Produksi Listrik dari Plant Microbial Fuel Cell (PMFC) pada Tanah Sawah dengan Inokulasi Staphylococcus Saprophyticus ICBB 9554 dan Citrobacter freundii ICBB 9763

Abstract

Microbial Fuel Cell (MFC) merupakan teknologi bioelektrokimia pengubahan energi kimia dalam substrat organik menjadi energi listrik. Pada MFC, mikrob mengoksidasi bahan organik di ruang anoda menghasilkan karbondioksida, elektron, dan proton; elektron ditransfer melalui sirkuit eksternal ke ruang katoda; kemudian elektron, oksigen, dan proton bereaksi menghasilkan air. Arus maksimum yang dapat dihasilkan oleh MFC bergantung pada laju aktual biodegradasi substrat. Tegangan atau voltase sel teoretis maksimum (juga disebut gaya gerak listrik atau ggl) bergantung pada energi bebas Gibbs dari keseluruhan reaksi yang dapat dihitung sebagai selisih antara potensial redoks standar oksidan katoda (oksigen) dan substrat anoda yang dipilih. Sistem ini kemudian dikembangkan, salah satunya dengan memanfaatkan tanaman, menjadi Plant Microbial Fuel Cell (PMFC). Tanaman berperan dalam hal menyediakan rizodeposit berupa eksudat akar hasil fotosintesis. Mikrob yang digunakan pada penelitian ini adalah Staphylococcus saprophyticus ICBB 9554 dan Citrobacter freundii ICBB 9763. Tujuan dari penelitian ini adalah (1) melakukan seleksi media pengayaan untuk perbanyakan Staphylococcus saprophyticus ICBB 9554 dan Citrobacter freundii ICBB 9763 serta mengkaji sinergisme kedua mikrob, (2) mengkaji performa desain reaktor MFC dengan elektroda karbon aktif untuk aplikasi di lahan sawah (3) mengevaluasi pengaruh jenis mikrob dan kombinasi pertanaman padi terhadap produksi listrik sistem PMFC, dan (4) mengevaluasi pengaruh tipe peletakan reaktor PMFC di sawah terhadap produksi listrik sistem PMFC. Penelitian ini terdiri dari empat tahapan. Tahap pertama adalah seleksi media pengayaan untuk masing-masing mikrob Staphylococcus saprophyticus ICBB 9554 dan Citrobacter freundii ICBB 9763. Peubah yang diukur adalah kepadatan mikrob setiap 24 jam dan selama tiga hari. Pada tahap ini juga dikaji sinergisme kedua mikrob dan karakteristik pertumbuhannya pada berbagai kondisi lingkungan. Penelitian tahap kedua adalah perancangan reaktor dengan elektroda karbon aktif. Aspek yang dikaji meliputi peubah listrik dan biaya produksi. Penelitian ketiga mengkaji produksi listrik PMFC dengan inokulasi mikrob eksoelektrogen di berbagai praktik budidaya padi. Penelitian ini dilakukan di rumah kaca dengan budidaya padi dengan perlakuan salinitas dan pemupukan. Peubah yang dikaji meliputi produksi listrik, pertumbuhan tanaman, dan sifat tanah. Penelitian keempat mengkaji pengaruh tipe peletakan dan penambahan mikrob terhadap produksi listrik PMFC di lahan sawah. Peubah yang diamati pada penelitian ini meliputi produksi listrik, pertumbuhan dan produksi padi, dan sifat tanah. Hasil penelitian pertama menunjukkan Staphylococcus saprophyticus ICBB 9554 tumbuh baik pada media molase 2% (w/v), yakni mencapai (1,62±0,36)×108 CFU/ml, namun rendah pada media gula pasir yakni hanya berkisar (1,00±0,85)×104 hingga (1,03±0,85)×106 CFU/ml. Citrobacter freundii ICBB 9763 tumbuh baik pada media natrium