Prosiding Seminar Nasional Lahan Suboptimal 2015, Palembang 08-09 Oktober 2015 ISBN: 979-587-580-9
Bioremediasi Tanah Terkontaminasi Limbah Minyak Bumi dengan Menggunakan Kombinasi Konsorsium Bakteri Indigen dan Tanaman Turi (Sesbania grandiflora) Bioremediation of Soil Contaminated Waste Oil By Using Combination of indigenous Bacterial Consortium and Turi (Sesbania grandiflora) Plant Bambang Yudono1*) dan Sri Pertiwi Estuningsih2 1 Jurusan Kimia FMIPA Universitas Sriwijaya 2 Jurusan Biologi FMIPA Universitas Sriwijaya *) Corresponding author:
[email protected]
ABSTRACT Bioremediation of soil contaminated with petroleum waste is done by using a combination of bacterial consortium indigen (population 2 x 107) and plant Turi (Sesbania grandiflora), which has been the age of 6 months, the concentration of TPH early in the planting medium 0, 1.93, 4.56, 7.56, 7.96, 12.76, and 14.82%. After 12 weeks of each plant produces biomass by 52.1, 38.5, 72.4, 76.9, 112.9, 80.55, and 43.2. g. TPH decrease of 1.48, 3.56, 5.11, 6.01, 7.66, and 8.71%. Kinetics of degradation of petroleum waste is done by using the combination methods of the differential and integral, the orders of reaction obtained 1.2976, and the constant degradation of 0.022 week -1 Key words: Bioremediation, soil, petroleum waste ABSTRAK Bioremediasi tanah terkontaminasi limbah minyak bumi dilakukan dengan menggunakan kombinasi konsorsium bakteri indigen (populasi 2 x 107) dan tanaman Turi (Sesbania grandiflora) yang telah berumur 6 bulan, konsentarsi TPH awal pada media tanam 0, 1.93, 4.56, 7.56, 7.96, 12.76, dan 14.82 %. Setelah 12 minggu masing-masing tanaman menghasilkan biomasa sebesar 52.1, 38.5, 72.4, 76.9, 112.9, 80.55, dan 43.2. gram. Penurunan TPH sebesar 1.48, 3.56, 5.11, 6.01, 7.66, dan 8.71%. Kinetika degradasi limbah minyak bumi dilakukan dengan menggunakan,kombinasi metode deferensial dan Integral diperoleh order reaksi 1.2976, dan konstanta degradasi sebesar 0.022 minggu-1 Kata kunci: Bioremediasi, tanah, limbah minyak
PENDAHULUAN Sludge merupakan limbah padat yang dihasilkan dalam proses eksplorasi ini. Sludge minyak bumi merupakan campuran yang tersusun atas minyak, padatan dan air yang membentuk sistem koloid stabil, sehingga sangat sulit terpisahkan (Marjaka & Nugraha, 2005). PT. PERTAMINA UBEP LIMAU adalah perusahaan minyak dengan produksi terbesar di region Sumatera hingga 11.387 barel per hari (Nuryanti, 2009). Dari proses produksi yang besar ini menyebabkan banyak pula limbah yang dihasilkan, sehingga diperlukan tekhnologi yang tepat dalam proses pengolahan limbah yang aman dan ramah terhadap lingkungan. Proses penanganan limbah yang sudah sering dilakukan yaitu dengan teknik bioremediasi. Bioremediasi merupakan penggunaan mikroorganisme untuk mengurangi
Prosiding Seminar Nasional Lahan Suboptimal 2015, Palembang 08-09 Oktober 2015 ISBN: 979-587-580-9 polutan di lingkungan. Penggunaan mikroorganisme dalam proses degradasi minyak bumi seiring berjalannya waktu dikhawatirkan akan lebih bersifat resisten sehingga akan menurunkan aktivitasnya dalam proses degradasi. Untuk itu, diperlukan alternatif yang lain yaitu dengan teknik fitoremediasi dengan memanfaatkan tanaman sebagai agen fitoremediasi. Tanaman yang akan digunakan dalam proses