Bioremediasi

Bioremediasi adalah proses dimana material organik berbahaya secara

biologi didegradasikan, biasanya menjadi material tidak berbahaya seperti

karbon dioksida, metan, air, garam anorganik, biomassa, by-product yang lebih

sederhana dibandingkan senyawa awalnya (Anderson, 1995). Mikroorganisme

mungkin memperoleh karbon dan energi yang dibutuhkan untuk

pertumbuhannya melalui biodegradasi kontaminan organik, atau

mentransformasikan senyawa kompleks, kimia sintetik melalui kometabolisme.

Bioremediasi juga dapat didefinisikan sebagai aplikasi dari prinsip proses

biologi untuk pengolahan air tanah, tanah, dan lumpur yang terkontaminasi oleh

bahan kimia berbahaya (Cookson, 1995). Hanya ada sedikit perbedaan antara

prinsip desain dari proses biologi air limbah dengan prinsip desain terhadap

proses bioremediasi dari bahan kimia berbahaya.dalam aplikasinya biasanya

proses bioremediasi lebih rumit karena proses ini menggunakan katalis (enzim)

yang disuplai oleh mikroorganisme untuk mengkatalis penghancuran senyawa

berbahaya spesifik. Senyawa berbahaya dapat berupa substrat namun dapat juga

berupa non substrat. Reaksi kimia katalisasi ini disalurkan di dalam unit

modular (sel) atau di luar sel. Reaksi utama adalah reaksi oksidasi-reduksi yang

sangat penting bagi pengumpulan energi bagi mikroorganisme.

Beberapa senyawa kimia berbahaya yang resisten terhadap degradasi, seperti

kelompok terklorinasi misalnya trichloroethylene dan polychlorinated biphenyls

(PCBs), telah menunjukkan mampu untuk dibiodegradabel, setidaknya pada

kondisi laboratorium. Senyawa lain yang menjadi target bioremediasi mencakup

(1) larutan sepeti aseton dan alkohol, (2) senyawa aromatik seperti benzene,

toluene, ethylbenzene, dan xylene yang lebih dikenal sebagai BTEX, sama

seperti hidrokarbon aromatik polisiklik (PAH), dan chlorobenzene, (3) nitro-

dan chlorophenol, dan (4) pestisida (Skladany, 1992). Diantara kontaminan

yang sering ditemukan dalam tanah dan air tanah adalah hidrokarbon aromatik

seperti BTEX, yang dihasilkan dari tumpahan dan kebocoran, dan alifatik

terklorinasi seperti tetrakloroetilen atau perkloroetilen (PCE), trikloroetilen

(TCE), dan 1,1,1-trikloroetana, yang biasanya digunakan pada industri untuk

proses degreasing (McCarty, 1991). Bioremediasi yang berhasil ditandai

dengan adanya penurunan persen reduksi konsentrasi kontaminandalam tanah

dan air tanah.

Ada beberapa faktor yang mempengaruhi efektivitas bioremediasi yaitu faktor

lingkungan, fisik, dan kimia. Faktor lingkungan diperlukan untuk menyiapkan

kondisi yang optimum pada pertumbuhan mikroorganisme yang akan

mempengaruhi reaksi bioremediasi. Faktor lingkungan dapat berupa temperatur,

pH, alkalinitas, nutrien, oksigen, dan kadar air. Faktor fisik yang mempengaruhi

kinerja bioremediasi adalah avaibilitas kontaminan, keberadaan air, dan

akseptor elektron. Sedangkan faktor kimia yang paling penting adalah struktur

kimia kontaminan.

Aplikasi bioremediasi telah banyak diterapkan pada tiga jenis utama limbah

berbahaya. Menurut U.S. EPA maka distribusi aktivitas bioremediasi dengan

kategori kimiawi adalah 33% untuk limbah perminyakan, 28% untuk creosote,

22% untuk larutan, 9% untuk pestisida, dan 8% untuk limbah lain-lain. Limbah

lain-lain mencakup fasilitas industri yang bercampur dengan kontribusi kimia

(Cookson, 1995).

B. Mengapa Bioremediasi Itu Penting?

Kualitas hidup kita secara langsung berhubungan dengan kebersihan dan

kesehatan lingkungan. Kita ketahui bahwa lingkungan kimia dapat

mempengaruhi genetik kita dan beberapa bahan kimia bisa bertindak sebagai

penyebab mutagen pada manusia. Oleh sebab itu, ada alasan untuk

diperhatikan tentang dampak kimia jangka pendek maupun jangka panjang dan

dampak lingkungan kimia pada manusia dan organisme lain.

Menurut perkiraan, lebih dari 200 milyar materi yang berbahaya dihasilkan oleh

Amerika setiap tahun. Kecelakaan, seperti tumpahan bahan kimia bisa dan

memang terjadi, tapi kejadian seperti ini diatasi dan dibersihkan secara cepat

untuk meminimalkan dampaknya pada lingkungan. Masalah lain, yaitu praktek

penimbunan ilegal secara langsung gudang penyimpan bahan kimia yang

mungkin akan bocor sehingga menyebabkan tempat menjadi terkontaminasi.

Pada tahun 1980, kongres menetapkan program superfund sebagai salah satu

inisiatif dari badan perlindungan lingkungan (EPA) untuk menindak ketidak

pedulian dan berbagai kelalaian langsung dari tumpukan dan tumpahan bahan

kimia, sebaiknya dilakukan pemfokusan pada bagaimana polusi ini mungkin

mempengaruhi kesehatan manusia dan lingkungan. Maksud dasar dari

program superfund ini adalah untuk menempatkan dan membersihkan tempat

sampah yang berbahaya untuk melindungi kota USA dari area yang

terkontaminasi. Melalui cara ini anda juga bisa memeriksa pencemaran

lingkungan dimana anda tinggal yang merupakan prioritas dari daftar superfund

untuk dibersihkan.

