II. TINJAUAN PUSTAKA

A. PENCEMARAN LINGKUNGAN PERAIRAN

Pencemaran badan air adalah salah satu jenis pencemaran yang sering

ditemukan di alam. Pencemaran badan air menurut Pustekkom (2005), umumnya

disebabkan oleh limbah domestik, limbah pertanian, dan limbah industri.

1. Limbah Domestik

Limbah domestik dapat berupa sampah organik maupun sampah anorganik.

Sampah organik adalah sampah yang dapat diuraikan atau dibusukkan oleh bakteri,

contohnya sisa-sisa sayuran, buah-buahan, dan daun-daunan. Sedangkan sampah

anorganik adalah sampah yang tidak dapat diuraikan secara biologis (non-

biodegradable), contohnya sampah plastik, gelas, kaca, logam, dan lain-lain.

Menurut Pustekkom (2005), sampah organik yang dibuang ke sungai menyebabkan

berkurangnya jumlah oksigen terlarut, karena sebagian besar digunakan bakteri

untuk proses pembusukannya. Apabila sampah anorganik yang dibuang ke sungai,

cahaya matahari dapat terhalang dan menghambat proses fotosintesis dari tumbuhan

air dan alga yang menghasilkan oksigen. Salah satu sampah anorganik yang umum

mencemari badan air adalah deterjen. Pencemaran deterjen secara besar-besaran

dapat meningkatkan senyawa fosfat pada air sungai atau danau. Fosfat ini

merangsang pertumbuhan alga dan eceng gondok. Pertumbuhan alga (algae

blooming) dan eceng gondok yang tidak terkendali menyebabkan permukaan air

danau atau sungai tertutup sehingga menghalangi masuknya cahaya matahari dan

mengakibatkan terhambatnya proses fotosintesis.

2. Limbah Pertanian

Limbah pertanian umumnya berupa pupuk dan pestisida. Pupuk dan pestisida

biasa digunakan para petani untuk merawat tanaman. Namun pemakaian pupuk dan

pestisida yang berlebihan dapat mencemari air. Limbah pupuk mengandung fosfat

5

yang dapat merangsang pertumbuhan gulma air seperti mikroalga dan eceng gondok.

Pertumbuhan gulma air yang tidak terkendali ini menimbulkan dampak seperti yang

diakibatkan pencemaran oleh deterjen. Limbah pestisida mempunyai aktifitas dalam

jangka waktu yang lama dan ketika terbawa aliran air keluar dari daerah pertanian,

dapat mematikan hewan yang bukan sasaran seperti ikan, udang dan hewan air

lainnya. Pestisida mempunyai sifat relatif tidak larut dalam air, tetapi mudah larut

dan cenderung konsentrasinya meningkat dalam lemak dan sel-sel tubuh mahluk

hidup disebut Biological Amplification, sehingga apabila masuk dalam rantai

makanan konsentrasinya makin tinggi dan yang tertinggi adalah pada konsumen

puncak (Pustekkom, 2005).

3. Limbah Industri

Menurut Suardana (2008), selama 20 tahun terakhir pembangunan ekonomi

Indonesia mengarah kepada industrialisasi. Tidak kurang terdapat 30 000 industri

yang beroperasi di Indonesia dari tahun ke tahun menunjukkan peningkatan.

Peningkatan jumlah ini menimbulkan dampak ikutan yakni terjadinya peningkatan

pencemaran oleh limbah yang dihasilkan dari proses produksi industri.

Salah satu bentuk industri yang banyak ditemukan di Indonesia ialah

agroindustri. Limbah cair agroindustri pada umumnya kaya akan nutrien N (nitrat), P

(fosfat), C (karbon), dan S (sulfat) yang merupakan nutrisi bagi pertumbuhan sel

mikroalga (Kabinawa dan Agustini, 2005). Contoh agroindustri dengan kategori

nutrien tinggi yakni rumah potong hewan (RPH) dan usaha peternakan. Kebanyakan

RPH dan usaha peternakan di Indonesia belum melakukan pengolahan limbah cair

dengan baik, sehingga terjadi pencemaran lingkungan. Bahkan menurut Juheini dan

Sakryanu (1999), sebanyak 56.67% peternak sapi perah di Indonesia membuang

limbah ke badan sungai tanpa pengelolaan. Meskipun begitu terdapat beberapa RPH

dan peternakan yang mengeliminasi kandungan nutrien tinggi pada limbahnya secara

kimiawi. Eliminasi nutrien tanpa usaha pemanfaatan juga diterapkan pada limbah

pabrik gula yang kaya akan unsur karbon. Padahal bila konsep produksi bersih

diterapkan, nutrien pada limbah-limbah tersebut dapat digunakan secara biologis

untuk menumbuhkan mikroorganisme kaya manfaat seperti mikroalga.

6

B. MIKROALGA

1. Definisi Alga dan Mikroalga

Menurut Tootill (1981), alga merupakan sekelompok besar campuran

beberapa tanaman sederhana dan ditemukan secara luas di habitat air laut atau air

tawar, meskipun beberapa alga ada yang hidup di tanah. Pelczar dan Chan (1986)

mendefinisikan alga sebagai organisme yang mampu menghasilkan oksigen melalui

fotosintesis dan mempunyai kloroplas. Alga juga mengandung pigmen lain selain

klorofil untuk melangsungkan fotosintesis. Alga tersebar luas di alam dan dijumpai

hampir di setiap lingkungan yang terkena sinar matahari.

