PENDAHULUAN Latar Belakang Limbah merupakan permasalahan yang selalu muncul ketika suatu usaha dilakukan, begitu juga dengan usaha di bidang peternakan. Usaha peternakan akan menghasilkan limbah antara lain berupa sisa pakan, urin dan feses. Apabila limbah tidak diolah akan menimbulkan permasalahan, antara lain aroma tidak sedap, mencemari lingkungan dan menjadi sarang bibit penyakit. Lebih jauh lagi limbah peternakan juga mengakibatkan pemanasan global. Meurut Watch Magazine edisi November Desember 2009, menyatakan bahwa peternakan bertanggung jawab atas sedikitnya 51% dari emisi gas rumah kaca yang dapat menyebabkan semakin menipisnya lapisan ozon. Gas amonia (NH3) merupakan salah satu kandungan limbah peternakan yang menyebabkan pemanasan global. Menurut National Research Council tahun 2002 (NRC, 2002) tentang produksi gas ammonia (NH3) dunia, gas ammonia (NH3) banyak dihasilkan dari sektor peternakan yaitu sapi 43,4%, unggas 26,7%, babi 10,1% dan domba 0,7%, sedangkan lainnya dihasilkan dari industri dan aktivitas manusia. Selain menyebabkan pemanasan global, gas ammonia (NH3) juga menimbulkan bau tidak sedap yang akan mengganggu lingkungan. Pengolahan limbah peternakan sangat penting dilakukan untuk menghindari permasalahan-permasalahan di atas. Salah satu metode pengolahan limbah yang bisa digunakan adalah menggunakan mikrobia 1
yang bisa mengurai gas amonia (NH3). Penguraian gas amonia (NH3) oleh mikrobia melalui proses nitrifikasi gas amonia (NH3) akan diubah oleh mikrobia menjadi nitrit. Salah satu mikrobia yang bisa digunakan untuk mengurai gas amonia adalah Bacillus sp. Tujuan Penelitian Penelitian ini dilaksanakan bertujuan untuk mengetahui karakteristik dan profil pertumbuhan Bascillus sp. TD5B pada penambahan amonium yang berbeda. Manfaat Penelitian Penelitian ini diharapkan dapat menjadi acuan dan bahan pertimbangan dalam pengolahan limbah. Aplikasi penelitian ini juga memiliki manfaat untuk mengurai tingkat polusi yang diakibatkan oleh limbah peternakan. 2
TINJAUAN PUSTAKA Bacillus sp. TD5B Klasifikasi ilmiah Bacillus sp. menurut Hadioetomo (1985) adalah sebagai berikut: Kingdom Divisi Kelas Bangsa Suku Marga Jenis : Procaryotae : Bacteria : Schizomycetes : Eubacteriales : Bacillaceae : Bacillus : Bacillus sp. Bacillus sp. TD5B merupakan isolat hasil skrining mikrobia tanah di sekitar kandang induk Unit 2 Pelayanan Teknis Daerah (UPTD) Kaliurang. (Wahyuningsih, 2013). Bacillus sp. merupkan organisme bersel tunggal, berbentuk batang pendek, dengan ukuran panjang 1 μm sampai 4 μm dan lebar 0,4 μm sampai 1 μm. Bacillus sp. umumnya memiliki suhu pertumbuhan maksimum 37-48 o C dan suhu pertumbuhan minimum 5-20 o C (Jawetz et al., 2008). Bacillus sp. bersifat aerobik dan fakultatif anaerob, tergolong bakteri Gram-positif dan dapat membentuk endospora ketika nutrisi yang ada dalam lingkungan kurang (Hough, 1989). Bacillus sp. menurut Berber (2004) memiliki sifat fakultatif anaerob dan dapat membentuk endospora ketika kondisi lingkungan kurang nutrisi, tergolong bakteri yang motil (bergerak) dengan menggunakan flagella, tergolong 3
bakteri Gram-positif dan mampu beradaptasi dengan berbagai dari kondisi lingkungan. Isolasi Bakteri Isolasi bakteri adalah proses mengambil bakteri dari medium atau lingkungan asalnya dan menumbuhkannya di medium buatan sehingga diperoleh biakan yang murni. Bakteri dipindahkan dari satu tempat ke tempat lainnya harus menggunakan prosedur aseptik. Aseptik berarti bebas dari sepsis, yaitu kondisi terkontaminasi karena mikroorganisme lain. Teknik aseptik ini sangat penting bila bekerja dengan bakteri. Beberapa alat yang digunakan untuk menjalankan