Lignin sebagai Barrier Agent pada Biokomposit Controlled-Release Fertilizer: Kajian Meta-Analisis dan Validasinya

Abstract

Peningkatan pesat dalam pertumbuhan penduduk telah menyebabkan tingginya permintaan akan pangan. Penggunaan pupuk yang efisien sangat penting untuk produktivitas pertanian. Pupuk urea konvensional memiliki kelemahan mudah untuk ikut tercuci ke lingkungan dan melepaskan gas berbahaya yang dapat berdampak pada aspek lingkungan, ekonomi, dan sosial. Controlled-release fertilizer (CRF) merupakan solusi untuk mengatasi masalah tersebut karena dapat meningkatkan penyerapan nitrogen oleh akar tanaman, meningkatkan hasil pertanian, dan mengurangi pencemaran lingkungan. CRF diproduksi dengan membuat komposit yang terdiri dari pupuk urea, matriks polimer, dan bahan pengisi. Polimer sintetis yang umum digunakan sebagai matriks CRF, akan tetapi, polimer ini memiliki harga tinggi, dampak lingkungan yang negatif, dan proses kimianya yang mahal. Biopolimer berbasis biomassa pertanian merupakan alternatif yang digunakan sebagai pengganti polimer sintetis dalam formulasi CRF. Lignin, polimer alam terbanyak kedua setelah selulosa, memiliki potensi besar untuk diolah menjadi produk baru bernilai tinggi. Penelitian tentang CRF dengan lignin sebagai barrier agent sangat menarik karena sifat pelepasannya yang lambat dan potensi aplikasinya sebagai pengkondisi tanah, dan agen pelepasan terkendali dalam pupuk. Telah banyak studi yang membahas biokomposit berbasis lignin dalam produksi sebagai barrier agent pada biokomposit CRF. Belum terdapat kesimpulan kuantitatif mengenai pengaruh sumber lignin, jenis lignin, jenis matriks biopolimer, dan metode pembuatan CRF terhadap pelepasan nitrogen dalam CRF. Penelitian ini bertujuan untuk mengevaluasi pengaruh lignin, sumber lignin, jenis lignin, jenis matriks, dan metode pembuatan biokomposit CRF terhadap karakteristik CRF dalam pelepasan nitrogen menggunakan meta-analisis dan validasi laboratorium. Tujuan khusus penelitian ini adalah mengidentifikasi karakteristik pelepasan nitrogen pada model biokomposit CRF yang dihasilkan dari hasil meta-analisis melalui uji laboratorium. Studi ini dilaksanakan dengan dua tahapan, yaitu melakukan kajian meta-analisis dan validasi dengan uji laboratorium. Pada tahap meta-analisis, prosedur Preferred Reporting Items for Systematic Reviews and Meta-Analysis (PRISMA) dilakukan untuk memperoleh artikel yang digunakan untuk meta-analisis. Sebanyak 27 artikel akhirnya terpilih untuk dikaji meta-analisis. Perangkat lunak OpenMEE digunakan untuk pemrosesan data. Keluaran utama dari meta-analisis ini adalah effect size, yang disajikan sebagai Standardized Mean Difference (SMD). Metode Hedges'd dengan random effect model digunakan untuk menentukan effect size, yang mengukur perbedaan antara CRF yang mengandung lignin dan CRF tanpa lignin (kontrol) pada skala yang sama, yang memungkinkan perbandingan langsung hasil dari studi yang berbeda. Dilakukan analisis subgrup, meta-regresi, dan bias publikasi untuk melengkapi hasil meta-analisis. Nilai effect size (SMD) digunakan untuk mengukur perbedaan rata-rata terstandar yang dikumpulkan menggunakan random effect model pada interval kepercayaan 95%. Hasil dari meta-analisis menunjukkan bahwa penambahan lignin dapat menurunkan pelepasan nitrogen (SMD = -5,603, p = <0,001), menurunkan penyerapan air (SMD = -3,110, p = <0,001), meningkatkan sudut kontak (SMD = 0,159, p = 0,639), meningkatkan daya ikat air (SMD = 1,492, p = 0,001), dan pertumbuhan tanaman (SMD = 3,572, p = <0,001). Pada analisis subgrup, ditemukan bahwa sumber lignin, jenis lignin, jenis matriks biokomposit, dan metode pembuatan CRF secara signifikan menurunkan nilai pelepasan nitrogen dibandingkan dengan kelompok kontrol, yaitu CRF tanpa lignin. Pada analisis subgroup, didapatkan bahwa CRF yang signifikan dalam menghambat pelepasan nitrogen adalah dengan sumber lignin ampas tebu, jenis lignin esterifikasi, jenis matriks elastomer, dan metode pembuatan secara coating. Analisis meta-regresi menunjukkan bahwa penambahan kadar lignin pada CRF berpengaruh nyata terhadap parameter pelepasan nitrogen (p = 0,009), penyerapan air (p = <0,001), dan penyerapan air (p = 0,015). Hasil analisis meta-regresi menunjukkan bahwa konsentrasi lignin optimum dalam produksi CRF adalah 43,049%. Tahap uji validasi hasil meta-analisis di laboratorium dilakukan dengan memproduksi model produk berdasarkan hasil meta-analisis dan melakukan karakterisasinya. CRF dibuat dengan melapisi urea granul dengan karet alam, karet alam-lignin, dan karet alam-lignin ester, yang masing-masing disebut sebagai U-NR, U-NRPL, U-NRAL. Hasil uji pelepasan nitrogen CRF di medium tanah menunjukkan bahwa U-NRPL dan U-NRAL mempunyai karakteristik pelepasan nitrogen pada tanah yang lebih lambat, yaitu masing-masih masih tersisa 81% dan 83% pada jam ke 168 dibandingkan U-NR yang tersisa 88%. Pelepasan nitrogen yang lambat dari U-NRAL, model produk hasil meta-analisis, menunjukkan skema difusi Fickian yang ditunjukan dari perhitungan model Korsmeyer-Peppas. Dari hasil uji validasi tersebut, dapat diketahui bahwa penambahan lignin berpengaruh dalam menghambat pelepasan nitrogen dibandingkan dengan kontrol. Hal tersebut berkenaan dengan tervalidasinya hasil meta-analisis yang ditunjukkan dari hasil uji laboratorium. Hasil kajian meta-analisis dan validasinya ini dapat menjadi acuan untuk pengembangan biokomposit CRF berbasis lignin dalam skala industri untuk dimanfaatkan dalam bidang pertanian secara luas.