Bentuk dan ukuran alga sangat beragam dari beberapa mikrometer hingga

bermeter-meter panjangnya. Berdasarkan ukurannya, alga dapat dibagi menjadi dua

kelompok besar yakni makroalga dan mikroalga. Mikroalga (juga lazim disebut

fitoplankton) merupakan kelompok tumbuhan berukuran renik, baik sel tunggal

maupun koloni yang hidup di seluruh wilayah perairan air tawar dan laut (Kawaroe,

2008). Lebih jauh menurut Pirt (1986), mikroalga adalah tumbuhan tingkat rendah

yang berukuran 5 - 30 µm dan jika dibandingkan dengan tumbuhan tingkat tinggi

penghasil minyak nabati melalui fotosintesis, maka mikroalga dapat melakukan

proses yang sama dengan lebih efisien, bahkan memiliki produktifitas yang lebih

tinggi. Menurut NREL (1998), organisme ini dapat dijumpai di hampir seluruh

wilayah perairan di dunia. Mikroalga yang banyak ditemukan berasal dari kelas

Bacillariophyceae (Diatom), Chrysophyceae (alga coklat keemasan), Chlorophyceae

(alga hijau), dan kelas Cyanophyceae (blue green algae/alga biru-hijau).

2. Beberapa Sifat Mikroalga

Mikroalga sebagai bagian dari alga memiliki sifat yang hampir sama dengan

alga lainnya. Beberapa alga yang melakukan fotosintesis dan menggunakan CO2

sebagai sumber karbon dapat tumbuh dengan baik pada tempat gelap dengan

menghabiskan beberapa senyawa organik. Hal ini berarti sifat metabolismenya

berubah dari fotosintesis menjadi respirasi. Perubahan ini tergantung pada

7

keberadaan sinar matahari. Alga yang seluruhnya terbungkus oleh dinding sel adalah

osmotropik. Sumber energi yang digunakan untuk pertumbuhan alga di tempat gelap

tergantung dari keberadaan substrat organik yang terlarut di dalam media. Beberapa

mikroalga yang tidak mempunyai dinding sel dapat menelan bakteri atau organisme

yang lebih kecil (Stanier et al., 1976). Alga menyimpan berbagai produk makanan

cadangan hasil kegiatan fotosintesis sebagai granula di dalam selnya (Pelczar dan

Chan, 1986). Beberapa perbedaan sifat fisiologis antara alga dan bakteri.dapat dilihat

pada Tabel 1.

Tabel 1. Beberapa Perbedaan Sifat Fisiologis antara Alga dan Bakteria

Karakteristik Alga Bakteri

pH optimum 4 – 11 6.5 – 7.5

Suhu optimum 20 – 30oC 20 – 37

oC

Kebutuhan oksigen Aerobik Aerobik atau anaerobik

Cahaya Sebagian besar Sebagian kecil

Sumber karbon Kebanyakan organik Organik dan anorganik

Dinding Sel Sebagian besar selulosa,

beberapa digantikan oleh

xilan dan manan.

Peptidoglikan

a Pelczar dan Chan (1986)

3. Potensi dan Kegunaan Mikroalga

Pada tahun 1980-an, berbagai negara maju seperti Amerika Serikat, Kanada,

Perancis, Inggris, Jerman, dan Jepang, telah banyak mempublikasikan hasil

penelitian mengenai penanggulangan berbagai limbah cair yakni limbah domestik,

limbah agroindustri, limbah pedesaan, dan sebagainya, dengan memanfaatkan

mikroalga jenis Chlorella, Scenedesmus, Phormidium, dan Spirulina (Oswold, 1985;

Oswold et al., 1988; Benemann et al., 1987; Proulx dan Noue, 1988; Noue dan

Proulx, 1988). Hal ini mereka lakukan karena mikroalga dapat tumbuh dalam kondisi

pertumbuhan alternatif dengan daya adaptasi yang kuat (Vonshak, 1985). Mikroalga

bersama dengan bakteri mampu mengatur keseimbangan antara oksigen terlarut

dengan karbondioksida dalam perairan (Fallowfield dan Garret, 1985).

Menurut Loehr (1974), alga dapat menyimpan kelebihan nutrien dalam massa

selnya. Oleh karena itu, alga dapat digunakan sebagai alat untuk mengambil

8

beberapa nutrien yang terdapat pada hasil buangan atau limbah cair. Pengambilan

nutrien dalam sistem alga akan memberikan hasil yang baik apabila tersedia tanah

yang cukup luas, cukup mendapatkan sinar matahari, dan jenis alga yang

ditumbuhkan cukup mudah dipanen dan dimanfaatkan.

Diantara mikroorganisme yang melakukan fotosintesis, mikroalga merupakan

mikroorganisme yang paling efisien dalam menggunakan sinar matahari, yaitu

sekitar 7 persen dengan kemampuan produksi 60-80 ton berat kering/ha/tahun,

sedangkan produktivitas tanaman budidaya secara konvensional berkisar antara 10-

30 ton berat kering/ha/tahun (Kabinawa, 2008).

Mikroalga merupakan sumber penting berbagai komponen dasar produk

kimia yang digunakan dalam industri makanan dan farmasi (De Rosa, 2001), maupun

sebagai biomarker untuk identifikasi komponen organik sedimen di laut (Borowitzka

dan Borowitzka, 1992). Protein, asam amino, vitamin, polisakarida dan karbohidrat

yang diekstrak dari mikroalga telah digunakan untuk suplemen (Rauter et al., 2005).

