BIOREMEDIASI LIMBAH PENCEMAR OLEH MIKROORGANISME Dr. Ni’matuzahroh Departemen Biologi Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Airlangga 2010

Limbah pencemar di lingkungan

Berbagai metode penanggulangan limbah pencemar Secara fisik Secara kimiawi Secara biologi Bioteknologi pengolahan limbah pencemar (Bioremediasi)

Advantages of bioremediation Can be done on site Keeps site disruption to a minimum Eliminates transportation cost and liabilities Eliminates waste permanently Eliminates long term liability Biological systems, often less expensive, are used Can be coupled with other treatment techniques into a treatment train

Bioremediation technologies can be broadly classified as : Ex situ technique Are those treatment modalities which involve the physical removal of the contaminated material to another area (possibly within the site) for treatment Examples : Bioreactors, land farming, composting, some form of solid phase treatment In situ technique Involve treatment of the contaminated material in place Examples : Bioventing for the treatment of contaminated soils and biostimulation of indigenous aquifer microorganism

Bioremediation treatment technologies Treatments Definition Bioaugmentation Addition of bacterial cultures to a contaminated medium; frequently used in bioreactors and ex situ systems Biofilters Use of microbial stripping columns to treat air emission Biostimulation Stimulation of indigenous microbial populations in soils and/ or ground water; may be done in situ or ex situ Bioreactors Biodegradation in a container or reactor; may be used to treat liquids or slurries Bioventing Methods of treating contaminated soils by drawing oxygen through the soil to stimulate microbial growth and activity

Bioremediation treatment technologies Treatments Definition Composting Aerobic, thermophilic treatment process in which contaminated materials is mixed with a bulking agent; can be done using static piles, aerated piles, or continuously fed reactor Land farming Solid-phase treatment systems for contaminated soils; may be done in situ or in a constructed soil treatment cell

BIOREMEDIASI Bioremediasi merupakan suatu upaya pemulihan kondisi lingkungan dengan menggunakan aktivitas biologis untuk mendegradasi dan/atau menurunkan toksisitas dari berbagai senyawa pencemar. Mikroorganisme dari kelompok bakteri, khamir, dan kapang merupakan kelompok utama yang berperan penting dalam bioremediasi limbah pencemar di lingkungan

BIOREMEDIASI (LANJUTAN) Teknologi bioremediasi oleh mikroba merupakan hasil pemikiran yang sistematik dari integrasi berbagai bidang ilmu, antara lain mikrobiologi, ekologi, fisiologi, biokimia, dan genetika yang dipadukan dengan menggunakan prinsip rekayasa untuk memaksimumkan reaksi metabolik mikroba yang diinginkan dalam pemulihan lingkungan yang tercemar. Pemahaman tentang mikrobiologi dan lingkungannya merupakan faktor penting dalam perkembangan teknologi biodegradasi. Kunci utama penentu keberhasilan pengolahan limbah pencemar di lingkungan secara biologi adalah mengetahui faktor-faktor yang berinteraksi dalam biodegradasi itu sendiri.

Pencemaran di lingkungan Bioremediasi Biodegradasi Mikroorganisme Jenis substrat Faktor lingkungan yang menjamin Survival mikroba dan interaksinya Monitoring

Bioremediasi didasarkan pada suatu pemahaman atas tiga prinsip utama yaitu: pengetahuan tentang fisiologi mikroba meliputi proses metabolisme yang mengarah pada detoksifikasi senyawa berbahaya dan pengendalian genetik mikroba yang mengontrol fungsi-fungsi tersebut; (2) pengetahuan tentang ekologi mikroba yang meliputi struktur dan fungsi dari komunitas mikroba di alam; (3) pengetahun tentang kerekayasaan (engineering) yaitu cara-cara aplikasi proses-proses metabolisme mikroba di alam sesuai dengan yang diinginkan.

Bioremediasi mempunyai dua tujuan yaitu menstimulasi pertumbuhan mikroba baik yang indigenus yaitu mikroba asli maupun non indigenus non indigenus atau mikroba yang sengaja dimasukkan dari luar ke daerah yang terkontaminasi, dan menciptakan kondisi lingkungan yang sesuai untuk meningkatkan intensitas kontak langsung antara mikroba dengan senyawa kontaminan di lingkungan baik yang terlarut maupun yang terikat oleh partikel untuk mengalami biotransformasi, biodegradasi, bahkan sampai biomineralisasi.

