Bioremediasi Air Laut Terkontaminasi Minyak Bumi Dengan Menggunakan Bakteri Pseudomonas aeruginosa

Transkripsi

1 1 Bioremediasi Air Laut Terkontaminasi Minyak Bumi Dengan Menggunakan Bakteri Pseudomonas aeruginosa Lusiana Riski Yulia 1), Bindanetty Marsa 1), dan Sri Rachmania Juliastuti 1*) Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya Abstrak Teknologi bioremediasi merupakan salah satu cara yang efektif, efisien, ekonomis dan tidak merusak lingkungan untuk mengatasi pencemaran tumpahan minyak di air laut Indonesia. Bioremediasi adalah proses penguraian secara biologi suatu polutan organik yang beracun menjadi senyawa lain yang lebih sederhana dan tidak beracun. Tujuan dari penelitian ini adalah mengetahui pengaruh perbandingan konsentrasi kontaminan terhadap konsentrasi mikroorganisme pada degradasi kadar TPH (Total Petroleum Hydrocarbon) dan BTX (Benzene, Toluene, dan Xylene) yang terkandung dalam air laut buatan tercemar minyak bumi dengan menggunakan Pseudomonas aeruginosa,serta mengetahui pengaruh aerasi dan tanpa-aerasi pada degradasi kadar TPH (Total Petroleum Hydrocarbon) dan BTX (Benzene, Toluene, dan Xylene) dalam proses bioremediasi. Metode yang digunakan adalah metode bioremediasi ex situ dengan menggunakan air laut buatan yang tercemar minyak bumi dari lokasi pengeboran minyak Pusdiklat Migas Cepu. Biakan murni bakteri yang digunakan adalah Pseudomonas aeruginosa. Variabel yang digunakan adalah konsentrasi penambahan mikroba Pseudomonas aeruginosa sebanyak 0%; 1%; 3% (v/v), konsentrasi cemaran minyak bumi 1000 ppm dan 1500 ppm serta media aerasi dan media tanpa aerasi. Penelitian ini berlangsung secara batch dengan menjaga suhu pada kisaran o C dan ph 6-8. Dari hasil penelitian didapatkan hasil terbaik pada bioreaktor dengan penambahan Pseudomonas aeruginosa sebanyak 3%(v/v), media teraerasi dan konsentrasi cemaran minyak 1000 ppm dengan % biodegradasi TPH yang dicapai sebesar 100% dalam waktu 21 hari dan degradasi senyawa BTX (Benzene, Toluene, Xylene) seluruhnya dalam waktu 14 hari. Kata Kunci Biodegradasi, Bioreaktor, BTX, Pseudomonas aeruginosa,tph. I. PENDAHULUAN inyak bumi adalah sumber utama energi fosil yang Mmemegang peranan penting untuk industri, transportasi, dan rumah tangga. Produksi minyak mentah dunia diperkirakan sebanyak tiga miliar ton per tahun, dan sekitar setengahnya diangkut melalui laut [1]. Berbagai kegiatan eksplorasi, eksploitasi, transportasi, penyimpanan, pengolahan dan distribusi minyak mentah maupun minyak olahan masih sering menghasilkan kejadian kebocoran dan atau tumpahan minyak ke lingkungan. Penanganan yang tidak tepat dapat menyebabkan pencemaran lingkungan dan berbahaya bagi makhluk hidup. Penanganan kondisi lingkungan yang tercemari minyak bumi dapat dilakukan secara fisika, kimia dan biologi. Remediasi secara fisika dan kimia bersifat remediasi jangka pendek dan tidak tuntas (perpindahan massa antar media lingkungan), hanya sekitar 10-15% pencemar dapat dipindahkan dari media laut [2]. Untuk penuntasan remediasi diperlukan penghilangan media secara biologi (bioremediasi). Bioremediasi