Semua komponen tersebut dihasilkan dari proses fotosintesis dan turunannya.

Kultivasi mikroalga sebagai bahan baku biodiesel, menurut Suri (2006)

memiliki beberapa keuntungan, antara lain adalah:

1. Kelimpahan mikroalga di dunia sangat besar baik dari keanekaragaman maupun

jumlahnya per satuan luas yang sama.

2. Produktivitas mikroalga 2-5 kali lebih cepat dibandingkan tumbuhan pertanian

penghasil biofuel lainnya dalam luas lahan yang sama.

3. Dapat dikultivasi pada air kualitas rendah seperti limbah dari fasilitas

pengolahan air bersih.

4. Sistem mikroalga dapat digunakan untuk mengurangi CO2 di atmosfer.

5. Banyak spesies mikroalga untuk biofuel memiliki potensi untuk menghasilkan

produk-produk bermanfaat, seperti colorants, polyunsaturated fatty acid, dan

senyawa bioaktif yang berperan penting sebagai bahan teknologi pangan,

farmasi, suplemen makanan, dan produk perawatan tubuh.

6. Setelah proses ekstraksi, sekitar 80% biomassa yang tersisa dapat digunakan

untuk memproduksi metil ester untuk biodiesel. Dengan demikian, mikroalga

memiliki potensi dan keuntungan yang menjanjikan untuk dikembangkan,

terutama di wilayah Indonesia yang 70% di antaranya berupa perairan laut.

9

Sel-sel mikroalga mengandung lipid (trigliserida) sebesar 7.2 – 23% (FAO,

1996). Namun melalui modifikasi komposisi nutrien kandungan trigliserida dapat

ditingkatkan hingga maksimum mencapai 61% (Kabinawa, 2008). Trigliserida ini

kemudian dapat dipakai dalam produksi metil ester yakni biodiesel.

Selain mikroalga, trigliserida nabati lain yang dapat dikonversi menjadi

biodiesel umumnya berasal dari tanaman jarak, bunga matahari, safflower, kelapa,

kelapa sawit, dan kacang kedelai. Namun jika dilihat dari jumlah trigliserida per

hektar per tahun, maka mikroalga jauh lebih unggul (lihat Tabel 2 berikut).

Tabel 2. Perbandingan Hasil Produksi Trigliserida Berbagai Tanamana

Jenis Tanaman Trigliserida (L/ha/tahun)

Jarak 1 413

Bunga Matahari 952

Safflower (Chartamus tinctorius) 779

Kelapa Sawit 5 950

Kedelai 446

Kelapa 2 689

Alga (Mikroalga) 100 000 a

Kabinawa (2008)

4. Komposisi Sel Mikroalga

Komposisi nutrisi berbagai jenis mikroalga sangat tergantung pada ukuran

sel, daya cerna, produksi senyawa toksin, serta komposisi biokimianya. Walaupun

komposisi nutrisi pada setiap mikroalga berbeda, protein tetap merupakan senyawa

yang dominan, kemudian diikuti oleh lipid dan karbohidrat (FAO, 1996).

Selain faktor nutrisi di atas, mikroalga juga merupakan sumber pangan yang

kaya akan asam askorbat (0.11 – 1.62%). Menurut Benemann et al. (1979),

komposisi komponen utama mikroalga (protein, lipid, dan karbohidrat) sangat

beragam. Hal ini tergantung pada kondisi kultur (FAO, 1996). Kosaric et al. (1974)

mendukung pernyataan tersebut dengan melakukan pendekatan modifikasi kondisi

kultur yang menghasilkan keragaman komposisi kimia sel alga. Menurut FAO

(1996), kandungan protein per sel merupakan faktor terpenting penentu komposisi

nutrisi mikroalga tersebut (lihat Tabel 3).

10

Tabel 3. Keragaman Komposisi Kimia Sel Alga Selama Pertumbuhan

Komponen Kisaran Komposisi

Ia II

b III

c

Protein 8 – 50 7 – 85 12 – 35

Lipid 1 – 86 4 – 86 7.2 – 23

Karbohidrat 4 – 40 5 – 38 4.6 – 23

Abu 4 – 45

a Benemann et al. (1979)

b Kosaric et al. (1974)

c FAO (1996)

Fogg et al. (1974) menjelaskan bahwa komponen lipid dalam mikroalga yang

beragam (khususnya mikroalga hijau-biru), banyak terdapat di bagian lamela

fotosintesis. Lipid ini terlibat dalam transport elektron, pengambilan cahaya

sekaligus perlindungan terhadap cahaya yang berlebihan, dan kemungkinan besar

juga berperan pada proses evolusi oksigen. Komponen lipid dalam mikroalga terbagi

atas beberapa kategori yaitu klorofil, karotenoid, digliserida, quinon, dan sterol.

Selain kelima kategori ini terdapat pula lipid droplet yang menyebar diantara tilakoid

sel dan didekat permukaan sel. Menurut Lang (1968), lipid droplet ini mirip dengan

lipid kloroplas namun memiliki wujudnya lebih tebal dengan inti yang lebih kecil.

Loehr (1974) memberikan perbandingan komposisi kimia (formulasi sel)

alga, bakteri, dan jamur, yang diperoleh dari rata-rata data empiris (lihat Tabel 4).