Keberhasilan bioremediasi bergantung pada banyak faktor diantaranya karakteristik substrat pencemar yang akan didegradasi oleh mikroba. keanekaragaman mikroba indigenus dan non indigenus potensial pendegradasi limbah pencemar, faktor biotik dan abiotik lingkungan yang mempengaruhi aktivitas biodegradasi limbah pencemar

Aplikasi kajian mikroba dalam bioremediasi limbah pencemar di lingkungan meliputi : Eksplorasi mikroba potensial dari lingkungan alami terutama dari kawasan tercemar. Isolasi, karakterisasi, dan identifikasi mikroba potensial pendegradasi limbah pencemar. Uji aktivitas mikroba dalam mendegradasi limbah pencemar. Pengukuran faktor-faktor yang memengaruhi proses degradasi oleh mikroba Studi mekanisme interaksi mikroba dengan substrat pencemar Pencarian kondisi optimum yang dibutuhkan oleh mikroba dalam mendegradasi limbah pencemar.

Aplikasi kajian mikroba dalam bioremediasi limbah pencemar di lingkungan meliputi : Deteksi hasil metabolisme dari proses biodegradasi. Eksplorasi gen-gen yang bertanggung jawab dalam proses biodegradasi. Pengembangan metode pembuatan konsorsium mikroba potensial pendegradasi limbah pencemar Pengembangan metode inokulasi mikroba potensial ke lingkungan tercemar. Monitoring viabilitas dan aktivitas mikroba (indigenus dan non indigenus) dalam mendegradasi limbah pencemar.

Hasil penelitian Aplikasi metode bioremediasi dalam penanggulangan pencemaran memberikan hasil yang bervariasi Memacu Menghambat ??? Tidak berpengaruh ??? Bioremediasi tetap merupakan alternatif yang paling aman meskipun membutuhkan biaya yang mahal

Metode dalam bioremediasi Bioastimulation Bioaugmentation Bioventing Fertilizing Surfactant

Metode bioremediasi

Metode bioremediasi in situ

Tahapan bioremediasi tanah

Tahapan bioremediasi tanah

Eksplorasi mikroba potensial Eksplorasi mikroba potensial yang dapat digunakan sebagai agen dalam bioremediasi umumnya dilakukan pada lingkungan yang terkontaminasi oleh limbah pencemar baik di tanah maupun di perairan. Kegiatan tersebut diarahkan selain untuk mendapatkan koleksi isolat mikroba indigenus juga untuk mengurangi kemungkinan terjadinya interaksi negatif ketika dilakukan penambahan mikroba potensial tersebut ke suatu lingkungan tercemar.

TEKNIK BIOREMEDIASI Berdasarkan tempat berlangsungnya, teknik bioremediasi dapat diaplikasikan secara : langsung (in situ) pada lingkungan yang tercemar Sifat remediasinya secara alamiah (natural attenuation) dan proses biodegradasi bahan pencemarnya berlangsung sangat lambat Di luar lingkungan yang tercemar (ex situ), yaitu dengan membawa tanah/air yang terkontaminasi tersebut ke lokasi pengolahan yang telah ditetapkan.

BIOREMEDIASI IN -SITU Menurut Sheehan (1995), jenis-jenis pengolahan bioremediasi in situ adalah Bioventing Liquid delivery Air sparging

BIOVENTING (Cookson ,Jr, 1995) Merupakan metode bioremediasi menggunakan mikroba indigenous dalam mendegradasi konstituen organik yang diadsorbsi oleh tanah pada lapisan tidak jenuh (vadoze) dengan menambahkan laju udara untuk menyediakan oksigen agar proses biodegradasi meningkat Metode ini efektif untuk meremediasi minyak bumi, antara lain : kerosen, minyak diesel, bahan bakar jet, dan gasoline

BIOVENTING Teknologi bioventing memerlukan penambahan nutrisi dan kelembapan sesuai dengan konsentrasi kontaminan dan jenis tanah yang ada Hasil dari teknologi bioventing akan didapatkan isolat mikroba yang berpotensi mendegradasi senyawa pencemar

LIQUID DELIVERY Sistem liquid delivery didesain untuk mensirkulasikan sejumlah nutrisi dan oksigen pada zone yang terkontaminasi untuk memaksmalkan terjadinya bioremediasi. Sumur injeksi yang digunakan untuk memasukkan nutrisi dan mensuplai oksigen ditempatkan pada atau di dekat area yang terkontaminasi Sistem resirkulasi ini didesain untuk mengisolasi area yang terkontaminasi sehingga kontaminan tidak keluar dari area.

