Kuliah 6Kuliah 6

Pengolahan biologik

Biotransformasi & MineralisasiBiotransformasi & Mineralisasi• Dalam pengolahan cara biologik, komponen organik

dalam limbah diuraikan oleh mikroba menjadi molekullebih sederhana, melalui proses biotransformasi ataumineralisasi. 

• Biotransformasi adalah penguraian senyawa organikmenjadi senyawa organik lain yang lebih sederhana. 

• Sedangkanmineralisasi adalah penguraian sempurna• Sedangkanmineralisasi adalah penguraian sempurnamolekul organik menjadi massa seluler, CO2, air, danresidu anorganik yang bersifat inert. J di bi f i k bi d d i• Jadi proses biotransformasi merupakan biodegradasiparsial, sedangkan mineralisasi adalah prosesbiodegradasi sempurna.

XenobioticXenobioticss && recalcitantsrecalcitantsXenobioticXenobioticss & & recalcitantsrecalcitants

• Xenobiotics : senyawa yang diproduksi melalui• Xenobiotics : senyawa yang  diproduksi melaluiproses sintesis kimiawi untuk keperluan industri ataupertanian.  Contoh:  senyawa organik berhalogenp y g g(pestisida, pelarut organik, freon dsb)

• Recalcitrant : senyawa yang sangat resisten terhadapbiodegradasi, akibat substitusi gugus halogen, ataubanyaknya gugus aromatik, atau berat molekul yang tinggi (polimer plastik)tinggi (polimer plastik)

3

S b bi iSumber senyawa xenobiotic:

1. Industri Petrokimia: industri migas, kilang minyak, industri kimia dasar untuk produksi: vinyl korida dan benzenakorida dan benzena

2. Industri Plastik : - sangat terkait dengan industri petrokimia

- menggunakan berbagai senyawa organik, seperti anti‐oksidan, plasticizer, dsb

4

3. Industri Pestisida: bahan utamanya adalahybenzena dan turunannya yang terklorinasi atauheterosiklik

4. Industri cat: bahan utamanya pelarut organikxylene, toluene, methyl ethyl ketone, methylisobutyl ketone dan bahan pengawet

5. Lain2 : industri elektronik, tekstil, pulp dan kertas,5. Lain2 : industri elektronik, tekstil, pulp dan kertas, kosmetik dan farmasi, pengolahan kayu

5

Komponen limbah bersifat persistenKomponen limbah bersifat persisten

1. Merupakan produk halogenasi (organohalogen). p p g ( g g )Contoh: 1. pestisida tertentu, seperti benzenehexachloride

(BHC) DDT dsb(BHC), DDT, dsb2. pelarut organik : kloroform, freon, dsb.

2. Mengandung halogen dalam jumlah besar. g g g jSemakin tinggi jumlah gugus halogen dalamsuatu senyawa, semakin persisten senyawatersebuttersebut

3. Memiliki banyak percabangan4. Memiliki kelarutan yang rendah dalam airy g

Daya urai komponen limbah persistenDaya urai komponen limbah persisten1. Senyawa alifatik rantai lurus pada umumnya mudah terurai. 

Adanya ikatan rangkap pada senyawa tidak jenuh akanmempercepat proses penguraianmempercepat proses penguraian.

2. Senyawa aromatik sederhana dapat diuraikan oleh mikrobatertentu melalui pematahan cincin aromatik. 1 Adanya gugus halogen menurunkan daya urai karena dapat1. Adanya gugus halogen menurunkan daya urai, karena dapat

menstabilkan cincin aromatik. 2. Semakin banyak jumlah gugus halogen, semakin sulit penguraian

suatu senyawa. Proses penguraian senyawa yang mengandunghalogen memerlukan proses pelepasan gugus halogen yang disebuthalogen memerlukan proses pelepasan gugus halogen, yang disebutdehalogenasi. 

3. Biodegradasi senyawa‐senyawa organik yang mengandung gugusN dan S terkait dengan fungsinya sebagai sumber nutrien. Rantaig g y galkil atau aryl sulfonat yang bercabang tergolong sulit terurai.

4. Bahan‐bahan polimer, seperti plastik, nilon, dan polistirenatergolong sulit urai. Namun sejumlah mikroba yang  memilikik ik t l h b h il dii l ikemampuan menguraikan telah berhasil diisolasi.

Komunitas mikroba penguraiKomunitas mikroba pengurai

• Dalam pengolahan cara biologik berlangsung interaksip g g g gyang cukup kompleks antar populasi mikroba. 

• Laju pertumbuhan dan penggunaan substrat lebihb k d bi k d i dberaneka‐ragam pada biakan campuran daripadabiakan murni. 

• Dalam reaktor dengan biakan campuran, tidak hanyaDalam reaktor dengan biakan campuran, tidak hanyamikroba yang mengawali proses penguraian (penguraiprimer) yang berperan, melainkan juga mikroba yang menguraikan senyawa senyawa intermediat yangmenguraikan senyawa‐senyawa intermediat yang terbentuk (pengurai sekunder).

Peran mikroba sekunderPeran mikroba sekunder

• menyediakan faktor pertumbuhan spesifikmenyediakan faktor pertumbuhan spesifik• menghilangkan senyawa intermediat yang bersifat toksikbersifat toksik

• melakukan metabolisme bersama denganik b i i ( b li )mikroba pengurai primer (= co‐metabolisme)

• melakukan transfer materi genetik padamikroba pengurai primer yang memiliki strainsama

Contoh: pada penguraian 3 klorobbenzoat

Factors affecting the xenobiotic gbiodegradation by m.o.