Tabel 4. Perbandingan Komposisi Kimia Mikroalga, Bakteri, dan Jamur a

Organisme Komposisi Kimia

Mikroalga C106H180O45N16P

Bakteri C5H7O2N atau C75H105O30N15P

Jamur C10H17O6N

a Loehr (1974)

5. Kebutuhan Nutrien dalam Kultur Mikroalga

Nutrien merupakan substansi yang dibutuhkan oleh mikroalga untuk tujuan

sintesis komponen organik sel bagi pertumbuhan. Pengambilan nutrien oleh sistem

mikroalga biasanya dipengaruhi beberapa faktor, antara lain densitas populasi alga,

konsentrasi nutrien, dan kondisi lingkungan (Kosaric et al., 1974). Namun menurut

11

Richmond (1986), konsentrasi nutrien yang optimal bagi pertumbuhan strain

mikroalga tertentu sangat bervariasi tergantung pada kerapatan populasi, intensitas

matahari, suhu, dan pH media.

Richmond (1986) telah mengindentifikasi adanya dua perubahan akibat

kekurangan nutrien pada kultur mikroalga, yaitu penurunan laju pertumbuhan dan

atau perubahan komposisi kimia selnya.

a. Sumber Karbon

Bentuk karbon utama yang digunakan oleh alga adalah CO2, bahkan beberapa

peneliti yakni bahwa hanya CO2 yang dapat digunakan secara langsung oleh alga

(Richmond, 1986). Alga mendapatkan CO2 melalui absorpsi dari udara, hasil

respirasi organisme, dan alkalinitas senyawa bikarbonat (Loehr, 1974).

Karbondioksida di dalam air bisa berbentuk senyawa gabungan C, H, dan O,

yakni H2CO3, HCO3-, atau CO3

= yang konsentrasinya tergantung nilai pH air

(Richmond, 1986).

b. Sumber Nitrogen

Unsur yang sangat penting dalam pembentukan sel mikroalga setelah C, H,

dan O adalah nitrogen (N). Kebanyakan mikroalga mempunyai kemampuan

menggunakan ammonium (NH4), nitrat (NO3-), dan nitrit (NO2), sedangkan

kemampuan mengikat nitrogen dari udara hanya dimiliki oleh mikroalga prokariotik

(Richmond, 1986). Sumber N terutama nitrat oleh mikroalga diperlukan sebagai

makronutrisi untuk sintesis protein, pembentukan klorofil, asam nukleat (DNA dan

RNA), demikian juga dalam sintesis asam-asam lemak tak jenuh seperti omega-6

(Sasson, 1991).

Beberapa mikroalga dapat menggunakan berbagai senyawa N-organik seperti

amida, urea, glutamin, dan asparagin sebagai sumber N (Richmond, 1986).

c. Sumber Fosfor

Fosfor merupakan salah satu elemen utama yang diperlukan untuk

pertumbuhan mikroalga secara normal. Menurut Richmond (1996) kekurangan fosfor

dapat menyebabkan perubahan morfologi sel seperti perubahan bentuk dan ukuran

12

sel, karena fosfor berperan dalam transfer energi dan sintesa asam nukleat. Bentuk

fosfor utama yang digunakan mikroalga adalah P-anorganik.

d. Makronutrien Lain

Makronutrien lain yang esensial bagi pertumbuhan mikroalga yakni Ca, Mg,

Na, K, S, dan Cl. Khusus untuk sulfur (S), Edmonds (1978) menyatakan bahwa

sulfur juga merupakan unsur yang diperlukan oleh mikroalga untuk melakukan

biosintesa. Sulfur ditemukan di dalam sel dalam bentuk asam amino tertentu yang

strukturnya mengandung gugus sulfohydril (-SH), misalnya sistin, sistein, dan

metionin.

e. Mikronutrien

Beberapa mikronutrien esensial terhadap pertumbuhan alga dapat dilihat pada

Tabel 5.

Tabel 5. Beberapa Mikronutrien dan Peranannya pada Pertumbuhan Mikroalgaa

Unsur Peranan

Besi (Fe) Asimilasi nitrogen, fotosintesis, sintesa pigmen

fotosintesis utama (klorofil-A)

Bohr (B) Diperlukan oleh beberapa cyanobacteria dan diatom,

tetapi tidak diperlukan oleh alga hijau.

Mangan dan Tembaga

(Mn dan Cu)

Komponen penting dalam transfer elektrom fotosintesis,

sebagai komponen dan kofaktor beberapa enzim dan

diperlukan oleh semua alga.

Molibden (Mo) Diperlukan alga untuk reduksi nitrat dan fiksasi nitrogen

Vanadium (V) Penting bagi alga tertentu.

Kobalt (Co) Diperlukan beberapa alga Cyanobacterium, seperti

Calotrix parientina, Coccochloris peniocystic,

Diplocystis aeruginosa.

Silikon Komponen utama dinding sel diatom

Selenium Meningkatkan Cyanobacterium dan menurunkan diatom a Richmond (1986)

Selain logam-logam mineral diatas, mikronutrien lain yang juga sangat

penting bagi pertumbuhan mikroalga adalah thiamin (vitamin B1), cyanocobalamin

(vitamin B12), dan terkadang biotin (FAO, 1996). Menurut Richmond (1986),

13

vitamin B12 dan thiamin (vitamin B1) diperlukan secara terpisah atau bersama, tetapi

vitamin B12 lebih sering diperlukan dibanding dengan thiamin.

