DEKOMPOSISI MINERAL TOKSIK OLEH MIKROORGANISME TANAH

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Kegiatan pertanian yang intensif akhir-akhir ini menyebabkan berbagai penurunan  kualitas tanah terhadap kesuburan tanah itu sendiri. Penurunan kualitas tanah tersbut tidak hanya terjadi akibat alih fungsi lahan dan pengolohan tanah  saja, tetapi juga diakibatkan pemberian input pupuk dan pestisida yang berleihan juga termasuk salah satu faktor yang mampu menyebabkan turunnya kualitas tanah.

Sumber material toksik di dalam tanah yang dapat merusak pertumbuhan dan perkembangan tanaman serta merusak lingkungan diantaranya berasal dari kegiatan pertanian (pemupukan dan penyemprotan pestisida), dan produk sisa industri atau yang biasa disebut sebagai limbah industri (cair atau padat) yang mengahsilkan logam-logam berat seperti Hg (raksa). Walaupun dalam dosis rendah, tetapi dengan terjadinya biomagnifikasi maka kandungan pestisida di lingkungan yang sangat rendah akan dapat terakumulasi melalui rantai makanan, sehingga dapat membahayakan kehidupan makhluk hidup termasuk manusia.

Lebih dari 1000 jenis pestisida telah dipasarkan.Termasuk dalamnya insektisida, herbisida, dan fungisida.Pestisida meliputi urea tersubstitusi organochlorines• Pestisida meliputi urea tersubstitusi, organochlorines, organophosphates, nitrophenols, phenylcarbamates, dan senyawa chloro phenoxy alkyl. Beberapa dari senyawa ini dapat menjadi sumberkarbon yang cocok untuk mikroba tertentu dan senyawa ini akhirnya akan didegradasi dari lingkungan.

Dalam beberapa tahun terakhir ini, bahaya yang muncul akibatkontaminasi logam berat di lingkungan tanah dan perairan adalah merupakan isu lingkungan yang sangat menonjol.   Permasalahan pada lingkungan tanah terkontaminasi logam berat adalah tidak mudah untuk ditangani dengan cepat, karena melibatkan masyarakat yang ada di sekitarnya.  Limbah yang dihasilkan dalam bentuk padat mungkin tidak berdampak luas, tetapi bila buangan dalambentuk limbah cair atau menguap berpengaruh lebih luas, karena penyebarannya dapat melalui air atau atmosfer (udara), sehingga bahaya kontaminasinya tidak mudah untuk diatasi.

Di sisi lain , logam-logam tersebut juga mempunyai peranan pentingdalam proses kehidupan mikroorganisme.  Beberapa logam-logam seperti : Ca, Co, Cr, Cu, Fe, K, Mg, Mn, Na, Ni, dan Zn adalah hara esensial dan berperan dalam proses redoks untuk menstabilkan molekul melalui interaksi elektrostatik. Namun ada beberapa logam yang tidak mempunyai peranan bioloigi, seperti :Ag, Al, Cd, Au, Pb, dan Hg, karena bukan merupakan hara esensial (nonesensial), tetapi racun (toksik) bagi mikroorganisme.   Logam-logam non-esensial inidapat pula menggantikan posisi logam esensial yang terjerap dalamkompleks koloid atau melalui interaksi ligan.  Bila kondisi ini terjadi, dapat merugikan mikroorganisme maupun tumbuhan yang menyerap unsur hara nonesensial tersebut.

Namun demikian pemanfaatan mikroorganisme akhir-akhir ini dalammengurangi efek toksik logam pada tanah terkontaminasi telah menjadi perhatian para peneliti karena lebih bersifat ramah lingkungan.  Secara alami, suatu ekosistem alam mempunyai mekanisme dalam mengurangi bahaya kontaminasi logam berat.  Bila kontaminasi logam berat berlebihan, terjadi akumulasi dan bersifat toksik, sehingga akan terjadi ketidakseimbangan di dalam suatu ekosistem. Dalam hal ini peranan mikroorganisme dalam mengatasi permasalahan lingkungan terkontaminasi logam berat akan sangat membatu.  

