1 1.1 Latar belakang BAB I PENDAHULUAN Pencemaran lingkungan yang diakibatkan oleh limbah beracun dapat memutuskan mata rantai lingkungan hidup dan menghancurkan tatanan ekosistem. Limbah beracun umumnya merupakan limbah persenyawaan kimia. Senyawa kimia yang beracun bagi organisme hidup dan manusia adalah senyawa kimia yang memiliki bahan aktif yang bisa berasal dari logam berat. Hampir semua logam berat berpotensi sebagai pencemar lingkungan dan berdampak terhadap kehidupan jika keberadaannya di lingkungan melebihi ambang batas. Beberapa logam berat yang sering mencemari lingkungan adalah Cd, Pb, Hg, Cu, Cr dan As (Suhendrayatna, 2001; Broto dan Syamsul, 2006; Abidin dan Sunardi, 2009). Tingginya resiko yang diakibatkan oleh keberadaan logam berat di perairan, menjadi masalah serius sehingga perlu dilakukan upaya dalam menanggulangi maupun menurunkan konsentrasi pencemar sampai di bawah ambang batas baku mutu lingkungan. Berbagai metode telah dicoba untuk menurunkan konsentrasi pencemar logam berat di perairan misalnya metode fisika, biologi dan kimia. Secara kimia umumnya dilakukan dengan pengendapan dan oksidasi-reduksi, sedangkan secara fisika umumnya dilakukan dengan penyaringan mekanik, elektrodeposisi, maupun sistem membran. Pengolahan secara kimia-fisika membutuhkan teknologi yang tinggi dan peralatan yang cukup mahal sehingga perlu digunakan metode yang lebih murah. Teknik adsorpsi merupakan salah satu metode yang cukup efektif dan signifikan, disamping mudah diaplikasikan dan mudah disintesis. Beberapa adsorben alami telah dikembangkan, dan diaplikasikan untuk menangani logam berat serta memungkinkan untuk dilakukan pemulihan (recovery) logam (Ahalya dkk., 2004). Melalui proses pemulihan, material ini dapat dibuang dan ramah terhadap lingkungan diantaranya kitin (Lesbani, 2001; 2006; Franco dkk., 2004; Santosa dkk., 2007), kitosan (Cheung dan McKay, 2003; Guibal, 2004; Cahyaningrum dkk., 2008; Darjito dkk., 2006; M. Sehol, 2008). Demikian pula 1
2 penggunaan mikroorganisme sebagai adsorben logam berat diantaranya Sacchromyces cerevisiae (Mawardi dkk., 1997; Ngah dan Chen, 2006; Amaria dkk., 2007; Kresnawaty dan Tri Panji, 2007; Lestari S., 2003; Liu dkk., 2010), Aspergillus niger (Kapoor dan Viraraghavan, 1997; Nurdin, 1998; Mukhopadhyay, M., 2008). Penggunaan mikroorganisme Aspergillus niger dan Saccharomyces cerevisiae sebagai adsorben didasarkan atas luas permukaannya yang sangat tinggi sehingga cocok sebagai agen penyerap kation (Hughes dan Poole, 1990), prekonsentrasi dan spesiasi pemisahan logam-logam runut (Bag dkk., 2000), efisiensi penyerapan melalui lingkungan eksternalnya cukup tinggi, baik pada sel hidup maupun mati (biomassa). Biomassa mati memberi keuntungan karena tidak toksik, mudah diperoleh, tidak memerlukan nutrisi tambahan (Ngah dan Chen, 2006; Peter J dan Viraraghavan T., 2008). Sel mati Chlorella regularis dapat mengadsorpsi total logam berat kira-kira dua kali lebih besar dibanding sel hidupnya (Nakajima dkk., 1981). Kemampuan akumulasi logam berat terutama disebabkan oleh dinding sel mikroorganisme yang tersusun oleh polisakarida, protein dan lipid yang mengandung gugus fungsional seperti karboksilat, hidroksil, sulfohidril, fosfat dan