Kita ketahui bahwa polusi adalah masalah serius yang bisa mempengaruhi

kesehatan manusia, dan bioremediasi merupakan pendekatan penting untuk

pembersihan lingkungan. Bagaimanapun banyak cara untuk membersihkan

polusi dengan menggunakan teknik bioremediasi? Melalui cara fisik kita dapat

memindahkan materi pengkontaminasi seperti minyak atau sifat kimia polusi,

tapi proses ini sangat mahal. Kaidah terbesar dari bioremediasi adalah

keseluruhan pendekatan bertujuan untuk mengubah polusi berbahaya menjadi

materi yang relatif tidak berbahaya, seperti karbon dioksida, klorida, air, dan

molekul organik sederhana. Karena kehidupan organisme digunakan sebagai

pembersih, proses bioremediasi pada umumnya lebih bersih jika dibandingkan

dengan jenis strategi pembersihan yang lain dan tidak mengganggu lingkungan.

DASAR BIOREMEDIASI

A. Komponen Lingkungan Yang Memerlukan Bioremidiasi

Tanah, udara, air, dan sedimen (gabungan tanah dengan pelapukan tanaman

dan hewan dalam satu tempat didasar air) semuanya mempengaruhi lingkungan

lewat polusi. Tanah, air, dan sedimen merupakan bagian dari lingkungan yang

membutuhkan pembersihan melalui bioremediasi, lewat perkembangan

boiremediasi terbaru yang sedang dikembangkan untuk mendeteksi dan

membersihkan polusi udara pada masing-masing area menunjukkan

kekomplekannya untuk dibersihkan, karena pendekatan bioremediasi yang

digunakan tergantung pada kondisi tempatnya. Sebagai gambaran, pendekatan

untuk pembersihan minyak bisa sangat berbeda dengan cara yang digunakan

untuk membersihkan air.

Polusi bisa memasuki lingkungan dengan banyak cara dan mempengaruhi

bermacam-macam komponen lingkungan. Polusi bisa memasuki lingkungan

melalui bocornya sebuah tangki, kecelakaan truk, atau pecahnya tangki kimia

dari suatu industri. Sebuah contoh tumpahnya tangki kimia di industri tanaman,

jika jumlah bahan kimia yang dilepaskan serta kebocoran tangki tidak terdeteksi

dalam waktu yang lama, maka bahan kimia mungkin akan berpindah ke dalam

tanah, dan jika diikuti dengan hujan lebat, maka bahan kimia yang sama dapat

menghasilkan “run-off” yang bisa mengkontaminasi suplai air permukaan yang

berdekatan seperti kolam, danau, jurang dan sungai. Bahan kimia juga dapat

tumpah lewat lubang bawah tanah yang disebutleachate. Leachate bisa

menyebabkan kontaminasi pada lapisan sub-tanah yang dinamakan air bawah

tanah yang merupakan sumber dari air minum.

Bahan kimia juga bisa memasuki lingkungan melalui pelepasan polusi pada

udara, yang mana ditangkap oleh awan dan mengkontaminasi permukaan air

dan juga air bawah tanah pada saat hujan. Polusi dari industri, pembukaan lahan

baru, penimbunan secara ilegal, peptisida yang digunakan dalam pertanian dan

penggalian bahan tambang juga memberikan kontribusi pada polusi lingkungan.

Karena pendekatan bioremediasi digunakan untuk pembersihan polusi yang

tergantung pada kondisi lingkungan, sehingga pembersihan tanah sangat

berbeda dari pembersihan air. Bagaimanapun, penggunaan bioremediasi

tergantung dari jenis bahan kimia yang akan dibersihkan.

B. Bahan Kimia di Lingkungan

Setiap hari materi-materi rumah tangga seperti bahan pembersih, deterjen,

pestisida, pupuk, parfum, dan obat-obatan terkandung dalam limbah kita. Bahan

kimia lain yang berada di lingkungan kita berasal dari proses industri atau hasil

dari kecelakaan. Jumlah bahan kimia dari berbagai sumber yang berbeda,

umumnya menjadi polusi bagi lingkungan. Beberapa bahan kimia ini diketahui

berpotensi sebagai mutagen dan karsinogen (penyebab kanker). Sebagian besar

bahan kimia ini juga diketahui dapat menyebabkan penyakit berbahaya pada

kulit. Secara sederhana,hadirnya polutan-polutan ini membawa pada

ketidakstabilan (kerusakan) pada lingkungan maupun organisme yang hidup

didalamnya.

C. Reaksi Penting Bioremidiasi

Mikroba dapat mengubah beberapa bahan kimia menjadi bahan yang

tidak berbahaya melalui cara metabolisme aerob atau melalui metabolisme

anaerob. Dua macam proses ini merupakan reaksi oksidasi dan reaksi reduksi.

1. Reaksi Oksidasi Dan Reduksi

Oksidasi merupakan perpindahan satu atau beberapa elektron dari suatu

atom atau molekul yang dapat merubah struktur kimia dan bahan dari molekul

tersebut. Dalam hal polutan kimia, oksidasi dapat membuat bahan kimia yang

tidak merugikan dengan cara merubah sifat-sifat kimianya. Reaksi oksidasi

hampir selalu terjadi bersama reaksi reduksi. Selama reduksi, atom atau molekul

mendapatkan satu atau lebih elektron. Karena oksidasi dan reduksi saling

berpasangan, reaksi transfer elektron ini

sering disebut reaksi redoks.

Selama reaksi redoks berlangsung, molekul yang dinamakan agen

oksidasi (yang juga dikenal sebagai elektron akseptor karena memiliki atraksi

yang kuat untuk elektron) yang memindahkan elektron selama proses transfer.

Saat agen oksidasi menerima elektron, mereka tereduksi. Oksigen (O2), besi

(Fe3+), sulfat (SO4-2), dan nitrat (NO3) biasanya terlibat dalam reaksi redoks dari

bioremediation. Reaksi redoks sangat penting untuk beberapa fungsi selular.