                                                                                                        

1.2 Tujuan

            Untuk mengetahui apa saja jenis mikroorganisme dalam tanah dan mengetahuiapa saja hasil dari dekomposisi mineral toksik oleh mikroorganisme tanah.

BAB II

PEMBAHASAN

A.    Sumber-sumber logam berat

Sumber-sumber logam berat dapat berasal dari hasil pelapukan batuanmineral dan antropogenik.  Mineral dalam batuan merupakan mineral utama (mineral primer) dalam tanah sebagai akibat melapuknya batuan dan membetuktanah.  Mineral-mineral tersebut akan melapuk dan melepaskan unsur-unsuryang dikandungnya, sebagian merupakan hara bagi tanaman, sebagian tercucidari tanah bersama air perkolasi atau erosi, dan sebagiannya lagi bereaksimembentuk mineral sekunder.  Pelapukan akan berjalan terus, sehingga pada tanah-tanah dengan tingkat pelapukan lanjut (Ultisol, Oxisol) hanya tertinggal

mineral sukar lapuk (kuarsa) dan mineral sekunder seperti : oksida besi (hematite, goetit) dan oksida Al (gibsit).

Pelapukan ( dekomposisi ) adalah proses penghancuran fisik dan kimia dari batuan,karena mineral-mineral dalam batuan tersebut tidak berada dalam keseimbangan dengan suhu, tekanan, dan kelembaban yang ada. Pelapukan mineral primer diawali dengan adanya penurunan suhu. Dari setiap jenis mineral mudah lapuk akan dihasilkan hara-hara yang didalamnya terkandung juga unsur-unsur logam berat dalam bentuk hara utamamaupun hara minor.  Proses pelapukan ini menghasilkan kadar logam beratyang tentunya berbeda dan tergantung dari bahan induknya, juga didukungoleh proses vulkanik yang sangat berperan dalam menghasilkan jenis batuandan mineral.

B.     Peranan mikroorganisme

Mikroorganisme memainkan peranan penting di banyak bidang industridan teknologi, terutama di tanah-tanah bekas penambangan, pertanian, dan juga sebagai pengontrol sampah/limbah buangan. Di daerah pertambangan, bakteri Thiobacillus ferrooxidans merupakan salah satu mikroorganisme penting.  Bakteri ini termasuk pelarut (leaching) logam-logam dari bijih tambang, ditemukan pada daerah tambang yang telah didrainase dengan pH lingkungan masam. Thiobacillus ferrooxidans merupakan kelompok acidophilik kemolithotropik yang toleran terhadap logam-logam toksik (Clausen, 2000) dan hidup pada lingkungan masam dengan temperatur panas, retakan bahan volkanik, dan deposit bijih sulfida dengan konsentrasi asam sulfurik tinggi  (Brierley, 1982).

Bakteri Thiobacillus ferrooxidans memperoleh energi untukpertumbuhannya dari oksidasi zat inorganik besi atau sulfur.  Sebagian besarbersifat autotropik, mengambil karbon untuk sintesis senyawa selular bukan dari bahan organik, tetapi dari CO2di atmosfer (Brierley, 1982).  Bakteri ini berfungsi sebagai katalis dalam mengoksidasi logam sulfida yang larut seperti : Cu2S à 2Cu⁺ +  SO4^2-.  Secara alami Cu2S akan teroksidasi di alam dengan adanya udara (O2) dalam lingkungan masam, tetapi sangat lambat.  Namun dengan adanya T. ferrooxidans, proses ini akan berlangsung 100 kali  lebih cepat dari proses alami.  Selain berfungsi sebagai katalisor dalam oksidasi logam sulfida, juga mengoksidasi ion ferro (Fe²⁺) menjadi ion ferri (Fe) berbentuk endapan keras.   Persamaan reaksi :  4FeSO4 + 2H2SO4 + O2  à 2Fe2(SO4)3 + 2H2O (Fowler et al., 1999) pada pH 1,0 dan 4,5, dengan pengucualian tidak terdapat CaCO3 sebagai agent penetral  (Jensen and Webb, 1995 In Wood, 2001).

