Biosporpsi Logam Berat dari Air Limbah

Biosporpsi Logam Berat Dari Air Limbah

Dengan Menggunakan Pseudomonas sp

Abstrak

Percobaan biosorpsi terhadap logam berat seperti Cr(VI), Cu(II), Cd(II), dan Ni(II) telah dilakukan dalam penelitian ini dengan menggunakan biomassa non living dari spesies Pseudomonas yang berbeda-beda. Kesesuaian dari persamaan Langmuir dan Freundlich dapat digunakan untuk menguji bisorbent yang berbeda-beda. Koefisien determinasi (R2) dari kedua persamaan tersebut selalu lebih besar dari 0,9. Sebagai contoh, Ni dan Cu mempunyai koeefisien determinasi yang hampir mendekati 1. Hal ini menandakan bahwa kedua persamaan tesebut (Langmuir dan Freundlich) cukup memberikan gambaran/penjelasan mengenai biosorpsi logam berat Ni dan Cu. Kapasitas adsorpsi terbesar/maksimum yaitu Ni, lalu Cd, Cu dan Cr. Dimana konstanta k pada persamaan Freundlich yaitu pada Cd diperoleh data, bahwa Cd mempunyai konstanta paling besar dibandingkan logam lainnya. Penghilangan Cd maksimum mencapai 38% dan penhilangannya akan terus meningkat, dipengaruhi oleh adanya penigkatan Cr. Penghilangan Cu besarnya sama dengan penghilngan Cr(VI), dimana mencapai 93% dari konsentrasi yang ada. Mengenai persamaan rasio kehilangan atas Cd dan Ni, telah ditentukan bahwa sekitar 35-88% dari nilai maksimum dan keduanya dapat ditentukan dengan melakukan pengujian unsur Cd(II) dan Ni(II)/

Artikel

Keberadaan logam berat dalam ekosistem akuatik, telah menyebabkan kerusakan pada biota akuatik, selain itu penanganan logam berat secara biologis dengan cara pemurnian airpun dapat dipastikan dapat membunuh sebagian besar mikroorganisme yang ada dalam ekosistem tersebut. Sebagian besar logam berat larut dalam air dan terdapat dalam bentuk larutan dan akibatnya sulit untuk dipisahkan dengan menggunakan cara pemisahan biasa.

Metode physico-chemical, seperti reaksi kimia, reaksi redoks, perlakuan elektro kimia, evaporative recovery, filtrasi, dan teknologi membran, telah banyak dilakukan sebagai salah satu cara untuk menghilangkan logam berat dari air limbah. Proses ini mungkin termasuk mahal dan kurang efektif, khususnya ketika logam berat tersedia dalam bentuk larutan yang mengandung logam berat dalam jumlah 1-100 mg. Metode biologis seperti biosprpsi/bioakumulasi untuk menghilangkan logam berat terbukti lebih atraktif dan lebih efektif dibandingkan dengan cara fisika-kimia.Mikroorganisme secara aktif mengambil logam berat (bioakumulasi) dan pasif (biosorpsi). Aplikasi metode tersebut dalam skala besar telah menunjukkan bahwa proses bisorpsi lebih dapat dipergunakan dibandingkan proses bioakumulasi,hal ini dikarenakan system kehidupan (pengambilan aktif) selalu membutuhkan tambahan nutrisi dan menyebabkan peningkatan BOD dan COD. Disamping itu, pemeliharaan kesehatan populasi mikroba tergolong sulit karena sudah terpengaruh oleh toxic dari logam berat dan factor lingkungan yang tidak cocok bagi mikroba. Selain itu kemampuan desesorptive logam terbatas, hanya pada saat logam diikat secara intraseluler, kemudian produk metabolitnya diperkirakan mengandung logam berat, untuk menahannya dan dipergunakan dalam model/persamaan matematika ternyata sulit.