LIQUID DELIVERY Jika lapisan akuifer atau zona unsaturated di lokasi terkontaminasi dangkal, maka nutrisi dan oksigen lebih baik diinjeksikan melalui infiltration gallery dari pada melalui sumur injeksi Sistem liquid delivery biasa diterapkan untuk jenis kontaminan ringan fase larutan non aqueus. Material ringan seperti gasoline yang memiliki berat molekul rendah lebih mudah larut, akan lebih mudah terdegradasi dari pada material dengan berat molekul tinggi dan susah larut

LIQUID DELIVERY Keuntungan sistem liquid delivery Pengolahan dilakukan langsung pada lokasi yang terkontaminasi Menghindari adanya penggalian dan perpindahan sedimen yang terkontaminasi Kerugian sistem liquid delivery Pengolahan memakan waktu yang lama jika konduktivitas tanah yang terkontaminasi lebih kecil dari pada 10 -4 cm/detik. Selain itu juga lebih mudah terjadi penyumbatan Sulitnya membuang air tanah terproduksi yang tidak diresirkulasi

AIR SPARGING Prinsipnya adalah : menyediakan oksigen sebagai akseptor elektron bagi proses biodegradasi dan secara fisik menyisihkan senyawa volatil dari zone unsaturated Udara dimasukkan ke dalam aquifer melalui sumur injeksi Pergerakan udara dari titik injeksi tersebut menghasilkan peningkatan oksigen terlarut (dissolve oxygen) dan , transfer senyawa volatil ke zona unsaturated Oksigen terlarut didistribusikan menuju akuifer secara difusi dan bersamaan dengan pergerakan air tanah Di beberapa tempat, telah dilakukan kombinasi pengolahan air sparging dan soil vapor exraction untuk meningkatkan efisiensi penyisihan hidrokarbon

BIOREMEDIASI EX SITU Bioremediasi ex situ dapat dibedakan menjadi : Bioremediasi fase padat (solid phase bioremediation) Bioremediasi semi padat (slurry phase bioremediation) Bioremediasi fase cair (liquid phase bioremediation)

BIOREMEDIASI FASE PADAT Merupakan bioremediasi untuk melenyapkan bahan pencemar yang berupa limbah padat yang mencemari suatu areal tanah Teknik bioremediasi dapat dilakukan secara : Composting Land farming

COMPOSTING Pertama kali dilaporkan, telah diaplikasikan di India pada awal tahun 1900 an Composting dilakukan dalam proses anaerobik. Sejak itu berbagai jenis desain seperti : Cookson Jr, John, T (1995) menyebutkab bahwa sistem composting modern terbagi menjadi 3 jenis proses yaitu : Sistem windrow Sistem static pile Sistem in –vessel

Akesson, Anna (2000) Metode composting dilakukan dengan pencampuran tanah terkontaminasi dengan bulking agent dan nutrien, lalu tanah campuran tersebut didistribusikan dalam barisan-barisan. Barisan –barisan tersebut biasanya diaduk secara mekanik atau diberikan oksigen untuk menjaga kondisi aerobik. Pada proses composting diperlukan adanya bulking agent untuk meningkatkan porositas dari media dan menurunkan kelembaban dan kelembapan tersebut tidak boleh melebihi 60 %.