Selain Thiobacillus ferrooxidans sebagai pelarut logam-logam berat, terdapatpula Thiobacillus thioxidans yangtumbuh dan berkembang dari unsur sulfur dan beberapa senyawa sulfur dapat larut.   Suatu penelitian oleh  Donovan P. Kelly dan asosiasinya di Universitas Warwick telah dilakukan dengan menggabungkan kedua bakteri tersebut dalam medium kultur untuk mengekstrak logam dari bijih tambang.  Penggabungan kedua bakteri menjadi lebih efektif dalam pelarutan (leaching) daripada tidak digabungkan. 

Mikroorganisme ekstrim dari spesies thermophilik dan acidophilik adalahgenus Sulfolobus.  Bakteri ini tumbuh subur di lingkungan pH masam dan temperatur panas, serta retakan volkanik pada temperatur >60 ⁰C.  Dinding selnya memiliki suatu struktur yang berbeda dari kebanyakan bakteri.  Mikroorganisme dari bakteri ini termasuk Archaebacteria.  Sulfolobus acidocaldariusdan S. brierleyi dapat mengoksidasi  sulfur dan besi sebagai sumber energi, dan memanfaatkan CO2 atau senyawa organik sederhana untuk mendapatkan karbon.  Bakteri ini hidup dalam lingkungan aerobik maupun anaerobik.  Mineral-mineral chalcopyrite (CuFeS2) dan molybdenite (MoS2) yang tahan terhadap kebanyakan mikroorganisme, dapat dengan mudah diserang oleh  Sulfolobus dan menghasilkan logam-logam dapat larut yang tidak toksik bagi organisme.  Molibdenum adalah sangat toksik untuk Thiobacilli, namun dengan mudah dapat ditahan oleh S. brierleyi pada konsentrasi 750 mg/L.  Walaupun Sulfolobus belum diisolasi sebagai pelarut komersil, tetapi studi laboratorium  menegaskan bahwa mikroorganisme tersebut memiliki kemampuan untuk berkembang biak di dalam lingkungan tanah.  Kemampuannya untuk melarutkan logam-logam dari bijih tambang baru diakui saat ini, yaitu dapat menyerang struktur mineral resisten  (Brierley, 1982).

C.     Logam berat dan mikroorganisme

Pengaruh logam-logam berat terhadap komunitas mikroorganisme alamitelah menarik banyak perhatian dalam beberapa tahun terakhir ini.  Polusi logam berat berpengaruh terhadap pertumbuhan, morfologi, dan metabolisme mikroorganisme di dalam tanah, melalui gangguan fungsi, perubahan protein atau penghancuran sel membran.  Mikroorganisme adalah lebih sensitif/stres terhadap logam-logam berat dibandingkan binatang tanah atau tanaman pada lingkungan tanah yang sama  (Ghorbani et al., 2002).  Ekosistem mikroorganisme tanah merupakan suatu fungsi yang kompleks, terdiri dari kelompok-kelompok mikroorganisme yang mempunyai peranan integral dalam mempertahankan kesuburan tanah dan hubungannya dengan unsur hara tanaman (Prodgers,2000). Beberapa parameter yang umumnya digunakan untuk mengukur perubahan populasi mikroorganisme di dalam tanah diantaranya : respirasi mikrobial, biomasa mikrobial tanah, mineralisasi N dan C,  aktivitas enzim tanah, dan fiksasi N2.

