PENENTUAN NILAI KINETIKA BIODEGRADASI ME

(1)

PENENTUAN NILAI KINETIKA BIODEGRADASI MELALUI

KURVA PERTUMBUHAN BAKTERI

BACILLUS Sp

. DENGAN

METODE PENGUKURAN

TURBIDITAS-SPEKTROFOTOMETRI

THE DETERMINATION VALUE OF THE BIODEGRADATION

KINETICS BY

BACILLUS Sp.

GROWTH CURVE WITH

MEASUREMENT TURBIDITY-SPECTROPHOTOMETRIC

METHOD

Fahrudin Hendro Priyono1, Muhammad Nofal2

Departemen Teknik Sipil dan Lingkungan, Institut Pertanian Bogor, Jln. Kamper, Kampus IPB Dramaga, Bogor, 16680

adien.hendro@gmail.com, muhammadnofal23@gmail.com

Abstrak : Biodegradasi kinetika digunakan untuk memprediksi konsentrasi dari bahan kimia yang tersisa pada waktu yang diberikan selama proses bioremediasi ex-situ dan in-situ. Percobaan ini bertujuan untuk menentukan nilai kinetika biodegradasi untuk melihat efektivitas bakteri dalam proses remediasi tanah. Metode yang digunakan dalam percobaan ini adalah metode tidak langsung melalui pengukuran tingkat kekeruhan (turbiditas). Percobaan menggunakan bakteri Bacillus sp sebagai bakteri pendegradasi oli, sedangkan konsentrasi oli yang digunakan berbeda-beda, yaitu 1,5%, 3%, dan 5%. Kurva hasil percobaan menunjukkan bahwa jumlah bakteri selalu berubah. Grafik hasil percobaan menunjukkan bahwa jumlah bakteri terbanyak terdapat dalam konsentrasi oli 4,5 %. Sedangkan jumlah bakteri paling sedikit berada pada konsentrasi oli 1,5 %. Melalui persamaan Monod, dapat diperoleh rata-rata laju pertumbuhan bakteri pada percobaan, yaitu 0,16133/menit. Laju pertumbuhan bakteri tercepat berada pada konsentrasi oli 3 % yaitu 0,3131/menit, sedangkan laju pertumbuhan paling lambat berada pada konsentrasi oli 4,5 % yaitu 0,0529/menit.

Kata kunci : Bacillus sp, Biodegradasi, Monod, Turbiditas

Abstract : Biodegradation kinetics are used to predict the concentrations of the chemicals remaining at a given time during the ex-situ bioremediation and in situ . This experiment aims to determine the kinetics of biodegradation value to see the effectiveness of the bacteria in the soil remediation process . The method used in this experiment is the indirect method by measuring the turbidity (turbidity) . Experiments using the bacterium Bacillus sp as oil degrading bacteria , while the concentration of oil used is different , namely 1.5 % , 3 % , and 5 % . Curve experimental results show that the number of bacteria is always changing . Graph the results of the experiment showed that the highest number of bacteria present in the oil concentration of 4.5 % . While the number of bacteria is at least 1.5 % oil concentration . Through the Monod equation , can be obtained by the average growth rate of bacteria in the experiment , ie 0.16133 / min . The fastest rate of bacterial growth is at 3 % oil concentration is 0.3131 / min , while the slowest growth rate is at 4.5 % oil concentration is 0.0529 / min .

Keywords : Bacillus sp , Biodegradation , Monod , Turbidity

PENDAHULUAN

(2)

bioessei. Oleh karena itu, keberhasilan biodegradasi didasarkan pada pengukuran senyawa kimia, contohnya kehilangan molekul induk, tampilan produk mineralisasi, atau hilangnya senyawa lainnya menggunakan stokiometri selama proses bio-degradasi berlangsung, misalnya, akseptor elektron. Ada beberapa skenario ketika senyawa pencemar dapat ditransformasi secara biologi, yaitu ketika beberapa senyawa bekerja sebagai sumber karbon dan energi, akseptor elektron, dan sumber komponen sel lainnya (Okpokwasili 2005).

Tujuan dari percobaan ini adalah tujuan membuat kurva pertumbuhan bakteri petrofilik, menentukan nilai kinetika biodegradasi untuk melihat efektivitas bakteri dalam proses remediasi tanah.

TINJAUAN PUSTAKA

Ide kinetika pertumbuhan mikroba telah didominasi oleh satu model empiris yang pada awalnya diusulkan oleh Monod. Persamaan Monod memperkenalkan konsep yang membatasi substrat pertumbuhan.

(1)

Untuk memperoleh nilai µmax dan Ks pada Persamaan Monod, ada beberapa

metode plotting melalui proses linearisasi data. Metode tersebut adalah Lineweaver-Burk Plot, Eadie-Hofstee Plot, dan LangmuirPlot (Doran 1996).