amino (Gadd dan White., 1993; Tobin dkk., 1994; Kapoor dan Viraraghavan, 1997; Wang dan Chen, 2006; Peter dan Viraraghavan, 2008). Pemanfaatan secara langsung, biomassa Aspergillus niger dan Saccharomyces cerevisiae bentuk mati/kering memiliki sifat rentan terhadap degradasi biologi dan sangat lembek, sehingga ketika biomassa diinteraksikan dengan kation dalam medium air, sulit dipisahkan kembali kation-kation logam dari adsorbennya. Oleh karena itu, perlu adanya pengembangan untuk meningkatkan kemampuan tersebut dan menarik untuk dilakukan. Beberapa pengembangan yang telah dilakukan melalui imobilisasi mikroorganisme pada polimer sebagai padatan pendukung. Polimer alami seperti natrium alginat, kitin, kitosan dan turunan selulosa umumnya digunakan sebagai padatan pendukung. Imobilisasi yeast pada polivinil alkohol (PVA) dapat meningkatkan kekuatan mekanik dan ketahanan kimia. Hal ini dibuktikan pada imobilisasi biomassa dengan teknik pemerangkapan pada Ca-alginat maupun Na-alginat menggunakan
3 polivinil alkohol lebih baik dalam menyerap Pb(II) dibanding menggunakan poliakrilamida (Ting dan Sun, 2000; Wu dan Yu, 2007). Imobilisasi asam humat pada berbagai padatan pendukung, menunjukkan bahwa kitosan merupakan padatan pendukung yang lebih baik daripada silika gel dan kitin (Santosa, 2007). Pemilihan kitosan dalam penelitian ini sebagai padatan pendukung pada proses imobilisasi karena tersedia cukup banyak di lingkungan, tidak bersifat toksik dan adanya gugus -OH, -NH 2 dan gugus -NHCOCH 3 - kitosan yang dapat membentuk kelat, Di sisi lain kajian tentang konversi situs aktif kitosan baik melalui imobilisasi, hibridisasi atau impregnasi dihasilkan hibrida turunan kitosan dengan daya adsorpsi yang lebih baik terhadap logam-logam berat seperti Cu(II), Ni(II), Cd(II), Zn(II), Pb(II) dan Cr(III) (Mahatmanti., 2001; Wu dkk., 2002; Chow dan Khor, 2002; Sehol, 2004; Darjito dkk., 2006; Popuri S. R dkk., 2009). Penelitian tentang imobilisasi biomassa telah banyak dilakukan. Darnall dkk. (1986) dan Kamatsuka H dkk. (2004) mengimobilisasi sel alga pada matrik silika gel, selain sebagai biosorben, biomassa hasil imobilisasi terbukti dapat digunakan untuk mendapatkan kembali Au(III) dan asam phtalat. Maquleira dkk. (1994) menggunakan Saccharomyces cerevisiae yang diimobilisasi dengan sepiolit untuk tujuan pemekatan logam runut. Amaria dkk. (2007) menggunakan biomassa Saccharomyces cerevisiae asal limbah fermentasi industri bir yang diimobilisasi pada silika gel memiliki kestabilan biomassa imobil pada ph 2-12, kapasitas adsorpsi sebesar 15 mg/g sedangkan tanpa imobilisasi stabil pada ph 2-10, kapasitas adsorpsi sebesar 9 mg/g dengan waktu kontak 60 menit. Mekanisme adsorpsi terhadap Zn(II) didominasi oleh mekanisme pemerangkapan. Kresnawaty dan Tri Panji (2007) menggunakan biomassa Saccharomyces cerevisiae, hasilnya menunjukkan waktu kontak optimum satu jam dengan ph optimum 5 tetapi kurang efektif menyerap ion logam Zn(II) pada konsentrasi rendah. Saifuddin dan Raziah (2007) mengimobilisasi Saccharomyces cerevisiae menggunakan kitosan/ lignosulfonat dalam menyerap Cr(III) asal limbah industri pada ph 5 dengan waktu kontak 30-60 menit, konsentrasi awal optimum 50 mg/l, hasil imobilisasi cocok digunakan sebagai pengisi kolom reaktor. Studi adsorpsi Cd(II) pada kitosan-alumina diperoleh ph optimum pada ph 7, waktu kontak
