Sumoharjo, S.Pi.,M.Si.
TEKNIK PENYISIHAN NITROGEN DALAM PRODUKSI AKUAKULTUR BERKELANJUTAN1
1. Pendahuluan
Akuakultur adalah sektor produksi pangan yang berkembang dengan cepat, dengan rata-rata pertumbuhan 8.9 % per tahun, jika dibandingkan dengan penangkapan hanya 1,2 % dan produksi daging hewan darat yang hanya 2.8 % pada periode yang sama (FAO, 2004). Dibandingkan dengan akuakultur, penangkapan secara keseluruhan sudah tidak berkembang, meskipun belum menurun hingga era 1990-an, tetapi secara umum stok perikanan laut sudah
overfished . menurunnya stok perikanan laut dunia dan pertumbuhan populasi manusia adalah harga yang harus dibayar oleh pertumbuhan akuakultur selanjutnya. Di samping itu, sektor produksi akuakultur masih harus meningkat 5 kali lipat lagi untuk dua dekade berikutnya sehingga dapat memenuhi kebutuhan protein minimum untuk nutrisi manusia (FAO, 2004).
Perkembangan industri akuakultur secara intensif diikuti oleh peningkatan dampak lingkungan yang ditimbulkannya. Proses produksi menghasilkan sejumlah polutan yang terdiri atas feses dan pakan yang tidak termakan (Read and Fernandes 2003). Limbah yang dikeluarkan akuakultur keperairan umum mengandung nutrien, berbagai senyawa organik dan anorganik seperti; ammonium, fosfor, karbon organik, dan bahan organik lainnya (Piedrahita, 2003; Sugiura et al., 2006). Level nutrien yang tinggi mengakibatkan penurunan kualitas lingkungan perairan, bahkan memicu timbulkan spesies patogen (Thompson et al, 2002)
Untuk memproduksi 1 kg ikan memerlukan 3 kg pakan (asumsi FCR 1-3) (Neylor et al, 2000). Sekitar 36 % pakan dikeluarkan dalam bentuk limbah organik (Brune et al, 2003). Kurang lebih 75 % dari pakan berupa N dan P yang tidak dimanfaatkan berupa limbah di air (Piedrahita, 2003; Gutierrez-Wing and Malone, 2006). Sistem akuakultur intensif yang memproduksi 3 ton ikan nila setara dengan 50 penduduk manusia dalam suatu komunitas (Helfman et al 1997). Hal ini dapat dikatakan bahwa biomassa ikan hidup kira-kira menghasilkan limbah 5 kali lebih banyak daripada biomassa manusia. Alasannya
adalah ruang lingkup kecernaan ikan yang terbatas sehingga sebagian besar pakan tidak dapat dicerna dengan baik dan dibuang (Amirkolaie, 2005). saluran pencernaan ikan pendek dan rasio panjang saluran pencernaannya sangat kecil jika dibandingkan dengan panjang tubuhnya (Hertrampf dan Piedad-Pascual, 2000). Sebagai contoh, usus ikan mas 2.0-2.5 lebih panjang dari tubuhnya, sedangkan domba 30 kali lebih panjang. Usus manusia 3-4 kali lebih panjang dari tubuhnya. Konsekuensinnya adalah pada ikan waktu tinggal makanan dalam saluran pencernaannya lebih pendek. Untuk alasan inilah pakan yang diberikan kepada ikan harus memiliki tingkat kecernaan yang tinggi. Secara khusus, tubuh ikan mengandung 65-75% protein (Hertrampf dan Piedad-Pascual, 2000). Selain itu, ikan memanfaatkan protein untuk pertumbuhan, tidak seperti hewan darat yang lebih banyak menggunakan karbohidrat dan lemak (Hepher, 1988). Maka dari itu kebutuhan protein untuk ikan sekitar 2-3 kali lebih banyak daripada mamalia. Ammonium adalah salah satu produk akhir dari metabolisme protein
4
NH (ammonium) dan NH3 (ammoniak) kesetimbangannya tergantung pH dan
suhu, jumlah dari keduanya disebut total ammonium nitrogen (TAN).
