Aerasi Nanobubble dan Efeknya pada Pertumbuhan Biofilm

13 Mei 2022 13:28:06 | Dilihat 28 kali
Biofilm adalah sekumpulan sel mikroorganisme, khususnya bakteri yang melekat di suatu permukaan dan diselimuti oleh pelekat karbohidrat yang dikeluarkan oleh bakteri tersebut. Biofilm memerangkap nutrisi untuk pertumbuhannya melalui permukaan sehingga kandungan nutrisinya dapat lebih tinggi daripada di dalam larutan. Sejalan dengan pertumbuhannya, sel biofilm ini akan menghasilkan Extracellular Polymeric Substances (EPS) yang akan melekatkan bakteri pada permukaan dan melekat satu sama lain untuk membentuk suatu mikrokoloni.

Secara umum, pembentukan biofilm terdiri dari 5 tahap yaitu :
1. Perlekatan awal, dimana mikroba melekat pada permukaan suatu benda dan dapat diperantarai oleh fili (rambut halus sel). 
2. Pelekatan permanen, pada tahap ini mikroba melekat dengan bantuan Extracellular Polymeric Substances (EPS).
3. Maturasi I, yakni terjadi proses pematangan biofilm tahap awal.
4. Maturasi II, yakni proses pematangan biofilm tahap akhir, di mana mikroba siap untuk menyebar. 
5. Dispersi, dimana bakteri atau mikroorganisme akan menyebar dan berkolonisasi di tempat lain.

Fungsi Biofilm
Biofilm dapat digunakan untuk pengolahan air limbah dengan konsentrasi rendah maupun konsentrasi tinggi. Pada lapisan biofilm senyawa organik diurai oleh mikroorganisme aerob, sehingga nilai COD dan BOD menjadi turun. Nilai COD dan BOD yang tinggi menunjukkan kandungan senyawa organik tinggi pada limbah dan kemudian mikroorganisme pada biofilm tersebut akan mengurainya.
Aerasi nanobubble mempercepat pertumbuhan biofilm dan menghilangkan kontaminan dalam air limbah seperti COD dan amonia lebih baik dari gelembung konvensional. Efisiensi penghilangan COD rata-rata adalah 53,48% sedangkan efisiensi penghilangan amonia rata-rata meningkat sebesar 26,1% lebih tinggi dibandingkan dengan aerasi gelembung konvensional.

Selain itu, aerasi nanobubble untuk biofilm menghasilkan penghematan energi sekitar 80%.  Selama ini konsumsi energi listrik dari proses biofilm adalah 0,330 kWh/m3, yang kira-kira 23% lebih tinggi dari proses lumpur aktif konvensional atau anaerob/aerob. Namun, pada penelitian yang dilakukan oleh Xiao dan Xu, aerasi nanobubble mampu menurunkan konsumsi energi tersebut berkat gelembungnya yang stabil di dalam air.

Meningkatkan Produksi Biofilm dengan Nanobubble
Biofilm membutuhkan nutrisi untuk kelangsungan hidupnya. Gelembung nano memberikan lebih banyak oksigen ke biofilm, menawarkan kapasitas pasokan oksigen yang unggul dan efisiensi transfer oksigen 1,5 kali lebih tinggi.  Nanobubble tidak hanya secara efektif meningkatkan konsentrasi DO, melainkan juga memainkan peran penting menjaga kestabilan DO in situ dalam air. 

Biofilm yang diberi aerasi nanobubble memiliki aktivitas dehidrogenase maksimum enam kali lebih tinggi serta kandungan zat polimer ekstraseluler (EPS) lebih banyak daripada saat menggunakan aerasi konvensional. Hal ini disebabkan oleh peningkatan metabolisme dan proliferasi mikroorganisme. Dalam proses budidaya, biofilm yang diberi aerasi NB cenderung mengalami pertumbuhan yang cepat selama masa kolonisasi awal dan proliferasi dalam 15 hari pertama budidaya. 