Penggunaan absorbent biologist telah muncul sejak dekade yang lalu, sebagai salah satu alternative yang menjanjikan untuk mengelola logam berat. Dikarenakan tidak adanya metode yang rasional untuk memprediksi kemampuan biosorpsi mikroorganisme terhadap logam berat, dan satu-satunya metode untuk identifikasi dan efisiensi biosorbent yaitu dengan cara screening terhadap mikroba secara terus menerus. Biosorpsi logam berat dengan menggunakan sel mikroba telah diakui sebagai salah satu alternative teknologi untuk merehabilitasi air limbah dari bahaya logam berat. Sebagian besar penelitian biosorpsi logam berat telah melibatkan biomassa mikroorganisme.

Sebagian besar mikroorganisme akuatik seperti bakteri, yeast dan alga dapat mengikat logam berat dengan sukses. Penelitian Equllibrium menyatakan bahwa kapasitas absorbent dan hubungan equilibrium, antara absorbent dan absorbate digambarkan sebagai adsorpsi isotherm dimana rasio antara kuantitas adsorbate dan larutan adalah fixed equilibrium at equilibrium. Persamaan Freundlich dan Langmuir isotherm adalah persamaan yang paling mudah dipelajari dan diketahui mempunyai hubungan untuk menggambarkan persamaan adsorpsi. Jadi penelitian ini bertujuan untuk menginvestigasi kemampuan keberlanjutan dari biosorpsi logam berat yang dilakukan oleh Pseudomonas sp.

Bahan dan Cara Kerja

Preparat Biomassa

Empat strain Pseudomonas yang mempunyai kemampuan untuk bertahan dalam mengakumulasi logam berat Cr, Cu, Cd, dan Ni yang berasal dari limbah di lahan pertanian Alexandria, Mesir. Strain tersebut diidentifikasikan sebagai Pseudomonas fluorescens yang tahan terhadap logam Cr, 3 strain lainnya adalah dari spesies P.putida yang resisten terhdap Cu, Cd dan Ni. Strain-strain tersebut dibiakkan dalam media CAA (Casamino Acid Media) yang mengandung Oxoid 5 g/L; K2HPO4 (Merck) and 0.25 g/L MgSO4 (Merck). Ph medium harus 5,5 supaya terjadi pertumbuhan mikroba yang optimum, kecuali jika preculture dibiakkan dalam Erlenmeyer yang ukurannya 100 cm3, harus ditambah dengan CAA sebanyak 20 ml lalu di shaker dengan kecepatan 200 rpm dan inkubasikan dengan suhu 30C.

Sel bakteri dari tiap strain yang resisten terhadap logam berat di centrifugasi pada suhu 25C selama 15 menit, kemudian dicuci dengan air destilasi lau setelah itu sel disuspensikan dalam air deionisasi sampai konsentrasinya 5g/L.

Larutan logam berat

Konsentrasi logam berat yang berbeda-beda disiapkan dengan cara melarutkan garam-garam CuCl2, CdCl2, NiSO4, K2Cr2O7 dengan air deionisasi sampai konsentrasi dari tiap logamnya mencapai angka 1,25/10mmol/L. Sepasang larutan logam disiapkan dari 4 konsentrasi larutan logam pada keadaan rasio equimolar.Semua objek glass sebelum dan sesudah percobaan harus dicuci dengan 0,1M HCl untuk menghindari resiko pengikatan logam berat terhadap objek glass.

Proses Biosorpsi

Larutan logam berat disimpan di glass vessel dan di pompa peristaltic untuk meregulasi aliran larutan logam di dalam reactor. Di bagian lain, hasil adsorpsi logam berat di alirkan melalui vessel dengan cara mengoperasikan pompa peristaltic untuk mengalirkan biomassa dari vessel ke reactor. Pompa meregulasi biomassa dan larutan logam berat yang masuk ke reactor, lalu disesuaikan dengan jumlah aliran yang tersedia. Setelah 20 menit, sample akan terkumpul dan logam berat akan hilang. Percobaan ini dapat dilihat pada gambar 1. Reaktor terdiri atas 0,2 L glassvessel, elektroda pH dihubungkan ke pH meter untuk memonitor pH larutan. Percampuran dilakukan dengan pengaduk magnetic dengan kecepatan 700 rpm.Penentuan konsnetrasi logam berat dalam supernatant

Konsentrasi logam berat ditentukan dengan menggunakan alat atomic absorption spektrofotometeter. Berdasarkan analisis Perkin Elemer 300, penentuan tembaga, krom, kadmium dan nikel dilakukan dengan menggunakan spesificlamp dan specific wavelength untuk setiap logam berat.