4
NH bisa toksik terhadap ikan, tetapi NH3 lebih beracun, karena tidak dapat dikeluarkan dan larut dalam lemak sehingga dapat masuk menembus membran biologis konsentrasi di atas 1.5 mg N/L, pada berbagai kasus NH3 yang masih dapat ditoleransi dalam sistem akuakultur adalah 0.025 mg/L (Chen et al, 2006). Namun demikian, tingkat toksisitasnya sangat tergantung pada kekuatan spesies, ukuran, padatan, degradasi organik, senyawa aktif permukaan, logam berat, dan nitrat (Colt, 2006).
Pembelian atas pakan untuk akuakultur menghabiskan lebih dari 50 % dari ongkos produksi, ini terutama merupakan biaya komponen protein (Bender et al, 2004). Rata-rata 25 % dari input protein ini dikonversi menjadi daging ikan (Avnimelech dan Ritvo, 2003). Dengan demikian, untuk membuat peningkatan keberlanjutan dari produksi akuakultur, maka penelitian untuk sumber protein murah dengan efisiensi FCR yang lebih tinggi sangat diperlukan.
2. Penyisihan N di luar unit budidaya
Pada umumnya perbaikan kualitas air dalam sistem akuakultur terbagi atas beberapa tipe perlakuannya, yakni; (1) perlakuan dengan kolam tanah/tandon dan (2) kombinasi pemisahan partikel padat dan bak nitrifikasi sebagaimana yang digunakan dalam istalasi pengolahan limbah domestik. Perlu dicatat bahwa penyisihan nitrogen sebenarnya adalah dengan melibatkan proses pelepasan atau fiksasi nitrogen kembali ke atmosfir (Van Rijn et al, 2006), namun hal ini tidak akan dibahas di sini.
Perlakuan dengan kolam tanah/tandon
produksi (Hargreaves, 2006). Parameter utama dalam sistem ini adalah waktu tinggal (hydraulic retention time), pencampuran/homogenasi di kolam perlakuan, dan aerasi berkala pada sedimen kolam melalui drainase. Penggunaan kolam perlakuan seperti ini akan menghadapi hambatan akibat dari algae yang mati/membusuk dan proses anaerobik di sedimen (Van Rijn, 1996). Kerugian utama pada sistem ini adalah proses nitrifikasi yang tidak stabil dari fluktuasi biomassa yang tidak dapat diprediksi dan spesiasi dalam kolam perlakuan (Hargreaves, 2006). Keuntungan utamanya adalah bahwa mikroalgae yang tumbuh dalam kolam percobaan dapat digunakan untuk memproduksi organisme lain seperti kerang atau Artemia yang bisa menjadi penghasilan tambahan (Wang, 2003).
Konfigurasi sistem yang memungkinkan adalah membandingkan produksi ikan dengan asimilasi nutrien oleh moluska atau tanaman air. Di sini nutrien yang dilepaskan dari sistem akuakultur akan dikonversi ke dalam biomassa tanaman atau organisme lain sehingga dengan mudah dapat dihilangkan dan bisa menjadi produk ikutan yang bernilai ekonomis. Nutrien yang diasimilasi oleh tanaman fotoautotrof dapat digunakan untuk mengembalikan limbah yang kaya nutrien ini kedalam sumber lain yang menguntungkan (Neori et al, 2004).
