Pengolahan air limbah modern tidak hanya bergantung pada aktivitas mikroorganisme, tetapi juga sangat dipengaruhi oleh interaksi kimia antara berbagai senyawa yang ada di dalam sistem. Salah satu unsur yang paling sering digunakan dan sekaligus paling berpengaruh adalah besi. Dalam praktik instalasi pengolahan air limbah, besi telah lama dimanfaatkan sebagai koagulan untuk meningkatkan penghilangan fosfor dan memperbaiki kualitas efluen. Namun, di balik perannya yang dianggap menguntungkan, besi juga memiliki dampak yang lebih halus tetapi signifikan terhadap perilaku senyawa organik, khususnya protein, yang selama ini kurang mendapat perhatian.
Air limbah mengandung berbagai fraksi organik, dengan protein dan karbohidrat sebagai dua komponen utama yang mudah terbiodegradasi. Meskipun keduanya sama-sama berasal dari biomassa, perilaku degradasinya sangat berbeda. Karbohidrat umumnya cepat terurai, sementara protein cenderung lebih lambat dan sering kali menjadi penyumbang utama COD yang tersisa di sistem biologis. Selama bertahun-tahun, perbedaan ini lebih sering dijelaskan dari sudut pandang mikrobiologi, seperti keterbatasan enzim atau preferensi metabolisme mikroorganisme. Namun, pendekatan ini belum sepenuhnya menjelaskan mengapa protein bisa sangat resisten, bahkan ketika kondisi operasional reaktor sudah dioptimalkan.
Di dalam air limbah, protein jarang berada dalam bentuk bebas. Ia berinteraksi dengan berbagai senyawa lain, salah satunya adalah asam humat. Asam humat merupakan bagian dari bahan organik alami yang terbentuk dari proses dekomposisi jangka panjang dan kaya akan gugus fungsional bermuatan negatif, seperti karboksilat dan fenolat. Senyawa ini hampir selalu hadir dalam air limbah dan memiliki kemampuan tinggi untuk berinteraksi dengan logam. Ketika besi ditambahkan ke dalam sistem, terutama dalam kondisi aerobik, interaksi antara besi, protein, dan asam humat menjadi sangat intens.
Dalam kondisi kaya oksigen, besi terutama berada dalam bentuk Fe(III). Spesies ini memiliki muatan positif tinggi dan bertindak sebagai asam Lewis yang kuat, sehingga mudah berikatan dengan gugus fungsional pada protein dan asam humat. Ikatan ini tidak bersifat sementara, melainkan membentuk kompleks yang stabil dan berukuran besar. Besi berperan sebagai jembatan yang menghubungkan protein dan asam humat, menghasilkan agregat molekuler yang jauh lebih besar dibandingkan masing-masing senyawa penyusunnya. Akibatnya, protein tidak lagi berada dalam bentuk yang mudah diakses oleh enzim, melainkan terperangkap di dalam struktur kompleks yang kaku.
Dampak dari pembentukan kompleks ini terhadap proses biologis sangat signifikan. Laju hidrolisis protein, yaitu tahap awal dan krusial dalam degradasi biologis, dapat menurun secara drastis ketika Fe(III) dan asam humat hadir bersamaan. Penurunan ini tidak bersifat marginal, tetapi dapat mencapai lebih dari 90 persen dibandingkan kondisi tanpa besi dan asam humat. Dengan kata lain, sebagian besar protein yang masuk ke sistem tidak lagi tersedia sebagai substrat bagi mikroorganisme, meskipun secara teoritis masih tergolong biodegradable. Protein tersebut tetap tersimpan dalam lumpur aktif dan berkontribusi pada akumulasi biomassa serta peningkatan produksi lumpur berlebih.
Menariknya, fenomena ini tidak terjadi secara merata pada semua fraksi organik. Karbohidrat menunjukkan respons yang sangat berbeda. Meskipun juga dapat berinteraksi dengan besi dan asam humat, pengaruhnya terhadap laju hidrolisis karbohidrat relatif kecil. Bahkan pada konsentrasi besi dan asam humat yang tinggi, penurunan laju hidrolisis karbohidrat hanya bersifat ringan. Hal ini menunjukkan bahwa efek penguncian oleh besi bersifat selektif dan jauh lebih kuat terhadap protein dibandingkan karbohidrat. Temuan ini membantu menjelaskan mengapa protein sering menjadi fraksi organik yang paling persisten dalam sistem pengolahan air limbah.
