PENENTUAN NILAI KINETIKA BIODEGRADASI ME
PENENTUAN NILAI KINETIKA BIODEGRADASI MELALUI
KURVA PERTUMBUHAN BAKTERI BACILLUS Sp. DENGAN
METODE PENGUKURAN TURBIDITASSPEKTROFOTOMETRI
THE DETERMINATION VALUE OF THE BIODEGRADATION
KINETICS BY BACILLUS Sp. GROWTH CURVE WITH
MEASUREMENT TURBIDITY-SPECTROPHOTOMETRIC
METHOD
Fahrudin Hendro Priyono1, Muhammad Nofal2
Departemen Teknik Sipil dan Lingkungan, Institut Pertanian Bogor, Jln. Kamper, Kampus IPB
Dramaga, Bogor, 16680
adien.hendro@gmail.com, muhammadnofal23@gmail.com
Abstrak : Biodegradasi kinetika digunakan untuk memprediksi konsentrasi dari bahan kimia yang
tersisa pada waktu yang diberikan selama proses bioremediasi ex-situ dan in-situ. Percobaan ini
bertujuan untuk menentukan nilai kinetika biodegradasi untuk melihat efektivitas bakteri dalam proses
remediasi tanah. Metode yang digunakan dalam percobaan ini adalah metode tidak langsung melalui
pengukuran tingkat kekeruhan (turbiditas). Percobaan menggunakan bakteri Bacillus sp sebagai
bakteri pendegradasi oli, sedangkan konsentrasi oli yang digunakan berbeda-beda, yaitu 1,5%, 3%,
dan 5%. Kurva hasil percobaan menunjukkan bahwa jumlah bakteri selalu berubah. Grafik hasil
percobaan menunjukkan bahwa jumlah bakteri terbanyak terdapat dalam konsentrasi oli 4,5 %.
Sedangkan jumlah bakteri paling sedikit berada pada konsentrasi oli 1,5 %. Melalui persamaan
Monod, dapat diperoleh rata-rata laju pertumbuhan bakteri pada percobaan, yaitu 0,16133/menit.
Laju pertumbuhan bakteri tercepat berada pada konsentrasi oli 3 % yaitu 0,3131/menit, sedangkan
laju pertumbuhan paling lambat berada pada konsentrasi oli 4,5 % yaitu 0,0529/menit.
Kata kunci : Bacillus sp, Biodegradasi, Monod, Turbiditas
Abstract : Biodegradation kinetics are used to predict the concentrations of the chemicals remaining
at a given time during the ex-situ bioremediation and in situ . This experiment aims to determine the
kinetics of biodegradation value to see the effectiveness of the bacteria in the soil remediation process .
The method used in this experiment is the indirect method by measuring the turbidity (turbidity) .
Experiments using the bacterium Bacillus sp as oil degrading bacteria , while the concentration of oil
used is different , namely 1.5 % , 3 % , and 5 % . Curve experimental results show that the number of
bacteria is always changing . Graph the results of the experiment showed that the highest number of
bacteria present in the oil concentration of 4.5 % . While the number of bacteria is at least 1.5 % oil
concentration . Through the Monod equation , can be obtained by the average growth rate of bacteria
in the experiment , ie 0.16133 / min . The fastest rate of bacterial growth is at 3 % oil concentration is
0.3131 / min , while the slowest growth rate is at 4.5 % oil concentration is 0.0529 / min .
Keywords : Bacillus sp , Biodegradation , Monod , Turbidity
PENDAHULUAN
Biodegradasi kinetik digunakan untuk memprediksi konsentrasi dari bahan kimia
yang tersisa pada waktu yang diberikan selama proses bioremediasi ex-situ dan in-situ.
Kunci proses tersebut terletak pada penurunan konsentrasi toksisitas dengan adanya
bioessei. Oleh karena itu, keberhasilan biodegradasi didasarkan pada pengukuran
senyawa kimia, contohnya kehilangan molekul induk, tampilan produk mineralisasi,
atau hilangnya senyawa lainnya menggunakan stokiometri selama proses biodegradasi berlangsung, misalnya, akseptor elektron. Ada beberapa skenario ketika
senyawa pencemar dapat ditransformasi secara biologi, yaitu ketika beberapa
senyawa bekerja sebagai sumber karbon dan energi, akseptor elektron, dan sumber
komponen sel lainnya (Okpokwasili 2005).
Tujuan dari percobaan ini adalah tujuan membuat kurva pertumbuhan bakteri
petrofilik, menentukan nilai kinetika biodegradasi untuk melihat efektivitas bakteri
dalam proses remediasi tanah.
TINJAUAN PUSTAKA
Ide kinetika pertumbuhan mikroba telah didominasi oleh satu model empiris
yang pada awalnya diusulkan oleh Monod. Persamaan Monod memperkenalkan
konsep yang membatasi substrat pertumbuhan.
(1)
Untuk memperoleh nilai µ max dan Ks pada Persamaan Monod, ada beberapa
metode plotting melalui proses linearisasi data. Metode tersebut adalah LineweaverBurk Plot, Eadie-Hofstee Plot, dan Langmuir Plot (Doran 1996).