1 Substrate specificity: such as for the type of1. Substrate specificity: such as for the type of aromatic, for the ring position (o‐, m‐, or p‐ ),

d f h d ifi i iand for the atom or group removed. Specificitiescould reside at the level of enzymes, organisms, orbroad physiological groups

2. Electron acceptors : oxygen, nitrate, and sulfate most often inhibit dehalogenation by anaerobic communities

11

communities

3 Other nutrients : addition of various nutrients as3. Other nutrients : addition of various nutrients as 

electron donors, C‐source, N‐source, P‐source, or

micronutrients can stimulate the reaction or support

the growth of the microorganismsthe growth of the microorganisms

4. Temperature : affected both the acclimation period 

and the rate of biodegradation activity

5. Substrate availability : the hydrophobicity of many y y p y y

xenobiotic affects their biodegradation through 

12

its effect on their availability to microorganisms

Beberapa jenis mikroba penguraiBeberapa jenis mikroba penguraiNo. Jenis limbah B3 Karakteristik mikroba Jenis mikroba

PseudomonasAchromobacter

1. PCB Aerobik, gram negatif, bakteri tanah

AcinetobacterAchromobacterAlcaligenesMoraxellaAcetobacter

2. 2,4,5-Trichlorophenol Aerobik Pseudomonas cepaciaArthrobacter spFlavobacterium

3. Pentachlorophenol Aerobik Pseudomonas spRhodococcus spMycobacterium sp

Polyaromatic hydrocarbons

4.

y y(PAH)Naftalena Aerobik Pseudomonas

Phenanthrene Aerobik, kapang Phanerochaete chrysosporiumy p

Aerobik MycobacteriumAnthracene Aerobik, kapang Cunninghamella

Phytotechnology• Phytotechnology  = a technology which is based on the application of plants as solar driven and pp pliving technology for improving environmental sanitation and solving conservation problems

• Plants possess highly efficient systems that• Plants possess highly efficient systems that uptake and metabolize nutrients and various substances through numerous metabolic activities, which are empowered by photosynthesis.

• Most common name of phytotechnology for• Most common name of phytotechnology for pollutant removal in soil and water is phytoremediation, which was pioneered by the USA f l i ll d i i 1980’USA for cleaning‐up polluted sites in 1980’s

Pollutant phytoremoval mechanisms1 Phytodegradation: plants associated1. Phytodegradation: plants, associated 

with aquatic or soil microorganisms, biodegrade organic pollutants

2 Ph t t ti t ti d

4

2. Phytoextraction: concentration and accumulation of contaminants in the planttissues

2

3. Phytostabilisation: immobilization of metal contaminants in the root zone

4. Phytovolatilisation: accumulation of4. Phytovolatilisation: accumulation of contaminants in above‐ground tissues, and transformation into volatile compounds3 1

Application of phytotechnologyApplication of phytotechnology

• Phytotechnology has been researched and y gyused for :– maintaining slope stability/erosion controlmaintaining slope stability/erosion control– buffer zone– remediation of polluted soilremediation of polluted soil– domestic & industrial waste water treatment,leachate control– leachate control

– urban runoff treatmentlandfill rehabilitation– landfill rehabilitation

– Environmentally friendly. Lower air, odour, and dust emissions and other wastes makes phytotechnology a safe treatmentand other wastes makes phytotechnology a safe treatment

– Provides aesthetics, supports wild life habitat, increased biodiversity

• Potential for resource recovery from the harvested plants (energy, essential oils, compost, fiber for handcrafts)

Cost effective As a solar dri en s stem ph totechnolog takes– Cost effective. As a solar‐driven system, phytotechnology takes advantage of natural processes, and thus lowers labor, equipment, and operational expenses. q p , p p(Baker et al., 1994; Salt et al., 1998; Garbisu and Alkorta, 2001; USEPA, 1993, Huat, 2002, Russel, 2005)

Conceptual scheme of integratedphytotechnology application

Biomass

Energy biotransformation Application of 

phytotechnology

Polluted/ degraded  site

phytotechnology

CelluloseOil rich seeds

Harvested biomass

SludgeImproved 

environmentBioethanol Biogas   Biodiesel Compost

Sludge

Sludge

Note : Energy flowMaterial  flow

Some potential Asian plants forSome  potential Asian plants for phytotechnology application

Terrestrial AquaticPhragmites 

Terrestrial Aquatic

1. Spermacoce mauritiana (HM) 1. Phragmites (organics, N,P)

2. Microstegium ciliatum (HM) 2. Pistia stratiotes (HM, organics, N,P)

3. Brachiaria brizantha (oil ) 3. Scirpus spp (nutrients, organics, TSS)

4. V. zizainoides ( HM, organics, N,P) 4. E. crassipes (HM, organics, N,P)

5. Centrosema brasilianum (oil) 5. Typha latifolia (organics, nutrient)

6. Cassia surattensis (oil) 6. Canna sp (organics, N, P)

Spermacoce mauritiana  Microstegium ciliatum  Brachiaria brizantha Centrosema brasilianum

Canna sp