Perilaku kompleks besi–protein–asam humat ternyata sangat bergantung pada kondisi redoks. Ketika sistem beralih dari kondisi aerobik ke anaerobik, seperti yang terjadi di dalam digester anaerob atau reaktor side-stream anaerob, spesies besi mengalami perubahan kimia yang mendasar. Fe(III) akan tereduksi menjadi Fe(II), baik melalui proses biologis maupun reaksi kimia. Perubahan bilangan oksidasi ini secara drastis mengubah sifat ikatan besi dengan senyawa organik.
Fe(II) memiliki kemampuan yang jauh lebih lemah dalam menjembatani protein dan asam humat. Kompleks yang sebelumnya stabil di bawah kondisi aerobik menjadi lebih kecil, lebih longgar, dan lebih mudah terurai. Protein dan asam humat yang semula terperangkap mulai dilepaskan kembali ke dalam fase terlarut. Dengan demikian, protein kembali menjadi lebih tersedia bagi mikroorganisme dan laju degradasinya meningkat. Proses ini menunjukkan bahwa penguncian protein oleh besi bukanlah kondisi permanen, melainkan sangat dipengaruhi oleh dinamika redoks di dalam sistem.
Analisis pada tingkat molekuler memperkuat pemahaman ini. Ikatan antara Fe(III), protein, dan asam humat melibatkan berbagai gugus fungsional, termasuk gugus amida pada protein serta gugus hidroksil, karboksilat, dan aromatik pada asam humat. Ikatan tersebut bersifat elektrostatis dan koordinatif, membentuk jaringan yang relatif kaku dan stabil. Ketika Fe(III) direduksi menjadi Fe(II), kekuatan ikatan ini menurun, menyebabkan struktur kompleks menjadi lebih fleksibel dan mudah terdisosiasi. Perubahan ini secara langsung berdampak pada ketersediaan protein untuk proses biologis.
Temuan ini memiliki implikasi yang luas bagi desain dan pengoperasian instalasi pengolahan air limbah. Selama ini, penambahan besi sering dilakukan dengan fokus utama pada penghilangan fosfor dan perbaikan kualitas efluen, tanpa mempertimbangkan dampaknya terhadap biodegradabilitas protein. Dalam sistem yang didominasi kondisi aerobik, strategi ini berpotensi memperlambat degradasi organik dan meningkatkan produksi lumpur. Sebaliknya, sistem yang menerapkan siklus aerobik–anaerobik secara terkontrol dapat memanfaatkan perubahan redoks besi untuk mengatur ketersediaan protein.
Dalam konteks teknologi pengurangan lumpur secara in-situ, seperti penggunaan reaktor side-stream anaerob, peran besi menjadi semakin relevan. Selama fase anaerobik, reduksi Fe(III) ke Fe(II) dapat memicu pelepasan protein dari kompleksnya, meningkatkan degradasi organik, dan pada akhirnya menurunkan produksi lumpur. Pendekatan ini menunjukkan bahwa besi bukan sekadar bahan kimia pasif, melainkan komponen aktif yang dapat dimanfaatkan secara strategis melalui pengaturan kondisi redoks.
Meskipun penelitian ini dilakukan menggunakan sistem sederhana dengan substrat terdefinisi, wawasan yang dihasilkan memberikan dasar konseptual yang kuat untuk memahami fenomena serupa di sistem nyata yang jauh lebih kompleks. Air limbah sebenarnya mengandung campuran senyawa organik dan anorganik yang jauh lebih beragam, sehingga interaksi yang terjadi kemungkinan lebih kompleks. Namun, mekanisme dasar yang terungkap—penguncian protein oleh Fe(III) dan pelepasannya melalui reduksi redoks—sangat mungkin juga berperan dalam skala penuh.
Secara keseluruhan, pemahaman baru tentang interaksi besi, protein, dan asam humat ini membuka perspektif bahwa optimalisasi pengolahan air limbah tidak hanya bergantung pada biologi mikroba, tetapi juga pada pengelolaan kimia logam dan kondisi redoks. Dengan pendekatan yang lebih terpadu, sistem pengolahan air limbah di masa depan berpotensi menjadi lebih efisien, menghasilkan lebih sedikit lumpur, dan memanfaatkan sumber daya secara lebih berkelanjutan.
Penulis: Muhammad Fauzul Imron
Artikel dapat dilihat pada: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0045653525006666