Metode Lineweaver-Burk Plot menggunakan prosedur linierisasi untuk
memberikan plot garis lurus sehingga µ max dan Ks dapat ditentukan. Inversi dari
persamaan 1 menghasilkan:
(2)
Jika Persamaan 2 dikalikan dengan faktor µ(µ max/Ks) dan disusun kembali,
bentuk lain dari Persamaan Monod akan diperoleh persamaan metode Eadie-Hofstee
Plot :
(3)
Hasil perkalian persamaan 3 dengan koefisien S menghasilkan bentuk lain dari
Persamaan Monod berdasarkan Langmuir Plot.
(4)
Selain Persamaan Monod, ada beberapa pendekatan persamaan lain dalam
memperhitungkan kinetika biodegradasi untuk mengamati pertumbuhan
mikroorganisme yang dibatasi oleh substrat. Persamaan tersebut yaitu (Schuler 2002),
Persamaan Tessier, Persamaan Moser, dan Persamaan Contois.
Persamaan Contois :
(5)
METODOLOGI PERCOBAAN
Percobaan kesadahan total dilakukan di Laboratorium Polusi dan Kualitas Udara
IPB pada tanggal 21 Maret 2014. Alat-alat dan bahan-bahan yang digunakan adalah
spektrofotometer, rotary shaker, pipet volumetrik, neraca analitik, bakteri Bacilllus
sp. dalam media cair, dan Oli bekas. Percobaan ini menggunakan metode tidak
langsung melalui pengukuran turbiditas. Pengukuran turbiditas dilakukan setiap
beberapa interval waktu sesuai dengan kondisi populasi bakteri di dalam contoh
uji hingga fase stasioner diperoleh. Alat spektrofotometer menggunakan panjang
gelombang 610 nm. Meningkatnya nilai Optical Density (OD) kekeruhan
diharapkan akan meningkatkan massa sel. Nilai konstanta laju pertumbuhan (µ)
didapat dengan memplotkan nilai OD pada fase ekponensial sehingga dengan
menggunakan analisis least square correlation dihasilkan kemiringan (slope)
sebagai nilai µ. Nilai µ berfungsi sebagai parameter dasar untuk mengetahui nilai
kinetika biodegradasi lainnya. Umumnya, nilai kinetika tersebut diperoleh
berdasarkan hasil regresi linear data.
Langkah awal yang dilakukan dalam percobaan adalah oli bekas dimasukkan
sebagai substrat dengan konsentrasi 1,5 %, 3%, dan 4,5% ke dalam masingmasing wadah penampung (erlenmeyer/botol vial, dan lain-lain). Kemudian,
kultur tercampur media cair dimasukkan sekitar 10-20 ml. Lalu, nilai optical density
kultur tercampur bakteri dihitung menggunakan alat spektofotometri dengan
panjang gelombang 610 nm. Penghitungan nilai optical density dilakukan setiap 10
menit selama 3 jam. Setelah data perhitungan diperoleh, kurva pertumbuhan dibuat
untuk menentukan laju pertumbuhan bakteri (µ). Nilai dipilih hanya berdasarkan pada
kondisi fase ekponensial. Kemudian, nilai kinetika biodegrasi ditentukan sesuai dengan
Persamaan Monod, Persamaan Lineweaver-Burk Plot, Persamaan Eadie-Hofstee Plot,
Persamaan Langmuir Plot, dan Persamaan Contois.
PEMBAHASAN
Berdasarkan hasil pecobaan diperoleh beberapa grafik dalam menentukan nilai
kinetika biodegradasi. Grafik tersebut diperoleh dari beberapa persamaan yaitu
persamaan Monod, plotting Eadie-Hofstee, Langmuir, dan Lineweaver-Burk.
Masing-masing persamaan tersebut memiliki fungsinya sendiri dalam menghitung
parameter biodegradasi. Parameter biodegradasi ada tujuh, yaitu laju pertumbuhan
bakteri (µ), laju pertumbuhan maksimum (µmaks), konstanta substrat (Ks), sintesis
sel bakteri (Y), nilai uitilisasi (q), nilai utilisasi maksimum (q maks), dan kematian
endogenus mikroba (Kb).
Grafik pertumbuhan bakteri menjabarkan tentang fase lag, fase eksponensial, fase
stasioner, dan fase kematian dari suatu bakteri. Grafik perbandingan kurva bakteri
dari masing-masing konsentrasi oli hasil percobaan dapat dilihat di bawah ini,
0,15 ml (1,5%)
0,3 ml (3%)
0,45 ml (4,5%)
300.00
275.00
250.00
225.00
200.00
175.00
150.00
125.00
100.00
75.00
50.00
25.00
0.00
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90 100 110 120 130
Gambar 1. Perbandingan Grafik Laju Pertumbuhan Bakteri
Grafik perbandingan tersebut menunjukkan bahwa laju pertumbuhan bakteri
tertinggi berada pada konsentrasi 4,5 %, sedangkan laju pertumbuhan bakteri
terendah ada pada konsentrasi oli 1,5 %. Pada konsentrasi 1,5 % relatif konstan dan
hanya mengalami sedikit peningkatan pada menit-menit akhir menjelang 130 menit.
Pada konsentrasi oli 3%, pertumbuhan bakterinya turun secara signifikan pada menit
ke 10 dan menit ke 30, sehingga pada menit tersebut jumlah bakterinya sama dengan
jumlah bakteri pada konsentrasi oli 1,5 %. Sedangkan pada konsentrasi oli 4,5 %,
hanya mangalami sedikit penurunan pada menit ke 10, namun selanjutnya
pertumbuhan bakteri relatif stabil.