asetat teknis berkisar (5,80±0,60)×106 hingga (2,07±0,85)×107 CFU/ml. Kedua mikrob menunjukkan kemampuan bekerja secara sinergis karena hasil uji hambat tidak terbentuknya zona hambat dan penggunaan bersama dalam sistem MFC menghasilkan arus listrik tertinggi, yakni 0,27 mA. Kedua mikrob mampu tumbuh pada kondisi salin yakni hingga kadar salinitas 4 dS/m Staphylococcus saprophyticus ICBB 9554 memiliki kepadatan (2,04±0,93)×106 CFU/ml, Citrobacter freundii ICBB 9763 (1,15±0,16)×107, dan ko-kultur (3.76±0.32)×107 CFU/ml. Pengujian kadar salin menghasilkan media pengayaan untuk ko-kultur adalah natrium asetat teknis 5 mM. Selain itu pertumbuhan kedua mikrob eksoeelektrogen baik kultur tunggal maupun ko-kultur tidak terganggu oleh faktor ekologis pH dan suhu. Hasil penelitian kedua uji coba pertama menunjukkan bahwa desain reaktor dengan anoda karbon aktif dan katoda kabel serabut mampu menghasilkan produksi listrik tertinggi, yakni dengan nilai voltase, arus, daya berturut turut 1.053 mV/reaktor, 271 µA/reaktor, dan 0,286 mW/reaktor. Selain itu, desain ini juga memerlukan biaya paling rendah, yakni Rp 22.974 per reaktor. Pada uji coba kedua, dengan mengombinasikan anoda karbon aktif berbentuk pellet dan serat karbon dihasilkan produksi listrik tertinggi dan berbeda nyata dengan desain lain dengan nilai voltase, arus listrik, dan daya berturut-turut 892,24±77,8 mV/reaktor, 433,33±29,7 µA/reaktor, dan 0,389±0,059 mW/reaktor. Desain ini juga memiliki resistensi internal yang rendah dibandingkan desain yang lain, yakni 148±0,61 Ω. Walaupun demikian, adanya serat karbon menyebabkan peningkatan biaya produksi menjadi Rp 30.262 per reaktor. Pada penelitian ketiga dihasilkan daya listrik tertinggi pada perlakuan dosis NPK 50% dan 0%, salinitas 2 dS/m pada area anoda, dan Citrobacter freundii ICBB 9763 sebagai mikrob eksoelektrogen dengan nilai tegangan, arus, dan daya berturut-turut sekitar 570 mV/reaktor, 0,32 mA/reaktor, dan 0,18 mW/reaktor. Dosis pemupukan NPK 50% dapat dimanfaatkan untuk mendapatkan produksi listrik dan pertumbuhan tanaman padi yang baik. Sifat tanah diringkas sebagai berikut: kepadatan bakteri dan rasio C/N memiliki korelasi positif dengan produksi listrik PMFC, pH netral, potensial redoks negatif atau kondisi anoksik, dan sifat kimia tanah berfluktuasi, kecuali Mn dan Fe menurun karena berperan sebagai akseptor elektron. Penelitian keempat didapatkan hasil bahwa tipe peletakan reaktor dan penambahan mikrob berpengaruh nyata terhadap produksi listrik PMFC dan padi. Perlakuan peletakan tipe 3 dan penambahan mikrob eksoelektrogen menjadi perlakuan yang dapat mensinergiskan produksi listrik PMFC dan produksi padi. Semakin banyak reaktor yang diletakkan (L3) dihasilkan produksi listrik tertinggi dengan voltase, arus, dan daya berkisar 1 V/plot, 0,5 mA/plot, dan 0,32 mW/plot. Nilai ini masih rendah karena terjadi arus pendek antar reaktor. Sifat tanah yang diamati diringkas sebagai berikut: kepadatan bakteri dan C organik berkorelasi positif dengan produksi listrik PMFC; pH, Eh, kepadatan bakteri, P tersedia, K, dan KTK tidak berbeda nyata; namun hara N, Fe, dan Mn berbeda nyata antar perlakuan.