Biofiltrasi dengan tumbuhan ini menghasilkan sebuah ekosistem mini yang seimbang. Tumbuhan autotrof bertentangan dengan ikan/udang dan mikroba heterotrof, tidak hanya berdasarkan atas kebutuhan nutrien tetapi juga kebutuhan oksigen, pH, dan CO2 (Neori et al, 2004). Hasilnya adalah biofiltrasi dengan tumbuhan ini dapat mengurangi dampak lingkungan akibat kegiatan produksi di sistem akuakultur. dewasa ini pendekatan akuakultur intensif terpadu telah dikembangkan dari prinsip polikultur ekstensif, perpaduan budidaya ikan/udang dengan tanaman sayur, mikroalgae, avertebrate, dan tanaman air (Neori et al, 2004). Melalui pembagian proses produksi ke dalam beberapa tahap, sehingga kita dapat meningkatkan biomassa dalam sistem dan memperbaiki efisiensi penggunaan fasilitas fisik (Wang et al, 2003).
Proses Filtrasi
filter mekanis adalah filter saring (screen) dan media filter berupa butiran (granular), keduanya digunakan untuk padatan yang tak terlarut (Franco-nava et al, 2004). Untuk penyisihan protein (protein skimming) menggunakan fraksinasi busa dengan memberi tekanan pada udara (air stripping) (Hussenot, 2003).
Pada unit proses kimiawi yang biasanya digunakan setelah proses fisika dan sebelum proses biologis. Kerugian proses kimia ini karena menggunakan bahan aditif yang biasanya tetap berada di sebagian besar air, sehingga menjadi masalah yang signifikan pada air yang akan digunakan kembali. Proses kimia yang umum digunakan dalam akuakultur adalah disinfeksi menggunakan ozon (Summerfelt, 2003). Disinfeksi dengan irradiasi ultra violet bisa menjadi alternatif karena tidak menggunakan bahan kimia ikutan yang berracun (Hassen, et al 2000).
Proses biologis adalah salah satu bagian yang paling digunakan dalam kegiatan akuakultur dan yang utama dari proses biologis ini adalah nitrifikasi. Nitrifikasi terjadi dalam berbagai sistem yang dapat dikelompokkan dalam dua tipe, yakni; sistem terapung/ setengah tenggelam ( contoh; rotating biological contactor, dan tricling filter) dan sistem tenggelam fixed film filter (contoh; fluidized bead reactor dan bead filter) (Mallone dan Pfeiffer, 2006).
pada langkah ke dua (NO2NO3) sangat sensitif terhadap sulfida (Joye dan
Hollibaugh, 1997). Sulfida terdapat di sedimen dan limbah yang terakumulasi. Pada rasio C/N yang tinggi, bakteri heterotrof akan muncul dan bersaing dengan bakteri nitrifikasi dalam hal pengambilan oksigen dan ruang dalam biofilter (Michaud et al, 2006). Dengan demikian, nitrifikasi lebih baik pada kondisi rasio C/N yang rendah
Rotating biological contactor telah beberapa dekade digunakan dalam instalasi pengolahan limbah, saat ini telah secara luas digunakan untuk filter nitrifikasi dalam akuakultur. Teknologi ini berdasarkan pada perputaran (rotasi) substrat yang tenggelam yang terbuat dari polystyrene atau polyvinil klorida dengan kepadatan tinggi yang dipasang pada sebuah lingkaran tipis (Brazil, 2006). Bakteri nitrifikasi akan tumbuh di media tersebut dan karena adanya putaran, bakteri secara bergantian akan bersentuhan dengan air dan udara, sehingga terjadi pertukaran CO2 dan oksigen dari udara yang dihasilkan oleh bakteri. Secara umum RBC terbagi atas beberapa kompartemen yang menghasilkan pola plug-flow sehingga meningkatkan efisiensi penyisihan limbah secara keseluruhan, dan
memiliki berbagai kondisi dimana mikroorganisme akan tumbuh dalam berbagai tingkatan (Watten dan Sibrell, 2006). RBC sistem memiliki keuntungan dengan rendahnya energi yang dibutuhkan untuk menggerakkan air melewati vessel sehingga menjadi
aerasi pasif dan menghilangkan karbon dioksida, serta rendahnya penyumbatan (Brazil, 2006). Menurut Miller dan Libey (1986) bahwa sistem RBC dapat menghilangkan TAN 0.19-0.79 g TAN/m2. Basil (2006) menyebutkan bahwa RBC dapat menhilangkan TAN sebesar 0.42 g/m2/hari.