Dalam grafik laju pertumbuhan bakteri terdapat beberapa fase pertumbuhan
bakteri. Fase-fase pertumbuhan tersebut dapat dilihat dari tabel atau grafik. Penentuan
fase-fase tersebut diperoleh dari rata-rata tingkat kekeruhan yang diukur oleh
turbidimeter sebanyak 3 kali pengulangan. Hasil rata-rata tersebut dapat dilihat pada
tabel di bawah ini,
Table 1. Rata-rata Pertumbuhan Bakteri
t (menit ke)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
Konsentrasi Substrat (%)
0,15 ml
0,3 ml
0,45 ml
(1,5%)
(3%)
(4,5%)
Optical Density
122.67
201
282
123.67
117.5
268.33
124.67
151.33
265.5
129
127
273
130.67
171.5
272
128.33
177
277.5
130.33
186
273
131.67
173
274.5
133
185
277.5
133.33
188.5
276.33
134.33
175
281
137.33
187
282.5
138
192.33
275
189.33
277
138
Berdasarkan tabel di atas dapat diketahui fase lag, stasioner, dan kematian dari
bakteri Bacillus sp. Pada konsentrasi 1,5 % tidak mengalami fase kematian,
sedangkan fase eksponensial dimulai dari menit 0 sampai menit ke 110. Menit ke 120
dan menit ke 130 bakteri mengalami fase stasioner dengan jumlah, setelah mencapai
jumlah maksimum bakteri tidak mengalami penurunan jumlah. Hal tersebut
merupakan penyebab bakteri Bacillus sp. tidak mengalami fase kematian. Pada
konsentrasi 3 % fase ekponensial terjadi dari menit 20 sampai menit ke 80. Menit ke
0 sampai 10 mengalami penurunan jumlah, sehingga tidak masuk ke dalam fase
eksponensial. Fase stasioner terjadi pada menit ke 90. Sedangkan pada konsentrasi oli
4,5 % fase eksponensial berawal dari menit ke 20 sampai menit ke 100, pada menit
110 mengalami fase stasioner, setelah itu jumlahnya menurun atau fase kematian.
Laju pertumbuhan bakteri (µ) yang diperoleh dari tabel di atas dapat dibuat grafik
seperti di bawah ini,
140.00
138.00
136.00
134.00
132.00
130.00
128.00
126.00
124.00
122.00
120.00
y = 0.118x + 123.4
0
20
40
60
80
100
120
140
Gambar 2. Grafik Pertumbuhan Bakteri Pada Konsentrasi 1,5 %
Dari persamaan linear grafik di atas diperoleh nilai µ yaitu 0,118. Nilai tersebut
mengindikasikan bahwa laju pertumbuhan bakteri pada konsentrasi oli 1,5 % yaitu
0,118 /menit. Sementara itu grafik laju pertumbuhan bakteri pada konsentrasi 3 %
dapat dilihat di bawah ini.
250
y = 0.3131x + 152.61
200
150
100
50
0
0
20
40
60
80
100
120
140
Gambar 3. Grafik Pertumbuhan Bakteri Pada Konsentrasi 3 %
Grafik di atas memiliki gradient garis (m) 0,3131, sehingga dapat diperoleh laju
pertumbuhan bakteri µ 0,3131/menit. Nilai tersebut merupakan laju pertumbuhan
tercepat di antara laju pertumbuhan pada konsentrasi yang lain. Hal itu dapat
dibuktikan dalam grafik di bawah ini,
284
282
280
278
276
274
272
270
268
266
264
y = 0.0529x + 271.93
0
20
40
60
80
100
120
140
Gambar 4. Grafik Laju Pertumbuhan Bakteri Pada Konsentrasi 4,5 %
Pada grafik di atas dapat diketahui bahwa laju pertumbuhan bakteri pada
konsentrasi oli 4,5 % 0,0529/menit. Laju tersebut merupakan laju pertumbuhan
terendah di antara laju pertumbuhan yang lain. Laju pada konsentrasi ini sangat
lambat karena kandungan konsentrasi olinya paling banyak, sehingga terjadi
penumpukan racun, selain itu hal tersebut juga akan menimbulkan jumlah kematian
bakteri lebih banyak (Metcalf & Eddy 2003).
Walaupun mengalami jumlah kematian yang banyak, setiap fase pasti mengalami
laju pertumbuhan maksimum (µ maks). µ maks dapat diperoleh dari persamaan
plotting (Lineweaver-Burk, Langmuir, dan Eadie-Hoftsee). Persamaan plotting
tersebut dilakukan pada setiap konsentrasi oli. Di bawah ini adalah hasil perhitungan
dengan menggunakan persamaan Linewearver-Burk,
20
1/µ
15
10
y = -14.394x + 16.055
5
0
0
0.2
0.4
0.6
1/S
Gambar 4. Grafik Plotting Lineweaver-Burk
0.8
Gradien persamaan garis di atas adalah 14,394 yang tidak lain merupakan nilai
Ks/ µ maks. Persamaan ini digunakan untuk mendapatkan nilai Ks dan µ maks. Nilai
Ks dan µ maks dari persamaan Linewear adalah 0,8965431 dan 0,0622859. Selain
persamaan ini, persamaan Eadie dan Langmuir juga digunakan untuk mencari nilai
Ks dan µ maks. Namun, sebelumnya harus dibuat grafik dari masing-masing
persamaan tersebut terlebih dahulu. Grafik persamaan Eadie-Hoftsee dapat dilihat di
bawah ini,
0.12
y = 0.3042x + 0.0158
0.1
µ/S
0.08
0.06
0.04
0.02
0
0
0.1
0.2
0.3
µ
Gambar 5. Grafik Plotting Eadie-Hoftsee
0.4
Berdasarkan grafik di atas nilai Ks/µ maks dapat diketahui yaitu 0,3042, sehingga
nilai Ks dan µ maks dapat dihitung dan hasilnya adalah 3,287311 dan 0,0519395.
