BAB 2
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Komposisi Minyak Bumi
Minyak bumi mengandung 50-98% komponen hidrokarbon dan non hidrokarbon. Kandungannya bervariasi tergantung pada sumber minyak. Minyak bumi mengandung senyawa karbon 83,9-86,8%, hidrogen 11,4-14%, belerang 0,06-8,0%, nitrogen 0,11-1,7% dan oksigen 0,5% dan logam (Fe, Cu, Ni), 0,03%. Terdapat empat seri hidrokarbon minimal yang terkandung di dalam minyak bumi, yaitu seri n-paraffin (n-alkana) yang terdiri atas metana (CH4), aspal yang memiliki atom karbon (C) lebih dari 25 pada rantainya, seri iso-paraffin (isoalkana) yang terdapat hanya sedikit dalam minyak bumi, seri neptena (sikloalkana) yang merupakan komponen kedua terbanyak setelah n-alkana, dan seri aromatik. Komposisi senyawa hidrokarbon pada minyak bumi berbeda bergantung pada sumber penghasil minyak bumi tersebut (Pertamina, 2009).
2.2 Komposisi Kimia Minyak Solar
Minyak solar merupakan salah satu fraksi dari minyak bumi yang diperoleh dengan cara destilasi, berwarna kuning kecoklatan yang jernih, berupa cairan dalam suhu rendah, biasa disebut Gas Oil, Automotive Diesel Oil atau High Speed Diesel (Pertamina, 2009). Minyak solar mengandung 38% n-alkana, 38% alkana rantai cabang dan sikloalkana, 3% isoprenoid, 20% senyawa aromatik dan 1% senyawa polar (Gaylarde et al., 1999). Jumlah atom permolekulnya 15-18 dan selang titik didihnya 300-400oC. Kegunaan minyak solar pada umumnya adalah sebagai bahan bakar bagi mesin diesel dengan rotasi medium atau rendah (300-1000 rpm) dan juga digunakan untuk pembakaran secara langsung pada dapur kecil (Pertamina, 2009).
2.3 Fraksi-Fraksi Minyak Bumi
Minyak bumi dipisahkan menjadi fraksi-fraksi dengan cara destilasi yang dipisahkan berdasarkan titik didih. Fraksi dengan titik didih lebih rendah akan naik lebih cepat dan lebih tinggi. Sedangkan fraksi dengan titik didih lebih tinggi akan naik lebih lama dan lebih rendah (Hart, 1991). Fraksi-fraksi umum minyak bumi yang dipisahkan berdasarkan titik didih diterangkan pada Tabel 2.3 sebagai berikut:
Tabel 2.3 Fraksi-Fraksi Minyak Bumi
Selang titik didih°C Nama Selang atom carbon
Per molekul
Penggunaan
Di bawah 20 Gas, nafta C1-C4 Pemanasan, masak, dan bahan baku kimia
20-200 Bensin C4-C12 Bahan bakar,
fraksi-fraksi ringan seperti eter, Pelarut di laboratorium 200-300 Minyak tanah C12-C15 Bahan bakar 300-400 Minyak bakar C15-C18 Pemanasan di
perumahan minyak diesel
Di atas 400 Di atas C18 Minyak,pelumas,
oli,lilin, parafin dan aspal
2.4. Pencemaran Minyak Bumi Di Lautan
Pencemaran minyak di laut bukan hanya akibat dari kecelakaan kapal, tetapi juga bersumber dari transportasi minyak di laut oleh kapal-kapal, pencucian dan juga kegiatan-kegiatan pemuatan dan pembongkaran di pelabuhan. Di laut terdapat mikroorganisme yang mampu mendegradasi tumpahan minyak (Fahruddin, 2004). Pencemaran minyak bumi yang terjadi pada ekosistem perairan selain dapat merusak lingkungan biota air di bawahnya, dapat juga mengganggu kesehatan manusia. Bahan
pencemar tersebut sangat sulit untuk diatasi, apabila sudah menempel pada partikel padat seperti tanah, pasir, sedimen dan tumbuh-tumbuhan. Beberapa cara telah dilakukan untuk menanggulangi pencemaran ini, diantaranya dengan fotooksidasi, penguapan, dan penggunaan surfaktan kimia (Van Dyke et al., 1991). Pemakaian beberapa surfaktan kimia juga dapat menyebabkan masalah bagi lingkungan, karena sifatnya yang resisten untuk dapat dipecah secara biologi dan sangat toksik saat terakumulasi dalam suatu ekosistem alam (Fiechter, 1992). Salah satu cara penanggulangan pencemaran minyak bumi yang aman adalah dengan menggunakan biosurfaktan yang dihasilkan oleh mikroba pendegradasi minyak bumi. Selain dapat membantu peningkatan degradasi minyak bumi juga tidak toksik terhadap lingkungan, sehingga keberadaan biosurfaktan dapat menjadi alternatif pengganti senyawa-senyawa surfaktan kimia pengaktif permukaan. Pada dasarnya laut secara alamiah mempunyai kemampuan untuk menetralisir zat pencemar yang masuk ke dalamnya, akan tetapi jika zat pencemar tersebut berlebihan sehingga melampaui batas kemampuan air laut untuk menetralisir zat tersebut dan melampaui batas ambang cemas, maka kondisi ini mengakibatkan pencemaran lingkungan laut (Van Dyke et
al., 1991).