didefinisikan sebagai teknologi yang menggunakan mikroba untuk mengolah (cleaning) hidrokarbon minyak bumi dari kontaminan melalui mekanisme biodegradasi alamiah (intrinsic bioremediation) atau meningkatkan mekanisme biodegradasi alamiah dengan menambahkan mikroba, nutrien, donor elektron dan atau akseptor elektron (enhanced bioremediation) [3]. BTX (Benzene, Toluene, dan Xylena) merupakan senyawa aromatik dalam jumlah kecil dalam hidrokarbon, namun pengaruhnya sangat besar terhadap pencemaran perairan. Canadian Water Quality Guidelines Protection memberi ambang batas benzena pada badan air tawar adalah 0,3 mg/l [4]. Pseudomonas aeruginosa mampu menggunakan lebih dari 75 macam organik sebagai sumber karbon dan sumber energi, mampu menggunakan respirasi aerobik (dengan oksigen) dan anaerob pada nitrat atau akseptor elektron alternatif lainnya juga mampu tumbuh pada nutrien dalam jumlah sedikit. Pseudomonas aeruginosa dapat mendegradasi hidrokarbon polisiklik aromatik seperti toluena, bentuk sederhana dari methylbenzene, melalui oksidasi dari kelompok metil aldehida, alkohol, dan asam, yang kemudian diubah menjadi katekol. P.aeruginosa tumbuh dengan optimal pada suhu 37ºC dan bertahan hidup pada suhu berkisar dari 10 ºC sampai 45 ºC dalam air garam dan air distilat, serta pada ph media antara 6,0-9,0 [5]. Pseudomonas aeruginosa dapat tumbuh pada air garam hingga salinitas 50 [6]. II. METODOLOGI PENELITIAN Penelitian ini dilakukan dengan sistem batch di Laboratorium Pengolahan Limbah Industri, Jurusan Teknik Kimia, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya dengan menggunakan air laut buatan dan minyak bumi yang diperoleh dari Pusat Pendidikan dan Pelatihan Minyak dan Gas (Pusdiklat Migas),Cepu-Jawa Tengah. Sedangkan biakan murni bakteri Pseudomonas aeruginosa yang digunakan dalam penelitian ini diperoleh dari Laboratorium Mikrobiologi, Jurusan Biologi, Fakultas Sains dan Teknologi,Universitas Airlangga, Surabaya.

2 2 A. Peremajaan Isolat Bakteri Pseudomonas aeruginosa dan pembuatan starter Peremajaan isolat bakteri Pseudomonas aeruginosa dilakukan pada media cair (Nutrien Broth). Bakteri dalam media agar miring diinokulasikan ke dalam labu erlenmeyer 250 ml yang berisi 100 ml media cair Nutrien Broth. Kemudian media baru tersebut di inkubasi pada suhu 30 C dan setelahnya dilakukan analisa populasi bakteri serta membuat kurva pertumbuhan bakteri, pada saat bakteri mencapai phase log, bakteri dibudidayakan pada media air laut buatan dimana sebelumnya bakteri diadaptasikan dengan air laut tetes demi tetes dan siap digunakan untuk bioremediasi. III. HASIL DAN PEMBAHASAN A. Pengaruh terhadap Total Petroleum Hidrokarbon (TPH) TPH keberadaannya dalam limbah minyak bumi harus sesuai dengan peraturan perundang-undangan yang berlaku. Nilai TPH pada baku mutu air laut daerah pelabuhan ditentukan dibawah 5 mg/liter atau 5 ppm, sedangkan untuk biota laut dibawah 1 mg/liter atau 1 ppm [8]. B. Persiapan Media Air Laut Buatan Air laut buatan dibuat sesuai ASTM D , Standard Specification for Substitute Ocean Water [7], dengan