fitoremediasi dalam penelitian ini yaitu dari famili kacang-kacangan (leguminoceae) karena mempunyai kemampuan bersimbiosis secara mutualistik dengan bakteri rhizobium sp yang tumbuh di daerah perakarannya. Menurut Fuskhah dkk (2009) adanya bakteri ini menyebabkan terbentuknya nodul/bintil akar yang mampu memfiksasi nitrogen bebas dari udara sehingga dapat mensuplai kebutuhan tanaman akan unsur N tersedia. Hasil simbiosis ini diharapkan mampu meningkatkan produksi biomassa tanaman dan mempercepat proses biodegradasinya. Semua data yang diperoleh akan dievaluasi menggunakan reaksi kinetika kimia degradasi polutan minyak bumi yang dinyatakan sebagai kecepatan penurunan konsentrasi Total Petroleum Hydrocarbon (TPH) persatuan waktu. Selain itu, dalam kinetika kimia ini akan terlihat apakah reaksinya merupakan reaksi yang kompleks atau reaksi orde 1 seperti reaksi degradasi pada penelitian sebelumnya. Studi kualitatif akan dilakukan dengan menggunakan Gas Chromatography (GC-MS) dimana akan memberikan gambaran yang lebih rinci tentang komponen–komponen minyak bumi yang menurun, meningkat dan menghilang selama proses fitoremediasi. BAHAN DAN METODE Dipersiapkan bioreaktor sebagai media tumbuh tanaman. Bioreaktor berisi tanah segar, 1% pupuk :N, P , K (dengan komposisi 10: 1 :0,1), 10 % bulking agent berupa serbuk kayu dan residu minyak sehingga TPH dalam bioreaktor sesuai dengan perlakuan (0;2,5;5;7,5;10,;12,5;15). Selanjutnya campuran tanah , pupuk, bulking agent dan residu minyak bumi tersebut diaduk sampai homogen. Campuran tersebut dimasukkan dalam wadah media (bioreactor) dengan kapasitas masing–masing 10 kg. Bioreaktor disiapkan untuk tanaman legume yaitu Sesbania grandiflora (Turi). Sebanyak 15 g agar ditambahkan dengan 1 g yeast extract, 5 g pepton, 0,01 g FeSO4, dan 0,012 g K2HPO4. Semua bahan dilarutkan dengan 1 liter aquades kemudian dimasak dengan menggunakan hot plate, selanjutnya dilakukan sterilisasi dengan autoklaf untuk membuat medium Zobell. Konsorsium dari bakteri indigen; Micrococus luteus, Pseudomonas pseudoalcaligenes, Bacillus sp1, dan Pseudomonas pseudomallei diinokulasikan ke dalam medium Zobell. Jumlah sel bakteri dihitung dengan metode pengenceran. Sampel dari bioreaktor (1g), diencerkan ke dalam 9 ml aquades, dibuat hingga pengenceran 10-8. Hasil pengenceran dari 10-6-10-8 diambil masing-masing sebanyak 1 ml dan dimasukkan ke dalam cawan petri steril kemudian dituang ±15 ml medium zobell dan diinkubasi pada suhu kamar selama 24 jam. Jumlah sel bakteri (Cfu/g) dihitung dengan metode pour plate. Pertambahan biomassa legum diamati dengan mengukur berat tanaman sebelum perlakuan dan sesudah perlakuan. (∆W) = W2 –W1 Dimana W2 merupakan berat basah akhir dan W1 merupakan berat basah awal. Analisa data, penelitian ini berlangsung selama 84 hari, dan setiap 14 hari dilakukan sampling dengan parameter yang diamati adalah persentase penurunan Total Petroleum Hidrokarbon (TPH). Dari pengukuran % TPH dapat dilakukan pengolahan data sebagai berikut :
