Karakteristik Biologis Tanah

POLUSI TANAH DAN AIR TANAH

Karakteristik Biologis Tanah

Prof. Dr. Budi Indra Setiawan

Dr. Satyanto Krido Saptomo, Allen Kurniawan ST., MT.

Departemen Teknik Sipil dan Lingkungan

Institut Pertanian Bogor

2011

Karakteristik Biologis Tanah



Pendahuluan



Mikroorganisme dalam Tanah



Konsorsium Mikroorganisme



Faktor-Faktor yang Mempengaruhi Proses Biologis



Kinetika Reaksi Biotransformasi

Acuan

: Notodarmojo, S. (2005), Pencemaran Tanah dan Air

Pendahuluan



Di dalam tanah, terdapat suatu sistem yang kompleks dengan

ada keterikatan antara reaksi:



Pada karakteristik biologis, mikroorganisme mampu melakukan

transformasi biotis terhadap kontaminan anorganik dan

biodegradasi kontaminan organik melalui proses yang panjang

dan kompleks.

Fisik

Kimia

 Tidak hanya mikroorganisme yang mampu melakukan transformasi zat-zat kimia dalam tanah dan air tanah, namun ada bebeapa jenis hewan yang umumnya hidup pada tanah permukaan.

Cacing Tanah

Semut

Rayap

Mikroorganisme dalam Tanah

 Semakin banyak kandungan organik tanah dan oksigen, semakin

tinggi jumlah dan jenis mikroorganisme.

 Kelompok mikroorganisme dalam kaitannya dengan mobilitas zat

pencemar adalah bakteri, jamur (fungi), algae, dan protozoa.

Bakteri

 Morfologi  ukuran 0,5-3 µm; berbentuk bulat,

tongkat, spiral; hidup di tanah yang memiliki kelembaban dan ketersediaan substrat cukup.  Bakteri yang penting dalam degradasi zat

pencemar tanah antara lain Pseudomonas,

Nocardia, Mycobacterium, Arthrobacter, dan

Bacillus  umumnya mampu mendegradasi senyawa hidrokarbon alifatik.

 Kemampuan mikroorganisme telah

dikembangkan dalam penanganan limbah organik seperti hidrokarbon dan peptisida, melalui proses bioremediasi.

 Bakteri pendegradasi hidrokarbon alifatik:

Pseudomonas sp. Bacillus cereus Mycobacterium sp.

Jamur

 Morfologi  berbentuk filamen panjang,

memperbanyak diri melalui spora, dan bersifat heterotrophis.

 White rot fungi dapat merombak lignin menjadi zat yang dapat didegradasioleh

bakteri, karena mampu mengeluarkan enzim

peroxidase.

 Jamur mempunyai kemampuan hidup pada

rentang pH yang luas.

 Bacidiomycetes hidup di sekitar akar tumbuhan membentuk simbiosis dengan akar tumbuhan dalam membantu ajar dalam menarik air

 Beberapa jenis jamur yang diidentifikasi dapat mendegradasi zat pencemar di dalam tanah:

Aspergillus niger Cunninghamella elegans Pestalotia sp.

Algae

 Hidup pada lingkungan dengan intensitas cahaya dan kelembaban

yang cukup.

 Berperan dalam mengikat nitrogen dari udara dan melepaskan oksigen

sebagai hasil asimilasi ke dalam tanah.

 Mampu mendegradasi kontaminan berbahaya yang mempunyai ikatan

senyawa hidrokarbon.

Oscillatoria sp. Nostoc sp. Anabaena sp.

Klasifikasi Mikroorganisme

Kriteria Klasifikasi Kategori Penjelasan Sumber Energi Phototrophs

Dari sinar matahari

Chemotrophs Dari senyawa kimia

Sumber Karbon Autothroph Memanfaatkan CO2

Heterothroph Memanfaatkan zat organik

Sumber Elektron dalam Proses Metabolisme

Organotroph Menggunakan zat organik

Lithotroph Menggunakan zat anorganik

Proses Metabolisme

Aerobik Metabolisme dengan kehadiran

molekul oksigen dan bertindak sebagai elektron akseptor.

Anaerobik Metabolisme yang dapat berlangsung tanpa kehadiran oksigen.

 Mikroorganisme memperoleh energi melalui reaksi redoks (reduksi-oksidasi).

 Dalam mengoksidasi senyawa organik, dua elektron akan dilepaskan,

dan secara simultan dua proton akan menghilang. Hal tersebut setara dengan dilepaskannya 2 atom hidrogen  proses dehidrogenasi.

 Dalam proses reduksi senyawa organik oleh mikroorganisme, dua

elektron dan dua proton ditambahkan  proses hidrogenasi.

Proses oksidasi  atom atau molekul melepaskan elektron Proses reduksi  atom atau molekul mendapatkan elektron

We need energy!

 Proses penting lain dari aktivitas mikroorganisme:

COMETABOLISME : degradasi yang terjadi apabila ada senyawa

organik lain yang berfungsi sebagai sumber energi utama, sehingga substrat yang bukan sebagai sumber energi ikut terdegradasi, karena mikroorganisme tersebut mengeluarkan enzim yang mampu menjadi katalis penguraian substrat selain sumber utama energinya.