2. Biodegradasi Aerob dan Anaerob

a. Biodegradasi aerob

Pada suatu lingkungan, seperti air permukaan dan tanah yang selalu

mengandung oksigen, bakteri aerobik menurunkan tingkat polutan dengan

mengoksidasi campuran kimia. Pada reaksi biodegradasi aerob, O2 dapat

mengoksidasi berbagai macam bahan kimia yang mengandung molekul organik

(yang mengandung atom karbon) seperti produk petrolium. Dalam proses ini,

O2 mereduksi untuk memproduksi air. Mikroba dapat mengurangi lebih lanjut

campuran organik yang teroksidasi menjadi lebih sederhana dan relatif tidak

merugikan, seperti karbon dioksida dan gas metana. Bakteri menurunkan energi

dari proses ini, yang kemudian digunakan untuk lebih banyak sel dan

menambah biomasa. Suatu aerob juga mengoksidasi campuran inorganik

(molekul yang tidak mengandung karbon) seperti logam dan amoniak.

D. Organisme Yang Berperan Dalam Bioremidiasi

Pada banyak tempat, bioremediasi melibatkan kombinasi bakteri aerob

dan anaerob untuk mengurangi kontaminasi di suatu tempat. Tepatnya, bakteri

anaerob biasanya mendominasi reaksi biodegradasi yang lebih dekat pada

daerah yang terkontaminasi, dimana oksigen cenderung lebih jarang digunakan

daripada sulfat, nitrat, besi dan metana sebagai anaerobes penerima elektron.

Lebih jauh dari daerah yang terkontaminasi dimana oksigen banyak tersedia,

bakteri aerob diikutkan dalam biodegradasi.

1. Bakteri.

Kemungkinan bakteri untuk mengurangi bahan kimia yang berbeda,

tergantung pada berbagai kondisi. Temperatur kimia, daerah yang

terkontaminasi, nutrien, dan banyak faktor lain berpengaruh pada efektivitas

dan tingkat biodegradasi. Mikroba metabolisme yang efektif dan digunakan

untuk bioremediasi adalah bakteri indigen yang secara alami ditemukan pada

tempat yang berpolusi. Strain yang berbeda dari bakteri yang

disebut Pseudomonas, yang sangat melimpah di sebagian besar sumber

diketahui dapat mengurangi ratusan bahan kimia yang berbeda. Strain E.

coli (yang umumnya berhabitat dalam usus manusia dan mikroba yang penting

untuk berbagai teknik rekombinan DNA) juga sangat efektif dalam mengurangi

berbagai polutan.

2. Jamur. 

Jamur pengurang sampah seperti phanerochaete chrysosporium dan

phanerochaete sordida dapat mengurangi racun kimia seperti creosote,

pentachlorophenol, dan polutan lain yang tidak dapat di degradasi oleh bakteri.

E. Rangsangan Bioremediasi

Beberapa bakteri asli sangat efektif dalam biodegradasi tergantung dari jenis

polutan. Para ilmuwan menggunakan beberapa strategi untuk membantu

mikroorganisme dalam mengurangi kontaminan. Hal ini tergantung dari

kemampuan mikroorganisme tersebut untuk membuat lingkungan menjadi

bersih, dan mengurangi jumlah polutan kimia.

Memperkaya nutrien (pemupukan), adalah bioremediasi melalui

pendekatan pupuk, semacam fosfor dan nitrogen yang diberikan pada rumput,

yang ditambahkan pada lingkungan yang terkontaminasi untuk menstimulasi

pertumbuhan mikroba asli yang dapat mengurangi polutan. Beberapa

pupuk, wood chips, dan strawmungkin ditambahkan untuk melengkapi mikroba

dengan karbon sebagai pupuk. Pupuk biasanya dibawa ke tempat yang

terkontaminasi dengan memompakannya pada air tanah atau mencampurnya

pada tanah. Konsep dalam pemupukan sangat sederhana. Dengan menambahkan

lebih banyak nutrien, mikroorganisme akan tumbuh dengan cepat dan

menambah tingkat biodegradasi.

Bioaugmentasi (pembibitan), merupakan cara lain untuk menambahkan

bakteri pada daerah yang terkontaminasi untuk membantu mikroba asli dengan

proses biodegradasi. Bioaugmentasi tidak selalu menjadi solusi yang efektif

karena strain mikroba dari laboratorium jarang tumbuh dan ilmuwan harus

yakin bahwa bakteri pembibit tidak akan merusak ekologi lingkungan.

F. Fitoremediasi

Selain melibatkan bakteri, pemanfaatan tanaman juga dapat digunakan

dalam strategi bioremediasi. Strategi ini disebut phytoremediation dengan

langkah pemanfaatan tanaman untuk membersihkan zat-zat kimia dalam air,

tanah dan udara.Tanaman menyerap zat-zat kimia polutan melalui akar-akarnya

seperti pada proses penyerapan air. Sebagai contoh, tanaman bunga matahari

menyerap radioaktif cesium.

telah akar menyerap zat kimia polutan tersebut, sel-sel tanaman akan

mendegradasinya. Konsentrasi zat kimia dalam sel tumbuhan yang

terkontaminasi akan dibuang atau dibakar.

Fitoremidiasi merupakan pendekatan bioremediasi yang efektif, murah, dan

mudah. Penanaman tanaman selain dapat mengurangi polusi juga dapat

membersihkan lingkungan dalam waktu yang sama.

MACAM-MACAM TEKNIK BIOREMIDIASI

A. Bioremidiasi Tanah

Terdapat 2 cara pembersihan tanah, yaitu:

1. Bioremediasi ex situ : Metode ex situ adalah metode yang digunakan pada limbah yang telah dipindahkan dari lokasi pencemaran awal kedalam bioreaktor terbuka atau tertutup. Liquid, solid, dan gas biasanya cocok dengan metode ex situ ini.

Bioreaktor ini di desain agar dapat menyelesaikan dua permasalahan. Pertama, bakteri harus dapat dikontakkan dengan kontaminan untuk memperpanjang periode agar waktu yang ada mampu memaksimalkan reaksi biokimia. Kedua, desain yang dibuat harus benar-benar diyakinkan bahwa mampu terjadi transfer oksigen pada bakteri (Anderson, 1995).