Prosiding Seminar Nasional Lahan Suboptimal 2015, Palembang 08-09 Oktober 2015 ISBN: 979-587-580-9 a. Menentukan orde reaksi dari hasil pengukuran % TPH awal (T0) dan dari hasil pengukuran % TPH pada minggu keduabelas (T6) untuk variasi konsentrasi tanah olahan sludge 0%, 2,5% ; 5% ; 7,5% ; 10% ; 12,5% ; 15%. b. Menentukan konsentrasi laju dengan menggunakan metode integral dari hasil pengukuran konsentrasi TPH awal tanah olahan sludge 7,5%, diamati penurunannya dalam selang waktu 2 minggu. Analisa GC diambil residu sebanyak 10 mL hasil sokhletasi dari hasil pengukuran % TPH awal (To) dan pengukuran % TPH pada T6. Masing-masing residu di encerkan dengan pelarut kloroform pada labu takar 100 mL. Hasil dari pengenceran itu akan digunakan untuk proses identifikasi pada GC-MS. Senyawa – senyawa alkana yang terukur menggunakan analisis GC-MS dapat dikelompokkan pada saat kisaran temperatur tertentu. Senyawa-senyawa alkana yang teridentifikasi dengan GC berdasarkan metodelogi temperatur program yang digunakan menurut metode Yudono (1994). . HASIL Tanaman Turi (Sesbania grandiflora) ditanam dalam media tanah terkontaminasi minyak bumi variasi konsentrasi tanah olahan sludge 2.5%, 5%, 7.5%, 10%,12.5%, dan 15%, masing-masing diinokulasikan bakteri pendegradasi limbah minyak bumi yang merupakan konsorsium dari bakteri indigen; Micrococus luteus, Pseudomonas pseudoalcaligenes, Bacillus sp1, dan Pseudomonas pseudomallei, selanjutnya diinkubasikan selama selama 84 hari. Penurunan Total Petroleum Hydrocarbon (TPH) ditunjukkan dalam Tabel 1. Tabel 1. Penurunan TPH setelah perlakuan 84 hari TPH 2.5 5 7.5 10 12.5 15
TPH awal 1.9325 4.555 7.555 7.955 12.76 14.82
TPH akhir 1.475 3.555 5.11 6.01 7.655 8.71
TPH 0.4575 1 2.445 1.945 5.105 6.11
1. Pertumbuhan Sesbania grandiflora Tanaman yang digunakan dalam penelitian ini yaitu Sesbania grandiflora (Turi), pertumbuhannya legum ini dapat dilihat pada Grafik 4.2.
Prosiding Seminar Nasional Lahan Suboptimal 2015, Palembang 08-09 Oktober 2015 ISBN: 979-587-580-9
Gambar 2.
Pertambahan biomassa Sesbania grandiflora dalam waktu 12 minggu
2. Penentuan Orde Reaksi Limbah Minyak Bumi dengan Metode Differensial Metode differensial digunakan untuk menentukan orde reaksi berdasarkan persentase TPH awal terhadap laju degradasi. Persamaannya dapat ditulis sebagai berikut : ln r = ln k + n ln [C] Grafik konsentrasi penurunan TPH dapat dilihat pada Gambar 3 :
Gambar 3.
Grafik ln r vs ln TPH awal
3. Penentuan Konstanta Laju Degradasi Limbah Minyak Bumi dengan Metode Integral Metode integral digunakan untuk menentukan konstanta laju degradasi berdasarkan konsentrasi awal TPH 7.5%, selanjutnya penurunan TPH diamati setiap 2 minggu sekali. Penurunan konsentrasi TPH terhadap waktu dapat dilihat pada Gambar 4. 1.85 y = -0.0255x + 1.7851
1.8
2
R = 0.8873
Ct-n+1
1.75 1.7 1.65 1.6 1.55 1.5 0
2
4
6 Waktu
Gambar 4.
Kinetika Degradasi Limbah Minyak
8
10
12
Prosiding Seminar Nasional Lahan Suboptimal 2015, Palembang 08-09 Oktober 2015 ISBN: 979-587-580-9 4. Identifikasi Senyawa Hidrokarbon Menggunakan Analisis GC-MS Analisis GC hidrokarbon pada konsentrasi tanah olahan sludge 7.5% untuk TPH hari ke 0, sebanyak 71 kromatogram berhasil di deteksi, dimana kromatogram tersebut merupakan senyawa penyusun limbah minyak bumi sebelum dilakukan proses fitoremediasi. Hasil analisa GC setelah 84 hari, sebanyak 6 kromatogram berhasil dideteksi, dimana kromatogram tersebut merupakan senyawa penyusun limbah minyak bumi setelah dilakukan proses fitoremediasi dengan Sesbania grandiflora (Turi).