Metode Lineweaver-Burk Plot menggunakan prosedur linierisasi untuk memberikan plot garis lurus sehingga µmax dan Ks dapat ditentukan. Inversi dari

persamaan 1 menghasilkan:

(2)

Jika Persamaan 2 dikalikan dengan faktor µ(µmax/Ks) dan disusun kembali,

bentuk lain dari Persamaan Monod akan diperoleh persamaan metode Eadie-Hofstee Plot :

(3)

Hasil perkalian persamaan 3 dengan koefisien S menghasilkan bentuk lain dari Persamaan Monod berdasarkan Langmuir Plot.

(4)

Selain Persamaan Monod, ada beberapa pendekatan persamaan lain dalam

memperhitungkan kinetika biodegradasi untuk mengamati pertumbuhan

mikroorganisme yang dibatasi oleh substrat. Persamaan tersebut yaitu (Schuler 2002), Persamaan Tessier, Persamaan Moser, dan Persamaan Contois.

Persamaan Contois :

(5)

(3)

METODOLOGI PERCOBAAN

Percobaan kesadahan total dilakukan di Laboratorium Polusi dan Kualitas Udara IPB pada tanggal 21 Maret 2014. Alat-alat dan bahan-bahan yang digunakan adalah spektrofotometer, rotary shaker, pipet volumetrik, neraca analitik, bakteri Bacilllus sp. dalam media cair, dan Oli bekas. Percobaan ini menggunakan metode tidak langsung melalui pengukuran turbiditas. Pengukuran turbiditas dilakukan setiap beberapa interval waktu sesuai dengan kondisi populasi bakteri di dalam contoh uji hingga fase stasioner diperoleh. Alat spektrofotometer menggunakan panjang gelombang 610 nm. Meningkatnya nilai Optical Density (OD) kekeruhan diharapkan akan meningkatkan massa sel. Nilai konstanta laju pertumbuhan (µ) didapat dengan memplotkan nilai OD pada fase ekponensial sehingga dengan menggunakan analisis least square correlation dihasilkan kemiringan (slope) sebagai nilai µ. Nilai µ berfungsi sebagai parameter dasar untuk mengetahui nilai kinetika biodegradasi lainnya. Umumnya, nilai kinetika tersebut diperoleh berdasarkan hasil regresi linear data.

Langkah awal yang dilakukan dalam percobaan adalah oli bekas dimasukkan sebagai substrat dengan konsentrasi 1,5 %, 3%, dan 4,5% ke dalam masing-masing wadah penampung (erlenmeyer/botol vial, dan lain-lain). Kemudian, kultur tercampur media cair dimasukkan sekitar 10-20 ml. Lalu, nilai optical density

kultur tercampur bakteri dihitung menggunakan alat spektofotometri dengan panjang gelombang 610 nm. Penghitungan nilai optical density dilakukan setiap 10 menit selama 3 jam. Setelah data perhitungan diperoleh, kurva pertumbuhan dibuat untuk menentukan laju pertumbuhan bakteri (µ). Nilai dipilih hanya berdasarkan pada

kondisi fase ekponensial. Kemudian, nilai kinetika biodegrasi ditentukan sesuai dengan Persamaan Monod, Persamaan Lineweaver-Burk Plot, Persamaan Eadie-Hofstee Plot, Persamaan LangmuirPlot, dan Persamaan Contois.

PEMBAHASAN

Berdasarkan hasil pecobaan diperoleh beberapa grafik dalam menentukan nilai kinetika biodegradasi. Grafik tersebut diperoleh dari beberapa persamaan yaitu persamaan Monod, plotting Eadie-Hofstee, Langmuir, dan Lineweaver-Burk. Masing-masing persamaan tersebut memiliki fungsinya sendiri dalam menghitung parameter biodegradasi. Parameter biodegradasi ada tujuh, yaitu laju pertumbuhan bakteri (µ), laju pertumbuhan maksimum (µ maks), konstanta substrat (Ks), sintesis sel bakteri (Y), nilai uitilisasi (q), nilai utilisasi maksimum (q maks), dan kematian endogenus mikroba (Kb).

(4)

Gambar 1. Perbandingan Grafik Laju Pertumbuhan Bakteri

Grafik perbandingan tersebut menunjukkan bahwa laju pertumbuhan bakteri tertinggi berada pada konsentrasi 4,5 %, sedangkan laju pertumbuhan bakteri terendah ada pada konsentrasi oli 1,5 %. Pada konsentrasi 1,5 % relatif konstan dan hanya mengalami sedikit peningkatan pada menit-menit akhir menjelang 130 menit. Pada konsentrasi oli 3%, pertumbuhan bakterinya turun secara signifikan pada menit ke 10 dan menit ke 30, sehingga pada menit tersebut jumlah bakterinya sama dengan jumlah bakteri pada konsentrasi oli 1,5 %. Sedangkan pada konsentrasi oli 4,5 %, hanya mangalami sedikit penurunan pada menit ke 10, namun selanjutnya pertumbuhan bakteri relatif stabil.