Plotting persamaan ini memiliki tingkat ketelitian yang lebih tinggi dari pada
persamaan Linewear, karena persamaan Eadie dapat mendistorsi kesalahan data.
Sementara itu untuk grafik persamaan Langmuir dapat dilihat di bawah ini,
100
80
y = 24.118x - 36.568
S/µ
60
40
20
0
-20
0
2
4
6
S
Gambar 6. Grafik Plotting Langmuir
Grafik persamaan Langmuir di atas memiliki nilai Ks yaitu -1,516212 dan µ maks
sebesar 0,0414628. Berdasarkan persamaan-persamaan di atas dapat diketahui bahwa
nilai Ks (Konstanta Substrat) maksimum terdapat pada perhitungan metode EadieHoftsee yaitu 3,287311, sedangkan Ks terendah terdapat pada hasil perhitungan
metode Langmuir yaitu -1,516212. Laju pertumbuhan maksimum (µ maks) tertinggi
terdapat pada persamaan Linewear-Burk yaitu 0,062285, sedangkan laju
pertumbuhan maksimun terendah terdapat pada persamaan Langmuir yaitu 0,0414628.
Setelah mendapatkan nilai µ maks dan Ks, maka data yang harus dihitung adalah
sintesis sel bakteri (Y). Nilai Y dapat dihitung dengan menggunakan persamaan
Contois, dan hasil perhitungan menunjukkan bahwa nilai Y adalah 47,667. Parameter
selanjutnya yang dihitung adalah nilai utilisasi (q). Nilai q pada masing-masing
konsentrasi oli berbeda-beda. Pada konsentrasi 1,5 % memiliki nilai q 0,0024755,
konsentrasi 3 % nilai q 0,0065685, sedangkan nilai q pada konsentrasi 4,5 % yaitu
0,011098. Parameter terakhir yang harus dihitung adalah kematian endogenus
mikroba (Kd). Berdasarkan hasil perhitungan, nilai Kb yang diperoleh adalah -0,7049.
Hal ini menyebabkan garis liner Kb berada di bawah (negatif), selain itu dalam
persamaan gradient nilai Kb merupakan nilai konstanta (C).
SIMPULAN
Grafik pertumbuhan bakteri menunjukkan bahwa pertumbuhan bakteri tertinggi
terdapat pada oli berkonsentrasi 4,5 %, sedangkan pertumbuhan bakteri terendah
terdapat pada oli berkonsentrasi 1,5 %. Tingkat laju pertumbuhan (µ) tertinggi
terdapat pada konsentrasi oli 4,5 % menit ke-110.
Saran
Metode pengukuran bakteri seharusnya menggunakan prinsip Total Plate Count,
sehingga bakteri yang sudah mati tidak akan terhitung, selain itu juga dapat
mempermudah menentukan laju pertumbuhan bakteri beserta fase-fasenya.
Daftar Pustaka
Doran P. M 1995. Bioprocess Engineering Principle. Oxford: Academic Press
Okpokwasili G. C, Nweke C. O. 2005. Microbial Growth and Substrate Utilization
Kinetics. African Jurnal of Biotechnology, Vol. 5 (4), 305-317.
Schuler M. L, Kargi F. 2002. Bioprocess Engineering Basic Concepts. New
Jersey: Prentice Hall.
Metcalf & Eddy. 2003. Waste Water Engineering, Treatment and Reuse. New York:
McGraw-Hill.