prosedur ini adalah bunsen dan laminar air flow. Bila tidak dijalankan dengan tepat, ada kemungkinan kontaminasi oleh mikroorganisme lain sehingga akan mengganggu hasil yang diharapkan. Teknik aseptik juga melindungi laboran dari kontaminasi bakteri (Singleton dan Sainsbury, 2006). Metode isolasi yang paling umum digunakan untuk mendapatkan kultur murni yaitu metode streak plate. Metode ini dilakukan dengan cara organisme yang akan diisolasi diambil dengan menggunakan jarum ose yang steril, kemudian di goreskan pada media biakan dengan membentuk pola seperti pada gambar 1. Setelah organisme yang diisolasi tumbuh, organisme yang akan diisolasi pada bagian akhir dari goresan akan tumbuh secara terpisah dan membentuk koloni yang terisolasi (Tortora, 2001). 4
Gambar 1. Pola goresan pada isolasi metode streak plate Bakteri Penambat Nitrogen Unsur hara nitrogen tersedia melimpah di udara. Kurang lebih 74% kandungan udara adalah nitrogen. Namun, nitrogen udara tidak dapat langsung dimanfaatkan tanaman. Nitrogen harus ditambat atau difiksasi oleh mikroba dan diubah bentuknya agar dapat dimanfaatkan oleh tanaman. Mikroba penambat N ada yang bersimbiosis dan ada pula yang hidup bebas. Mikroba penambat N simbiotik antara lain: Rhizobium sp. yang hidup di dalam bintil akar tanaman kacang- kacangan (leguminose). Mikroba penambat N non-simbiotik misalnya: Azospirillum sp. dan Azotobacter sp. Mikroba penambat N simbiotik hanya bisa digunakan untuk tanaman leguminose saja, sedangkan mikroba penambat N non-simbiotik dapat digunakan untuk semua jenis tanaman (Fatmawati, 2009). Siklus Nitrogen di Alam Nitrogen (N) merupakan unsur hara yang keberadaanya mutlak ada untuk kelangsungan pertumbuhan dan perkembangan tanaman sehingga disebut sebagai unsur hara esensial. Nitrogen juga merupakan unsur yang 5
dibutuhkan dalam jumlah banyak sehingga disebut unsur hara makro (Winarso, 2005). Nitrogen pada limbah peternakan terdapat dalam bentuk NH3, NO2, NO3 dan bentuk lain baik organik maupun anorganik. Kandungan nitrogen pada limbah ternak dipengaruhi oleh jenis ternak dan pakan yang diberikan (Triatmojo et al., 2008). Nitrogen di alam mengalami suatu siklus yang akan melibatkan organisme maupaun tidak melibatkan organisme. Siklus nitrogen terbagi menjadi lima fase transformasi secara mikrobologi meliputi asimilasi nitrogen, nitrifikasi, denitrifikasi, fiksasi nitrogen, dan amonifikasi. Asimilasi nitrogen merupakan proses pemanfaatan untuk pembentukan asam amino dalam protoplasma bagi fitoplankton, alga, dan bakteri. Amonia juga dapat mengalami asimilasi menjadi asam amino dan dapat diasimilasi secara langsung oleh diatom, alga seluler, dan tanaman tingkat tinggi. Nitrifikasi merupakan reaksi oksidasi yaitu proses pembentukan nitrat dari ammonia. Proses nitrifikasi dapat berlangsung secara bakteriologis atau kimiawi. Denitrifikasi merupakan reaksi reduksi nitrat menjadi nitrit, nitrit oksida, nitrous oksida, dan terakhir dibentuk gas N2. Fiksasi nitrogen merupakan pengikatan gas nitrogen menjadi ammonia dan nitrogen organik. Amonifikasi adalah proses pembentukan ammonia dari materi organik (Dong et al., 2002). Di alam terjadi siklus N sebagai bagian proses aliran materi. Persenyawaan nitrogen di luar tubuh organisme lebih banyak sebagai N- anorganik. Sebagian berupa anion dan kation yang larut dalam air, berada 6