Pada umumnya reaktor ex situ ini dilakukan untuk bioremediasi tanah yang terbagi dalam dua kategori utama, yaitu pengolahan fase slurry dan pengolahan fase solid. Pengolahan fase slurry meliputi pemeliharaan tanah terkontaminasi atau lumpur sebagai slurry yang encer. Pengolahan bio fase solid meliputi land treatment, soil-pile treatment, dan pengomposan.

2. Bioremediation in situ : Pada proses bioremediasi tanah secara in situ

maka dibutuhkan transfer oksigen, dan ketersediaan nutrien yang

memungkinkan, melalui volume kontaminan. Ketika kontaminannya berupa

volatil (seperti tumpahan gasolin) maka pengolahan metode soil venting dan

ex situ dapat diterapkan. Proses ini situ lebih cocok diterapkan pada

bioremediasi lahan yang tidak jenuh. Keuntungan metode in situ adalah lahan

yang dipakai dapat diminimasi.

Bioremediation in situ, merupakan metode yang lebih sering digunakan

karena lebih murah, tanah dan air tidak tergali atau terpompa ke luar area, area

tanah yang terkontaminasi dapat dibersihkan pada satu waktu. Pembersihan

secara in situ ini mengandalkan peningkatan mikroorganisme dalam tanah atau

air. Metode yang digunakan sering melibatkan bioventing, memompa udara lain

atau hidrogen peroksida (H2O2) ke dalam tanah yang terkontaminasi.

H2O2 sering digunakan karena mudah mengembangkan mikroba-mikroba

penghasil oksigen. Pupuk juga dapat ditambahkan ke dalam tanah tersebut

untuk meningkatkan pertumbuhan dan menurunkan aktivitas bakteri.

Pembersihan dengan cara ini lebih efektif di tanah berpasir dan tidak kompak

terdapat mikroorganisme dan dapat menyebar dengan cepat. Bioremediation in

situ tidak cocok untuk tipe tanah berlempung dan berbatu.

Teknik/ cara bioremidiasi ex situ:

1. slurry-phase bioremediation. yaitu memindahkan tanah yang

terkontaminasi ke tempat lain dan mencampurnya dengan air dan pupuk

ke dalam bioreaksi yang besar dimana mikroorganisme dapat diamati dan

dikontrol.

2. solid-phase bioremediation. Proses ini lebih memakan waktu

daripada slurry-phasedan membutuhkan tempat yang lebih besar, namun

merupakan cara yang paling baik untuk menurunkan zat kimia tertentu.

a.  Composting. adalah proses aerob secara biologi solid organik yang

basah dioksidasi secara biologi menjadi bentuk stabil seperti humus.

Kompos yang memiliki konsentrasi organik tinggi dan secara relatif

memiliki kelembaban rendah akan menghasilkan akumulasi substansial

dari panas yang dihasilkan selama biodegradasi. Temperatur yang

digunakan sering melebihi 55°C. Temperatur yang tinggi ini bermanfaat

untuk membunuh organisme patogen namun juga menyediakan bagi

lingkungan jumlah degradasi senyawa berbahaya secara cepat.

Pada komposting ini, materi yang terkontaminasi dicampur

dengan bulking agentorganik, seperti pupuk, dan dibentuk dalam

gundukan atau windrow. Bulking agent ini membantu meningkatkan

porositas untuk memfasilitasi aliran udara dan pelepasan energi selama

degradasi organik yang ditandai dengan meningkatnya suhu pada sistem

gundukan tersebut. Air ditambahkan secara periodik dan gundukan

diaduk pada interval waktu yang teratur (biasanya setiap minggu).

Dapat digunakan untuk menurunkan kotoran dalam tanah

terkontaminasi dengan menambahkan timbunan, jerami, rumput dan

materi-materi lain untuk mengembangkan nutrisi bagi bakteri yang dapat

membersihkan zat-zat kimia dari tanah tersebut.

b. Land farming. adalah salah satu metode yang sering digunakan oleh

petani untuk mendekomposisikan limbah organik yang tidak berbahaya.

Metode tersebut meliputi aerasi dan pencampuran tanah terkontaminasi

dengan tilling,penambahan nutrien (dalam beberapa kasus disertai

penambahan mikroorganisme), dan pengontrolan kadar air dengan

penambahan air secara periodik. Pada kasus yang umum, tanah yang

terkontaminasi digali dan diolah ditempat dimana migrasi dapat dikontrol

dengan konstruksipenahan leaching (lempung yang dikompaksi atau liner

plastik). Proses degradasi dalam landfarming pada prinsipnya terjadi

secar biologis. Oksidasi fotokimia mungkin signifikan untuk beberapa

kasus. Emisi kontaminan dalam atmosfer melalui proses volatilisasi

sangat terbatas pada aplikasi landfarming.

c. Bioreaktor digunakan untuk bioremediasi kontaminan dalam

fase slurry dimana pada metode ini tanah yang terkontaminasi

ditempatkan pada wadah khusus yang memungkinkan pengadukan

dilakukan secara terus menerus. Oksigen dapat disuplai jika dibutuhkan,

juga dilakukan pengontrolan terhadap gas yang dihasilkan untuk

mencegah terbebasnya senyaw organik volatil melalui stripping.

Pengontrolan gas meliputi pengembalian gas, penggunaan off-gas dalam

proses pembakaran dan pembersihan gas oleh mikroba.

3. Soil biopiles.  Digunakan secara partikular dengan menguapkan zat-zat

kimia polutan dalam tanah dan mikroba-mikroba dapat menurunkan

polutan tersebut.

Teknik/ cara bioremidiasi in situ:

1. SOIL VENTING

Metode soil venting cocok diterapkan pada kontaminan berupa volatil.

Cara tersebut dilakukan dengan menyuplai oksigen pada tanah yang

didekontaminasi dan mengevakuasi gas yang dihasilkan akibat

dekontaminasi yang dilakukan keluar dan kemudian selanjutnya

diolah. Biodegradasi juga terjadi pada tanah tapi biasanya nutrisinya

tidak mencukupi sehingga biodegradasi yang terjadi tidak optimal.