filter yang digunakan berkisar 100-1000 m2/m3, misalnya; rumput finturf buatan menyisihkan 0.24-0.55 g TAN/m2/hari dalam skala komersial. Penyisihan TAN tertinggi adalah 1.1 g/m2 dengan rata-rata 0.61 g/m2. hasil yang sama juga ditunjukkan pada biofilter media pasir dengan pola aliran air vertikal.
Downflow microbead filter (Biofilter dengan aliran air vertikal) adalah kombinasi antara trickling filter dan tipe media biofilter butiran (granular) (Timmons et al, 2006). Penggunaan media terapung dalam konfigurasi sistem
downflow memiliki keuntungan karena dapat menggunakan media yang lebih kecil dengan luas permukaan yang lebih luas, ketika air yang berresirkulasi melewati media ini, maka partikel solid akan tertangkap dan proses biofiltrasi menjadi aktif (Malone dan Beecher, 2000). Konfigurasi ini memberikan keuntungan tambahan dari hydraulic liading sehingga tidak membutuhkan proses filtrasi mekanis dengan peralatan canggih (Greiner dan Timmons, 1998). Media yang digunakan terbuat dari polystyrene diameter 1-3 mm dengan prositas 36-40 % dengan luas permukaan 1150-3936 m2/m3 dengan area penyisihan TAN rata-rata 0.30 g/ m2 (Timmons et al, 2006).
Fluidized sand biofilter telah lama secara luas digunakan dalam sistem akuakultur resirkulasi yang sangat baik dalam menjaga kualitas air (Summerfelt, 2006). Filter pasir ini memiliki luas permukaan 4.000-20.000 m2/m3 dan biaya yang sedang. Kerugian dari penggunaan FSB ini adalah tidak dapat diaerasi sebagaimana dalam trickling filter. Sementara itu, aerasi harus dilakukan, filter ini harus dioperasikan dengan aliran air yang singkat supaya menjaga kesesuaian pemuaian/pergeseran media filter. FSB dapat menghilangkan TAN sekitar 0.24 g/m2/hari (Timmons dan Summerfelt, 1998).
Tabel. Area penyisihan nitrat pada beberapa jenis biofilter
Tipe biofilter
Fluidized sand biofilter 0.24 Miller and Libey,1985;Timmons & Summerfelt, 1998
RBC memiliki jumlah area penyisihan TAN tertinggi diikuti oleh BF dan TF, dan terakhir adalah FSB. Meskipun RBC memiliki performa terbaik, namun bersama dengan TF harganya lebih mahal dibandingkan dengan tipe biofilter lainnya. BF dan FSB biayanya paling kecil dengan pertimbangan biaya per kg produksi ikan.
3. Penyisihan Nitrogen Dalam Unit Budidaya
Tiga jalur konversi nitrogen secara alami ada untuk menghilangkan amonia dari sistem akuakultur merupakan proses fotoautotrof yang dilakukan oleh algae, bakteri autotrof yang mengkonversi ammonia menjadi nitrat, dan bakteri heterotrof yang mengkonversi ammonia nitrogen menjadi biomassa bakteri (Ebeling et al, 2006).