LAND FARMING Merupakan metode pertama yang digunakan untuk meremediasi tanah atau lumpur yang terkontaminasi. Ex situ land farming disebut juga on site atau land farming Prinsipnya : bioremediasi dilakukan dengan menyebarkan tanah yang terkontaminasi minyak bumi di atas site yang telah ditentukan. Kemudian di atas tanah tersebut dilakukan treatment (perlakuan) untuk menurunkan konsentrasi polutan dengan memanfaatkan aktivitas metabolisme mikroba dalam kondisi lingkungan yang terkontrol

LAND FARMING Land treatmen dilakukan pada lapisan kedap air untuk mencegah kontaminan menyebar Pengolahan dilakukan dengan menambah air, nutrien, dan oksigen. Metode ini memerlukan lahan yang luas dan terkontaminasi oleh komponen organik teruapkan (volatile organic compound / VOC) yang ada sebelum hidrokarbon didegradasi

Contoh hasil penelitian land farming (Van Hamme et al., 2003) Ellis, B. 1996 Ketika tanah yang terkontaminasi 1,3 % lumpur minyak hasil penyulingan ditambahkan dengan nutrien, surfaktan, inokulasi mikroba, dan tanah secara berkala dicampur dan diaerasi dengan temperatur sekitar 25 oC, maka efisiensi penyisihan minyak bumi dapat mencapai sekitar 90% dalam 34 hari Fogel, 1994 Tanah terkontaminasi sekitar 6 % minyak bumi, bila dilakukan bioremediasi dengan proses land farming dengan penambahan nutrien, kontrol kelembapan, aerasi dengan pencangkulan dan TPH dalam waktu 6 bulan

Ringkasan Prosedur pengolahan tanah terkontaminasi dengan teknik bioremediasi ex situ land treatment meliputi 4 tahap utama : karakterisasi pencemar pemilihan lokasi, desain dan konstruksi bioremediasi treatment unit Proses pengoperasian Proses pemantauan

KARAKTERISASI PENCEMAR Identifikasi jenis bahan pencemar dan konsentrasinya mutlak dilakukan Proses biodegradasi akan terhambat dengan adanya : Konsentrasi yang terlalu tinggi dari pencemar faktor logam berat pada tanah yang menyebabkan toksisitas karena menghambat pertumbuhan dan reproduksi mikroba Contoh : TPH lebih besar dari 10.000 pm dan konsentrasi logam berat lebih besar dari 2.500 ppm, maka lahan yang tercemar harus dicampurkan dengan tanah kosong untuk mendilusi kontaminan sehingga kontaminan berada pada konsentrasi di bawah konsentrasi toksik (EPA, 1999)

Pemilihan lokasi, Desain dan Konstruksi metode Pemilihan lokasi untuk membangun suatu BTU dilakukan dengan memperhatikan hal-hal di bawah ini : Jauh dari keramaian dan pemukiman penduduk, minimum berjarak 1 km Lokasi harus terletak jauh dari badan air Permukaan tanah pada lokasi harus datar Dekat dengan tanah yang terkontaminasi Dekat dengan jalan dan fasilitas yang dibutuhkan untuk pengoperasian Tersedia energi dan air

PROSES PENGOPERASIAN Proses pengoperasian sistem bioremediasi terdiri dari beberapa tahap : Pengangkutan Pencampuran Penambahan nutrisi Penyiraman Pembajakan tanah

Tahapan bioremediasi tanah

Tahapan bioremediasi tanah

PROSES PEMANTAUAN Ada dua proses pemantauan yang dilakukan yaitu : Pemantauan operasi Kondisi lingkungan pH, temperatur, kadar oksigen, kadar phospor Kondisi pengolahan Reduksi senyawa pencemar Pemantauan dampak Buangan hasil proses pengolahan terhadap kualitas lingkungan

SAMPLING AKHIR HASIL PENGOLAHAN Kriteria kondisi akhir bergantung pada tujuan dan manfaat yang diinginkan Produk akhir lingkungan yang diremediasi harus sesuai dengan baku mutu lingkungan Umumnya tanah hasil pengolahan kaya akan nutrisi. Oleh karena itu, tanah yang telah diremediasi dapat dimanfaatkan untuk Tanah permukaan Bahan pemulih area yang miskin hara Bahan timbun , misal untuk konstruksi

BIOREMEDIASI SEMI PADAT Dilakukan dengan menggunakan bioreaktor baik yang tertutup maupun yang terbuka Bahan pencemar dapat diremediasi dengan teknik ini bisa dalam bentuk padat atau semi padat Bioreaktor dapat digunakan untuk memulihkan air atau tanah tercemar Bioremediasi dengan bioreaktor memungkinkan optimasi suplai oksigen,nutrien, kelembapan, pH dan temperatur