Jika gas yang dievakuasi diolah secara biologis maka dapat dikatakan

sebagai proses bioremediasi.

2. Bioventing 

merupakan aplikasi dari bioremediasi in situ yang dilakukan pada

zona tidak jenuh yang memiliki permeabilitas gas yang

bagus. Bioventing dilakukan pada pengolahan kontaminan volatil yang

sukar dibiodegradasi. Bioventing cocok untuk kontaminan yang

didegradasi melalui metabolisme aerobik dan memiliki tekanan uap

kurang dari 1 atm. Pada bioventing digunakan gerakan udara yang

diinjeksi melalui tanah yang tidak jenuh atau tanpa penambahan

nutrien, untuk menstimulasi mikroorganisme tanah dalam mengubah

kontaminan organik seperti hidrokarbon.

B. Bioremediasi air

Pencemaran air dapat diketahui dari perubahan warna, bau, serta adanya

kematian dari biota air, baik sebagian atau seluruhnya. Bahan polutan yang

dapat menyebabkan polusi air antara lain limbah pabrik, detergen, pestisida,

minyak, dan bahan organik yang berupa sisa-sisa organisme yang

mengalami pembusukan. Untuk mengetahui tingkat pencemaran air dapat

dilihat melalui besarnya kandungan O2 yang terlarut. Ada 2 cara yang

digunakan untuk menentukan kadar oksigen dalam air, yaitu secara kimia

dengan COD (Chemical Oxygen Demand) dan BOD (Biochemical Oxygen

Demand). Makin besar harga BOD makin tinggi pula tingkat

pencemarannya. Polusi air yang berat dapat menyebabkan polutan meresap

ke dalam air tanah yang menjadi sumber air untuk kehidupan sehari-hari

seperti mencuci, mandi, memasak, dan untuk air minum. Air tanah yang

sudah tercemar akan sulit sekali untuk dikembalikan menjadi air bersih.

Pengenceran dan penguraian polutan pada air tanah sulit sekali karena

airnya tidak mengalir dan tidak mengandung bakteri pengurai yang aerob.

Penggunaan pupuk dan pestisida yang berlebihan merupakan salah satu

sumber pencemaran air. Pupuk dan pestisida yang larut di air akan

menyebabkan eutrofikasi yang mengakibatkan ledakan (blooming)

tumbuhan air, misalnya alga dan ganggang. Cara pencegahan dan

penanggulangan pencemaran air dapat dilakukan sebagai berikut:

1. Cara pemakaian pestisida sesuai aturan yang ada.

2. Sisa air buangan pabrik dinetralkan lebih dahulu sebelum dibuang ke

sungai

3. Pembuangan air limbah pabrik tidak boleh melalui daerah pemukiman

penduduk. Hal ini bertujuan untuk menghindari keracunan yang mungkin

terjadi karena penggunaan air sungai oleh penduduk.

4. Setiap rumah hendaknya membuat septi tank yang baik.

Air yang terkontaminasi menunjukkan angka yang membahayakan. Kita

akan melihat bagaimana permukaan air dapat tercemar akibat luasnya tumpahan

seperti tumpahan minyak. Limbah cair dan air bawah tanah bisa tercemar

melalui banyak cara tergantung pada materi yang dibutuhkan oleh bioremediasi

untuk pindahkan.

Ada tiga cara bioremidiasi air, yaitu

Wastewater treatment (Pengolahan limbah cair)

Langkah-langkahnya:

1. Air dari rumah tangga yang masuk ke dalam saluran air dipompa menuju

fasilitas pengolahan di mana feses dan produk kertas dibuang ke tanah dan

disaring menjadi partikel yang lebih kecil sehingga dihasilkan material

berlumpur yang disebut sludge. Sedangkan air yang mengalir keluar

disebut effluent.

2. Effluent ini digunakan untuk aerasi tangki karena bakteri aerobik dan

mikroba lain akan mengoksidasi bahan organik yang terdapat dalam effluent.

3. Di dalam tangki ini, air disemprotkan di atas batu atau plastik yang

ditutupi dengan biofilm mikroba pendegradasi sampah yang secara aktif

mendegradasi bahan organik dalam air.

4. Effluent dialirkan melalui system sludge dengan menggunakan tangki yang

mengandung sejumlah besar mikroba pendegradasi sampah yang tumbuh

pada lingkungan yang dikontrol.

5. Effluent didesinfeksi dengan klorin sebelum air dialirkan ke sungai atau

laut.

6. Sludge dialirkan ke dalam tangki pengolah anaerob yang mengandung

bakteri anaerob yang akan mendegradasi sludge. Bakteri ini menghasilkan

gas karbon dioksida dan metana. Gas metana yang dihasilkan ini sering

dikumpulkan dan digunakan sebagai bahan bakar untuk menjalankan

peralatan pada pengolahan sampah dengan menggunakan tanaman. Cacing-

cacing kecil yang sering muncul pada sludge, juga membantu

menghancurkan sludge menjadi partikel-partikel kecil.

7. Sludge ini kemudian dikeringkan dan dapat digunakan sebagai lahan

pertanian atau pupuk.

Ilmuwan telah menemukan bakteri yang disebut Candidatus Brocadia

Anammoxidans yang memiliki kemampuan untuk mendegradasi ammonium

pada suasana anaerob (sebagian besar produk yang terdapat dalam urin).

Penting sekali untuk menghilangkan amonium dalam limbah cair sebelum air

dialirkan ke sungai atau laut karena kadar ammonium yang terlalu tinggi

memberikan dampak negatif bagi lingkungan, misalnya menyebabkan “alga

blooms” dan berkurangnya konsentrasi oksigen dalam air. Sistem ini tergantung

pada bakteri anaerob seperti Nitrosomonas europaea untuk mengoksidasi

ammonium dalam beberapa reaksi.