Pengembangan dan pengendalian kepadatan bioflok heterotrof dalam kolom air atau mikroorganisme yang menempel (perifiton) bisa sejalan dengan penyisihan bahan organik dan anorganik secara biologis dalam wadah akuakultur (Avnimelech, 2005; Azim et al, 2003). Proses ini merupakan bagian yang terpadu dalam unit budidaya (Hargreaves, 2006). Hal yang penting adalah bioflok dan perifiton ini dapat dikonsumsi oleh organisme budidaya (kultivan) (Burford et al,2003, 2004; Hari et al, 2004; Azim and Wahab, 2005; Keshavanath and Gangadhar, 2005). Sebagaimana yang dijelaskan dalam paragraf berikut, kedua penedekatan ini adalah solusi untuk masalah kualitas air dan dapat mengurangi penggunaan minyak ikan dan tepung ikan dalam akuakultur.
3.1. Teknik Perlakuan Dengan Perifiton
menghilangkan nutrien dari kolom air, dan membantu mengontrol oksigen terlarut serta pH di sekitar air (Bender et al, 2004).
Pemberian substrat memperbaiki kondisi aliran nitrogen dalam air terutama berkaitan dengan aktifitas autotrof dan heterotrof yang terjadi pada perifiton (Milstein, 2005). Keuntungan dengan penggunaan perifiton adalah bisa menjadi makanan alami bagi ikan, namun tidak semua ikan dapat memakan perifiton, adaptasi morfologi dan fisiologis dibutuhkan untuk memakan perifiton (Azim et al, 2005). Walaupun bukti percobaan langsung sangat jarang, namun jenis ikan yang memakan perifiton sangat banyak dibandingkan dengan ikan yang bukan planktonvorus (Van Dam dan Verdegem, 2005). Di samping ikan yang makroherbivor, pemakan detritus dan plankton dapat juga memakan perifiton (Van Dam, 2002). Perifiton memiliki C/N rasio 10 (Azim dan Asaeda, 2005). Kemampuan asimilasinya sekitar 0.2 g N/m2/hari. Hal ini jelas bahwa perifiton memerlukan luas permukaan yang besar untuk dapat memenuhi kemampuannya dalam mengendalikan kualitas air. Di samping menghilangkan N, produksi biomassa juga terbentuk sekitar 4 gram berat kering/ m2/hari dan kandungan proteinnya sekitar 25 % berat kering (Azim et al, 2005). Hal ini menjadi pakan tambahan sehingga mengurangi biaya pakan dalam produksi.
mengaplikasikan perifiton. Akan tetapi, teknik yang lebih memanfaatkan pakan alami bisa sangat signifikan hasilnya, terutama pada akuakultur skala kecil dan sistem akuakultur ekstensif yang biasa dilakukan pada negara-negara berkembang. Untuk menumbuhkan perifiton dapat dilakukan dengan menambahkan substrat statis di kolam yang dapat ditempatkan secara vertikal seperti bambu, hizol, dan kanchi. Karena perifiton sangat mudah dibudidayakan dalam berbagai modifikasi wadah akuakultur dengan teknik dan manajemen sederhana sehingga menjadi merupakan keuntungan yang mendasar dalam akuakultur (Azim et al, 2003)
3.2. Teknologi Bioflok
Suspensi yang tumbuh (Suspended growth) dalam media budidaya terdiri atas; fitoplankton, bakteri, agregat bahan organik, dan grazer bakteri (Hargreaves,2006). Jika
nitrogen dan karbon seimbang, maka ammonia dari hasil perombakan bahan organik dapat dikonversi menjadi biomassa bakteri (Schneider et al, 2005). Dengan penambahan karbohidrat di kolam, akan menstimulasi pertumbuhan bakteri sehingga penyerapan
nitrogen melalui produksi protein mikrobial dapat terjadi (Avnimelech, 1999). Pengambilan nitrogen untuk biomassa bakteri menurunkan konsentrasi ammonim lebih cepat daripada proses nitrifikasi (Hargreaves, 2006), karena laju pertumbuhan dan produksi biomassa bakteri heterotrof 10 kali lebih tinggi daripada bakteri nitrifikasi dengan produksi per unit substrat sekitar 0.5 g biomassa C/g substrat C yang digunakan (Edding et al, 2006).