Jenis bioreaktor yang dapat digunakan bergantung pada kondisi tertentu dari lahan tercemar, misalnya bioslurry atau biopile Banyaknya faktor-faktor yang terbatas untuk dikondisikan pada proses land farming dapat dieliminasi dengan bioreaktor Bioreaktor dapat mengakomodasi konsentrasi padatan sebesar 5 – 50 % berat per volume

BIOREMEDIASI FASE CAIR Teknologi remediasi ini diterapkan untuk melenyapkan bahan pencemar kontaminasi perairan Perangkat bioremediasi yang digunakan dapat berupa gabungan beberapa reaktor yang saling berhubungan satu sama lain atau terdiri dari bioreaktor tunggal (sequencing bath reactor/SBR) Prinsip kerja SBR adalah sistem curah (bath)

BIOREMEDIASI FASE CAIR Metodenya dilakukan dengan menambahkan bahan pencemar ke dalam suatu bioreaktor tunggal yang telah berisi medium cair untuk pertumbuhan mikroba Kultur mikroba yang digunakan adalah kultur campur Proses degradasi bahan pencemar berlangsung secara suksesi hingga satu siklus degradasi lengkap selesai

SIKLUS DEGRADASI BAHAN PENCEMAR Diawali dengan memasukkan bahan pencemar (influen) ke dalam bioreaktor Pemberian aerasi bisa dilakukan apabila reaksi dan mikroba yang digunakan bersifat aerobik Setelah periode waktu degradasi selesai, dilakukan penjernihan influen. Teknik penjernihan dapat dilakukan dengan memberikan agen penggumpal (koagulan) Langkah terakhir dari siklus degradasi adalah mengeluarkan efluen yang telah jernih dari bioreaktor

SIKLUS DEGRADASI BAHAN PENCEMAR Metode SBR aerobik telah banyak diterapkan untuk menangani bahan pencemar Polyciclyc aromatic hydrocarbon (PAHs), fenol, klorofenol dari sisa pengawetan kayu serta limbah minyak bumi Kelebihan metode SBR adalah - sederhana kinerja dan pengoperasiannya - sistemnya memungkinkan digunakan untuk reaksi aerobik maupun anaerobik - waktu keberadaan mikroba di dalam bioreaktor dapat dipertahankan sesuai dengan lamanya proses degradasi influen

Sel mikroba tidak dapat tercuci keluar dari bioreaktor Pembentukan flukulan dapat dikurangi dengan adanya penambahan koagulan Teknik SBR memungkinkan untuk dikombinasikan dengan perlakuan tambahan yang lain,misalnya : Fasilitas perbaikan aerasi yang berfungsi sekaligus sebagai tempat perlekatan mikroba. Contoh pemberian batu apung, serutan kayu, komponen tumbuhan berserat, kulit kayu Penambahan surfaktan pada bahan. pencemar yang bersifat hidrofobik, contoh : pencemaran minyak bumi

Beberapa contoh metode deteksi dan kuantifikasi mikroba Pengukuran senyawa fluorescen diacetate / FDA (Nugroho, 2006). Pengukuran 16s rRNA sel mikroba (Kramer and Singelton, 1993). Teknik CLPP (Community-Level Physiological Profiles) (Veen et al., 1997). Teknik DGGE (Denaturating Gradient Gel Electrophoresis) dan Clone analysis (Kurosawa, N. 2007). Teknik Carbon respiratory activity (Colbert et al., 1993).

Pemahaman tentang respon mikroba terhadap berbagai faktor tekanan di lingkungan pada tingkat molekuler adalah sangat penting untuk memprediksi dan memanipulasi aktivitas mikroba di lingkungan.

Kesimpulan Keberhasilan bioremediasi lingkungan dari limbah pencemar bergantung pada keberhasilan mikroba dalam mendegradasi senyawa pencemar. Pengetahuan tentang keanekaragaman jenis mikroba di lingkungan, kemampuannya dalam mendegradasi senyawa pencemar, faktor yang menjamin aktivitasnya dalam mendegradasi bahan pencemar, deteksi keberadaannya di lingkungan secara cepat dan akurat amat dibutuhkan untuk menyempurnakan upaya bioremediasi sebagai salah satu metode alternatif pemulihan kualitas lingkungan dari limbah pencemar.

TERIMA KASIH ATAS PERHATIANNYA Wassalamu’alaikum Wr. Wb.