Groudwater clean-up

Kasus yang biasanya terjadi adalah tumpahan gasolin, dimana tumpahan

tersebut mencemari air dalam tanah. Hal ini dapat ditangani dengan

mengkombinasikan antara bioremidiasi ex situ (bagian atas permukaan tanah)

dan bioremidiasi in-situ (di dalam tanah).

1. Bioremidiasi ex situ. Minyak dan gas dipompa keluar ke permukaan tanah

menggunakan bioreaktor à dalam bioreaktor terdapat bakteri yang tumbuh

pada biofilm à bakteri ini mendegradasi polutan à pupuk/ nutrien dan

oksigen ditambahkan pada bioreaktor

2. Bioremidiasi in-situ. Air bersih hasil dari bioreaktor yang terdiri atas pupuk,

bakteri dan oksigen à dikembalikan lagi di dalam tanah (sebagai air tanah).

Turning wastes into energy

Pada waktu proses bioremidiasi, bakteri anaerobik menghasilkan soil

nutrients dan metana. Gas metana yang dihasilkan ini sering dikumpulkan dan

digunakan sebagai bahan bakar, sedangkan soil nutrients digunakan sebagai

pupuk.

Contoh. Bakteri anaerobik Desulfuromonas acetoxidans merupakan

bakteri anerobik laut yang menggunakan sulfur dan besi sebagai penerima

elektron untuk mengoksidasi molekul organik dalam endapan dimana bisa

menghasilkan energi. Karena bakteri ini menggunakan reaksi redoks untuk

mendegradasi molekul pada lapisan sedimen à elektron ditangkap oleh

elektroda à elektroda ini berfungsi mentransfer elektron ke generatorà arus

listrik.

C. Biorediasi udara

Pencemaran udara dapat bersumber dari manusia atau dapat berasal dari

alam. Pencemaran oleh alam, misalnya letusan gunung berapi yang

mengeluarkan debu, gas CO, SO2, dan H2S. Partikel-partikel zat padat yang

mencemari udara di antaranya berupa debu, jelaga, dan partikel logam. Partikel

logam yang paling banyak menyebabkan pencemaran adalah Pb yang berasal

dari pembakaran bensin yang mengandung TEL (tetraethyl timbel). Adanya

pencemaran udara ditunjukkan oleh adanya gangguan pada makhluk hidup yang

berupa kesukaran bernapas, batuk, sakit tenggorokan, mata pedih, serta daun-

daun yang menguning pada tanaman. Zat-zat lain yang umumnya mencemari

lingkungan, antara lain:

1) Oksida karbon (CO dan CO2) dapat mengganggu pernapasan, tekanan darah,

saraf, dan mengikat Hb sehingga sel kekurangan O2.

2) Oksida sulfur (SO2 dan SO3) dapat merusak selaput lendir hidung dan

tenggorokan.

3) Oksida nitrogen (NO dan NO2) dapat menimbulkan kanker.

4) Hidrokarbon (CH4 dan C4H10), menyebabkan kerusakan saraf pusat.

5) Ozon (O3) menyebabkan bronkithis dan dapat mengoksidasi lipida.

Cara pencegahan dan penanggulangan terhadap pencemaran udara, antara lain

sebagai berikut.

a. Perlu dibatasi penggunaan bahan bakar yang menghasilkan CO.

b. Menerapkan program penghijauan di kota-kota untuk mengurangi tingkat

pencemaran.

c. Memilih lokasi pabrik dan industri yang jauh dari keramaian dan pada tanah

yang kurang produktif.

d. Gas-gas buangan pabrik perlu dibersihkan dahulu sebelum dikeluarkan ke

udara bebas. Pembersihan dapat menggunakan alat tertentu, misalnya cottrell

yang berfungsi untuk menyerap debu. Meningkatnya kadar karbon dioksida di

atmosfer juga dapat membahayakan kelangsungan hidup makhluk hidup yang

ada di bumi

ini. Konsentrasi karbon dioksida yang berasal dari sisa pembakaran, asap

kendaraan, dan asap pabrik dapat menimbulkan efek rumah kaca (green house

effect).

Efek rumah kaca dapat mengakibatkan:

1. Adanya pemanasan global yang mengakibatkan naiknya suhu di bumi.

2. Mencairnya es yang ada di kutub, sehingga mengakibatkan naiknya

permukaan air laut.

3. Tenggelamnya daratan (pulau) sebagai akibat dari mencairnya es di

kutub.

D. Biorediasi suara

Polusi suara disebabkan oleh suara bising kendaraan bermotor, kapal

terbang, deru mesin pabrik, radio, atau tape recorder yang berbunyi keras

sehingga mengganggu pendengaran.

Keuntungan dan Kerugian dari Teknologi Bioremediasi

Dalam penerapannya, bioremediasi yang dipakai akan memberikan keuntungan dan kerugian. Dibawah akan dijabarkan kedua faktor tersebut.

Keuntungan dari teknologi bioremediasi :

1. Bioremediasi merupakan teknologi yang lebih sederhana dibandingkan dengan teknologi pengolahan lainnya

2. Dalam bioremediasi in situ, terjadi minimalisasi emisi senyawa volatil sehingga dapat mengurangi dampak yang dapat membahayakan kesehatan

3. Pada teknologi bioremediasi terjadi biodegradasi dan detoksifikasi kontaminan berbahaya

4. Biaya yang dibutuhkan lebih murah (Eweis, 1998).

Kerugian teknologi bioremediasi :

1. Keberhasilan proses bioremediasii sangat tergantung pada kemampuan operator dalam menciptakan dan mempertahankan kondisi lingkungan yang mendukung pertumbuhan mikroorganisme

2. Tidak semua kontaminan dapat didekomposisi dengan menggunakan bioremediasi karena beberapa jenis kontaminan tidak dapat didegradasi oleh mikroba

3. Kesulitan terjadi pada konsentrasi kontaminan sangat rendah, karena degradasi biologis akan berjalan lambat dan mikroorganisme akan mencari sumber energi lain atau mati

4. Membutuhkan waktu lama5. Sulit memprediksi performance sistem bioremediasi6. sukar melakukan scaling up dari skala laboratorium atau pilot plan

