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

Tanah, Penerbit ITB, Bandung.

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

Biologis

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

Arthropoda

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.

Nocardia sp. Rhodococcus sp. Acinetobacter 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

tanah.

Beberapa jenis jamur yang diidentifikasi dapat mendegradasi zat

pencemar di dalam tanah:

Aspergillus niger Cunninghamella elegans Pestalotia sp.

Bjerkendera sp. Tremetes versicolor Neurospora crassa

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.

Cylindrotheca sp. Amphora sp. Chlorella sorokiana

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

atau proses secara termodinamik yang paling mudah.

Faktor-Faktor yang Mempengaruhi Proses Biologis

Mikro-

organisme

Substrat

dan

Nutrien

Penerima

Elektron

Faktor

Lingkungan

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, NO

3

-, SO

4

2-, CO

2.

Level energi dari beberapa reaksi redoks:

Sumber: ICSS, 2006.

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

dalam tanah umumnya 10-40°C.

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

substrat atau nutrien melalui membran sel.

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.

Kinetika Reaksi Biodegradasi

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:

Sumber:http://biobakteri.files.wordpress.com/2009/06/kurva.jpg

Fase pertumbuhan bakteri:

Fase yang dianalisis

Proses adaptasi dan

aktivasi isolat

Metode Langsung

Formula :

dengan, 𝜇 = konstanta laju pertumbuhan (jam

-1)

Xt = 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.

Metode perhitungan fase pertumbuhan bakteri:

Kinetika Biodegradasi

Kinetika

Biodegradasi

µ

µmax

KS

Y q

qmax

kd

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).

µmax

: besarnya laju pertumbuhan produksi

biomassa maksimum pada akhir fasa eksponensial.

KS : 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 qmax

: besarnya laju penggunaan substrat

(dalam konsentrasi maksium untuk qmax

) ketika

proses metabolisme sel berjalan.

kd : 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

Op

tica

l D

en

sity

pa

da

61

0 n

m

Waktu (jam)

µ

Pers. Monod :

X

Lineweaver-Burk

Plotting :

µmax

dan

KS

Xm

ax

Y

kd

q

dan

qmax

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