4 optimum 15 menit, kapasitas adsorpsi kitosan-alumina terhadap Cd(II) sebesar 15 0,05 mg/g adsorben (Darjito dkk., 2006). Kemampuan adsorpsi Cr(III) > Pb(II) menggunakan mycelia poliporous squamosus yang diimobilisasi menggunakan kalsium alginat optimum pada ph 6 untuk konsentrasi 1-100 mg/l (Wuyep, dkk., 2007; Peter J dan Viraraghavan, 2008). Valdman (2000) berhasil mengimobilisasi biomassa Sargassum sp menggunakan silika gel, hasilnya menunjukkan penurunan harga kapasitas maupun energi adsorpsi ion logam Cu(II), Cd(II) dan Pb(II) bila dibandingkan dengan biomassa tanpa polimer pendukung, akan tetapi diperoleh agregat yang lebih stabil (Buhani, 2003). Secara ekonomis pemilihan kitosan sebagai matrik pendukung sangat potensial, kitosan merupakan polimer kedua terbanyak di alam setelah selulosa dan memiliki kemampuan sebagai adsorben. Beberapa kajian menunjukkan bahwa kitosan memiliki kemampuan dalam proses penyerapan logam-logam berat (adsorben). Laju adsorpsi dan kapasitas adsorpsi Cd(II), Pb(II), dan Cr(III) pada kitosan lebih meningkat dibanding kitin (Schmul dkk., 2001; Lesbani, 2001; Franco dkk., 2004). Keberadaan gugus amina bebas pada kitosan lebih efektif dari gugus asetamida pada kitin, sehingga kitosan menjadi pilihan dalam mengembangkan fungsinya sebagai adsorben maupun sebagai pengimobil biomassa. Demikian pula dengan keunggulan biomassa (Aspergillus niger, Saccharomyces cerevisiae), maka proses imobilisasi mikroorganisme memiliki potensi menjanjikan. Imobilisasi biomassa Aspergillus niger dan Saccharomyces cerevisiae (kering/mati) menggunakan pengimobil kitosan dalam mengadsorpsi Cr(III), Pb(II), Cd(II) sejauh pelusuran penulis belum dilaporkan oleh peneliti sebelumnya, sehingga diperlukan penelitian lebih lanjut terutama modifikasi keduanya secara bersama. Dengan imobilisasi biomassa Aspergillus niger dan Saccharomyces cerevisiae pada kitosan, diharapkan biomassa tersebut memiliki sifat fisik tambahan yang berbeda dengan biomassa tanpa diimobilisasi, dapat mencegah degradasi biologi akibat perubahan kimia yang berasal dari lingkungan biomassa. Oleh karena itu, dalam penelitian ini telah dilakukan sintesis adsorben biomassa Aspergillus niger dan atau Saccharomyces cerevisiae terimobilisasi
5 dengan mengkaji parameter adsorpsi seperti, optimasi persentase massa adsorben, ph, waktu kontak dan konsentrasi awal adsorben terhadap Cr(III), Pb(II) dan Cd(II). 1.2 Keaslian Penelitian Berdasarkan penelusuran literatur dari berbagai sumber yang telah dilakukan hingga saat disertasi ini disusun maka dapat dikemukakan bahwa: Kemampuan biomassa dalam mengikat logam berat sangat dibatasi oleh beberapa kendala seperti ukurannya yang kecil dan mudah rusak karena degradasi oleh mikroorganisme lain (Harris dan Ramelow, 1990). Selain itu biomassa Aspergillus niger dan Saccharomyces cerevisiae tidak dapat digunakan secara langsung dalam kolom kromatografi karena sangat lunak dan berbentuk granular (Volesky dan Philips, 1995). Keterbatasan biomassa Aspergillus niger dan Saccharomyces cerevisiae dapat diatasi dengan melakukan modifikasi melalui