2.5. Faktor Pembatas Biodegradasi
Pertumbuhan bakteri dipengaruhi oleh faktor sehingga proses biodegradasi juga dipengaruhi oleh faktor yang sama. Faktor-faktor yang dapat mempengaruhi proses biodegradasi antara lain suhu, pH, keadaan nutrisi, ketersediaan O2 (Plohl et al., 2001). Kondisi lingkungan yang terutama adalah:
a) Suhu
Pada temperatur rendah maka viskositas minyak meningkat dan volatilitas senyawa toksik menurun sehingga akan menghambat proses bioremediasi (Atlas, 1995). Hidrokarbon rantai pendek alkana lebih mudah larut pada temperature rendah. Pada temperatur tinggi, aromatik lebih mudah larut (Foght and Westlake, 1987). Laju tinggi
biodegradasi minyak di laut dapat dicapai pada temperatur 15-20°C (Bossert and Bartha, 1984).
b) pH
Berbagai studi menghasilkan fakta bahwa biodegradasi minyak akan lebih cepat dengan peningkatan pH dan kecepatan optimum pada pH alkalin (Foght and Westlake, 1987). Perubahan salinitas dapat mempengaruhi biodegradasi melalui perubahan populasi mikroba dan laju metabolisme hidrokarbon akan menurun 3.3-28.4% dengan peningkatan salinitas.
c) Nutrisi
Bila terjadi tumpahan minyak ke laut, maka suplai karbon ke dalam air laut akan meningkat. Pada saat ini komposisi nutrient dalam air laut menjadi tidak seimbang (C meningkat sehingga C/N/P menjadi meningkat melebihi komposisi normal bagi kebutuhan mikroba). Untuk meningkatkan jumlah mikroba maka diperlukan penambahan nutrient N dan P pada tingkat proporsi C/N/P sebelum tertumpah minyak. Petroleum dapat didegradasi oleh sejumlah mikroba dengan penambahan jumlah nutrisi organik seperti nitrogen, karbon dan fosfor (Odu, 1978). Saat minyak tumpah ke laut, suplai karbon ke dalam air laut meningkat. Pada saat itu air laut terdapat ketimpangan komposisi nutrient (C meningkat tajam sehingga C/N/P menjadi membesar melebihi komposisi normal bagi kebutuhan mikroba).
d) Oksigen
Ketersediaan oksigen sangat penting dalam proses biodegrasi hidrokarbon jenuh dan aromatic (Cerniglia, 1992). Benzena, toluena, etilbenzena dan xylena dapat didegradasi tanpa O2 di air tanah yang terkontaminasi (Johnson et al., 2003). Metabolisme hidrokarbon secara anaerobik dapat berhasil baik untuk hidrokarbon aromatic (BTEX). PAH dan alkana dapat didegradasi dalam kondisi anaerobik (Caldwell et al., 1998). Biodegradasi hidrokarbon minyak bumi membutuhkan oksigen sebagai akseptor elektron karena dasar proses biodegradasi adalah oksidasi (Cooney, 1984).
2.6 Mikroorganisme
Penggunaan mikroba baik dalam (Microbial Enhanced Oil Recovery) MEOR maupun bioremediasi minyak bumi, melibatkan pengetahuan yang mendasar tentang perubahan minyak bumi yang diperankan oleh mikroba. Mikroba yang telah dikenal memiliki kemampuan yang tinggi dalam mendegradasi minyak bumi adalah dari jenis bakteri. Bakteri pendegradasi minyak bumi diisolasi dari lingkungan yang terkontaminasi minyak bumi, misalnya tanah dan laut yang tercemar (Fedorak et al., 1983, Harayama et al., 1995).
Bakteri pendegradasi fraksi minyak yang lebih sulit didegradasi, akan tumbuh lebih lambat dan jumlahnya lebih sedikit karena kalah bersaing dengan bakteri pendegradasi substrat alkana yang merupakan fraksi dalam jumlah yang lebih besar, sehingga bakteri ini sulit terisolasi. Peran bakteri ini sebenarnya penting dalam melaksanakan degradasi fraksi minyak lain yang sulit didegradasi (Horowitz et al., 2005).