salinitas 35. Tabel 1 menunjukkan kandungan garam terlarut dalam larutan pengganti air laut. Tabel 1. Kandungan garam terlarut (g/l) dalam larutan pengganti air laut Senyawa Jumlah (g/l) Gambar 2. Kadar TPH vs waktu pada cemaran minyak 1000 ppm NaCl 24,530 MgCl 2 5,200 Na 2 SO 4 4,090 CaCl 2 1,160 KCl 0,695 NaHCO 3 0,201 KBr 0,101 H 3 BO 3 0,027 SrCl 2 0,025 NaF 0,003 C. Proses Bioremediasi Media air laut buatan dimasukkan ke dalam bioreaktor A dan B, dimana bioreaktor A diperlakukan tanpa aerasi sedangkan bioreaktor B dilengkapi dengan aerator sebagai pensuplai oksigen untuk kebutuhan bakteri dengan kadar DO ± 5 mg O 2 /l. Kemudian bioreaktor A dan B diperlakukan sesuai variabel konsentrasi kontaminan (1000 dan 1500 ppm minyak bumi) dan penambahan bakteri Pseudomonas aeruginosa (0%, 1% dan 3% v/v). Masing-masing bioreaktor diinjeksikan nutrien dengan cara menambahkan urea dan KH 2 PO 4 hingga rasio C : N : P = 100 : 10 : 1. Secara periodik dilakukan pengukuran temperatur, ph, DO (Dissolved oxygen), populasi bakteri,tph, dan BTX. Gambar 3. Kadar TPH vs waktu pada cemaran minyak 1500 ppm Pada grafik 2 dan 3 terlihat bahwa pada bioreaktor dengan perlakuan yang sama (3% v/v penambahan P.aeruginosa dan media teraerasi) namun dengan konsentrasi cemaran minyak yang berbeda yakni 1000 ppm dan 1500 ppm minyak bumi, memerlukan waktu yang berbeda untuk mendegradasi TPH hingga mencapai baku mutu air laut. Pada bioreaktor 6 dengan konsentrasi cemaran minyak 1000 ppm memerlukan waktu untuk mencapai baku mutu selama 21 hari, sedangkan bioreaktor 12 dengan konsentrasi cemaran minyak 1500 ppm memerlukan waktu 28 hari. Oleh karena itu, dapat disimpulkan bahwa semakin besar konsentrasi cemaran minyak bumi maka semakin lama waktu yang dibutuhkan mikroba untuk mendegradasi TPH hingga mencapai baku mutu air laut. B. Pengaruh terhadap Populasi Bakteri P.aeruginosa selama bioremediasi Pertumbuhan mikroorganisme merupakan indikator terjadinya proses biodegradasi. Pertumbuhan mikroorganisme akan meningkat bila ia mampu hidup dengan memanfaatkan substrat yang ada dalam air laut tersebut. Gambar 1. Skema peralatan

3 3 terhadap waktu pada bioreaktor 6 (3 % v/v Pa, Aerasi, 1000 ppm minyak bumi) Gambar 4. Konsentrasi bakteri Pseudomonas aeruginosa pada konsentrasi cemaran minyak 1000 ppm Grafik 6 menunjukkan bahwa pada bioreaktor 6 dengan penambahan bakteri P.aeruginosa sebanyak 3% (v/v) hingga hari ke-9 penelitian jumlah sel P.aeruginosa mengalami kenaikan dari 5,56 x 10 6 sel/ml sampai 2,28 x 10 7 sel/ml diikuti dengan penurunan nilai TPH dari 899 mg/liter menjadi 32 mg/liter pada interval hari ke-0 hingga hari ke-14. Penurunan nilai jumlah sel terjadi pada interval waktu hari ke-9 hingga akhir penelitian hari ke-21, yaitu dari 2,28 x 10 7 sel/ml hingga 9,31 x 10 4 sel/ml diikuti penurunan nilai TPH hingga menjadi 0 mg/l. Hal ini menunjukkan bahwa mikroorganisme yang ada mulai mengalami fase kematian karena nutrisinya semakin berkurang. Gambar 5. Konsentrasi bakteri Pseudomonas aeruginosa pada konsentrasi cemaran minyak 1500 ppm Berdasarkan gambar 4 dan 5 terlihat