TINJAUAN PUSTAKA. yang sangat bahaya, pada waktu derajat keasaman 3.0. Tanah menjadi racun,

Transkripsi

1 TINJAUAN PUSTAKA Tanah Sulfat Masam Bahan sulfat masam terdiri atas tanah salin atau sedimen yang terdapat besi sulfida (FeS 2 ) di atas layer tanah dalam keadaan tergenang atau kondisi anaerob. Akan tetapi, pirit menjadi teroksidasi menjadi asam sulfat. Asam sulfat dihasilkan dari oksidasi pirit yang menyebabkan ph tanah berada pada tingkat yang sangat bahaya, pada waktu derajat keasaman 3.0. Tanah menjadi racun, termasuk meningkatkan aluminium, besi dan (dalam beberapa masalah) mangan yang terlarut, dan kualitas unsur hara menjadi tidak tersedia (Bloomfield, 1972). Pirit (FeS 2 ) pada kondisi anaerob atau tergenang adalah senyawa yang stabil dan tidak berbahaya, akan tetapi menjadi berbahaya jika kondisi tanah berubah menjadi aerob. Senyawa pirit dalam kondisi aerob akan teroksidasi dan menghasilkan senyawa beracun serta meningkatkan kemasaman tanah, yang berbahaya bagi pertumbuhan tanaman. Ada dua keadaan yang menyebabkan pirit berada dalam kondisi aerob yaitu apabila tanah pirit diangkat ke permukaan tanah (misalnya pada waktu mengolah tanah, membuat saluran, atau membuat surjan) dan jika permukaan air tanah turun (misalnya pada musim kemarau). Dent (1986) dan Langenhoff (1986) melaporkan bahwa hasil oksidasi pirit, antara lain asam sulfat dan hidroksida besi yang menyebabkan reaksi tanah sangat masam. Senyawa yang terbentuk secara alamiah dapat mengalami reaksi penetralan dengan terbentuknya senyawa jarosit yang berupa bercak-bercak karatan berwarna kuning jerami. Jika tanah ini direklamasi, maka senyawa pirit akan terpapar udara membentuk ferri hidroksida (Fe(OH) 3), sulfat (SO 2-4 ) dan ion hydrogen (H + )

2 sehingga tanah menjadi sangat masam (Wijaya-Adhi et al., 1992). Reaksi oksidasi pirit adalah sebagai berikut: 1) FeS 2 + H 2 O + 3½ O 2 FeSO 4 + H 2 SO 2) 2 FeSO4 + ½ O 2 + H 2 SO 4 Fe 2 (SO 4 ) 3 + H 2 O 3) FeS2 + 7 Fe 2 (SO 4 ) H 2 O 15 FeSO H 2 SO Produksi ferri sulfat dari ferro sulfat sangat besar karena proses pembentukannya dipercepat oleh aktivitas bakteri Thiobacillus ferrooxidans (No. 2) dan pada kondisi yang masam reaksi pirit dengan ferri sulfat (No. 3) berlangsung sangat cepat. Ferri sulfat juga dapat terhidrolisis sehingga menambah kemasaman seperti diperlihatkan reaksi berikut: Fe 2 (SO 4 ) H 2 O 2 Fe(OH) H 2 SO Hasil reaksi adalah dihasilkannya Fe 3+ koloidal dan asam sulfat yang terlarut menjadi ion sulfat dan melimpahnya ion H + yang mengakibatkan ph tanah turun drastis dari awalnya netral-agak alkalis (ph 5,5-6,5) menjadi masam ekstrim (ph 1,3 sampai <3,5). Pada kondisi ini terjadi keracunan ion H +, Al 3+, SO 2-4 dan Fe 2+, serta penurunan kesuburan tanah alami akibat hilangnya basa-basa tanah, sehingga tanah mengalami kahat P, K, Ca dan Mg (Subagyo, 2006). Dalam keadaan teroksidasi, pirit yang berubah menjadi sulfida besi tersebut diikuti dengan peningkatan kemasaman tanah yang tajam yang akan menghambat pertumbuhan tanaman dan menjadi racun bagi tanaman melalui beberapa mekanisme antara lain: 1. Kerusakan sel tanaman akibat peningkatan ion H +, 2. Peningkatan kelarutan Fe, Al, dan Mn yang bersifat toksik bagi tanaman, 3. Penurunan konsentrasi kation tertukar seperti K, 4. Penurunan ketersediaan P,