Dalam ekosistem terdapat mikroba yang mampu melakukan biodegradasi sehingga kondisi lingkungan akan lebih baik (Capelli et al., 2001). Hidrokarbon petroleum dapat didegradasikan oleh mikroba seperti bakteri, jamur, yeast, dan alga mikro (Bundy et al., 2004). Mikroorganisme tersebut diisolasi berdasarkan kemampuan mereka untuk memetabolisme berbagai sumber karbon, seperti komponen alifatik dan aromatik. Dari sejumlah besar penelitian dilaporkan bahwa alkana dengan berat molekul rendah lebih cepat didegradasi oleh kultur campuran lebih cepat melakukan degradasi daripada biakan murni (Ghazali et al., 2004).
Beberapa jenis bakteri yang merupakan pendegradasi hidrokarbon yang efektif di lingkungan alami telah diisolasi antara lain Psedomonas aeruginose, P. putida,
Bacillus subtilis, B. cereus, B. laterospor (Cybulkski et al., 2003). Ada beberapa
keuntungan yang didapat dari mikroorganisme pendegradasi minyak, antara lain populasi alami sudah beradaptasi dan berkembang dengan baik di lingkungannya dan kemampuan untuk menggunakan hidrokarbon telah disebarkan dalam populasi mikroba, populasi ini terbentuk secara alamiah dan di daerah tercemar yang jumlah mikroorganisme cukup tidak perlu lagi ditambahkan mikroorganisme untuk mendegradasi (Ghazali et al., 2004). Genus Pseudomonas telah dikenal luas sebagai
salah satu kelompok mikroba yang memiliki kemampuan yang tinggi dalam mendegradasi minyak bumi. Bakteri ini memiliki kemampuan mendegradasi fraksi alifatik, aromatik dan resin (Harayama et al., 1995). Pertumbuhan P. aeruginosa pada temperatur tinggi ini disebabkan bakteri ini memiliki kisaran toleransi temperatur yang luas, selain itu pertumbuhan P. aeruginosa yang baik pada minyak bumi dalam lingkungan bertemperatur tinggi menunjukkan bahwa bakteri ini telah sangat lama teradaptasi dalam lingkungan tersebut. Hal ini juga membuktikan bahwa P.
aeruginosa yang biasanya tumbuh pada temperatur sedang benar-benar terisolasi dari
minyak mentah. 2.7 Degradasi Aerob
Mikroorganisme yang menggunakan petroleum sebagai sumber karbon dan energi ada yang bersifat aerob dan ada yang bersifat anaerob. Mikroorganisme aerob cepat dan paling efisien dalam mendegradasi karena reaksi aerob memerlukan lebih sedikit energi bebas untuk inisiasi dan menghasilkan lebih banyak energi. Hidrokarbon akan didegradasi secara beruntun oleh sejumlah enzim, oksigen bertindak sebagai akseptor eksternal. Adapun tahap degradasi alkana melibatkan pembentukan alkohol, aldehid dan asam lemak. Asam lemak dipecah, CO2 dilepaskan dan membentuk asam lemak baru yang merupakan 2 unit karbon yang lebih pendek dari molekul induk, proses ini dikenal sebagai beta oksidasi (Hamme et al., 2003).
Degradasi aerob alkana oleh Acinetobacter menggunakan alkana monooksigenase untuk merubah hidrkarbon menjadi alkohol (Gambar 1)
Gambar 1. Degradasi alkana oleh Acinetobacter sp. (Hamme et al., 2003).
Strain Pseudomonas mampu mendegradasikan hidrokarbon secara aerob antara lain:
Pseudomonas putida ATCC 17484, P. boreopolis, P. denitrificans, P. mira. P. resinovorans CA 10, Pseudomonas sp. Strain PP2 (Pieper et al., 2004). Dari hasil
penelitian dapat diketahui bahwa degradasi petroleum lebih cepat dalam kondisi aerob, penggunaan mikroorganisme ini membutuhkan biaya yang ekonomis.
2.8 Degradasi Anaerob
Ditemukan mikroorganisme yang mampu mendegradasikan hidrokarbon pada kondisi anaerob (Gambar 2) pada tahun 1980, yang mekanisme biokimianya berbeda dari metabolisme hidrokarbon aerob (Riser-Robert, 1992).
Gambar 2. Degradasi senyawa hidrokarbon dalam kondisi anaerob (Townsend et al., 2004).