(a)
Gambar 5.
(b) Kromatogram pengukuran GC-MS (a)T0 sebelum fitoremediasi(b)T6 setelah fitoremediasi menggunakan Sesbania grandiflora (Turi). PEMBAHASAN
Berdasarkan data dalam Tabel 1. menunjukkan kecenderungan semakin besar nilai konsentrasi TPH awal maka semakin besar juga penurunan nilai TPHnya, persentase penurunan terbesar terletak pada kosentrasi TPH 15%, sedangkan persentase penurunan terkecil terletak pada konsentrasi TPH 2.5%. Salah satu kelompok organisme yang penting dalam ekosistem tanah dan berperan sebagai agen peningkat perumbuhan tanaman adalah rizobakteri yaitu bakteri yang hidup di rizosfir tanaman dan mengalami interaksi yang intensif dengan akar tanaman maupun tanah (Hindersah & Simarmata, 2004) . Menurut Banks et al. (2006) tanaman mengeluarkan eksudat akar dan menciptakan kondisi kelembaban jaringan yang dapat meningkatkan degradasi senyawa –senyawa kompleks karena peningkatan bioavibilitas dari kontaminan dan interaksi antar bakteri, nutrien dan kontaminan. Akar–akar tanaman dapat melepaskan enzim–enzim yang bersifat degradatif ke dalam rhizosphere. Akar ini membuat pori yang dapat meningkatkan konektivitas dan difusi tanah memfasilitasi aliran masa dan difusi dari air dan polutan (Yudono, 2010). Jadi, enzim ini juga membantu dalam proses degradasi. Di dalam tanah terkontaminasi minyak bumi dengan teknik fitoremediasi diketahui terdapat bakteri. Hal ini dapat terlihat dari hasil pengukuran jumlah bakteri dalam satu waktu tertentu, yaitu pada minggu ke-3. 2.0x107(Cfu/g) Berdasarkan pengukuran bakteri pada tanah terkontaminasi minyak bumi, diketahui bahwa pada Sesbania grandiflora memiliki jumlah bakterinya cukup banyak. Bakteri merupakan mikroorganisme yang mampu mendegradasi hidrokarbon minyak bumi. Selain bersimbiosis mutualisme dengan bakteri/organisme yang berada di daerah perakaran tanaman legum, akar legum ini juga akan bersimbiosis dengan bakteri pada tanah terkontaminasi minyak bumi untuk mempercepat proses degradasi senyawa hidrokarbonnya. Jika dua spesies hidup bersama dan mengadakan hubungan yang tidak saling mengganggu, akan tetapi saling menguntungkan, maka hubungan hidup antara spesies itu disebut sinergisme.
Prosiding Seminar Nasional Lahan Suboptimal 2015, Palembang 08-09 Oktober 2015 ISBN: 979-587-580-9 Pada konsentrasi TPH 2,5% sampai 10% diperoleh hasil penurunan nilai TPH yang tidak berbeda jauh. Hal ini diduga karena limbah minyak bumi yang ditambahkan belum terlalu banyak. Semakin sedikit limbah minyak bumi yang ditambahkan maka substrat yang tersediapun hanya sedikit, sehingga aktivitas bakteri dalam merombak substrat juga rendah (Nuryanti, 2010). Pada kosentrasi TPH 12.5% dan 15%, diperoleh rata- rata penurunan nilai TPH yang paling tinggi. Diduga karena pada perlakuan ini tersedia substrat yang cukup untuk membantu proses degradasi. Jika substrat cukup tersedia maka akan