorpsi merupakan pengambilan ion logam berat secara pasif yang tidak tergantung pada siklus metabolisme sel. Pengambilan ion logam secara pasif dapat terjadi ketika ion logam berat mengikat dinding sel melalui pertukaran ion
22
monovalen dan divalen, dan membentuk kompleks antara ion-ion logam berat dengan gugus fungsional pada dinding sel (Suhendrayatna, 2001). Mekanisme bioakumulasi merupakan pengambilan ion logam berat secara aktif bergantung pada siklus metabolisme dan ion logam akan masuk ke dalam sel bakteri (Kapoor and Viraraghavan, 1995; Gadd, 1992). Pengambilan ion logam berat secara aktif terjadi secara simultan sejalan dengan konsumsi ion logam oleh mikroba, logam berat dapat diendapkan pada proses metabolisme dan diekskresikan pada tahap berikutnya (Suhendrayatna, 2001). Sedangkan mekanisme biotransformasi dapat terjadi dengan bantuan enzim yang dihasilkan oleh bakteri. Enzim tersebut dapat mereduksi, mengoksidasi, dan memetilasi ion logam sehingga menjadi bentuk yang kurang atau tidak toksik (Hughes and Poole, 1989).
Menurut Hughes dan Poole (1989) teori penyisihan dan penyerapan logam berat oleh bakteri terdiri dari :
1. Pengikatan kation logam pada permukaan sel atau di dalam sel yang melibatkan pengubahan sistem transport. Hal ini dapat terjadi sebab kation logam dapat terikat pada permukaan sel (biosorpsi) atau dalam dinding sel (bioakumulasi) melalui proses mikropresipitasi.
2. Translokasi logam berat ke dalam sel. Ion logam dapat aktif translokasi dalam sel melalui pengikatan ion logam dengan protein.
3. Pembentukan presipitat yang mengandung logam hasil reaksi dengan polimer ekstrasel. Presipitat dapat terbentuk melalui proses presipitasi logam yang terjadi ketika logam berat bereaksi dengan polimer ekstraseluler atau dengan anion (mis. sulfida atau fosfat) yang dihasilkan oleh mikroba.
23
4. Detoksifikasi oksidasi atau reduksi enzimatik menjadi bentuk yang kurang atau tidak toksik. Proses ini dapat terjadi dengan bantuan enzim yang dihasilkan oleh bakteri. Enzim tersebut dapat mereduksi atau mengoksidasi ion logam sehingga menjadi bentuk yang kurang atau tidak toksik. Gadd (1990) menyatakan bahwa mekanisme detoksifikasi terhadap ion-ion logam berat dapat berupa sintesis protein khusus (metallothionin), atau ektrapolimer yang dapat mengikat ion logam tersebut.
Gambar 2.2 Mekanisme penyisihan dan penyerapan logam berat oleh bakteri
Kemajuan dalam bidang mikrobiologi lingkungan dan bioteknologi menunjukkan bahwa bakteri, jamur, ragi dan ganggang baik dalam bentuk murni atau sebagai kultur campuran dapat mengurangi ataupun menghilangkan Cr(VI) dari larutan. Spesies seperti Acinetobacter, Pseudomonas, Sporophyticus, Bacillus dan Phanerochaete telah dilaporkan efisien untuk mengurangi kromium. Terdapat pula jamur yang mampu mengurangi kromium, diantaranya ragi dari genus Candida, Saccharomyces, jamur filamen dari genus Aspergillus, Penicillium, Phanerochaete, Rhizopus dan Trichoderma (Vayenas, 2011). Beberapa mikroba seperti Pseudomonas marginalis, Bacillus megaterium, Plectonema boryanum, Saccharomyces cerevtsiae, Bradyrhizobium joponicum, Desulfosporosinus
24
orientis dan Pseudomonas stutzeri diketahui mampu meremediasi Pb pada tanah terkontaminasi (Margareth dan Mangkoedihardjo, 2010).