Evaluasi Data

Jumlah logam yang dapat diikat oleh biosorbent adalah: Q = v(Ci-Cf)/m

Keterangan : Q adalah logam yang dapat diikat (mg logam per g biosorbent), V adalah volume larutan sample (mg/L), C adalah konsentrasi logam didalam larutan (mg/L), Cr adalah konsentrasi akhir logam dalam larutan (mg/L), m adalah jumlah absorbent yang digunakan.Persamaan Sorption :

Persamaan Langmuir, Q = Q max bCf / 1+bCfQ max adalah jumlah maksimum logam berat yang dapat diserap pada setiap kondisi, b adalah konstanta afinitas antara biosorbent dan sorbate.

Persamaan Linear Langmuir 1/Q= 1/Qmax (1/b Cf +1)Persamaan Freundlich, Q = k Cf (1/n)k dan n adalah konstanta Freundlich yang mnghubungkan antara kapasitas adsorpsi maksimum dengan intensitan adsorpsi.Persamaan Linear Freundlich

Log Q = Log k +1/n Log CfHasilDalam percobaan biosorpsi logam berat dengan menggunakan spesies Pesudomonas yang berbeda-beda, sebagian besar logam berat terpisah dari larutan dengan cepatnya pada 20 menit pertama dan setelah itu tidak ada peningkatan aktifitas pelepasan logam berat dari larutan. Perbandingan sorpsi logam berat dengan menggunakan bisorbent yang berbeda-beda dilakukan pada kondisi lingkungan yang sama (seperti pH, suhu dan kecepatan agitasi dll). Persamaan biosorption equilibrium isotherms dianalogikan dengan adanya pengikatan logam atau Q akan mengeleminasi konsentrasi residu logam yang terdapat dalam larutan. Q versus Cf sorption isotherm dihubungkan dalam persamaan linear Langmuir dan Freundlich. K adalah nilai tertinggi , n nilai terendah sedangkan b adalah nilai afinitas tertinggi biomassa (Asku et al. 1991; Jalaliet al. 2002).Tabel 1, tabel 3 dan table 4 menggambarkan penggabungan data dari persamaan regresi linear Langmuir and Freundlich pada kondisi isotherms untuk biosorpsi terhadap logam Cr(VI), Cu(II), Cd(II) and Ni(II) dengan menggunakan nonliving biomass dari setiap species Pseudomonas sp. Nilai 1/Cf berlawanan dengan nilai 1/Q yang secara langsung berhubungan dengan logam berat Cr(VI), Cu(II), Cd(II) dan Ni(II) baik dalam keadaan ion logam maupun dalam keadaan terikat dalam suatu larutan. Jika nilai dari Log Cf digabungkan dengan nilai Log Q, ternyata menghasilkan garis lurus untuk keempat logam berat tersebut. Nilai Q max (kapasitas adsorption maximum) yang berasal dari persamaan Langmuir isotherm dan Freundlich, sehingga konstanta k dapat ditentukan dari kedua persamaan tersebut .

Seperti yang telah ditampilkan dalam tabel nilai koefisien determinasi (R2) untuk kedua persamaan adalah lebih besar dari 0,9 dan sebagai contoh pada logam Ni(II) dan Cu(II) nilai koefisien determinasinya hampir mendekati angka satu, hal ini menandakan bahwa kedua persamaan tersebut cukup memberikan penjelasan data mengenai percobaan biosorsi terhadap logam berat ini.