3 Terhambatnya pertumbuhan akar, serapan air dan abnormalitas faktor biotik (Leiwakabessy, 1980). Tanah sulfat masam telah diketahui sebagai tanah yang sulit untuk mengelola hasil produksi pertanian karena tingkat kesuburannya yang sangat rendah (Shamshuddin et al., 2014). Pengembagan pertanian di tanah sulfat masam sering menghadapai beberapa permasalahan seperti rendahnya ph tanah dan fosfat tersedia serta tingginya kandungan Fe (Purnomo et al., 2005). Pada keadaan ini, manajemen yang sesuai sangat berguna untuk menahan potensi yang membahayakan dari tanah sulfat masam dan dianggap bisa digunakan untuk tujuan pertanian (Khan, 1994). Alternatif pengelolaan yang dapat dilakukan adalah aplikasi bahan pembenah tanah yang mempunyai efek pengapuran (liming effect), pencucian sulfat masam (Noorsyamsi dan Sarwani, 1989), dan aplikasi pupuk yang sesuai kaidah 4 T (Tepat Jenis, Dosis, Waktu, dan Metode). Khan et al. (2006) melaporkan bahwa terak dasar telah digunakan di lahan pertanian sejak tahun 1985 dan tidak menciptakan efek berbahaya pada tanaman. Mereka menyarankan bahwa terak dasar dapat diterapkan untuk mereklamasi kembali tanah sulfat masam. Sebuah reklamasi dan praktek manajemen yang tepat dari tanah sulfat masam diperlukan untuk mengurangi pencucian basa dari larutan tanah serta untuk mengurangi defisiensi unsur hara (Jintaridth, 2006). Menurut Cook et al. (2006) peningkatkan keasaman pada tanah sulfat masam dapat mengurangi basa dan dapat membahayakan bagi lingkungan akuatik dan terestrial. Namun, sebagian besar studi yang bertujuan untuk mereklamasi tanah sulfat masam dilakukan untuk jangka waktu yang lebih pendek (Khan et al., 1996).

4 Kapur Dolomit Ada banyak teknik tradisional dan modern yang dapat memperbaiki sifat kimia tanah dari tanah sulfat asam. Salah satunya adalah aplikasi bahan kapur. Kapur lebih sering sesuai untuk memperbaiki tanah masam karena kelarutannya tinggi dalam jumlah sekitar 6,25-12,5 ton/ha. Penggunaan bahan kapur bersamasama dengan pupuk kimia, terutama nitrogen dan fosfor, dapat meningkatkan produktivitas padi. Selain itu, aplikasi silikon (Si) dapat mengurangi toksisitas aluminium untuk tanaman termasuk padi (Hara et al., 1999). Silikon meningkatkan fotosintesis tanaman padi dan meningkatkan ketahanan tanaman padi terhadap beberapa penyakit dan serangga yang merugikan tanaman padi (Ma and Takahashi, 2002). Bahan pembenah tanah bisa berupa dolomit yang merupakan salah satu jenis kapur pertanian yang dapat meningkatkan ph, juga menambahkan kandungan Ca dan Mg untuk menunjang pertumbuhan dan perkembangan tanaman. Untuk meningkatkan ph pasang surut dari 4,5 menjadi 5,3 diperlukan kapur sebanyak 2 ton/ha (Badan Litbang Pertanian, 2009). Selain itu dolomit banyak digunakan karena relatif murah dan mudah didapat. Disamping itu bahan tersebut dapat memperbaiki sifat fisik tanah dan kimia dengan tidak meninggalkan residu yang merugikan tanah. Apabila ph tanah telah meningkat, maka kation Aluminium akan mengendap sebagai gibsit sehingga tidak lagi merugikan tanaman (Safuan, 2002). Para pakar yang telah banyak meneliti di daerah tropik menyatakan bahwa untuk mendapatkan efisiensi pengapuran di daerah tropik basah dimana jumlah Al-dd sangat tinggi ternyata pengapuran memang tidak perlu menambahkan ph

5 diatas 6, tetapi cukup meniadakan atau menekan Al yang meracuni tanaman. Prinsip pengapuran yang didasarkan pada Al-dd ternyata sangat efektif dalam menunjang pertumbuhan tanaman. Prinsip ini terus berkembang hingga kemudian ditentukan kebutuhan kapur berdasarkan kejenuhan Al (Ragland and Coleman, 1959). Secara umum pemberian kapur antara 0,5 ton sampai dengan 3,0 ton per hektar sudah cukup memadai (Alihamsyah, 2003). Sedangkan beberapa peneliti seperti Subiksa et al. (1990) dan Noor et al. (2010), menyatakan bahwa pemberian bahan amelioran seperti pupuk organik, tanah mineral, zeolit, dolomit, fosfat alam, pupuk kandang, kapur pertanian, abu sekam, purun tikus (Eleocharis dulcis) dapat meningkatkan ph tanah dan basa-basa tanah. Pupuk dan Pemupukan Pupuk merupakan suatu bahan yang diberikan pada tanaman baik secara langsung maupun tidak langsung untuk mendorong pertumbuhan tanaman, meningkatkan produksi atau memperbaiki kualitasnya sebagai akibat perbaikan nutrisi tanaman (Leiwakabessy dan Sutandi, 2004). Pupuk dapat digolongkan kedalam senyawa organik maupun anorganik yang dapat terdiri dari satu atau lebih unsur hara. Pemupukan telah menjadi komponen dari peningkatan teknik-teknik budaya untuk sebagian besar tanaman sejak lebih dari 95 persen dari lahan yang paling subur dari Nigeria barat selatan yang sering dibudidayakan. Kendala dan masalah nutrisi tanah pada tingkat yang rendah hingga menengah pada