Studi terbaru menunjukkan bahwa terdapat spesies tertentu dari bakteri yang mampu mengubah Cr(VI) yang memiliki toksisitas tinggi menjadi Cr(III) yang memiliki toksisitas rendah. Reduksi enzimatik Cr(VI) menjadi Cr(III) diyakini menjadi salah satu mekanisme pertahanan yang digunakan oleh mikroorganisme yang tinggal di lingkungan tercemar Cr(VI) (Dermou and Vayenas, 2007). Sampai saat ini, sebagian besar studi tentang pengurangan biologis Cr(VI) dilakukan dalam peralatan skala laboratorium (reaktor), menggunakan kondisi steril dan kultur murni mikroorganisme. Namun, laporan terbaru muncul di Cr (VI) reduksi biologis dalam proses skala besar menggunakan sistem pertumbuhan melekat dan kultur campuran dari mikroorganisme yang berasal dari lumpur industri. Proses pertumbuhan melekat memberikan tingkat reduksi Cr(VI) yang sangat tinggi (Dermou et al., 2007).
2.8 Biofiltrasi
Biofiltrasi merupakan suatu cara pemurnian limbah dengan bantuan bahan pengendali biologis yang sangat efektif dan tidak membahayakan perairan, bahkan dapat menyerap logam berat (Muhammad, 2010). Proses dari biofiltrasi berupa suatu reaktor biologis film-tetap (fixed-film) menggunakan packing berupa kerikil, plastik atau bahan padat lainnya dimana limbah cair dilewatkan melintasinya. Adanya bahan isian padat menyebabkan mikroorganisme yang terlibat tumbuh dan melekat atau membentuk lapisan tipis (biofilm) pada permukaan media tersebut (MetCalf dan Eddy, 2003). Pengolahan air limbah dengan proses biofilter mempunyai beberapa keunggulan, antara lain
25
pengoperasiannya mudah, lumpur yang dihasilkan sedikit, dapat digunakan untuk pengolahan air limbah dengan konsentrasi rendah maupun konsentrasi tinggi, tahan terhadap fluktuasi jumlah air limbah maupun fluktuasi konsentrasi, dan pengaruh penurunan suhu terhadap efisiensi pengolahan kecil (Said dan Ruliasih, 2005).
Berdasarkan posisi media biofilter dalam bioreaktor, proses pertumbuhan melekat dibagi menjadi 3 macam (MetCalf and Eddy,2003), yaitu :
a. Proses pertumbuhan melekat dengan biakan tidak terendam (non-submerged) merupakan proses pengolahan limbah secara biologis dimana media biakan tidak terendam dalam badan cairan. Unit proses yang termasuk ke dalam kelompok ini antara lain adalah trickling filter.
b. Proses pertumbuhan tersuspensi dengan packing film tetap (suspended growth process with fixed-film packing) pada dasarnya merupakan proses pengolahan dengan biakan tersuspensi sebagaimana halnya dalam sistem sludge active. Akan tetapi penggunaan jenis bahan packing yang tersuspensi ke dalam tangki menyebabkan mikroorganisme yang terlibat melekat pada bahan packing tersebut.
c. Proses pertumbuhan melekat dengan biakan terendam (submerged) merupakan proses pengolahan limbah secara biologis dimana media biakan terendam sepenuhnya dalam badan cairan. Unit proses yang termasuk ke dalam kelompok ini antara lain adalah reaktor biologis unggun-tetap aliran ke atas (upflow) dan aliran ke bawah (downflow), unggun terfluida (fluidized bed), Upflow Anaerobic Sludge Blanket (UASB).
26
Dari ketiga jenis sistem biofilter tersebut, proses pertumbuhan melekat dengan biakan terendam merupakan metode pengolahan limbah cair yang relatif baru khususnya dalam pengolahan biologis aerobik. Sistem biofilter aerob merupakan pengembangan dari sistem pengolahan limbah anaerob dengan biakan tersuspensi, dimana dengan adanya filter tersebut konsentrasi padatan biologis (biomassa) dalam reaktor dapat dipertahankan. Dengan penahanan padatan biologis ini diperoleh sludge retention time (SRT) yang lebih lama meskipun pada aliran limbah cair yang besar.
2.8.1 Kapasitas Pengolahan Biofiltrasi
Kapasitas pengolahan biofiltrasi merupakan suatu ukuran yang digunakan untuk menentukan kemampuan dari suatu biosistem dalam menyerap suatu pencemar. Kapasitas pengolahan ditentukan untuk waktu tinggal yang menghasilkan efektifitas tertinggi dari biosistem dalam menurunkan kadar pencemar, sedangkan efektivitas adalah suatu ukuran yang menyatakan seberapa jauh target (kuantitas, kualitas, dan waktu) yang telah dicapai oleh suatu sistem pengolahan (Sugianthi, 2011).