            Respirasi mikroorganisme tampaknya tidak berpengaruh terhadap konsentrasi logam berat, hanya pada konsentrasi sangat tinggi menyebabkan CO2 menurun di dalam tanah.  Seperti dilaporkan Ghorbani et al. (2002), bahwamrespirasi mikroorganisme menurun bila konsentrasi Cu atau Zn  lebih dari 1.000 mg/kg.  Chander & Brooke (1991) In Ghorbani et al. (2002) juga menyatakan bahwa peningkatan aktivitas respirasi spesifik dari biomassa mikroorganisme tanah adalah merespon terhadap penambahan substrat (glukosa dan tunas jagung) di dalam tanah dengan kandungan logam berat tinggi.  

Sumber logam berat (Cu dan Zn)yang berasal dari pupuk kandang dan aplikasi fungisida juga menyebabkanbiomassa mikroorganisme menurun.  Doelman, 1986  In Ghorbani et al., 2002juga melaporkan bahwa adanya hambatan  mineralisasi N dan nitrifikasi sekitar 1.000 mg/kg Zn, Cu, Ni 100–500 mg/kg  Pb dan Cr; dan 10–100 mg/kg Cd pada tanah-tanah terkontaminasi.  Proses mineralisasi yang menurun terkadang meningkatkan akumulasi  bahan organik pada lapisan sampah (litter layer) yang pernah diamati di tanah-tanah hutan terkontaminasi, sedangkan di tanah-tanah pertanian, akumulasi bahan organik jarang terlihat.

D.    Toleransi mikroorganisme terhadap logam berat

Penambahan logam berat pada suatu ekosistem dalam jumlah dankonsentrasi tinggi dapat menyebabkan mikroorganisme (bakteri) tertekan /stres. Pada konsentrasi tinggi, ion logam berat akan bereaksi membentuk senyawa toksik di dalam sel mikroorganisme (Spain, 2003). Agar dapat mempertahankan hidup dibawah kondisi stres, bakteri mempunyai beberapa tipe mekanisme toleran dalam pengambilan ion-ion logam berat.  Mekanisme ini meliputi : efflux ion logam pada bagian luar sel,  akumulasi dan kompleks ion logam pada bagian dalam sel, dan reduksi ion logam untuk menurunkan efek toksik. Mikroorganisme mempunyai kemampuan beradaptasi dan toleran terhadapkehadiran logam berat, bahkan dapat tumbuh.  Pengaruh menguntungkan antara mikroorganisme dan logam adalah mikroorganisme dapat membersihkan lingkungan terkontaminasi logam, namun yang tidak menguntungkan adalah mekanisme toleran terhadap logam menyebabkan terjadinya peningkatan bakteri resisten bersifat antibiotik.

            Suatu teknologi yang menerapkan mikroorganisme untuk memperbaiki kualitas lingkungan dikenal sebagai Bioteknologi. Salah satunya melalui Bioremidiasi adalah salah satu teknologi untuk merehabilitasi lingkungan termasuk tanah yang terkontaminasi oleh limbah (logam-logam berat). Teknologi ini menggunakan kehidupan organisme untuk menurunkan atau menghilangkan bahaya lingkungan dari akumulasi logam-logam toksik dan sampah berbahaya lainnya (Fahrenholz, 1999; Gazso, 2001).  Peranan mikroorganisme dalam mempengaruhi proses mobilisasi atau inmobilisasi unsur-unsur toksik adalah melalui beberapa mekanisme berikut :

(1). Kelatunsur oleh proses metabolisme

(2). Oksidasi-reduksi logam yang dipengaruhi  daya larut atau valensi

(3). Perubahan pH yang mempengaruhi sifat ion, biosorpsi oleh kelompok fungsional pada permukaan sel

(4). Bioakumulasi oleh sistem transport energi

(5). Immobilisasi untuk membentuk bahan stabil, biometilasi, dan biodegradasi kompleks organik pada logam.