PEMANFAATAN TEKNIK REKAYASA GENETIK UNTUK

MEMBERSIHKAN LINGKUNGAN

Sekalipun strategi bioremediasi efektif untuk membersihkan berbagai

polutan lingkungan, namun bioremadiasi bukanlah solusi untuk semua masalah

pencemaran. Misalnya, bioremediasi tidak efektif saat lingkungan yang

tercemar mengandung konsentrasi racun yang sangat tinggi seperti logam berat,

senyawa radioaktif, molekul organik yang kaya klorin, karena senyawa-

senyawa ini dapat membunuh mikroba. Oleh karena itu, penemuan dan

pengaplikasian strategi baru dibutuhkan untuk memecahkan beberapa masalah

pembersihan lingkungan. Perkembangan teknik rekombinasi DNA membuat

ilmuwan berkeinginan untuk menciptakan mikroba hasil rekayasa genetika yang

berperan dalam proses bioremediasi.

A. Bakteri Pemakan Petroleum

Mikroba hasil rekayasa genetika pertama yang digunakan pada

bioremediasi diciptakan pada tahun 1970 oleh Ananda Chakrabarty. Penelitian

ini dilakukan sebelum teknik kloning DNA dan rekombinasi DNA tersebar luas.

Lalu bagaimanakah Chakrabarty melakukan hal tersebut?

1.  mengisolasi strain Pseudomonas dari tanah yang terkontaminasi

dengan perbedaan jenis kimia yang terdiri dari pestisida dan minyak mentah.

2.  mengidentifikasi strain yang menunjukkan kemampuan mendegradasi

senyawa organik seperti naftalena, oktan, dan xylena. Sebagian besar strain

dapat tumbuh pada senyawa ini karena mengandung plasmid yang mengkode

gen untuk menghancurkan masing-masing komponen.

3. memasangkan strain yang berbeda dan dihasilkan sebuah strain yang

mengandung beberapa plasmid yang berbeda. Kombinasi protein yang

dihasilkan oleh plasmid ini secara efektif dapat mendegradasi beberapa

komponen kimia minyak mentah. Chakrabarty mendapatkan penghargaan hak

paten pertama dari Amerika Serikat untuk penelitiannya dalam mengubah hidup

organisme secara genetik.

Kelemahan dari teknik ini adalah: minyak mentah mengandung ribuan senyawa

dan bakteri hasil rekombinan ini hanya dapat mendegradasi beberapa senyawa

saja. Sebagian besar zat kimia yang terkandung dalam minyak mentah tetap

tidak dipengaruhi oleh organisme rekombinan.

B. Pemanfaatan E. coli Untuk Membersihkan Logam Berat

Logam berat yang meliputi tembaga, timah, cadmium, khromium, dan

merkuri dapat membahayakan manusia dan lingkungan. Merkuri merupakan

logam yang bersifat toksik yang dapat mengkontaminasi lingkungan. Merkuri

digunakan pada pabrik pengolahan tanaman, baterai, colokan listrik, peralatan

medis, dan banyak produk yang lain. Merkuri dan metilmerkuri dapat

terakumulasi dalam organisme melalui sebuah proses yang

disebut bioakumulasi. Dalam bioakumulasi, organisme yang lebih tinggi pada

rantai makanan mengandung bahan kimia yang lebih banyak dibandingkan

dengan organisme yang ada di bawahnya. Misalnya, dalam suplai air, merkuri

mungkin dicerna oleh ikan kecil, yang kemudian dimakan oleh burung, ikan

besar, anjing laut, rakun, dan hewan lain termasuk manusia. Ikan besar atau

burung memakan ikan kecil dalam jumlah yang banyak, sehingga kedua hewan

ini mengakumulasi merkuri dalam tubuhnya dibandingkan ikan kecil yang

hanya makan sedikit. Sama halnya jika manusia memakan ikan besar sebagai

sumber makanan primer, maka manusia akan mengakumulasi merkuri dalam

jumlah besar selama beberapa waktu. Pengkonsumsian ikan dan kerang-

kerangan yang telah terkontaminasi metilmerkuri dan merkuri secara terus-

menerus dapat mengancam kesehatan manusia, misalnya cacat sejak lahir atau

kerusakan otak

Ilmuwan telah mengembangkan strain hasil rekayasa genetika,

yaitu Escherichia coliyang bermanfaat untuk pembersihan merkuri dan logam

berat lainnya. Para ilmuwan juga mengidentifikasi terjadinya ikatan logam oleh

Protein dalam tanaman dan organisme lain protein dalam tanaman dan

organisme lain. Protein metallothioneins dan phytochlatin memiliki kapasitas

tinggi dalam mengikat logam. Beberapa bakteri hasil rekayasa genetika dapat

mengabsorbsi merkuri secara langsung, sementara yang mengikat merkuri dari

suplai air dapat tumbuh pada biofilm. Biofilm harus diganti secara periodik

untuk menghilangkan bakteri yang mengandung merkuri. Hal yang sama terjadi

pada sel tunggal alga yang diubah secara genetik yang mengandung gen

metallothioniein dan bakteri yang disebut Cyanobakteri, yang telah

menunjukkan kemampuan untuk mengabsorbsi cadmium, yaitu logam berat lain

yang bersifat toksik yang dapat menyebabkan masalah kesehatan yang serius

pada manusia.

C. Biosensor

Peneliti telah mengembangkan strain bakteri Pseudomonas

fluorescens hasil rekayasa genetika yang dapat secara efektif mendegradasi

struktur kompleks karbon dan hydrogen yang disebut Polycyclic Aromatic

Hydrocarbon (PAHs) dan bahan kimia beracun lainnya. Dengan menggunakan

teknik rekombinasi DNA, ilmuwan mampu untuk menyambung gen bakteri

yang mengkode enzim yang dapat memetabolisme kontaminan untuk

melaporkan gen seperti gen lux. Gen ini dapat mengkode enzim luciferase. Jika

PAHs telah terdegradasi, bakteri mengeluarkan cahaya yang dapat digunakan

sebagai indikasi tingkat degradasi. Teknik yang sama digunakan untuk

mengembangkan biosensor dari bakteri rekombinan yang mengandung lux gen.

