BIOREMEDIASI LIMBAH PENCEMAR OLEH MIKROORGANISME

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

2. Limbahpencemardilingkungan

3. Berbagaimetodepenanggulanganlimbahpencemar • Secara fisik • Secara kimiawi • Secara biologi • Bioteknologi pengolahan limbah pencemar (Bioremediasi)

4. 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

5. 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

6. Bioremediation treatment technologies

7. Bioremediation treatment technologies

8. 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

9. 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.

10. Pencemaran di lingkungan Bioremediasi Biodegradasi Mikroorganisme Jenissubstrat Faktorlingkungan yang menjamin Survival mikrobadaninteraksinya Monitoring

11. 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.

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

13. 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

14. 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.

15. 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.

16. Hasilpenelitian 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

17. Metodedalambioremediasi • Bioastimulation • Bioaugmentation • Bioventing • Fertilizing • Surfactant

18. Metode bioremediasi

19. Metode bioremediasi in situ

20. Tahapan bioremediasi tanah

21. Tahapan bioremediasi tanah

23. 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.

24. 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.

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

26. 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

27. 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

28. 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.

29. 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

30. 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

31. AIR SPARGING • Prinsipnyaadalah : menyediakanoksigensebagaiakseptorelektronbagiprosesbiodegradasidansecarafisikmenyisihkansenyawavolatildarizone unsaturated • Udaradimasukkankedalam aquifer melaluisumurinjeksi • Pergerakanudaradarititikinjeksitersebutmenghasilkanpeningkatanoksigenterlarut (dissolve oxygen) dan , transfer senyawavolatilkezona unsaturated • Oksigenterlarutdidistribusikanmenujuakuifersecaradifusidanbersamaandenganpergerakan air tanah • Di beberapatempat, telahdilakukankombinasipengolahanair spargingdansoil vapor exractionuntukmeningkatkanefisiensipenyisihanhidrokarbon

32. 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)

33. 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

34. 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

35. 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 %.

36. 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

37. 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

38. 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

39. 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

40. 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)

41. 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

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

43. Tahapan bioremediasi tanah

44. Tahapan bioremediasi tanah

45. 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

46. 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

47. 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

48. 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

49. 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)

50. 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