Keberhasilan proses bioremediasi harus didukung oleh disiplin ilmu lain seperti fisiologi mikroba, ekologi, kimia organik, biokimia, genetika molekuler, kimia air, kimia tanah, dan  juga teknik. Mikroba yang sering digunakan dalam proses bioremediasi adalah bakteri, jamur, yis, dan alga. Degradasi senyawa kimia oleh mikroba di lingkungan merupakan proses yang sangat penting untuk mengurangi kadar bahan-bahan berbahaya di lingkungan, yang berlangsung melalui suatu seri reaksi kimia yang cukup kompleks. Dalam proses degradasinya, mikroba menggunakan senyawa kimia tersebut untuk pertumbuhan dan reproduksinya melalui berbagai proses oksidasi (Atlas,1992).  

E.     Pestisida / Herbisida

Macam pestisida kimia sintetik yang telah digunakan sampai sekarang jumlahnya encapai ribuan. Pestisida yang digunakan untuk memberantas hama  maupun herbisida yang digunakan untuk membersihkan gulma, sekarang sudah mengakibatkan banyak pencemaran. Hal ini disebabkan sifat pestisida yang sangat tahan terhadap peruraian secara alami (persisten).Contoh pestisida yang persistensinya sangat lama adalah DDT, Dieldrin, BHC, dan lain-lain.Walaupunsekarang telah banyak dikembangkan pestisida yang mudah terurai (biodegradable), tetapi kenyataannya masih banyak digunakan pestisida yang bersifat rekalsitran (Baldrian, 2003).

Munir et al. (2005)  menyatakan bahwa, untuk mengatasi pencemaran tersebut, sekarang banyak dipelajari biodegradasi pestisida/ herbisida. Proses biodegradasi pestisida dipengaruhi oleh struktur kimia pestisida, sebagai berikut:

a.  Semakin panjang rantai karbon alifatik, semakin mudah mengalami degradasi.

b.  Ketidak jenuhan dan percabangan rantai hidrokarbon akan mempermudah degradasi.

c. Jumlah dan kedudukan atom-atom C1 pada cincinan aromatik sangat mempengaruhi degradasi. Misal 2,4 D (2,4-diklorofenol asam asetat) lebih mudah dirombak di dalam tanah dibandingkan dengan 2,4,5-T (2,4,5- triklorofenoksi asam asetat)

d. Posisi terikatnya rantai samping sangat menentukan kemudahan degradasi pestisida.

F. Peranan Mikroba Rhizosfer dalam Degradasi Material Toksik

Mikroorganisme tanah seperti jamur, bakteri, aktinomisetes, dan protozoa 

merupakan komponen yang sangat penting dalam ekosistem tanah karena mereka memiliki peranan utama dalam siklus nutrisi, mempertahankan  struktur tanah, dan juga mengatur pertumbuhan tanaman melalui berbagai mekanisme (Sieghardt, 1990).

Aktivitas dan populasi mikroorganisme sekitar perakaran tanaman (rizosfer) biasanya lebih dinamis dari daerah nonrizosfer.Hal ini disebabkan oleh adanya molekul organik seperti gula dan asam organik yang dikeluarkan oleh akar atau produk regenerasi dari akar yang dapat dimanfaatkan oleh mikroorganisme tanah. Tanpa adanya sekresi dari akar, mikroba di sekitar rizosfer akan sukar bertahan dalam ekosistem tanah (Sieghardt, 1990). 

Kelompok mikroba yang memiliki fungsi penting di daerah rizosfer adalah jamur, bakteri, dan protozoa yang membantu pertumbuhan tanaman melalui berbagai mekanisme seperti peningkatan penyerapan nutrisi, sebagai kontrol biologi terhadap serangan patogen, dan juga menghasilkan hormon pertumbuhan bagi tanaman (Chanway, 1997). Kajian mengenai peranan bakteri tanah yang hidup bebas seperti Pesudomonas, Bacillus, Agrobacterium, dan Erwinia dalam mengurangi serangan patogen telah  banyak dilaporkan. Reddy et al. (1994) melaporkan bahwa serangan jamur  Fusarium oxysporum terhadap pertumbuhan bibit Douglas-fir menurun tajam setelah diinokulasi beberapa strain Pseudomonas.