imobilisasi pada padatan atau polimer pendukung, Keberhasilan imobilisasi bergantung pada jenis biomassa, teknik imobilisasi dan padatan pendukung (Godjevargova dan Mihova, 2003). Padatan pendukung yang digunakan sebagai pengimobil adalah padatan anorganik dan organik yang mengandung gugus-gugus fungsi yang efektif sebagai situs adsorpsi, ligan serta memiliki permukaan yang luas (Tong dkk., 1994; Zhao dkk., 1994; Valdman, 2000; Kim dkk., 2011). Kajian imobilisasi biomassa pada berbagai padatan pendukung telah dilakukan oleh beberapa peneliti, akan tetapi imobilisasi biomassa Aspergillus niger dan Saccharomyces cerevisiae pada kitosan untuk mengadsorpsi Cr(III), Pb(II) dan Cd(II) belum banyak diteliti. Berdasarkan uraian latar belakang, secara umum penelitian terdahulu mengimobilisasi Aspergillus niger dan Saccharomyces cerevisiae dalam bentuk sel hidup, dan tidak menggunakan kitosan sebagai pendukung. Maquleira dkk. (1994) menggunakan Saccharomyces cerevisiae tujuan pemekatan logam runut namun menggunakan padatan pendukung sepiolit. Demikian pula Amaria dkk. (2007) mengimobilisasi Saccharomyces cerevisiae pada silika gel. Saifuddin dan Raziah (2007) telah mengimobilisasi Saccharomyces cerevisiae menggunakan kitosan dengan pengikatan-silang
6 lignosulfonat hanya sebatas menyerap Cr(III). Kresnawaty dan Tri Panji (2007) menggunakan biomassa Saccharomyces cerevisiae. Hasilnya menunjukkan bahwa adsorpsi Zn(II) kurang efektif menyerap pada konsentrasi di bawah 20 ppm. Secara umum imobilisasi biomassa Aspergillus niger dan atau Saccharomycess cerevisiae kemungkinan dapat menurunkan kapasitas adsorpsi, akan tetapi dengan imobilisasi akan memberikan keuntungan bagi biomassa seperti meningkatkan ketahanan fisik biomassa, mudah dipisahkan dan dapat dipakai berulang. Penelitian tentang imobilisasi biomassa Aspergillus niger dan Saccharomycess cerevisiae menggunakan polimer pendukung kitosan yang diisolasi dari limbah udang sejauh ini belum pernah diteliti, termasuk kajian tentang pengaruh adsorpsinya terhadap Cr(III), Pb(II) dan Cd(II). Kajian adsorpsi menggunakan metode batch, sejauh penelusuran penulis belum pernah dilaporkan. 1.3 Tujuan Penelitian Penelitian ini dilaksanakan dengan beberapa tujuan sebagai berikut: 1. Mengetahui karakter adsorben biomassa Aspergillus niger dan Saccharomyces cerevisiae yang diimobilisasi pada kitosan. 2. Memprediksi mekanisme adsorpsi Cr(III), Pb(II) dan Cd(II) oleh adsorben hasil imobilisasi. 3. Memperoleh adsorben hasil imobilisasi yang efektif dan memiliki kapasitas adsorpsi tinggi terhadap Cr(III), Pb(II) dan Cd(II). 1.4 Manfaat Penelitian. Manfaat yang diharapkan dalam penelitian ini adalah: 1. Mengetahui kemampuan Aspergillus niger dan Saccharomyces cerevisiae terimobilisasi dalam mengadsorpsi Cr(III), Pb(II) dan Cd(II). 2. Memberikan informasi tentang manfaat dan nilai ekonomis biomassa Aspergillus niger, Saccharomyces cerevisiae serta limbah udang. 3. Memperdalam pengetahuan tentang sifat fisika dan kimia biomassa Aspergillus niger, Saccharomyces cerevisiae yang diimobilisasi pada kitosan
7 4. Memberikan kontribusi bagi kemajuan ilmu pengetahuan terutama bidang ilmu kimia, khususnya kimia lingkungan dalam mengatasi pencemaran logam berat.