Produksi mikroalga dalam jumlah besar dapat dilakukan dengan media

alternatif berupa kombinasi berbagai pupuk dengan komposisi nutrien yang paling

esensial bagi pertumbuhan mikroalga (lihat Tabel 6).

Tabel 6. Berbagai Kombinasi Pupuk untuk Kultur Mikroalga Skala Besar a

Pupuk Konsentrasi (mg/L)

A B C D E F

Ammonium Sulfat 150 100 300 100 - -

Urea 7.5 5 - 10-15 - 12-15

Kalsium Superfosfat 25 15 50 - - -

Clewat 32 - 5 - - - -

N : P 16/20 - - - 10-15 - -

N : P : K, 16-20-20 - - - - 12-15 -

N : P : K, 14-14-14 - - - - - 30 a FAO (1996)

6. Kondisi Kultur Mikroalga

Secara umum kondisi umum kultur mikroalga dapat dilihat pada Tabel 7

dibawah ini.

Tabel 7. Beberapa Kondisi Umum Kultur Mikroalga a

Parameter Kisaran Nilai Optimal

Temperatur (oC) 16 – 27 18 – 24

Salinitas (g.l-1) 12 – 40 20 – 24

Intensitas Cahaya (lux) 1 000 – 10 000

(tergantung volum dan

densitas)

2 500 – 5 000

Periode Pencahayaan

(terang; gelap, jam)

- 16 : 8 (minimum)

24 : 0 (maximum)

pH 7 – 9 8.2 – 8.7 a

Anonim (1991)

a. Cahaya

Seperti tumbuhan lainnya, mikroalga juga berfotosintesis. Mikroalga mampu

mengasimilasi karbon inorganik untuk dikonversi menjadi senyawa-senyawa

14

organik. Oleh karena itu sangat penting untuk memperhatikan intensitas cahaya,

kualitas spektrum, serta periode pencahayaan dalam sistem kultur mikroalga.

Kebutuhan intensitas cahaya dalam kultur mikroalga tergantung kedalaman kultur

serta densitas kultur. Pada kedalaman dan konsentrasi sel yang lebih tinggi, intensitas

cahaya harus ditingkatkan agar penetrasi ke mikroalga merata. Sumber cahaya bagi

kultur mikroalga dapat berupa sinar matahari langsung ataupun sinar lampu

fluorescent. Pencahayaan harus diatur agar tidak menghasilkan panas yang

berlebihan/overheating (FAO, 1996).

b. pH

Kisaran pH untuk kebanyakan kultur mikroalga yakni antara pH 7 dan 9,

dengan kisaran optimal antara pH 8.2 dan 8.7. Kegagalan kultur akibat gangguan

proses selular dapat diakibatkan oleh kegagalan dalam mengatur pH yang sesuai.

Pengaturan pH dapat dilakukan dengan aerasi. Pada kasus kultur mikroalga densitas

tinggi, penambahan CO2 dapat meningkatkan pH hingga pH 9 selama pertumbuhan

mikroalga (FAO, 1996).

c. Aerasi/Mixing

Mixing dibutuhkan untuk mencegah sedimentasi mikroalga, menjamin

seluruh sel mikroalga terpapar cahaya dan nutrien, mencegah stratifikasi termal

(khususnya untuk kultur outdoor), serta untuk meningkatkan intensitas pertukaran

gas antara media kultur dengan udara bebas. Pertukaran gas ini penting untuk

menjamin ketersediaan sumber karbon dalam bentuk CO2. Untuk kultur yang sangat

padat, CO2 dari udara membentuk busa dalam kultur akan menjadi faktor pembatas

pertumbuhan mikroalga, sehingga CO2 dapat ditambahkan ke suplai udara.

Penambahan CO2 ke dalam air akan menghasilkan efek buffer terhadap perubahan

pH akibat adanya keseimbangan CO2/HCO3-. Berdasarkan skala sistem kultur yang

diterapkan, mixing dapat dilakukan dengan pengadukan manual (pada kultur dalam

tabung uji atau erlenmeyer), aerasi (pada kultur dalam wadah atau tangki), ataupun

kincir air dan pompa air (pada kultur dalam kolam). Namun, perlu dicatat bahwa

tidak semua mikroalga toleran terhadap pengadukan/mixing cepat (FAO, 1996).

d. Suhu

Suhu optimal untuk

24oC. Namun suhu ini dapat bervariasi tergantung komposisi media kultur serta

spesies dan strain mikroalga. Kebanyakan spesies mikroalga yang biasa dikultur

toleran terhadap kisaran suhu 16 hingga 27

16oC pertumbuhan mikroalga akan melambat, sebaliknya pada suhu yang lebih tinggi

dari 35oC, banyak spesies yang akan mati. Jika diperlukan, kultur mikroalga dapat

didinginkan dengan aliran air dingin (

1996).

e. Salinitas

Khusus untuk fitoplankton laut tentunya sangat toleran terhadap perubahan

salinitas. Kebanyakan spesies mikroalga tumbuh baik pada tingkat salinitas yang

sedikit lebih rendah dari habitat aslinya. Salinitas optimal u

yakni sebesar 20 – 24 g.l

f. Kolam Kultivasi

Menurut peneliti mikroalga dari LIPI, Kabinawa (2008), kultur mikroalga

secara komersial dapat dilakukan

Gambar 1) atau raceway

Gambar 1. Kolam Kultur Berbentuk Bulat/Oblong (Kabinawa, 2008).