Dalam grafik laju pertumbuhan bakteri terdapat beberapa fase pertumbuhan bakteri. Fase-fase pertumbuhan tersebut dapat dilihat dari tabel atau grafik. Penentuan fase-fase tersebut diperoleh dari rata-rata tingkat kekeruhan yang diukur oleh turbidimeter sebanyak 3 kali pengulangan. Hasil rata-rata tersebut dapat dilihat pada tabel di bawah ini,

Table 1. Rata-rata Pertumbuhan Bakteri

(5)

Berdasarkan tabel di atas dapat diketahui fase lag, stasioner, dan kematian dari bakteri Bacillus sp. Pada konsentrasi 1,5 % tidak mengalami fase kematian, sedangkan fase eksponensial dimulai dari menit 0 sampai menit ke 110. Menit ke 120 dan menit ke 130 bakteri mengalami fase stasioner dengan jumlah, setelah mencapai jumlah maksimum bakteri tidak mengalami penurunan jumlah. Hal tersebut merupakan penyebab bakteri Bacillus sp. tidak mengalami fase kematian. Pada konsentrasi 3 % fase ekponensial terjadi dari menit 20 sampai menit ke 80. Menit ke 0 sampai 10 mengalami penurunan jumlah, sehingga tidak masuk ke dalam fase eksponensial. Fase stasioner terjadi pada menit ke 90. Sedangkan pada konsentrasi oli 4,5 % fase eksponensial berawal dari menit ke 20 sampai menit ke 100, pada menit 110 mengalami fase stasioner, setelah itu jumlahnya menurun atau fase kematian. Laju pertumbuhan bakteri (µ) yang diperoleh dari tabel di atas dapat dibuat grafik seperti di bawah ini,

Gambar 2. Grafik Pertumbuhan Bakteri Pada Konsentrasi 1,5 %

Dari persamaan linear grafik di atas diperoleh nilai µ yaitu 0,118. Nilai tersebut mengindikasikan bahwa laju pertumbuhan bakteri pada konsentrasi oli 1,5 % yaitu 0,118 /menit. Sementara itu grafik laju pertumbuhan bakteri pada konsentrasi 3 % dapat dilihat di bawah ini.

y = 0.118x + 123.4

120.00 122.00 124.00 126.00 128.00 130.00 132.00 134.00 136.00 138.00 140.00

(6)

Gambar 3. Grafik Pertumbuhan Bakteri Pada Konsentrasi 3 %

Grafik di atas memiliki gradient garis (m) 0,3131, sehingga dapat diperoleh laju pertumbuhan bakteri µ 0,3131/menit. Nilai tersebut merupakan laju pertumbuhan tercepat di antara laju pertumbuhan pada konsentrasi yang lain. Hal itu dapat dibuktikan dalam grafik di bawah ini,

Gambar 4. Grafik Laju Pertumbuhan Bakteri Pada Konsentrasi 4,5 %

Pada grafik di atas dapat diketahui bahwa laju pertumbuhan bakteri pada konsentrasi oli 4,5 % 0,0529/menit. Laju tersebut merupakan laju pertumbuhan terendah di antara laju pertumbuhan yang lain. Laju pada konsentrasi ini sangat lambat karena kandungan konsentrasi olinya paling banyak, sehingga terjadi penumpukan racun, selain itu hal tersebut juga akan menimbulkan jumlah kematian bakteri lebih banyak (Metcalf & Eddy 2003).

Walaupun mengalami jumlah kematian yang banyak, setiap fase pasti mengalami laju pertumbuhan maksimum (µ maks). µ maks dapat diperoleh dari persamaan plotting (Lineweaver-Burk, Langmuir, dan Eadie-Hoftsee). Persamaan plotting

y = 0.3131x + 152.61

0 50 100 150 200 250

0 20 40 60 80 100 120 140

y = 0.0529x + 271.93

264 266 268 270 272 274 276 278 280 282 284

(7)

tersebut dilakukan pada setiap konsentrasi oli. Di bawah ini adalah hasil perhitungan dengan menggunakan persamaan Linewearver-Burk,

Gambar 4. Grafik Plotting Lineweaver-Burk

Gradien persamaan garis di atas adalah 14,394 yang tidak lain merupakan nilai Ks/ µ maks. Persamaan ini digunakan untuk mendapatkan nilai Ks dan µ maks. Nilai Ks dan µ maks dari persamaan Linewear adalah 0,8965431 dan 0,0622859. Selain persamaan ini, persamaan Eadie dan Langmuir juga digunakan untuk mencari nilai Ks dan µ maks. Namun, sebelumnya harus dibuat grafik dari masing-masing persamaan tersebut terlebih dahulu. Grafik persamaan Eadie-Hoftsee dapat dilihat di bawah ini,