Lampiran
Tabel Perhitungan Linewear Burk Plotting
1/µmaks
16.055
µmaks
0.0622859
µ
0.118
0.3131
0.0529
S
1.5
3
4.5
Xmaks
138
201
282
S
1.5
3
4.5
Ks/µmaks
14.394
1/µ
8.4745763
3.1938678
18.903592
Ks
0.8965431
q
0.0024755
0.0065685
0.0011098
q maks
0.0013067
1/S
0.6666667
0.3333333
0.2222222
Tabel Perhitungan Eadie Hoftsee
µ
0.118
0.3131
0.0529
S
1.5
3
4.5
µ/S
0.0786667
0.1043667
0.0117556
1/Ks
0.3042
Ks
3.287311
µ maks
0.0519395
Y
47.667
q maks
0.0010896
q
0.0024755
0.0065685
0.0011098
Tabel Perhitungan Langmuir
µ
0.118
0.3131
0.0529
S
1.5
3
4.5
S/µ
12.711864
9.5816033
85.066163
1/µ maks
µ maks
Ks/µ maks
24.118
0.0414628
-36.568
Ks
1.516212
Tabel Perhitungan Contois
Xmaks
138
201
S
1.5
3
Xmax/S
92
67
1/µ
0.6666667
0.3333333
Y
q maks
47.667
0.0008698
Y
47.667
282
4.5
Y
1/µ
maks
47.667
-0.5225
62.666667
µ maks
1.9138756
0.2222222
Ks/µ
maks
0.0129
Ks
0.024689
q maks
0.040151
µ
(µ maks
S)/(Ks+S)
0.118
0.3131
0.0529
1.882887669
1.898257342
1.903436479
Kd
-0.7049
KURVA PERTUMBUHAN BAKTERI BACILLUS Sp. DENGAN
METODE PENGUKURAN TURBIDITASSPEKTROFOTOMETRI
THE DETERMINATION VALUE OF THE BIODEGRADATION
KINETICS BY BACILLUS Sp. GROWTH CURVE WITH
MEASUREMENT TURBIDITY-SPECTROPHOTOMETRIC
METHOD
Fahrudin Hendro Priyono1, Muhammad Nofal2
Departemen Teknik Sipil dan Lingkungan, Institut Pertanian Bogor, Jln. Kamper, Kampus IPB
Dramaga, Bogor, 16680
adien.hendro@gmail.com, muhammadnofal23@gmail.com
Abstrak : Biodegradasi kinetika digunakan untuk memprediksi konsentrasi dari bahan kimia yang
tersisa pada waktu yang diberikan selama proses bioremediasi ex-situ dan in-situ. Percobaan ini
bertujuan untuk menentukan nilai kinetika biodegradasi untuk melihat efektivitas bakteri dalam proses
remediasi tanah. Metode yang digunakan dalam percobaan ini adalah metode tidak langsung melalui
pengukuran tingkat kekeruhan (turbiditas). Percobaan menggunakan bakteri Bacillus sp sebagai
bakteri pendegradasi oli, sedangkan konsentrasi oli yang digunakan berbeda-beda, yaitu 1,5%, 3%,
dan 5%. Kurva hasil percobaan menunjukkan bahwa jumlah bakteri selalu berubah. Grafik hasil
percobaan menunjukkan bahwa jumlah bakteri terbanyak terdapat dalam konsentrasi oli 4,5 %.
Sedangkan jumlah bakteri paling sedikit berada pada konsentrasi oli 1,5 %. Melalui persamaan
Monod, dapat diperoleh rata-rata laju pertumbuhan bakteri pada percobaan, yaitu 0,16133/menit.
Laju pertumbuhan bakteri tercepat berada pada konsentrasi oli 3 % yaitu 0,3131/menit, sedangkan
laju pertumbuhan paling lambat berada pada konsentrasi oli 4,5 % yaitu 0,0529/menit.
Kata kunci : Bacillus sp, Biodegradasi, Monod, Turbiditas
Abstract : Biodegradation kinetics are used to predict the concentrations of the chemicals remaining
at a given time during the ex-situ bioremediation and in situ . This experiment aims to determine the
kinetics of biodegradation value to see the effectiveness of the bacteria in the soil remediation process .
The method used in this experiment is the indirect method by measuring the turbidity (turbidity) .
Experiments using the bacterium Bacillus sp as oil degrading bacteria , while the concentration of oil
used is different , namely 1.5 % , 3 % , and 5 % . Curve experimental results show that the number of
bacteria is always changing . Graph the results of the experiment showed that the highest number of
bacteria present in the oil concentration of 4.5 % . While the number of bacteria is at least 1.5 % oil
concentration . Through the Monod equation , can be obtained by the average growth rate of bacteria
in the experiment , ie 0.16133 / min . The fastest rate of bacterial growth is at 3 % oil concentration is
0.3131 / min , while the slowest growth rate is at 4.5 % oil concentration is 0.0529 / min .
Keywords : Bacillus sp , Biodegradation , Monod , Turbidity
PENDAHULUAN
Biodegradasi kinetik digunakan untuk memprediksi konsentrasi dari bahan kimia
yang tersisa pada waktu yang diberikan selama proses bioremediasi ex-situ dan in-situ.
Kunci proses tersebut terletak pada penurunan konsentrasi toksisitas dengan adanya
bioessei. Oleh karena itu, keberhasilan biodegradasi didasarkan pada pengukuran
senyawa kimia, contohnya kehilangan molekul induk, tampilan produk mineralisasi,
atau hilangnya senyawa lainnya menggunakan stokiometri selama proses biodegradasi berlangsung, misalnya, akseptor elektron. Ada beberapa skenario ketika
senyawa pencemar dapat ditransformasi secara biologi, yaitu ketika beberapa
senyawa bekerja sebagai sumber karbon dan energi, akseptor elektron, dan sumber
komponen sel lainnya (Okpokwasili 2005).
Tujuan dari percobaan ini adalah tujuan membuat kurva pertumbuhan bakteri
petrofilik, menentukan nilai kinetika biodegradasi untuk melihat efektivitas bakteri
dalam proses remediasi tanah.
TINJAUAN PUSTAKA
Ide kinetika pertumbuhan mikroba telah didominasi oleh satu model empiris
yang pada awalnya diusulkan oleh Monod. Persamaan Monod memperkenalkan
konsep yang membatasi substrat pertumbuhan.
(1)
Untuk memperoleh nilai µ max dan Ks pada Persamaan Monod, ada beberapa
metode plotting melalui proses linearisasi data. Metode tersebut adalah LineweaverBurk Plot, Eadie-Hofstee Plot, dan Langmuir Plot (Doran 1996).
Metode Lineweaver-Burk Plot menggunakan prosedur linierisasi untuk
memberikan plot garis lurus sehingga µ max dan Ks dapat ditentukan. Inversi dari
persamaan 1 menghasilkan:
(2)
Jika Persamaan 2 dikalikan dengan faktor µ(µ max/Ks) dan disusun kembali,
bentuk lain dari Persamaan Monod akan diperoleh persamaan metode Eadie-Hofstee
Plot :
(3)
Hasil perkalian persamaan 3 dengan koefisien S menghasilkan bentuk lain dari
Persamaan Monod berdasarkan Langmuir Plot.