dalam sistem tanah. Sebagian lain persenyawaan nitrogen berada dalam fase gas di udara. Terjadi perubahan siklis antara fase N-anorganik dan N- organik, yang melibatkan hewan, tumbuhan, jamur dan mikro organisme lain dan faktor lingkungan abiotiknya (Salisburry, 1985). Gambar 2. Siklus Nitrogen (Tortora, 2001). Amonia Amonia adalah gas berbau tajam yang tidak berwarna dengan titik didih -33,5 ºC. Cairannya mempunyai panas penguapan yang bebas yaitu 1,37 kj/g pada titik didihnya (Cotton dan Wilkinson,1989). Amonia dalam bentuk gas merupakan polutan yang berbahaya terutama jika terhirup ke dalam sistem pernafasan. Bahaya tersebut diantaranya menyebabkan iritasi hidung dan tenggorokan, penyakit paru-paru kronis, batuk, asma dan 7
pengerasan paru-paru. Amonia pada kulit dan mata dapat menyebabkan luka seperti terbakar, katarak dan gloukoma. Sifat racun dari amonia berhubungan dengan konsentrasi dari bentuk tak terionisasi (NH3). Sifat racun dari amonia tak terionisasi ini akan tinggi pada lingkungan dengan suhu yang rendah dan ph tinggi. Amonia pada ph yang rendah sebagian besar akan terionisasi menjadi ion amonium (NH4 + ) (Brigden dan Stringer, 2000). Nitrifikasi Nitrifikasi yaitu oksidasi ammonia menjadi nitrit dan nitrat dapat dilakukan oleh bakteri aerob. Nitrifikasi berjalan secara optimum pada ph 8 dan berkurang secara nyata pada ph < 7. Reaksi dari proses nitrifikasi yaitu: NH4 + + 3/2 O2 Nitrosomonas 2 H + + NO2 - + H2O NO2 - + ½ O2 Nitrobacter NO3 - Hasil oksidasi ini sangat reaktif dan mudah sekali larut, sehingga dapat langsung digunakan dalam proses biologis (Cotton dan Wilkinson,1989). Tortora (2008), menjelaskan bahwa nitifikasi yaitu proses oksidasi dari nitrogen dalam ion amonium untuk memproduksi nitrat. Nitrifikasi dilakukan oleh bakteri genus Nitrosomonas dan Nitrobabacter. Mikrobia ini memperoleh energi dengan cara mengoksidasi amonium atau nitrit. Tahapan pertama, amonium dioksidasi oleh Nitrosomonas menjadi nitrit: NH4 + Nitrosomonas NO2 - Tahapan selanjutnya nitrit dioksidasi oleh Nitrobabacter menjadi nitrat: NO2 - Nitrobacter NO3-8
Proses nitrifikasi biasanya berlangsung pada ph 5,5 sampai ph 10 dengan ph optimum sekitar 8,5 tetapi juga diketahui bahwa nitrat dapat dihasilkan pada tanah dengan ph 4,5 dan terdapat laporan bahwa proses nitrifikasi terjadi pada padang rumput dengan ph 3,8. Nitrifikasi yang dilakukan oleh mikroorganisme berlangsung lebih lambat dibandingkan dengan pemberian pupuk amonium, karena terdapat pengaruh dari NH3 bebas terhadap kegiatan mikroorganisme (Leiwakabessy et al., 2003). Urin Sapi Urin merupakan larutan berair, jernih agak kekuning-kuningan, berbau, reaksinya asam, yang dikeluarkan dari dalam badan hewan, untuk mengeluarkan air dan senyawa berberat molekul rendah (Poejiadi, 1994). Urin biasanya dieksresikan secara rutin setiap hari. Jumlah dari pengeluaran urin bervariasi, dipengaruhi oleh pakan, temperatur, lingkungan, konsumsi air, dan musim (Kustono, 1997). Sapi jantan dengan berat ± 300 kg rata-rata menghasilkan 8 liter sampai 12 liter urin per hari, sedangkan sapi induk dengan berat ± 250 kg menghasilkan 7,5 liter sampai 9 liter urin per hari, sehingga per bulan satu ekor sapi jantan dengan berat ± 300 kg akan menghasilkan 240 liter sampai 360 liter urin dan satu ekor sapi induk dengan berat ± 250 kg menghasilkan 225 liter sampai 270 liter urin (Adijaya, 2008). Urin sapi mengandung unsur hara nitrogen sebesar 1%, phosphor sebesar 0,5%, kalium sebesar 1,5% dan air sebesar 92% (Lingga dan Marsono, 2008). Purba (2013), menjelaskan bahwa urin sapi mengandung unsur C-organik sebesar 9