Suhu optimal untuk kultur fitoplankton umumnya berkisar antara 20 hingga

C. Namun suhu ini dapat bervariasi tergantung komposisi media kultur serta

mikroalga. Kebanyakan spesies mikroalga yang biasa dikultur

toleran terhadap kisaran suhu 16 hingga 27oC. Pada suhu yang lebih rendah dari

C pertumbuhan mikroalga akan melambat, sebaliknya pada suhu yang lebih tinggi

C, banyak spesies yang akan mati. Jika diperlukan, kultur mikroalga dapat

didinginkan dengan aliran air dingin (refrigerated) pada permukaan kultur (FAO,

Khusus untuk fitoplankton laut tentunya sangat toleran terhadap perubahan

salinitas. Kebanyakan spesies mikroalga tumbuh baik pada tingkat salinitas yang

sedikit lebih rendah dari habitat aslinya. Salinitas optimal untuk kultur mikroalga

24 g.l-1 (FAO, 1996).

Kolam Kultivasi

Menurut peneliti mikroalga dari LIPI, Kabinawa (2008), kultur mikroalga

secara komersial dapat dilakukan dalam kolam yang berbentuk bulat

raceway (kolam lanset).

Gambar 1. Kolam Kultur Berbentuk Bulat/Oblong (Kabinawa, 2008).

Pengaduk

Arah Pengadukan

Bubbling

10 m

r = 25 m

15

kultur fitoplankton umumnya berkisar antara 20 hingga

C. Namun suhu ini dapat bervariasi tergantung komposisi media kultur serta

mikroalga. Kebanyakan spesies mikroalga yang biasa dikultur

Pada suhu yang lebih rendah dari

C pertumbuhan mikroalga akan melambat, sebaliknya pada suhu yang lebih tinggi

C, banyak spesies yang akan mati. Jika diperlukan, kultur mikroalga dapat

rmukaan kultur (FAO,

Khusus untuk fitoplankton laut tentunya sangat toleran terhadap perubahan

salinitas. Kebanyakan spesies mikroalga tumbuh baik pada tingkat salinitas yang

ntuk kultur mikroalga

Menurut peneliti mikroalga dari LIPI, Kabinawa (2008), kultur mikroalga

am yang berbentuk bulat/oblong (lihat

Gambar 1. Kolam Kultur Berbentuk Bulat/Oblong (Kabinawa, 2008).

Pengaduk

Arah Pengadukan

Bubbling

r = 25 m

16

Menurut Chisti (2007), kolam raceway berbentuk saluran resirkulasi berulang

tertutup dengan ukuran tinggi media tipikal sebesar 0.3 m (30 cm). Pengadukan dan

sirkulasi biasanya dilakukan oleh sebuah roda siduk (paddlewheel) untuk mencegah

terjadinya pengendapan mikroalga. Aliran dalam kolam dibantu oleh baffle yang

diletakkan sedemikian rupa sehingga aliran dapat berulang. Kabinawa (2008)

menjelaskan bahwa pengadukan serta bubbling (gelembung udara + CO2 1%) secara

kontinyu dilakukan agar sel tidak mengendap, tidak terjadi self shiding, stratifikasi

suhu, dan homogenitas media (lihat Gambar 2).

Gambar 2. Kolam Kultur Berbentuk Raceway (Chisti, 2007).

7. Teknik Kultivasi Mikroalga

Secara teknis, menurut Anonim (2009), kondisi kultivasi mikroalga dapat

dibagi menjadi beberapa kategori yakni berdasarkan lokasi kultivasi

(indoor/outdoor), tertutup/terbuka, axenic/non-axenic, dan laju supply nutrien

(batch/semi continuous/continuous).

a. Kultur Indoor

Pada kultur jenis ini, berbagai faktor kritis terhadap pertumbuhan mikroalga

dapat dikontrol. Faktor-faktor tersebut antara lain cahaya, suhu, kadar nutrien, dan

kontaminasi.

17

b. Kultur Outdoor

Kultur jenis ini memberikan masalah dalam memelihara mikroalga secara

spesifik dalam jangka waktu lama.

c. Kultur Terbuka (Opened Culture)

Contoh kultur jenis ini yakni tangki, kolam, atau bak kultivasi yang tidak

memiliki penutup. Sebagai konsekuensinya, kontaminasi pada teknik kultur ini lebih

mudah terjadi.

d. Kultur Tertutup (Closed Culture)

Kultur jenis ini dapat diterapkan dengan menggunakan wadah tertutup

seperti tabung, flask, carboys, atau kantong. Adanya tutup membuat kultur ini tidak

mudah terkontaminasi.

e. Kultur Axenic

Pengkondisian kultur secara axenic (bebas organisme asing) memang

menguntungkan pada pelaksanaan skala laboratorium. Namun dalam pelaksanaan

secara komersial kultur seperti ini tidak praktis.

f. Kultur Non-Axenic

Pada kultur non-axenic terdapat organisme asing (seperti bakteri atau

mikroalga kompetitor) yang berbagi nutrien di dalam kultur. Pelaksanaan secara

komersial tentu lebih praktis, namun kontrol terhadap kontaminan penghambat

pertumbuhan menjadi masalah.

g. Kultur Batch

Pada kultur ini inokulasi sel ke dalam media nutrisi dilakukan hanya satu kali.