6 ketersediaan nutrisi yang menyebabkan lahan berada di posisi bawah tingkat potensial (Adepetu, 1986). Cara terbaik untuk mencegah tanah menjadi miskin adalah dengan mengembalikan yang tanaman telah ambil dan ini hanya dapat dicapai dengan penggunaan pupuk anorganik (Roberts and Andrew, 1989). Dalam program manajemen kesuburan tanah yang baik, waktu yang tepat dan pemupukan yang baik diperlukan untuk mempertahankan tingkat produksi tanaman yang tinggi (Harper, 1983). Cooke (1972) melaporkan bahwa nutrisi utama yang dibutuhkan oleh tanaman yang Nitrogen (N), Fosfor (P) dan Kalium (K). Pasokan yang tidak memadai dari setiap nutrisi selama pertumbuhan tanaman diketahui memiliki dampak negatif pada kemampuan reproduksi, pertumbuhan dan hasil tanaman (Vine, 1953; Solubo, 1972) dan jumlah tambahan nutrisi dapat ditambahkan ke tanah dalam bentuk pupuk anorganik untuk memperbaiki kekurangan pasokan nutrisi ke tanaman (Dirk and Hargarty, 1984). Bakteri Pereduksi Sulfat Bakteri Pereduksi Sulfat (BPS) atau Sulphate Reduction Bacteria merupakan salah satu mikrobia penting. Bakteri ini ditemukan hampir di semua lingkungan di bumi: tanah, air tawar, air laut dan air payau, sumber air panas, daerah geothermal; sumur minyak dan gas, cadangan sulfur, endapan lumpur, selokan, besi berkarat, rumina kambing dan usus serangga (Postgate,1984). Hidupnya obligat anaerob, namun dapat bertahan dalam waktu yang cukup lama pada kondisi aerasi yang baik bila tersedia nutrisi yang berlimpah. Walaupun BPS

7 umumnya lebih suka berada dalam lingkungan yang agak basa (Jalaludin, 2005), mereka dapat pula berkembang dalam lingkungan dengan rentang ph 5,5-8,5. Kebanyakan tipe asimilasi bakteri pereduksi sulfat yang telah diisolasi dari alam dan dijelaskan bahwa sejauh ini merupakan bakteri mesofilik, anaerob dan tidak mampu membentuk spora. Kelompok yang termasuk bakteri ini merupakan bakteri dari subdivisi delta dari genus proteobakteria. Data terbaru dari kategori ini adalah Desulfovibrio. Berbagai jenis sel telah dijelaskan termasuk bentuk bulat (coccus); oval atau batang lurus panjang; batang melengkung atau spiral; sel-sel dengan vesikular gas; bergerak meluncur serta memiliki filamen multiseluler. Di alam dikenal beragam bakteri yang memanfaatkan senyawa anorganik sebagai elektron donor atau elektron akseptor dalam aktivitas metabolismenya, salah satunya adalah bakteri pereduksi sulfat. Bakteri pereduksi sulfat memanfaatkan ion sulfur dalam bentuk sulfat (SO 2-4 ), tiosulfat (S 2 O ) dan sulfit (SO 3 ) sebagai akseptor elektron terminal dalam respirasi metabolismenya, yang kemudian direduksi menjadi sulfida. Spesies bakteri pereduksi sulfat yang paling banyak ditemukan adalah dalam sedimen laut karena kandungan sulfat cukup tinggi (Widdel and Bak, 1992). Dalam melakukan reduksi sulfat, BPS menggunakan sulfat sebagai sumber energi yaitu sebagai akseptor elektron dan menggunakan bahan organik sebagai sumber karbon (C). Karbon tersebut berperan sebagai donor elektron dalam metabolisme juga merupakan bahan penyusun selnya (Groudev et al., 2001). Sedangkan menurut Djurle (2004) menjelaskan bahwa BPS menggunakan donor elekron H2 dan sumber C (CO 2 ) yang dapat diperoleh dari bahan organik.