adanya beberapa fase pertumbuhan. Pada hari pertama proses bioremediasi terlihat adanya fase lag yang merupakan masa penyesuaian mikroorganisme. Kemudian setelah fase lag, terjadi peningkatan jumlah sel bakteri yang sangat tajam pada bioreaktor dengan penambahan bakteri Pseudomonas aeruginosa hingga waktu yang berbeda-beda. Setelah itu terjadi penurunan jumlah sel P.aeruginosa dalam bioreaktor. Hal ini menunjukkan bahwa bakteri mulai mengalami fase kematian. Diduga hal ini disebabkan senyawa hidrokarbon yang ada dalam air laut tercemar limbah minyak bumi, yang merupakan nutrisi untuk bakteri semakin berkurang. Untuk cemaran minyak 1000 ppm (gambar 4) jumlah sel bakteri P.aeruginosa tertinggi dicapai oleh bioreaktor 6 yaitu 2,28 x 10 7 sel/ml. Sedangkan pada cemaran minyak 1500 ppm (gambar 5) dicapai oleh bioreaktor 12 yaitu sebesar 2,12 x 10 7 sel/ml. Sehingga dapat disimpulkan bahwa semakin besar jumlah cemaran minyak bumi pada air laut maka pertumbuhan bakteri P.aeruginosa akan semakin terhambat yang ditunjukkan dengan berkurangnya jumlah sel bakteri pada fase lognya. Gambar 6. Hubungan TPH dan jumlah sel bakteri Pseudomonas aeruginosa Gambar 7. Hubungan TPH dengan jumlah sel bakteri P.aeruginosa terhadap waktu pada fase log bioreaktor 6 (3 % v/v Pa, Aerasi, 1000 ppm minyak bumi) Pada gambar 7 terlihat bahwa, pada interval waktu hari ke-0 hingga hari ke-9 (pada fase log), terjadi penurunan TPH yang cukup signifikan yaitu dari 899 mg/l sampai ± 100 mg/l. Laju penurunan TPH ditunjukkan pada slope kurva TPH vs t dengan persamaan garis y = - 73,34x + 821,1 mg/l.hari. Sedangkan nilai jumlah sel bakteri mengalami kenaikan dari 5,56 x 10 6 sel/ml hingga 2,28 x 10 7 sel/ml. Laju pertumbuhan bakteri ditunjukkan oleh slope pada kurva jumlah sel vs t dengan persamaan garis y = (2 x 10 6 )x + (5 x 10 6 ) sel/ml.hari. Dari gambar 7 dapat disimpulkan bahwa kenaikan rate pertumbuhan bakteri diikuti dengan penurunan konsentrasi TPH dari hari ke hari. Bioreaktor Tabel 2. Perbandingan slope dan intercept pada fase log Persamaan garis regresi linier TPH vs waktu pada fase log Rate penurunan TPH (mg/l.hari) Nilai TPH awal (mg/l) 3 y = -38,42x , y = -61,81x , y = -51x ,3 6 y = x ,34 821,1 9 y = x , y = x , y = x , y = x , Pada tabel 2 telah disajikan slope dan intercept persamaan regresi linier TPH terhadap waktu pada fase log untuk bioreaktor dengan penambahan P.aeruginosa. Slope pada seluruh bioreaktor bertanda minus (-), yang berarti penurunan

4 4 TPH terhadap waktu, sedangkan intercept merupakan nilai awal TPH pada hari ke-0. Dari perbandingan perlakuan pada bioreaktor 1 hingga bioreaktor 12, terlihat slope yang paling besar penurunannya adalah treatment pada reaktor dengan penambahan 3% v/v P.aeruginosa, media teraerasi dan konsentrasi cemaran minyak 1500 mg/l minyak bumi, yaitu bioreaktor 12. dalam air yang diperbolehkan adalah 0,005 mg/l. Pada cemaran 1500 ppm minyak bumi juga menghasilkan hasil yang serupa namun dalam waktu yang lebih lama seperti terlihat pada gambar 9. C. Pengaruh terhadap kadar Benzene, Toluene, dan Xylene (BTX) BTX (Benzene, Toluene