GRATUITOUS METABOLISME: suatu proses metabolisme pada suatu

mikroorganisme yang mempunyai kemampuan mendegradasi senyawa yang bukan sumber energinya, karena enzim yang dilepaskan oleh

mikroorganisme tersebut tidak memerlukan lagi energi untuk proses reduksi.

Konsorsium Mikroorganisme

 Konsorsium  mikroorganisme yang umumnya bekerja sama dalam

suatu kelompok, sehingga tercipta hubungan yang sinergis dalam memperbesar kemungkinan degradasi senyawa organik dan energi yang diperoleh.



Bila mikroorganisme hadir tidak dalam suatu campuran yang

memungkinkan mereka melakukan sinergi, maka reaksi

kompleks tidak akan terjadi, sehingga degradasi tidak terjadi

secara sempurna.



Beberapa keuntungan adanya konsorsium mikroorganisme:

o

Proses degradasi dapat dilakukan secara berurutan.

o

Menghasilkan zat atau enzim yang dibutuhkan.

o

Meningkatkan laju degradasi substrat secara keseluruhan.

o

Mempermudah reaksi oksidasi karena dapat mencari jalur

Faktor-Faktor yang Mempengaruhi Proses Biologis

Mikro-organisme Substrat dan Nutrien Penerima

Elektron Lingkungan Faktor

Mikroorganisme

 Dalam suatu ekosistem terdapat satu jenis

mikroorganisme dominan yang mampu bekerja sama dengan mikroorganisme lain. Akibatnya secara berangsur-angsur terjadi perubahan substrat akibat

penggunaannya sebagai energi oleh satu jenis mikroorganisme.

 Perubahan substrat akan mempengaruhi

komposisi spesies yang mampu

memanfaatkan substrat yang ada.Dengan demikian, dominasi mikroorganisme akan bergeser ke arah jenis substrat yang

paling sesuai dengan mikroorganisme yang ada.

 Semakin banyak jenis mikroorganisme

yang terlibat dalam proses degradasi, akan semakin membuka kemungkinan jalur proses degradasi.

Penerima Elektron

 Semua reaksi transformasi biologis pada dasarnya merupakan

reaksi redoks yang melibatkan donor elektron akseptor elektron.

 Beberapa akseptor elektron: O₂, NO₃-, SO₄2-, CO₂.  Level energi dari beberapa reaksi redoks:

Substrat dan Nutrien

 Substrat diperlukan sebagai sumber energi dan sumber karbon,

sedangkan nutrien diperlukan untuk pertumbuhan dan penggandaan sel.

 Kebutuhan mikroorganisme akan nutrien kurang lebih sama

dengan komposisi sel yang terdiri dari empat elemen utama karbon, hidrogen, oksigen, dan nitrogen.

 Semakin banyak jenis mikroorganisme yang terlibat dalam

proses degradasi, akan semakin membuka kemungkinan jalur proses degradasi.

Faktor Lingkungan

a) Kelembaban Tanah

 Kelembaban yang rendah akan menghalangi aktivitas bakteri, karena

menghalangi gerakan sel dan reaksi metabolisme.

 Kelembaban yang tinggi menyebabkan tanah menjadi tergenang,

sehingga transfer oksigen menjadi terbatas dan mengakibatkan lingkungan tanah menjadi anaerobik.

 Kelembaban tanah yang mengandung ± 15% kandungan air,

merupakan kondisi yang optimal bagi perkembangan mikroorganisme.

b) Temperatur

 Peningkatan temperatur akan meningkatkan aktivitas mikroorganisme

dan laju reaksi.

 Suatu peningkatan temperatur sebesar 10°K dapat meningkatkan laju

reaksi hingga dua kali lipat (Notodarmojo dalam Cookson, 1990).

 Temperatur optimum bagi hampir semua mikroorganisme yang hidup

c) pH

 pH mempengaruhi kemampuan fungsi-fungsi sel, seperti transpor

melalui membran sel, keseimbangan reaksi yang terkatalis oleh enzim.

 Kisaran pH yang umum bagi mikroorganisme untuk hidup dalam

tanah adalah 5 hingga 10.

d) Kandungan Garam dalam Larutan Air Tanah

 Mempengaruhi tekanan osmosis dari larutan air tanah atau

kelembaban yang ada.

 Perubahan tekanan osmosis akan mempengaruhi fenomena transport

Mengapa diperlukan analisis kinetika

biodegradasi ? • Dapat mengkarakterisasi setiap saat konsentrasi senyawa kimia yang tersisa pada tanah,

• Memberikan rekomendasi berupa

prediksi level lingkungan pada saat ini dan di kemudian hari,

• Dan mengeliminasi adanya

kontaminan berbahaya sebelum memasuki komponen lingkungan yang rentan.