(4)
Selain Persamaan Monod, ada beberapa pendekatan persamaan lain dalam
memperhitungkan kinetika biodegradasi untuk mengamati pertumbuhan
mikroorganisme yang dibatasi oleh substrat. Persamaan tersebut yaitu (Schuler 2002),
Persamaan Tessier, Persamaan Moser, dan Persamaan Contois.
Persamaan Contois :
(5)
METODOLOGI PERCOBAAN
Percobaan kesadahan total dilakukan di Laboratorium Polusi dan Kualitas Udara
IPB pada tanggal 21 Maret 2014. Alat-alat dan bahan-bahan yang digunakan adalah
spektrofotometer, rotary shaker, pipet volumetrik, neraca analitik, bakteri Bacilllus
sp. dalam media cair, dan Oli bekas. Percobaan ini menggunakan metode tidak
langsung melalui pengukuran turbiditas. Pengukuran turbiditas dilakukan setiap
beberapa interval waktu sesuai dengan kondisi populasi bakteri di dalam contoh
uji hingga fase stasioner diperoleh. Alat spektrofotometer menggunakan panjang
gelombang 610 nm. Meningkatnya nilai Optical Density (OD) kekeruhan
diharapkan akan meningkatkan massa sel. Nilai konstanta laju pertumbuhan (µ)
didapat dengan memplotkan nilai OD pada fase ekponensial sehingga dengan
menggunakan analisis least square correlation dihasilkan kemiringan (slope)
sebagai nilai µ. Nilai µ berfungsi sebagai parameter dasar untuk mengetahui nilai
kinetika biodegradasi lainnya. Umumnya, nilai kinetika tersebut diperoleh
berdasarkan hasil regresi linear data.
Langkah awal yang dilakukan dalam percobaan adalah oli bekas dimasukkan
sebagai substrat dengan konsentrasi 1,5 %, 3%, dan 4,5% ke dalam masingmasing wadah penampung (erlenmeyer/botol vial, dan lain-lain). Kemudian,
kultur tercampur media cair dimasukkan sekitar 10-20 ml. Lalu, nilai optical density
kultur tercampur bakteri dihitung menggunakan alat spektofotometri dengan
panjang gelombang 610 nm. Penghitungan nilai optical density dilakukan setiap 10
menit selama 3 jam. Setelah data perhitungan diperoleh, kurva pertumbuhan dibuat
untuk menentukan laju pertumbuhan bakteri (µ). Nilai dipilih hanya berdasarkan pada
kondisi fase ekponensial. Kemudian, nilai kinetika biodegrasi ditentukan sesuai dengan
Persamaan Monod, Persamaan Lineweaver-Burk Plot, Persamaan Eadie-Hofstee Plot,
Persamaan Langmuir Plot, dan Persamaan Contois.
PEMBAHASAN
Berdasarkan hasil pecobaan diperoleh beberapa grafik dalam menentukan nilai
kinetika biodegradasi. Grafik tersebut diperoleh dari beberapa persamaan yaitu
persamaan Monod, plotting Eadie-Hofstee, Langmuir, dan Lineweaver-Burk.
Masing-masing persamaan tersebut memiliki fungsinya sendiri dalam menghitung
parameter biodegradasi. Parameter biodegradasi ada tujuh, yaitu laju pertumbuhan
bakteri (µ), laju pertumbuhan maksimum (µmaks), konstanta substrat (Ks), sintesis
sel bakteri (Y), nilai uitilisasi (q), nilai utilisasi maksimum (q maks), dan kematian
endogenus mikroba (Kb).
Grafik pertumbuhan bakteri menjabarkan tentang fase lag, fase eksponensial, fase
stasioner, dan fase kematian dari suatu bakteri. Grafik perbandingan kurva bakteri
dari masing-masing konsentrasi oli hasil percobaan dapat dilihat di bawah ini,
0,15 ml (1,5%)
0,3 ml (3%)
0,45 ml (4,5%)
300.00
275.00
250.00
225.00
200.00
175.00
150.00
125.00
100.00
75.00
50.00
25.00
0.00
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90 100 110 120 130
Gambar 1. Perbandingan Grafik Laju Pertumbuhan Bakteri
Grafik perbandingan tersebut menunjukkan bahwa laju pertumbuhan bakteri
tertinggi berada pada konsentrasi 4,5 %, sedangkan laju pertumbuhan bakteri
terendah ada pada konsentrasi oli 1,5 %. Pada konsentrasi 1,5 % relatif konstan dan
hanya mengalami sedikit peningkatan pada menit-menit akhir menjelang 130 menit.
Pada konsentrasi oli 3%, pertumbuhan bakterinya turun secara signifikan pada menit
ke 10 dan menit ke 30, sehingga pada menit tersebut jumlah bakterinya sama dengan
jumlah bakteri pada konsentrasi oli 1,5 %. Sedangkan pada konsentrasi oli 4,5 %,
hanya mangalami sedikit penurunan pada menit ke 10, namun selanjutnya
pertumbuhan bakteri relatif stabil.