dan Xylene), merupakan komponen senyawa hidrokarbon aromatik yang terkandung dalam minyak bumi. BTX bersifat rekalsitran dan mutagenik. Oleh karena itu, BTX menjadi salah satu parameter keberhasilan pada penelitian ini. Gambar 8. Kadar senyawa BTX vs waktu pada cemaran minyak 1000 ppm Gambar 10. Perbandingan laju degradasi benzena, toluene dan xylene pada bioreaktor 6 (3% v/v P.aeruginosa, Aerasi, 1000 ppm minyak bumi) Dari gambar 10 diperoleh slope degradasi benzena pada bioreaktor 6 adalah 1,739, slope degradasi xylene adalah 3,126, dan slope degradasi toluene adalah 3,658. Sehingga dapat disimpulkan bahwa senyawa yang paling mudah terdegradasi oleh Pseudomonas aeruginosa adalah Toluene, kemudian diikuti oleh Xylene, dan yang paling sulit adalah benzene. Hal ini dikarenakan benzena memiliki energi resonansi sehingga diperlukan lebih banyak energi untuk memecah cincin benzena [9]. Benzena sangat stabil berkaitan dengan sifat molekulnya yang memiliki resonansi yang tinggi. Hal ini membuat benzena bersifat rekalsitran terhadap degradasi, juga bersifat toksik dan karsinogenik. Toluene dan xylene memiliki gugus CH 3 yang bersifat mengaktifkan cincin benzena terhadap substitusi elektrofilik sehingga toluene dan xylene lebih reaktif bila dibandingkan dengan benzena sehingga lebih mudah didegradasi oleh bakteri. Gambar 9. Kadar senyawa BTX vs waktu pada cemaran minyak 1500 ppm Dari gambar 8, pada cemaran minyak 1000 ppm penurunan kandungan BTX terbesar dan dalam waktu yang singkat dicapai oleh bioreaktor 6 (penambahan 3%v/v Pseudomonas aeruginosa, aerasi, konsentrasi cemaran minyak 1000 ppm). Dimana konsentrasi Benzene turun dari 24,354 mg/liter menjadi tidak terdeteksi pada minggu ke-2, Toluene turun dari 51,216 mg/liter menjadi tidak terdeteksi pada minggu ke-2, dan Xylene turun dari 43,764 mg/liter menjadi tidak terdeteksi pada minggu ke-2. Hal ini telah sesuai dengan baku mutu yang ditetapkan WHO bahwa konsentrasi maksimum benzena di IV. KESIMPULAN Berdasarkan data dan hasil analisa pada penelitian dapat diambil kesimpulan sebagai berikut: 1. Semakin besar prosentase bakteri Pseudomonas aeruginosa yang ditambahkan maka akan meningkatkan persen biodegradasi TPH, rate penurunan TPH pada fase log yang dinyatakan sebagai nilai slope serta mempercepat degradasi BTX. Bioreaktor dengan media teraerasi dan konsentrasi cemaran minyak 1000 ppm, pada penambahan bakteri P.aeruginosa 1% v/v menghasilkan % biodegradasi TPH akhir sebesar 100% dalam waktu 28 hari, slope penurunan TPH pada fase log sebesar 61,812 mg/l.hari, dan degradasi senyawa BTX seluruhnya pada hari ke-28. Sedangkan pada penambahan bakteri P.aeruginosa 3% v/v menghasilkan % biodegradasi TPH akhir sebesar 100% dalam waktu 21 hari, slope penurunan TPH pada fase log sebesar 73,34 mg/l.hari, dan degradasi senyawa BTX seluruhnya pada hari ke Semakin tinggi konsentrasi cemaran minyak bumi maka akan memperlama waktu biodegradasi TPH dan BTX. Bioreaktor dengan penambahan 3% v/v P.aeruginosa dan media teraerasi pada cemaran minyak 1000 ppm memerlukan waktu 21 hari untuk degradasi TPH dan 14 hari untuk degradasi