meningkatkan aktivitas enzim. Proses enzimatik diperlukan untuk membantu bakteri dalam melakukan transformasi substrat bagi keperluan dan kelangsungan hidupnya. Akar tanaman legum dapat memanfaatkan nutrisi sebagai energi untuk pertumbuhannya, dan senyawa-senyawa yang dihasilkan pada akar legum dapat meningkatkan populasi bakteri di dalam tanah. Interaksi tanaman dengan bakteri pendegradasi merupakan dasar untuk berhasilnya rhizodegradasi (Yudono, 2010). Berdasarkan Gambar 2. menunjukkan bahwa Sesbania grandiflora memberikan rata-rata nilai pertambahan biomassa yang cukup besar. Nilai biomassa terbesar Sesbania grandiflora pada konsentrasi TPH 10%. Diduga karena tersedianya substrat dan nutrisi yang cukup bagi pertumbuhannya. Pada konsentrasi TPH 2.5%, dihasilkan biomassa dalam jumlah yang sedikit. Hal ini diduga karena hanya sedikit sumber karbon (C) yang tersedia sehingga hasil akhir degradasi limbah minyak bumi berupa energi yang dapat dimanfaatkan legum untuk pertumbuhannya hanya sedikit. Sedangkan semakin besar konsentrasi TPH perlakuan semakin besar rata–rata nilai biomassanya, dikarenakan semakin banyak sumber karbon yang tersedia ditambah sumber nitrogen yang cukup untuk pertumbuhan tanaman legum. Namun bertambahnya konsentrasi TPH akan mengurangi penetrasi oksigen ke dalam tanah, sehingga mengurangi pertumbuhan seperti ditunjukkan pada konsentrasi media 12,5 dan 15 %. Pada awal penanaman ada beberapa tanaman legum yang mati, kemungkinan karena banyak akar yang rusak saat dipindahakan ke media perlakuan. Kerusakan tanaman dapat dilihat dari warna daun yang tampak pucat karena sel–sel pada permukaannya mati. Menurut penelitian Merkl et al. (2005) terhadap tiga tanaman legum (Calopogonium mucunoides, Centrosema brasilianum,dan Stylosanthes capitata), ketiganya akan mati saat umur enam sampai delapan minggu perlakuan. Sedangkan dalam penelitian ini jenis legum yang digunakan mampu bertahan sampai umur 12 minggu. Menurut Gambar 3. diperoleh persamaan y = 1,2976x – 4,2719 dengan slope 1,2976, intersept -4,2719, dan regresi linier 0,9714. Orde reaksi sama dengan nilai slopenya, dan didapat nilai slope 1,2976 berarti orde reaksi degradasilimbahminyak bumi adalah 1,2976. Pada Gambar 4. Penentuan konstanta kecepatan degradasi dengan metode integrasi. Konsentrasi awal 7,5%, pengamatan penurunan konsentrasi dilakukan setiap 2 minggu sekali, mulai minggu ke-0 sampai minggu ke-12. Konstanta reaksi degradasi untuk degradasi minyak bumi sebesar 0,0255 minggu-1. Berdasarkan persamaan metode integral yang diperoleh, maka penurunan konsentrasi TPH < 1% dapat dicapai selama 16,6 bulan. Berdasarkan Gambar 5. besarnya persentase kelimpahan relatif pada tiap-tiap perlakuan pada kedua kromatogram diatas berdasarkan senyawa-senyawa alkana yang teridentifikasi pada kisaran temperatur program, dapat dilihat pada Tabel 2 berikut : Tabel 2.