Teknik ini digunakan untuk mendeteksi jenis pencemaran lingkungan.

KERUSAKAN LINGKUNGAN: KASUS UNTUK PERISTIWA

BIOREMIDIASI

Beberapa kasus yang menggunakan startegi bioremidiasi untuk mengatasi

kerusakan lingkungan.

A. Peristiwa tumpahan minyak bumi di Exxon Valdez

Minyak mentah yang tumpah di laut tersebut memiliki dampak negatif

yang cukup besar bagi sejumlah besar kehidupan dan lingkungan. Seperti

kejadian di Exxon Valdez pada tahun 1989, terjadi peristiwa tangki minyak

tumpah di laut Alaska sebanyak 11 juta. Salah satu cara untuk mengatasi

masalah tersebut adalah dengan cara bioremidiasi.

(1) Tahap pertama.

a Memindahkan sejumlah besar minyak dengan menggunakan jaring yang

dapat mengapung di permuakaan air,

b Menggunakan semacam pompa utnuk ”mengangkat” minyak untuk

dimasukkan dalam tangki pengolahan.

c Pantai dan karang dibersihkan dengan air tawar dibawah tekanan yang

tinggi untuk menyebarkan minyak.

(2) Tahap bioremidiasi.

a Dengan menambahkan pupuk nitrogen dan fosfor untuk merangsang

pendegradasian minyak oleh bakteri Pseudomonas pada umumnya.

Indikator adanya bakteri indigen adalah dapat terdegradasinya minyak.

b Bakteri indigen berperan untuk memecah gugus aromatik

(PAHs) à menjadi rantai linier (rantai karbon) à dan menghasilkan karbon

dioksida dan air. Langkah-langkah pemulihan ini memerlukan waktu

yang lama.

B. Ladang minyak di Kuwait

Padang pasir di Kuwait merupakan obyek penelitian yang tepat dalam

kajian bioremediasi. 10 tahun setelah terjadinya perang teluk suatu area yang

cukup luas di Kuwait tercemar oleh minyak. Para ahli Kuwait mempelajari

bahwa pencemaran minyak tersebut mempengaruhi kehidupan tumbuhan dan

hewan. Beberapa spesies tumbuhan dinyatakan telah musnah dan diperkirakan

masih memberikan efek negatif dalam beberapa waktu kedepan.

Berbeda dengan kasus Valdez bioremediasi di padang pasir ini memiliki

beberapa masalah yang berbeda. Tidak seperti halnya di Alaska di padang pasir

ini tidak ada gelombang yang membantu membersihkan minyak, kondisi tanah

yang kering di padang pasir mempengaruhi mikroba-mikroba yang

menguraikan minyak serta adesi yang relatif menyulitkan proses degradasi.

Kajian penelitian sebelumnya menunjukkan bahwa seperangkat strain bakteri

pendegradasi minyak bekerja relatif lambat di bawah permukaan tanah.

STRATEGI DAN TANTANGAN BIOREMEDIASI MASA DEPAN.

Bioteknologi merupakan suatu hal yang penting dalam upaya

rehabilitasi lingkungan tercemar baik yang terjadi melalui kecelakaan, industri

pabrikan, dan kesalahan manajemen pada ekosistem. Para ahli telah

mempelajari mikroba yang secara genetik mampu mendegradasi zat kimia serta

mengembangkan biosensor yang mampu mendeteksi dan mengawasi polusi.

Pemulihan logam berharga seperti tembaga, nikel, boron dan emas merupakan

ruang lingkup lain dari bioremediasi. Melalui reaksi oksidasi berbagai mikroba

mampu mengubah logam menjadi substansi yang disebut metaloksida yang

nantinya akan terakumulasi dalam sel tubuh bakteri. Beberapa bakteri perairan

yang hidup di dasar laut memiliki kemampuan mempresipitasi logam secara

tepat. Pemanfaatan bakteri dalam upaya pemulihan logam berbahaya

merupakan suatu bagian dalam proses industri pabrik.

Ruang lingkup lain dari penelitian-penelitian yang mengembangkan

bioremediasi yaitu upaya membersihkan materi radioaktif dari

lingkungan. Uranium, plutonium, dan senyawa radioaktif yang lain telah

ditemukan secara alami di perairan lepas. Meskipun sebagian besar materi

radioaktif dapat membunuh mikroba, beberapa strain bakteri mampu

mendegradasi senyawa radioaktif. Sebelumnya, tidak ada bakteri yang

ditemukan dapat menguraikan elemen radioaktif secara sempurna.

DOE sangat tertarik dalam memanfaatkan Deinococcus radiodurans sebagai

agen bioremediasi di tempat-tempat yang tercemar oleh radioaktif. Bahkan, para

peneliti dari DOE maupun Universitas Minnesota telah merekombinasikan

strain ini dengan menggabungkan sekuen promoternya terhadap gen (toluene

dioksigenase) yang terlibat dalam metabolisme toluene. Strain ini menunjukkan

kemampuan mendegradasi toluene di lingkungan yang tercemar. Dalam usaha

tersebut, para peneliti berharap strategi yang sama dapat digunakan untuk

menangani pencemaran zat berbahaya. Terakhir, ada beberapa hal yang perlu

dicermati. Yakni sebelum upaya pembersihan tempat-tempat yang tercemar

tersebut dilaksanakan, para ahli harus terlebih dahulu memikirkan dampak lain

yang mungkin saja muncul. Lain hal, proses industri pabrik menghasilkan

ratusan zat kimia baru setiap tahunnya. Dengan adanya proses yang

berkelanjutan tersebut diharapkan zat-zat kimia baru tidak berbahaya bagi

lingkungan. Bioremediasi tidak selalu mampu membersihkan polutan dari

lingkungan, tetapi perencanaan yang baik dalam pemanfaatan zat-zat berbahaya

merupakan upaya yang paling ampuh untuk mengawasi tingkat pencemaran

lingkungan.