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
Top Related