Sehingga terdapat fase pertumbuhan lengkap mulai dari fase lag hingga fase

kematian. Pemanenan mikroalga dilakukan pada fase stasioner.

18

h. Kultur Semi Continuous

Pemanenan mikroalga pada kultur ini dilakukan secara periodik diikuti

penambahan nutrien yang disesuaikan dengan volume kultur semula.

i. Kultur Continuous

Pada kultur sinambung (continuous) ini, suplai nutrien secara kontinu

diumpankan ke dalam kultur pertumbuhan, dan buangan kultur dibasuh secara

simultan. Akibatnya laju pertumbuhan mikroalga pada teknik ini dapat mendekati

laju pertumbuhan maksimum. Lebih jauh, kultur ini dibagi menjadi dua jenis, yaitu:

• Kultur Turbidostat � konsentrasi mikroalga dijaga pada level tertentu dengan

cara mengencerkan kultur dengan medium baru secara otomatis.

• Kultur Kemostat � laju penambahan medium baru diatur sedemikian rupa

sehingga laju pertumbuhan mikroalga konstan (bukan kepadatannya).

Secara umum, perbandingan kelebihan dan kekurangan berbagai tipe teknis

kultivasi mikroalga diatas dapat dilihat pada Tabel 8 berikut ini.

Tabel 8. Perbandingan Berbagai Tipe Teknis Kultivasi Mikroalga a

Tipe Kultur Kelebihan Kekurangan

Indoor Dapat dikontrol (predictable) Mahal

Outdoor Murah Sulit dikontrol

(less predictable)

Tertutup Kontaminasi kurang Mahal

Terbuka Murah Mudah kontaminasi

Axenic Predictable Mahal, sulit

Non-axenic Murah, mudah Less predictable

Continuous Efisien, menyediakan suplai

sel berkualitas tinggi yang

konsisten, laju produksi

tinggi

Sulit, harga peralatan dapat

sangat tinggi

Semi Continuous Lebih mudah, agak efisien Kualitasnya bervariasi

Batch Paling mudah Tidak efisien, kualitas dapat

tidak konsisten a Anonim (2009)

19

8. Dinamika Pertumbuhan Mikroalga

Karakteristik pertumbuhan kultur mikroalga dapat digambarkan melalui lima

fase sebagai berikut (lihat Gambar 3):

Gambar 3. Karakteristik Pertumbuhan Kultur Mikroalga (FAO, 1996)

a. Fase – fase Pertumbuhan Mikroalga

• Fase Lag atau Fase Induksi

Fase ini relatif panjang, namun bila inokulasi dilakukan dengan kultur

mikroalga yang sedang mengalami pertumbuhan eksponensial, fase lag akan menjadi

singkat. Fase lag dalam pertumbuhan mikroalga disebabkan oleh adaptasi fisiologi

metabolisme sel untuk tumbuh. Sebagai contoh mikroalga akan meningkatkan level

enzim dan metabolit yang terlibat dalam pembentukan sel dan fiksasi karbon.

• Fase Eksponensial

Selama fase kedua ini, densitas sel meningkat sebagai fungsi waktu t dalam

fungsi logaritma.

Ct�= C0.e�m.t

Dimana Ct dan C0 adalah konsentrasi sel pada waktu ke-t dan ke-0, dan m

adalah tingkat pertumbuhan spesifik. Tingkat pertumbuhan spesifik ini tergantung

pada spesies mikroalga, intensitas cahaya, dan suhu kultur.

• Fase Penurunan Laju Pertumbuhan

Pembentukan sel menurun ketika nutrien, cahaya, pH, karbon dioksida, dan

faktor-faktor fisik dan kimia yang menjadi faktor pembatas pertumbuhan.

20

• Fase Stationery

Pada tahap keempat ini, faktor-faktor pembatas dan faktor pertumbuhan

berada dalam keadaan seimbang, sehingga densitas sel mikroalga menjadi konstan.

• Fase Kematian

Selama tahap final ini, kualitas air memburuk dan nutrien menurun hingga ke

level yang tidak memungkinkan bagi mikroalga untuk tumbuh. Densitas sel akan

menurun dengan cepat dan kultur akan mati.

b. Faktor Pembatas Pertumbuhan Mikroalga

Menurut Fogg (1975), fase pertumbuhan eksponensial mikroalga pada kultur

volume yang terbatas akan berakhir. Beberapa faktor yang mempengaruhi

pertumbuhan mikroalga yakni kehabisan nutrien, laju suplai CO2 dan O2, perubahan

pH, intensitas cahaya, serta auto-inhibisi.

• Kehabisan Nutrien

Fogg (1975) menerangkan bahwa nitrat dan besi biasanya membatasi

pertumbuhan eksponensial mikroalga. Penambahan nutrien tersebut dapat

memperpanjang fase eksponensial sampai terjadi faktor pembatas lain. Besi

unchelated ferric diendapkan sebagai fosfat dalam media basa. Bentuk besi tersebut

tidak tersedia cukup banyak pada mikroalga, sehingga sulit menjamin kecukupan

suplai besi. Pemberian bahan pengkelat seperti ethylene diamine tetraacetic acid

(EDTA) atau versene memungkinkan jumlah ion besi dan unsur kelumit (trace

element) cukup tersedia untuk memperpanjang pertumbuhan eksponensial tanpa

memberikan efek toksik. Vitamin B12 juga merupakan faktor pembatas pertumbuhan

eksponensial mikroalga.