Berdasarkan data pada table 1, nilai Qmax dan k dalan biosorption logam berat Cr(VI), menyatakan bahwa keberadaan ikatan yang terjadi dalam ion Cr(VI) memberikan efek antagonis terhadap proses biosorption Cr(VI), sedangkan keberadaan ikatan pada keempat logam lainnya tidak terlalu memberikan efek antagonistic.Pada table 2, dan berdasarkan nilai Qmax dan k, secara jelas menunjukkan biosorption Cu (II) berpengaruh terhadap keberadaan logam berat Cr(VI), sejak keberadaan logam Cr(VI) sebagai salah satu ikatan ion yang berpengaruh cukup besar secara sinergi. Hal ini dapat dijelaskan dalam reaksi oksidasi parsial dan deprotonisasi asam karboksilat serta kelompok phosphate pada membrane terluar yang disebut dengan membrane lipopolysaccharide dengan cara menambahkan K2Cr2O7 sehingga akan meningkatkan biosorpsi logam berat Cu(II) (Geiger 1996; He and Tebo, 1998).Sebaliknya ada tidaknya ion logam Cr dalam proses biosorpsi logam berat Cu (II) ternyata memberikan efek antagonistic yang significant. Sedangkan untuk biosorpsi logam berat Cd(II) dan Ni(II), keberadaan dari ion logam lainnya baik dalam bentuk larutan maupun dalam bentuk terikat memberikan efek antagonistic yang sangat significant sekali pada saat proses biosorpsi berlangsung.Berdasarkan hasil diatas dapat ditarik kesimpulan bahwa, logam berat Cd(II) dan Ni(II) dapat diikat oleh species Pseudomonas sebanyak 500-556 mg/g biomass,. Sedangkan dengan menggunakan spesies lainnya tingkat absorbsi Cu(II) dan Cr(VI) terukur dengan nilai antara 8.9 sampai 238 mg/g biomass.

Penelitian tentang banyaknya logam berat yang dapat diikat dapat dilihat dalam gambar Figure 2, Figure 3, Figure 4 and Figure 5 grafik tersebut menggambarkan pengikatan logam berat dengan jenis logam yang berebda pada kondisi lingkungan yang berbeda pula. Nilai maksimum Cr(VI) yang dapat diikat adalah sebanyak 38%, pengikatan akan meningkat sejalan dengan banyaknya logam berat Cr(VI) yang ada. Secara umum pengikatan Cr(VI) berkisar antara 16 sampai 38%. Dilain kasus pengikatan Cu(II) maksimum terjadi pada saat logam tersebut berikatan dengan Cr(VI) yang mencapai nilai 93%. Rata-rata pengikatan Cu(II) adalah 50 sampai 93%.

Untuk pengikatan logam berat Cd(II) dan Ni(II) mempunyai nilai yang sama yaitu antara 35 sampai 88%.

Hasil tersebut ditetapkan berdasarkan jumlah metal yang dapat diikat baik dalam bentuk larutan maupun dalam bentuk ion (Chang and Hong, 1994; Figueira et al. 1997; Utigikar et al. 2000). Liu et al. 2003 menemukan bahwa biosorption maksimal untuk logam berat Cu(II) adalah 39.84 mgCu(II)/g dengan menggunakan Thiobacillus thiooxidans pada pH 5.0. Volesky et al. 1999 meneliti dengan luas tentang biomassa Sargassum seaweed yang dapat mengadsorspsi logam berat dengan baik. Mereka menggabungkan 3 species Sargassum biomass dalam proses adsorpsi Cd dan Cu yang berasal dari larutan. Pengikatan Cd optimum terjadi pada pH 4.5 dengan nilai qmax = 87 mg/g for Sargassum vulgare, 80 mg Cd/g for S. fluitans, dan 74 mg/g for S. filipendula. Pengikatan Cu pada pH 4.5 dengan menggunakan bakteri S. vulgare menghasilkan qmax = 59 mg/g sedangkan dengan menggunakan bakteri S. filipendula qmax= 56 mgCu/g for dan menggunakan bakteri S. fluitans qmax=51 mg Cu/g. Berdasarkan penelitian adsorption logam Ni dan Cd yang dilakukan Kaewchai and Prasertsan, 2002 dengan menggunakan E. agglomerans SM 38 dan dapat diketahui bahwa pada pH optimum dapat mengadsorpsi berturut-turut 25.2% dan 32%. Sedangkan B. subtilis WD 90 dapat mengadsorpsi berturut-turut 27% dan 25%.