Dalam grafik laju pertumbuhan bakteri terdapat beberapa fase pertumbuhan
bakteri. Fase-fase pertumbuhan tersebut dapat dilihat dari tabel atau grafik. Penentuan
fase-fase tersebut diperoleh dari rata-rata tingkat kekeruhan yang diukur oleh
turbidimeter sebanyak 3 kali pengulangan. Hasil rata-rata tersebut dapat dilihat pada
tabel di bawah ini,
Table 1. Rata-rata Pertumbuhan Bakteri
t (menit ke)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
Konsentrasi Substrat (%)
0,15 ml
0,3 ml
0,45 ml
(1,5%)
(3%)
(4,5%)
Optical Density
122.67
201
282
123.67
117.5
268.33
124.67
151.33
265.5
129
127
273
130.67
171.5
272
128.33
177
277.5
130.33
186
273
131.67
173
274.5
133
185
277.5
133.33
188.5
276.33
134.33
175
281
137.33
187
282.5
138
192.33
275
189.33
277
138
Berdasarkan tabel di atas dapat diketahui fase lag, stasioner, dan kematian dari
bakteri Bacillus sp. Pada konsentrasi 1,5 % tidak mengalami fase kematian,
sedangkan fase eksponensial dimulai dari menit 0 sampai menit ke 110. Menit ke 120
dan menit ke 130 bakteri mengalami fase stasioner dengan jumlah, setelah mencapai
jumlah maksimum bakteri tidak mengalami penurunan jumlah. Hal tersebut
merupakan penyebab bakteri Bacillus sp. tidak mengalami fase kematian. Pada
konsentrasi 3 % fase ekponensial terjadi dari menit 20 sampai menit ke 80. Menit ke
0 sampai 10 mengalami penurunan jumlah, sehingga tidak masuk ke dalam fase
eksponensial. Fase stasioner terjadi pada menit ke 90. Sedangkan pada konsentrasi oli
4,5 % fase eksponensial berawal dari menit ke 20 sampai menit ke 100, pada menit
110 mengalami fase stasioner, setelah itu jumlahnya menurun atau fase kematian.
Laju pertumbuhan bakteri (µ) yang diperoleh dari tabel di atas dapat dibuat grafik
seperti di bawah ini,
140.00
138.00
136.00
134.00
132.00
130.00
128.00
126.00
124.00
122.00
120.00
y = 0.118x + 123.4
0
20
40
60
80
100
120
140
Gambar 2. Grafik Pertumbuhan Bakteri Pada Konsentrasi 1,5 %
Dari persamaan linear grafik di atas diperoleh nilai µ yaitu 0,118. Nilai tersebut
mengindikasikan bahwa laju pertumbuhan bakteri pada konsentrasi oli 1,5 % yaitu
0,118 /menit. Sementara itu grafik laju pertumbuhan bakteri pada konsentrasi 3 %
dapat dilihat di bawah ini.
250
y = 0.3131x + 152.61
200
150
100
50
0
0
20
40
60
80
100
120
140
Gambar 3. Grafik Pertumbuhan Bakteri Pada Konsentrasi 3 %
Grafik di atas memiliki gradient garis (m) 0,3131, sehingga dapat diperoleh laju
pertumbuhan bakteri µ 0,3131/menit. Nilai tersebut merupakan laju pertumbuhan
tercepat di antara laju pertumbuhan pada konsentrasi yang lain. Hal itu dapat
dibuktikan dalam grafik di bawah ini,
284
282
280
278
276
274
272
270
268
266
264
y = 0.0529x + 271.93
0
20
40
60
80
100
120
140
Gambar 4. Grafik Laju Pertumbuhan Bakteri Pada Konsentrasi 4,5 %
Pada grafik di atas dapat diketahui bahwa laju pertumbuhan bakteri pada
konsentrasi oli 4,5 % 0,0529/menit. Laju tersebut merupakan laju pertumbuhan
terendah di antara laju pertumbuhan yang lain. Laju pada konsentrasi ini sangat
lambat karena kandungan konsentrasi olinya paling banyak, sehingga terjadi
penumpukan racun, selain itu hal tersebut juga akan menimbulkan jumlah kematian
bakteri lebih banyak (Metcalf & Eddy 2003).
Walaupun mengalami jumlah kematian yang banyak, setiap fase pasti mengalami
laju pertumbuhan maksimum (µ maks). µ maks dapat diperoleh dari persamaan
plotting (Lineweaver-Burk, Langmuir, dan Eadie-Hoftsee). Persamaan plotting
tersebut dilakukan pada setiap konsentrasi oli. Di bawah ini adalah hasil perhitungan
dengan menggunakan persamaan Linewearver-Burk,
20
1/µ
15
10
y = -14.394x + 16.055
5
0
0
0.2
0.4
0.6
1/S
Gambar 4. Grafik Plotting Lineweaver-Burk
0.8
Gradien persamaan garis di atas adalah 14,394 yang tidak lain merupakan nilai
Ks/ µ maks. Persamaan ini digunakan untuk mendapatkan nilai Ks dan µ maks. Nilai
Ks dan µ maks dari persamaan Linewear adalah 0,8965431 dan 0,0622859. Selain
persamaan ini, persamaan Eadie dan Langmuir juga digunakan untuk mencari nilai
Ks dan µ maks. Namun, sebelumnya harus dibuat grafik dari masing-masing
persamaan tersebut terlebih dahulu. Grafik persamaan Eadie-Hoftsee dapat dilihat di
bawah ini,
0.12
y = 0.3042x + 0.0158
0.1
µ/S
0.08
0.06
0.04
0.02
0
0
0.1
0.2
0.3
µ
Gambar 5. Grafik Plotting Eadie-Hoftsee
0.4
Berdasarkan grafik di atas nilai Ks/µ maks dapat diketahui yaitu 0,3042, sehingga
nilai Ks dan µ maks dapat dihitung dan hasilnya adalah 3,287311 dan 0,0519395.