• Laju Suplai CO2 atau O2

Laju difusi CO2 dari udara ke dalam media menjadi pembatas pertumbuhan

kultur mikroalga pada densitas populasi yang rendah. Peningkatan laju aerasi kultur

secara pengocokan atau pengadukan, atau penggelembungan udara akan

21

memperpanjang pertumbuhan eksponensial. Suplai CO2 udara yang diperkaya,

diperlukan untuk menjaga pertumbuhan eksponensial kultur padat mikroalga. Kultur

mikroalga biasanya mensuplai 1 – 5 persen CO2, tetapi konsentrasi setinggi itu bisa

menimbulkan efek inhibisi pada beberapa spesies mikroalga seperti Anabaena

cylindrica. Lebih lanjut dikatakan bahwa oksigen juga dapat menjadi faktor

pembatas pada kultur mikroalga heterotrop dan aerasi dapat memperpanjang

pertumbuhan eksponensial (Fogg, 1975).

• Perubahan pH

Perubahan pH media disebabkan oleh penyerapan komponen tertentu.

Penyerapan garam-garam atau ion ammonium sebagai sumber nitrogen

menyebabkan penurunan pH (media terlalu asam). Penyerapan ion nitrat

menyebabkan peningkatan pH, tetapi hal ini dapat disangga dengan pengambilan

CO2 oleh media, sehingga jarang mempengaruhi pertumbuhan. Keterbatasan CO2

merangsang penggunaan bikarbonat dalam fotosintesis yang dapat meningkatkan pH

media hingga pH 11 atau lebih sehingga pertumbuhan mikroalga terhenti.

Penggunaan beberapa asam organik tanpa memperhatikan jumlah kation juga

meningkatkan pH, sehingga media terlalu basa (Fogg, 1975).

• Kekurangan Cahaya

Fogg (1975) menyatakan bahwa sinar matahari tidak dapat diterima secara

penuh pada kultur mikroalga yang padat, sehingga fotosintesis hanya dilakukan oleh

sel alga yang terletak di bagian atas atau permukaan media. Kultur yang sangat padat

menyebabkan bagian bawah media menjadi gelap, sehingga pertumbuhan

eksponensial berubah menjadi pertumbuhan linier, yaitu pertumbuhan yang

proporsional dengan waktu, sampai timbul faktor pembatas lain.

• Autoinhibisi

Beberapa alga terbukti menghasilkan bahan-bahan toksik terhadap dirinya

dalam proses metabolismenya. Akumulasi bahan beracun tersebut mengakibatkan

pertumbuhan eksponensial terhenti. Kasus autoinhibisi dalam kultur tidak murni

telah ditemukan pada beberapa mikroalga, misalnya Nostoc punctiforme, Chlorella

22

vulgaris, dan Nitzschia palea (Fogg, 1975). Jika terjadi autoinhibisi, pertumbuhan

akan terhenti pada saat konsentrasi sel tertentu telah tercapai. Kasus ini dapat diatasi

dengan melakukan pemanenan mikroalga atau pengenceran media tanpa

menambahkan nutrien.

FAO (1996) menambahkan bahwa intensitas cahaya yang terlalu tinggi juga

dapat mengakibatkan autoinhibisi cahaya (foto-inhibisi).

9. Proses Pemanenan/Pemisahan Mikroalga

Shelef et al. (1984) mengemukakan bahwa terdapat empat macam teknik

pemanenan/pemisahan yang lazim dipakai untuk memanen mikroalga, yakni filtrasi

dan screening, sedimentasi, flotasi dan sentrifugasi. Terdapat berbagai macam

pengembangan pada masing-masing teknik tersebut sehingga proses pemisahan

mikroalga berjalan lebih baik. Namun sebagai prosedur rutin sebelum memasuki

tahap pemisahan tersebut, biasanya diadakan koagulasi dan flokulasi mikroalga.

Koagulasi menurut Clark et al. (1977) merupakan proses menurunkan gaya

elektrostatik pada permukaan partikel dan elektrolit dalam larutan. Sedangkan

flokulasi menurut Steel dan McGhee (1985) meningkatkan penggabungan antar

partikel yang goyah (tidak stabil) sehingga meningkatkan kemampuan aglomerasi.

Koagulan yang lazim dipakai pada proses koagulasi dan flokulasi mikroalga

skala lapangan ialah alum (Al2(SO4)3. 14 H2O). Alum banyak sekali digunakan pada

berbagai tujuan untuk menghilangkan padatan tersuspensi dan bersifat stabil

(Eckenfelder, 1989). Namun aplikasi alum dalam koagulasi dan flokulasi memiliki

kekurangan yakni kesadahan meningkat sangat cepat, CO2 terlarut meningkat, serta

terjadi pembentukan koloid (Vazirani dan Chandola, 1980), meskipun aplikasi

dengan alum masih cukup banyak dilakukan. Untuk mengatasi kekurangan alum,

direkomendasikan Poly Aluminium Chloride (PAC) sebagai pengganti. PAC adalah

polimer anorganik dengan daya reaktif tinggi dan memiliki basicity 50% yang

memungkinkan untuk bereaksi lebih cepat dibandingkan koagulan anorganik

berbasis alum lainnya. PAC sangat baik digunakan untuk air alkalinitas rendah yang

membutuhkan penghilangan warna dan reaksi cepat (Eaglebrook Inc., 1999).