Analisis kelimpahan relatif senyawa-senyawa hidrokarbon dalam residu limbah minyak bumi
Prosiding Seminar Nasional Lahan Suboptimal 2015, Palembang 08-09 Oktober 2015 ISBN: 979-587-580-9 RT
Temperatur
<9 9 – 19 20 – 29 30 – 39 > 39
< 100 100 – 150 150 – 200 200 – 250 > 250
Range Senyawa C < C10 C11 – C 14 C15 – C17 C18 – C21 > C22
Persentase kelimpahan (%) T0 0 0 7,86 31,58 60,55
T6 0 0 0 0 100
Dari data persentase kelimpahan menunjukkan bahwa Sesbania grandiflora (Turi) tidak lagi mengandung senyawa rantai C15-C21, dan terjadi kenaikan persentase kelimpahan senyawa pada rantai karbon > C22 dari 60,55% menjadi 100%. Naik turunnya luas area puncak ini menandakan telah terjadi perubahan komposisi hidrokarbon sebagai hasil dari suatu proses degradasi. KESIMPULAN 1. Tanaman legum Sesbania grandiflora (Turi) cocok digunakan fitoremediasi limbah, terlihat mampu menurunkan kadar minyak bumi dalam tanah dan pertumbuhan biomasa cukup tinggi. 2. Berdasarkan metode differensial diperoleh orde reaksi untuk Sesbania grandiflora (Turi) sebesar 1,2976. Dengan metode integrasi, pada konsentrasi TPH 7,5% diperoleh konstanta degradasi sebesar 0,022 minggu-1. Lamanya waktu degradasi yang diperlukan hingga residu pengolahan limbah minyak bumi mencapai TPH < 1% yang diperoleh dari konsentrasi 7,55% diperlukan waktu selama 16,6 bulan. Tanaman legum Sesbania grandiflora (Turi) terlihat cocok untuk proses fitoremediasi ini yaitu, meskipun diperlukan waktu lebih dari setahun untuk mencapai nilai ambang batas < 1% tetapi tanaman ini mampu tumbuh subur dan mampu beradaptasi dengan baik. 3. Untuk identifikasi senyawa hidrokarbon menggunakan analisis GC-MS, setelah proses fitoremediasi selama 84 hari pada tanah terkontaminasi minyak bumi menggunakan Sesbania grandiflora (Turi) tidak lagi mengandung senyawa rantai C15-C21, dan terjadi kenaikan persentase kelimpahan senyawa pada rantai karbon > C22 dari 60,55% menjadi 100%. . UCAPAN TERIMA KASIH Ucapan terima kasih disampaikan pada Lembaga Penelitian Universitas Sriwijaya yang telah memberikan dana Penelitian Hibah Bersaing dan Jurusan Kimia FMIPA Universitas Sriwijaya yang telah memberikan fasilitas untuk melakukan penelitian ini. DAFTAR PUSTAKA Banks, M. & Schultz, K. 2005. Comparison of Plants for Germination Toxicity Tests in Petroleum-Contaminated Soils. Water, Air, & Soil Pollution, 167(1), 211-219. Fuskhah, E., Soetrisno, R.D., Budhi, S.P.S., & Maas, A. 2009. Pertumbuhan dan Produksi Leguminosa Pakan Hasil Asosiasi dengan Rhizobium pada Media Tanam Salin. Seminar Nasional Kebangkitan Peternakan. Semarang.
Prosiding Seminar Nasional Lahan Suboptimal 2015, Palembang 08-09 Oktober 2015 ISBN: 979-587-580-9 Hindersah, R. & Simamarta, T. 2004. Artikel Ulas Balik Potensi Rizobakteri Azetobakter dalam Meningkatkan Kesehatan Tanah. Laboratorium Biologi Tanah, Fakultas Pertanian. Universitas Padjajaran. Bandung. Nuryanti, I. 2009. Pengaruh Waktu Aplikasi dan Asosiasi Beberapa Agen Bioremediasi terhadap Penurunan Nilai TPH (Total Petroleum Hidrokarbon) Limbah Minyak Bumi PT.PERTAMINA EP LIMAU SUMSEL. Skripsi Sarjana Sains Bidang Studi Biologi. Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam. Universitas Sriwijaya.(tidak dipublikasikan). 58 hlm. Marjaka, W. & Nugraha, H. 2005. Pemanfaatan Sludge Minyak pada Industri Migas Indonesia. Asisten Deputi Urusan Pertambangan, Energi dan Migas. Deputi Bidang Pengendalian Dampak Lingkungan Sumber Instituis. Kementrian Lingkungan Hidup Jakarta. Yani, M. & Akbar, Y. 2004. Proses Biodegradasi Minyak Diesel oleh Campuran Bakrteri Pendegradasi Hidrokarbon . Kampus IPB. Bogor. Yudono, B. 1994. An Investigation into The Premature Cracking Asphaltic Pavements in Hot and Climate. Thesis School of Chemistry, University of Bristol. Yudono, B. 2010. Sinergi Bakteri Tanah dan Tanaman Pada Proses Bioremedasi Tanah terkontaminasi Minyak Bumi di Wilayah Sumatera Selatan. Disertasi Doctor Bidang Ilmu Lingkungan. Program Doctor Ilmu Lingkungan Program Pascasarjana, Universitas Sriwijaya. (Tidak dipublikasikan).