Bakteri simbiotik dari genus Rhizobium dan Barahyrhizobium, di samping telah dikenal luas sebagai bakteri penambat nitrogen bebas, juga memiliki kemampuan dalam mendegradasi senyawa-senyawa toksik di sekitar perakaran.Barkovskii et al. (1994) melaporkan bahwa Azospirillum yang juga memiliki kemampuan menambat nitrogen banyak mengkolonisasi berbagai jenis tanaman dapat mendegradasi senyawa-senyawa fenol dan benzoat.Sehingga bakteri ini telah banyak digunakan secara komersial dalam bioremediasi tanah yang tercemar. Beberapa bakteri lain yang terdapat pada rizosfer, seperti: Achromobacter, Agrobacterium, Alcaligenes, Acinetobacter, Azotobacter, Flavobacterium, Mycobaterium, Nitosomonas, Nocardia, Pseudomonas, dan Xanthobacter juga memiliki kemampuan dalam metabolisme senyawa fenol, halogen, hidrokarbon, dan juga berbagai jenis pestisida. 

Mikoriza sebagai suatu bentuk simbiosis mutualisme antara jamur dengan  akar tanaman berperan dalam peningkatan ketersediaan nutrisi (terutama fosfat) bagi tanaman. Mikoriza juga dapat meningkatkan daya tahan tanaman terhadap serangan patogen tanah.Mikoriza dapat mengurangi toksisitas logam berat terhadap tanaman pada tanah-tanah tercemar.

Sharples et al. (2000) melaporkan bahwa jamur pada daerah tambang berfungsi sebagai filter untuk menjaga agar konsentrasi As tetap rendah pada jaringan tanaman dan meningkatkan serapan P tanaman. Donelly and Fetcher (1994) melaporkan bahwa logam berat berikatan dengan gugus karboksil hemiselulosa pada matriks di antara sel tanaman dan jamur, sehingga tanaman terhindar dari keracunan. Selanjutnya, ia melaporkan bahwa beberapa jamur mikoriza seperti Rhizopogon vinicolor, Rhizopogon vulgaris, Hymenoscyphus ericae, Oidiodendron griseum, dan Gautieria crispa memiliki kemampuan remediasi senyawa-senyawa toksik di tanah, seperti dalam metabolisme berbagai senyawa aromatik: 2,4-D, atrazin, dan  PCBs. Selanjutnya dinyatakan bahwa Radiigera atrogleba dan Hysterangium gardneri mampu mendegradasi 2,2-diklorofenol sebesar 80% (Donelly and Fetcher, 1994). 

BAB III

PENUTUP

3.1 Kesimpulan

Pemanfaatan mikroorganisme dalam mengurangi efek toksik logam padatanah terkontaminasi logam-logam berat mulai menjadi perhatian para peneliti karena lebih bersifat ramah lingkungan.   Secara alami, suatu ekosistem alam mempunyai mekanisme dalam mengurangi bahaya kontaminasi logam berat. Bila suatu ekosistem terkontaminasi logam berat berlebihan, sehingga terjadi akumulasi dan bersifat toksik, maka akan terjadi ketidakseimbangan di dalam ekosistem tersebut. Teknologi secara biologi yang menerapkan mikroorganisme untuk memperbaiki kualitas lingkungan dikenal sebagai Bioteknologi. Salah satunya melalui bioremidiasi, yaitu penggunaan kehidupan organisme untuk menurunkan atau menghilangkan bahaya lingkungan dari akumulasi logamlogam toksik dan sampah berbahaya lainnya.

DAFTAR PUSTAKA

Tarumingkeng Rudy, Zahrial Coto dan Hardjanto.2004. Peranan Mikroorganisme dalam Mengurangi Efek Toksik pada Tanah Terkontaminasi  Logam Berat. Institut Pertanian Bogor : Bogor.