8 Reduksi sulfat dapat terjadi dalam kisaran nilai ph, tekanan, suhu dan kondisi salinitas yang luas. Gambar 1. Skema Beberapa Jalur Berbeda yang Terlibat dalam Siklus Sulfur Mikrobial (Sumber: Lens et.al., 2004) Siklus sulfur merupakan salah satu proses biogeokimia utama di alam. Terdapat empat jenis stok senyawa sulfur alamiah utama berdasarkan tingkat oksidasinya dalam siklus sulfur, yaitu senyawa sulfida (S 2 - ), sulfur elemental (S 0 ), sulfat (SO 4 2- ) dan sulfur-organik (C-SH) (Lens et.al., 2004). Gambar di atas menunjukan jalur-jalur reaksi yang terlibat dalam siklus sulfur mikrobial. Perilaku senyawa-senyawa sulfur di perairan dipengaruhi oleh sejumlah organisme terutama mikroba. Jalur I, II, III, dan V melibatkan mikroba autotrof yang menggunakan CO2 anorganik sebagai sumber karbon. Sedangkan jalur IV dan VI melibatkan mikroba heterotrof yang menggunakan senyawa organik sebagai sumber karbon.

9 Reaksi oksidasi senyawa sulfur terjadi pada jalur I, II, dan III, sedangkan reaksi reduksi terjadi pada jalur IV dan VI. Oksidasi senyawa sulfur melibatkan mikroorganisme kemoautotrof atau fotoautotrof, seperti bakteri dari genus Thiobacillus dan bakteri-sulfur fotosintetik (Chlorobiaceae dan Chromatiaceae). Dari semua kelompok bakteri pengoksidasi sulfat, hanya kelompok bakteri thiobacillus yang mampu menghasilkan sulfat secara langsung tanpa mengakumulasi sulfur dalam proses oksidasi H2S pada tekanan oksigen normal. Kelompok bakteri lainnya mengakumulasi sulfur. Sulfur yang terakumulasi tersebut akan dioksidasi lebih lanjut menjadi sulfat ketika suplai H2S menurun atau hilang (Ehrlich and Newman, 2009). Habitat pertumbuhan bakteri pereduksi sulfat cukup luas. Selain di lautan, bakteri ini juga ditemukan di lahan sawah dan perairan darat. Mengingat bakteri ini merupakan bakteri anaerob obligat, bakteri pereduksi sulfat lebih banyak ditemukan pada lingkungan anoksik, terutama di bagian bawah sedimen. Jorgensen (1982) melaporkan bahwa jumlah dan aktivitas bakteri pereduksi sulfat meningkat dengan ketebalan lapisan sedimen. Namun demikian, ada kelompok bakteri pereduksi sulfat yang mampu tumbuh pada kondisi oksik. Hal ini yang menyebabkan ada keragaman bakteri yang tumbuh dalam sedimen. Risatti et al. (1994) mengemukakan bahwa kelompok Desulfovibrio sp. lebih dominan di bagian atas sedimen, sedangkan Desulfotomaculum sp. Banyak ditemukan pada bagian bawah sedimen. Di alam BPS sering berasosiasi dengan BPB (iron reduction bacteria) dalam melaksanakan bioremediasi lingkungan. Keduanya dapat dijumpai di lingkungan yang tanpa oksigen. Jika bakteri pereduksi sulfat menggunakan sulfat

10 sebagai akseptor elektron, bakteri pereduksi besi menggunakan besi (III) sebagai akseptor elektron terminal (Luef et al., 2013). Kemampuan isolat bakteri pereduksi sulfat juga beragam, namun efisiensi reduksi sulfat semua isolat meningkat dengan peningkatkan nilai ph. Pada ph 6 efisiensi reduksi sulfat berkisar antara 74,75% sampai 91,79%. Kemampuan terendah diperoleh isolat ICBB 8820, sedangkan isolat ICBB 8818 mempunyai kemampuan mereduksi sulfat paling tinggi, yakni sebesar 91,79%. Penurunan ph menurunkan kemampuan bakteri mereduksi sulfat. Pada ph 6, isolat ICBB 8820 mampu mereduksi sebesar 74,75%, berkurang menjadi 72,77% pada ph 4, dan tidak mampu tumbuh pada ph 3. Sedangkan kemampuan reduksi isolat ICBB 8818 mencapai 91,79% pada ph 6, tetapi hanya sebesar 84,28% pada ph 3. Pada ph 3 total sulfat yang tereduksi oleh 8 isolat yang mampu tumbuh berkisar antara 71,47% sampai 84,28% (Yusron, 2009).