5 5 BTX, sedangkan pada cemaran minyak 1500 ppm memerlukan waktu 28 hari untuk degradasi TPH dan 21 hari untuk degradasi senyawa BTX. 3. Perlakuan dengan media teraerasi menghasilkan persen biodegradasi TPH yang lebih tinggi dibandingkan media tanpa aerasi yang ditunjukkan pada bioreaktor dengan penambahan 3% v/v P.aeruginosa dan konsentrasi cemaran minyak 1000 ppm dimana pada media teraerasi menghasilkan % biodegradasi TPH akhir sebesar 100%, sedangkan pada media tanpa aerasi sebesar 79,6 %. 4. Hasil yang terbaik untuk persen biodegradasi TPH dan BTX adalah bioreaktor dengan penambahan Pseudomonas aeruginosa 3% (v/v), media teraerasi dan konsentrasi cemaran minyak bumi 1000ppm dengan hasil biodegradasi TPH 100% dalam waktu 21 hari dan penurunan kadar BTX sebesar 100% dalam waktu 14 hari. Oil Contaminated Soil at the Jordanian Oil Refinery. World Applied Sciences Journal 6 (2) : [7] Ninis T. dan Bambang Irawan, 2008, Kelimpahan lorjuk(solen vaginalis) di pantai timur surabaya,universitas Hang Tuah Surabaya,Ilmu kelautan, vol.13 (2):67-72 [8] Keputusan Menteri Lingkungan Hidup no. 51 tahun [9] Fessenden dan Fessenden Kimia Organik Jilid 1 edisi ketiga. Jakarta : Erlangga. UCAPAN TERIMA KASIH Kami mengucapkan terima kasih sebesar-besarnya kepada : 1. Bapak Prof. Dr. Ir. Tri Widjaja, M.Eng selaku Ketua Jurusan Teknik Kimia FTI-ITS. 2. Ibu Dr.Ir.Sri Rachmania Juliastuti, M.Eng. selaku Dosen Pembimbing dan Kepala Laboratorium Pengolahan Limbah Industri yang senantiasa sabar membimbing kami. 3. Ibu Ir. Nuniek Hendrianie, M.T dan Ibu Ir.Sri Murwanti, M.T yang teah banyak memberikan saran kepada kami. 4. Bapak Ediyanto dan Bapak Sumarto selaku laboran Laboratorium Teknologi Pengolahan Biologis Limbah Cair Industri. 5. Seluruh dosen dan karyawan Jurusan Teknik Kimia FTI ITS. 6. Orang tua dan keluarga kami yang telah memberikan semangat, kasih sayang, perhatian serta dukungan dan doa. 7. Teman-teman Waste Water Treatment Laboratory dan seluruh elemen Teknik Kimia, khususnya K-48, atas segala bantuannya 8. Seluruh pihak manajemen Karya Salemba Empat selaku pemberi beasiswa Skripsi KSE 2011/2012 yang sangat membantu dan mendukung penelitian kami agar dapat berjalan dengan lancar. 9. Juga tidak lupa kepada semua pihak yang belum sempat disebutkan satu per satu disini yang telah membantu penelitian ini. DAFTAR PUSTAKA [1] Hartanto, Benny, 2008, Oil Spill (Tumpahan Minyak) di Laut dan Beberapa kasus di Indonesia, Bahari jogja Vol.VIII No.12 [2] Office of Technology Assessment (OTA), 1990, Coping With an Oiled Sea: An Analysis of Oil spill Response Technologies, OTA-BP-0-63, Washington, DC [3] Astri Nugroho, 2006, Bioremediasi Hidrokarbon Minyak Bumi, Graha Ilmu Universitas Trisakti, Indonesia. [4] Atlas, R.M, & Bartha R Hydrocarbon Biodegradation and Oil Spill. Adv.in Microbiol. Ecol. Vol.12,p [5] Environmental Canada Health Canada, 2011, Screening Assessment for Pseudomonas aeruginosa ATCC , Canada. [6] Malkawi, Hanan.l, Linda M.Fatmi dan Taghleb M.Al-Deeb Mutational Analysis of Oil Degrading Genes in Bacterial Isolates from