Biodegradasi anaerob lebih mudah didapatkan, karena mikroorganisme ini bersifat insitu yang dapat digunakan untuk dekontaminasi tanah, sedimen dan air tanah yang terkontaminasi hidrokarbon petroleum. Proses pemecahan senyawa hidrokarbon secara aerob belum sepenuhnya diteliti. Diketahui bahwa benzena, toluene, etil benzena, dan xylen (BTEX) dapat didegradasi tanpa O2 di air tanah yang terkontaminasi (Johnson et al., 2003). Senyawa ini bersifat karsinogenik dan mutagenik pada manusia sehingga dapat berbahaya bagi kesehatan. Senyawa hidrokarbon ini juga dapat menganggu fungsi organ organ tubuh manusia seperti otak, sistem saraf, hati dan jantung. Senyawa ini juga bersifat rekalsitran, artinya sulit untuk mengalami perombakan di alam, baik di darat maupun di air, sehingga dapat membahayakan biota laut (Fahruddin, 2004).
2.9. Biosurfaktan
Bakteri perombak senyawa hidrokarbon merupakan bakteri yang mampu menghasilkan biosurfaktan dan menggunakan hidrokarbon petroleum sebagai satu-satunya sumber karbon dan energi (Cerniglia, 1992). Biosurfaktan dapat dipergunakan untuk mempercepat remediasi lingkungan yang tercemar oleh tumpahan minyak bumi, yaitu dengan meningkatkan daya kelarutan minyak bumi. Selanjutnya minyak bumi dedegradasi oleh sel-sel mikroorganisme, melalui pembentukan butiran-butiran minyak bumi (misel) yang terdispersi dalam air (Duvnjak et al., 1983).
Selain untuk remediasi, biosurfaktan juga dapat dimanfaatkan dalam teknologi MEOR untuk meningkatkan perolehan minyak bumi. Beberapa surfaktan kimia sintetik yang sering digunakan seperti sulfonat atau lignosulfonat memiliki beberapa kelemahan seperti harganya mahal dan tidak mempunyai kemampuan degradasi (Fiechter, 1992) Peningkatan produksi biosurfaktan memerlukan nutrisi yang optimum. Menurut Cooper (1984), bahwa substrat hidrokarbon sangat diperlukan untuk meningkatkan produksi biosurfaktan ekstraseluler, dibandingkan dengan substrat yang lainnya seperti glukosa. Selain itu jumlah biosurfaktan yang dibentuk dipengaruhi pula oleh jenis sumber karbon, temperatur, pH dan aerasi. Menurut
Rahman et al.,(1989), sumber karbon dan nitrogen merupakan komponen yang utama salam suatu media kultur, karena sel-sel mikroba dan berbagai produk fermentasi sebagian besar terdiri dari unsur karbon dan nitrogen.
Tabel 2.9 Mikroba penghasil biosurfaktan dan jenis biosurfaktan yang dihasilkan.
No Spesies mikroba Jenis Biosurfaktan 1. Pseudomonas aeroginosa Glikolipid (rhamnosa lipid) 2. Pseudomonas sp. DSM 2874 Glikolipid (rhamnosa lipid) 3. Arthrobacter paraffineus Sukrosa dan fruktosa glikolipid 4. Pseudomonas flourescens Rhamnosa lipid
5. Pseudomonas sp. MUB Rhamnolipid
6. Acinetobacter sp. HO1-N Asam lemak, mono dan gliserida 7. Bacillus subtilis Lipoprotein
8. Nocardia erythropolis Lemak netral 2.10 Dampak Pencemaran Minyak Bumi
Pencemaran minyak bumi yang terjadi pada ekosistem perairan selain dapat merusak lingkungan biota air di bawahnya, dapat juga mengganggu kesehatan manusia. Bahan pencemar tersebut sangat sulit untuk diatasi, apabila sudah menempel pada partikel padat seperti tanah, pasir, sedimen dan tumbuh-tumbuhan. Beberapa cara telah dilakukan untuk menanggulangi pencemaran ini, diantaranya dengan fotooksidasi, penguapan, dan penggunaan surfaktan kimia (Van Dyke et al., 1991). Pemakaian beberapa surfaktan kimia dapat menyebabkan masalah bagi lingkungan, karena sifatnya yang resisten untuk dapat dipecah secara biologi dan sangat toksik saat terakumulasi dalam suatu ekosistem alam (Fiechter, 1992). Salah satu cara penanggulangan pencemaran minyak bumi yang aman dan ramah lingkungan adalah dengan menggunakan biosurfaktan yang dihasilkan oleh mikroba pendegradasi minyak bumi. Selain dapat membantu peningkatan degradasi minyak bumi juga tidak toksik terhadap lingkungan, sehingga keberadaan biosurfaktan dapat menjadi alternatif pengganti senyawa senyawa surfaktan kimia yang berfungsi pengaktif permukaan air (Van Dyke et al., 1991).