Plotting persamaan ini memiliki tingkat ketelitian yang lebih tinggi dari pada
persamaan Linewear, karena persamaan Eadie dapat mendistorsi kesalahan data.
Sementara itu untuk grafik persamaan Langmuir dapat dilihat di bawah ini,
100
80
y = 24.118x - 36.568
S/µ
60
40
20
0
-20
0
2
4
6
S
Gambar 6. Grafik Plotting Langmuir
Grafik persamaan Langmuir di atas memiliki nilai Ks yaitu -1,516212 dan µ maks
sebesar 0,0414628. Berdasarkan persamaan-persamaan di atas dapat diketahui bahwa
nilai Ks (Konstanta Substrat) maksimum terdapat pada perhitungan metode EadieHoftsee yaitu 3,287311, sedangkan Ks terendah terdapat pada hasil perhitungan
metode Langmuir yaitu -1,516212. Laju pertumbuhan maksimum (µ maks) tertinggi
terdapat pada persamaan Linewear-Burk yaitu 0,062285, sedangkan laju
pertumbuhan maksimun terendah terdapat pada persamaan Langmuir yaitu 0,0414628.
Setelah mendapatkan nilai µ maks dan Ks, maka data yang harus dihitung adalah
sintesis sel bakteri (Y). Nilai Y dapat dihitung dengan menggunakan persamaan
Contois, dan hasil perhitungan menunjukkan bahwa nilai Y adalah 47,667. Parameter
selanjutnya yang dihitung adalah nilai utilisasi (q). Nilai q pada masing-masing
konsentrasi oli berbeda-beda. Pada konsentrasi 1,5 % memiliki nilai q 0,0024755,
konsentrasi 3 % nilai q 0,0065685, sedangkan nilai q pada konsentrasi 4,5 % yaitu
0,011098. Parameter terakhir yang harus dihitung adalah kematian endogenus
mikroba (Kd). Berdasarkan hasil perhitungan, nilai Kb yang diperoleh adalah -0,7049.
Hal ini menyebabkan garis liner Kb berada di bawah (negatif), selain itu dalam
persamaan gradient nilai Kb merupakan nilai konstanta (C).
SIMPULAN
Grafik pertumbuhan bakteri menunjukkan bahwa pertumbuhan bakteri tertinggi
terdapat pada oli berkonsentrasi 4,5 %, sedangkan pertumbuhan bakteri terendah
terdapat pada oli berkonsentrasi 1,5 %. Tingkat laju pertumbuhan (µ) tertinggi
terdapat pada konsentrasi oli 4,5 % menit ke-110.
Saran
Metode pengukuran bakteri seharusnya menggunakan prinsip Total Plate Count,
sehingga bakteri yang sudah mati tidak akan terhitung, selain itu juga dapat
mempermudah menentukan laju pertumbuhan bakteri beserta fase-fasenya.
Daftar Pustaka
Doran P. M 1995. Bioprocess Engineering Principle. Oxford: Academic Press
Okpokwasili G. C, Nweke C. O. 2005. Microbial Growth and Substrate Utilization
Kinetics. African Jurnal of Biotechnology, Vol. 5 (4), 305-317.
Schuler M. L, Kargi F. 2002. Bioprocess Engineering Basic Concepts. New
Jersey: Prentice Hall.
Metcalf & Eddy. 2003. Waste Water Engineering, Treatment and Reuse. New York:
McGraw-Hill.
Lampiran
Tabel Perhitungan Linewear Burk Plotting
1/µmaks
16.055
µmaks
0.0622859
µ
0.118
0.3131
0.0529
S
1.5
3
4.5
Xmaks
138
201
282
S
1.5
3
4.5
Ks/µmaks
14.394
1/µ
8.4745763
3.1938678
18.903592
Ks
0.8965431
q
0.0024755
0.0065685
0.0011098
q maks
0.0013067
1/S
0.6666667
0.3333333
0.2222222
Tabel Perhitungan Eadie Hoftsee
µ
0.118
0.3131
0.0529
S
1.5
3
4.5
µ/S
0.0786667
0.1043667
0.0117556
1/Ks
0.3042
Ks
3.287311
µ maks
0.0519395
Y
47.667
q maks
0.0010896
q
0.0024755
0.0065685
0.0011098
Tabel Perhitungan Langmuir
µ
0.118
0.3131
0.0529
S
1.5
3
4.5
S/µ
12.711864
9.5816033
85.066163
1/µ maks
µ maks
Ks/µ maks
24.118
0.0414628
-36.568
Ks
1.516212
Tabel Perhitungan Contois
Xmaks
138
201
S
1.5
3
Xmax/S
92
67
1/µ
0.6666667
0.3333333
Y
q maks
47.667
0.0008698
Y
47.667
282
4.5
Y
1/µ
maks
47.667
-0.5225
62.666667
µ maks
1.9138756
0.2222222
Ks/µ
maks
0.0129
Ks
0.024689
q maks
0.040151
µ
(µ maks
S)/(Ks+S)
0.118
0.3131
0.0529
1.882887669
1.898257342
1.903436479
Kd
-0.7049