7,28%, nitrogen sebesar 0,3%, phosphor sebesar 0,29%, dan kalium sebesar 0,32%. Saunders (2012), menyatakan bahwa urin sapi mengandung N-total 0,78, NH4 - sebesar 0,26%, urea sebesar 0.53, kalium sebesar 0,95%, S-total sebesar 0,073%, Ca sebesar 732,5 ppm, Mg sebesar 213,5 ppm, Na sebesar 220,5 ppm, P sebesar 335 ppm. Manusia mengeluarkan urin 0,5 sampai 2 liter setiap harinya dengan ph 5,8. Urin manusia mengandung asam urat sebesar 0,3 sampai 2 gram, urea sebesar 20 sampai 35 gram, hippurate sebesar 0,14 gram, dan creatinine sebesar 1 sampai 1,5 gram. Urin manusia juga mengandung Cl sebesar 120 sampai 240 ppm, HPO4 2- sebesar 10 sampai 40 ppm, SO4 2- sebesar 30 sampai 60 ppm, NH4 + sebesar 30 sampai 50 ppm, Na + sebesar 100 sampai 150 ppm, K sebesar 60 sampai 80 ppm, Mg 2+ sebesar 3 sampai 6 ppm, dan Ca 2+ sebesar 4 sampai 11 ppm (Koolman, 2005). Faktor-faktor yang Mempengaruhi Pertumbuhan Bakteri Nutrien Semua mahluk hidup membutuhkan nutrien untuk pertumbuhan dan reproduksinya. Nutrien merupakan bahan baku yang digunakan untuk membangun komponen-komponen seluler baru dan untuk menghasilkan energi yang dibutuhkan dalam proses-proses kehidupan sel. Nutrisi merupakan indikasi dari kompleksitas fisiologis mikroba. Umumnya diketahui nutrien dibutuhkan oleh mikroba secara langsung mencerminkan kemampuan fisiologisnya. Sebagai contoh beberapa anggota genus lactobacillus membutuhkan sejumlah asam amino, vitamin B dan nutrien- 10
nutrien lainnya untuk pertumbuhannya. Sebaiknya mikroba autotrof hanya memerlukan cahaya dan karbondioksida dan gas nitrogen untuk tumbuh (Hafsah, 2009). Bakteri heterotrof membutuhkan nutrien untuk kehidupan dan pertumbuhannya, yakni sebagai sumber karbon, sumber nitrogen, sumber energi dan faktor pertumbuhan yakni vitamin dan mineral. Nutrien tersebut dibutuhkan untuk membentuk energi dan menyusun komponen-komponen sel. Setiap bakteri bervariasi dalam kebutuhannya akan zat-zat nutrisi tersebut (Waluyo, 2012). Air Bakteri memerlukan air untuk hidup dan berkembang biak. Pertumbuhan bakteri di dalam suatu bahan sangat dipengaruhi oleh jumlah air yang tersedia. Air merupakan bagian terbesar komponen sel (70% sampai 80%), selain itu air juga diperlukan sebagai reaktan dalam berbagai reaksi biokimia. Tidak semua air yang tersedia dapat digunakan oleh bakteri. Beberapa keadaan air dimana air tidak dapat digunakan oleh bakteri yaitu adanya solut dan ion yang dapat mengikat air dalam larutan seperti adanya gula atau garam, koloid hidrofilik (gel), dan air dalam bentuk kristal es (Waluyo, 2012). Nilai ph Medium harus mempunyai ph yang tepat, yaitu tidak terlalu asam atau basa. Kebanyakan bakteri tidak tumbuh dalam kondisi terlalu basa, dengan pengecualian basil kolera (Vibrio cholerae). Pada dasarnya tak 11
satupun yang dapat tumbuh baik pada ph lebih dari 8. Kebanyakan patogen, tumbuh paling baik pada ph netral (ph 7) atau ph yang sedikit basa (ph 7,4). Beberapa bakteri tumbuh pada ph 6, tidak jarang dijumpai organisme yang tumbuh baik pada ph 4 atau 5. Sangat jarang suatu organisme dapat bertahan dengan baik pada ph 4. Bakteri autotrof tertentu merupakan pengecualian, karena banyak bakteri autotrof menghasilkan produk metabolisme yang bersifat asam atau basa (Volk dan Wheeler, 1993). Suhu Setiap bakteri masing-masing mempunyai suhu optimum, minimum, dan maksimum untuk pertumbuhannya. Hal ini disebabkan di bawah suhu minimum dan diatas suhu maksimum, aktivitas enzim akan berhenti, bahkan pada suhu teralalu tinggi akan terjadi denaturasi enzim. Bakteri dibedakan menjadi tiga kelompok berdasarkan kemampuannya untuk dapat memulai pertumbuhan pada kisaran suhu tertentu yaitu bakteri psikofil, bakteri mesofil dan bakteri termofil (Waluyo, 2012). Oksigen Konsentrasi oksigen di alam mempengaruhi jenis bakteri yang dapat tumbuh. Bakteri dapat dibedakan menjadi empat kelompok berdasarkan kebutuhan oksigen untuk pertumbuhannya, yaitu bakteri aerob, anaerob, anaerob fakultatif, dan mikroaerafil (Waluyo, 2012). 12