Penelitian yang dilakukan oleh Xiao dan Xu, DO yang dihasilkan aerasi nanobubble pada biofilm  yakni 10.012 mg/L sedangkan DO aerasi konvensional hanya 8.581 mg/L. Aktivitas DHA mencapai nilai maksimal pada hari ke-20 dan peningkatan DHA biofilm pada aerasi nanobubble secara langsung disebabkan oleh kemampuan pasokan oksigen yang unggul, dimana menyediakan donor elektron untuk proses metabolisme seluler. Selain itu, terdapat variasi rasio protein dan polisakarida yang berbeda pada aerasi nanobubble dengan aerasi konvensional yang menggambarkan Nanobubble membantu kolonisasi mikroba dan bentuk kerangka biofilm. Hasil-hasil penelitian tersebut menunjukkan perbedaan yang signifikan antara biofilm yang diaerasi dengan nanobubble dan aerator konvensional (p <0,05). (Baca Juga: Nanobuble Solusi Menghilangkan Ecoli dan Total Coliform)

Penulis         : Zakia Dwi Puspa Ramadina
Editor          : Afridha Setia Jayanti

English Version

 
Nanobubble Aeration and Its Effect on Biofilm Growth
 
Biofilm is a collection of microorganism cells, especially bacteria that are attached to a surface and covered by carbohydrate adhesives released by these bacteria. Biofilm traps nutrients for growth through the surface so that the nutrient content can be higher than in solution. In line with their growth, these biofilm cells will produce Extracellular Polymeric Substances (EPS) which will attach bacteria to the surface and adhere to each other to form a microcolony.

Biofilm Function
Biofilms can be used for wastewater treatment with low and high concentrations. In the biofilm layer, organic compounds are decomposed by aerobic microorganisms, so that the COD and BOD values ​​decrease. High COD and BOD values ​​indicate high organic compound content in the waste and then microorganisms in the biofilm will break it down.
Nanobubble aeration accelerates biofilm growth and removes contaminants in wastewater such as COD and ammonia better than conventional bubbles. The average COD removal efficiency was 53.48% while the average ammonia removal efficiency was 26.1% higher than conventional bubble aeration.

In addition, aeration of nanobubbles for biofilms results in energy savings of about 80%. So far, the electrical energy consumption of the biofilm process is 0.330 kWh/m3, which is approximately 23% higher than conventional or anaerobic/aerobic activated sludge processes. However, in a study conducted by Xiao and Xu, nanobubble aeration was able to reduce energy consumption thanks to the stable bubbles in the water.

Increasing Biofilm Production with Nanobubble
Biofilms need nutrients for their survival. The nanobubbles deliver more oxygen to the biofilm, offering superior oxygen supply capacity and 1.5 times higher oxygen transfer efficiency. Nanobubble not only effectively increases the DO concentration, but also plays an important role in maintaining the stability of DO in situ in water.
Biofilms fed with nanobubble aeration had a maximum dehydrogenase activity six times higher and the content of extracellular polymeric substances (EPS) was higher than when using conventional aeration. This is due to increased metabolism and proliferation of microorganisms. In the culture process, NB aerated biofilms tended to experience rapid growth during the initial colonization period and proliferation in the first 15 days of culture.

According to research conducted by Xiao and Xu, the DO produced by nanobubble aeration on biofilm was 10,012 mg/L, while the DO produced by conventional aeration was only 8,581 mg/L. DHA activity reached its maximum value on day 20 and the increase in DHA biofilm on nanobubble aeration was directly due to its superior oxygen supply capability, which provides electron donors for cellular metabolic processes. In addition, there are variations in the ratio of protein and polysaccharides in nanobubble aeration with conventional aeration which illustrates that Nanobubble helps microbial colonization and forms the biofilm framework. The results of these studies showed a significant difference between biofilms aerated with nanobubble and conventional aerators (p < 0.05).
Writer         : Zakia Dwi Puspa Ramadina
Editor          : Afridha Setia Jayanti

Sumber (Sources):
[1] DBPedia. About Biofilm. http://dbpedia.cs.ui.ac.id/page/Biofilm, diakses pada 19 April 2022
[2] Xiao, W., & Xu, G. (2020). Mass transfer of nanobubble aeration and its effect on biofilm growth: Microbial activity and structural properties. Science of The Total Environment, 703, 134976.