Gambar 5. Grafik Plotting Eadie-Hoftsee

Berdasarkan grafik di atas nilai Ks/µ maks dapat diketahui yaitu 0,3042, sehingga nilai Ks dan µ maks dapat dihitung dan hasilnya adalah 3,287311 dan 0,0519395. Plotting persamaan ini memiliki tingkat ketelitian yang lebih tinggi dari pada persamaan Linewear, karena persamaan Eadie dapat mendistorsi kesalahan data. Sementara itu untuk grafik persamaan Langmuir dapat dilihat di bawah ini,

y = -14.394x + 16.055

0 5 10 15 20

0 0.2 0.4 0.6 0.8

1/

µ

1/S

y = 0.3042x + 0.0158

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12

0 0.1 0.2 0.3 0.4

µ

/S

(8)

Gambar 6. Grafik Plotting Langmuir

Grafik persamaan Langmuir di atas memiliki nilai Ks yaitu -1,516212 dan µ maks sebesar 0,0414628. Berdasarkan persamaan-persamaan di atas dapat diketahui bahwa nilai Ks (Konstanta Substrat) maksimum terdapat pada perhitungan metode Eadie-Hoftsee yaitu 3,287311, sedangkan Ks terendah terdapat pada hasil perhitungan metode Langmuir yaitu -1,516212. Laju pertumbuhan maksimum (µ maks) tertinggi terdapat pada persamaan Linewear-Burk yaitu 0,062285, sedangkan laju pertumbuhan maksimun terendah terdapat pada persamaan Langmuir yaitu 0,0414628. Setelah mendapatkan nilai µ maks dan Ks, maka data yang harus dihitung adalah sintesis sel bakteri (Y). Nilai Y dapat dihitung dengan menggunakan persamaan Contois, dan hasil perhitungan menunjukkan bahwa nilai Y adalah 47,667. Parameter selanjutnya yang dihitung adalah nilai utilisasi (q). Nilai q pada masing-masing konsentrasi oli berbeda-beda. Pada konsentrasi 1,5 % memiliki nilai q 0,0024755, konsentrasi 3 % nilai q 0,0065685, sedangkan nilai q pada konsentrasi 4,5 % yaitu 0,011098. Parameter terakhir yang harus dihitung adalah kematian endogenus mikroba (Kd). Berdasarkan hasil perhitungan, nilai Kb yang diperoleh adalah -0,7049. Hal ini menyebabkan garis liner Kb berada di bawah (negatif), selain itu dalam persamaan gradient nilai Kb merupakan nilai konstanta (C).

SIMPULAN

Grafik pertumbuhan bakteri menunjukkan bahwa pertumbuhan bakteri tertinggi terdapat pada oli berkonsentrasi 4,5 %, sedangkan pertumbuhan bakteri terendah terdapat pada oli berkonsentrasi 1,5 %. Tingkat laju pertumbuhan (µ) tertinggi terdapat pada konsentrasi oli 4,5 % menit ke-110.

Saran

Metode pengukuran bakteri seharusnya menggunakan prinsip Total Plate Count, sehingga bakteri yang sudah mati tidak akan terhitung, selain itu juga dapat mempermudah menentukan laju pertumbuhan bakteri beserta fase-fasenya.

y = 24.118x - 36.568

-20 0 20 40 60 80 100

0 2 4 6

S

/µ

(9)

Daftar Pustaka

Doran P. M 1995. Bioprocess Engineering Principle. Oxford: Academic Press Okpokwasili G. C, Nweke C. O. 2005. Microbial Growth and Substrate Utilization

Kinetics. African Jurnal of Biotechnology, Vol. 5 (4), 305-317.

Schuler M. L, Kargi F. 2002. Bioprocess Engineering Basic Concepts. New Jersey: Prentice Hall.

(10)

Lampiran

Tabel Perhitungan Linewear Burk Plotting

1/µmaks µmaks Ks/µmaks Ks q q maks Y 16.055 0.0622859 14.394 0.8965431 0.0024755 0.0013067 47.667

0.0065685

0.0011098 µ S 1/µ 1/S

0.118 1.5 8.4745763 0.6666667 0.3131 3 3.1938678 0.3333333 0.0529 4.5 18.903592 0.2222222 Xmaks S

138 1.5 201 3 282 4.5

Tabel Perhitungan Eadie Hoftsee

µ S µ/S 0.118 1.5 0.0786667 0.3131 3 0.1043667 0.0529 4.5 0.0117556