Pertumbuhan Bakteri



Pertumbuhan bakteri lebih mengacu kepada

peningkatan

semua komponen di dalam sel sehingga menghasilkan suatu

peningkatan ukuran sel dan pembelahan sel (kecuali mikrobia

yang membentuk filamen) dan terjadi peningkatan jumlah

individu di dalam populasi

.



Pada umumnya bakteri dapat memperbanyak diri dengan

pembelahan biner, sehingga pertumbuhan dapat diukur dari

bertambahnya jumlah sel. Waktu yang diperlukan untuk

membelah diri dari satu sel menjadi dua sel sempurna disebut

waktu generasi. Sedangkan waktu yang diperlukan oleh

sejumlah sel atau massa sel menjadi dua kali jumlah/massa sel

semula disebut

doubling time

atau waktu penggandaan.

 Waktu pertumbuhan bakteri akan berhenti dikarenakan sokongan nutrisi pada lingkungan sudah tidak memadai lagi, sehingga akan terjadi kemerosotan jumlah sel akibat bakteri tidak mendapatkan nutrisi hingga pada titik ekstrim menyebabkan terjadinya kematian total bakteri. Kejadian di atas apabila digambarkan dalam bentuk kurva:

Fase yang dianalisis

Proses adaptasi dan aktivasi isolat

Metode Langsung

Formula :

dengan, 𝜇 = konstanta laju pertumbuhan (jam-1₎

X_t = jumlah populasi pada saat t (sel/ml) X₀ = jumlah populasi pada saat t_o (sel/ml) t-t₀ = interval waktu (jam)

Metode Tidak Langsung

• Mengukur tingkat turbiditas

menggunakan spektrofotometer, λ = 610 nm  nilai optical density (OD)

• Nilai µ merupakan slope dari fasa eksponensial dari nilai OD.

Kinetika Biodegradasi

Kinetika Biodegradasi µ µ_max K_S Y q q_max k_d laju pertumbuhan spesifik laju pertumbuhan spesifik maksimum konsentrasi setengah jenuh koefisien produksi sintesis sel

laju utilisasi substrat spesifik laju utilisasi substrat spesifik maksimum laju kematian endogenous

µ : pertambahan jumlah massa sel melebihi dari inokulum asalnya, yang dilihat berdasarkan jumlah sel, atau turbiditas (diamati pada fasa eksponensial).

µ_max : besarnya laju pertumbuhan produksi

biomassa maksimum pada akhir fasa eksponensial.

K_S : konsentrasi substrat pada saat µ = 0,5 µ_max

Y : nilai produksi biomassa yang terbentuk per unit substrat yang tersisa ketika seluruh energi digunakan untuk sintesis.

q dan q_max : besarnya laju penggunaan substrat (dalam konsentrasi maksium untuk q_max) ketika proses metabolisme sel berjalan.

k_d : kecepatan kematian mikroorganisme ketika

substrat yang tersedia tidak cukup digunakan untuk regenerasi sel.

Kurva Pertumbuhan Monod

Deskripsi Kinetika Biodegradasi

Semakin tinggi konsentrasi substrat, maka laju pertumbuhan akan semakin tinggi sampai mencapai nilai maksimum

y = 0,1246x + 1,377 R² = 0,0322 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 0 0,2 0,4 0,6 0,8 Xm ax S (%)

Perhitungan Kinetika Biodegradasi

0,3 0,5 0,7 0,9 1,1 1,3 1,5 1,7 0 2 4 6 8 10 12 O p ti ca l D en si ty p a d a 6 1 0 n m Waktu (jam) µ Pers. Monod : X Lineweaver-Burk Plotting : µ_max dan K_S X m ax Y k_d q dan q_max S

Latihan

Dari penelitian melalui proses isolasi bakteri tanah, didapatkan bakteri dominan

Pseudomonas putida. Bakteri kemudian dilihat grafik pertumbuhannya selama 12 jam dengan mengukur tingkat kekeruhan (turbiditas) yang tercatat pada spektrofotometer dengan panjang gelombang 610 nm, sehingga didapatkan data sebagai berikut:

Dari data di atas tentukan nilai koefisien biodegradasi bakteri tersebut!

Konsentrasi Substrat (%) t (jam) 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 Optical Density 0 0,765 0,454 0,947 0,94 0,948 0,612 0,858 1 0,903 0,643 1,013 1,093 0,994 0,78 0,953 2 0,929 0,77 1,2 1,152 1,141 0,98 1,094 3 0,837 0,924 1,014 1,101 1,059 0,827 0,995 4 1,039 0,727 1,195 1,441 1,229 0,863 1,147 5 1,172 0,965 1,072 1,224 1,179 1,13 1,252 6 1,045 0,875 1,382 1,317 1,485 1,104 1,182 7 1,218 0,948 1,42 1,515 1,468 1,218 1,551 8 1,406 1,194 1,509 1,603 1,511 1,142 1,547 9 1,482 1,225 1,192 1,595 1,479 1,183 0,974 10 1,436 0,951 0,887 1,616 1,426 1,176 1,113 11 0,871 0,711 0,948 1,093 0,997 1,179 0,884 12 0,766 0,738 0,902 0,923 0,966 0,718 0,855