Paper yang ditulis oleh Hrudya S Nair dan Kannan K dari Marian Engineering College, Trivandrum, India berjudul "A Review on Stabilisation of soil using Biological Soil Improvement Techniques" menyajikan tinjauan komprehensif tentang teknik biologis untuk perbaikan tanah. Artikel ini menganalisis dua metode utama dalam biocementation tanah yang sedang berkembang pesat dalam rekayasa geoteknik modern: Microbially Induced Calcium Carbonate Precipitation (MICP) dan Enzyme Induced Calcium Carbonate Precipitation (EICP).
Latar Belakang dan Urgensi Teknik Biologis
Pertumbuhan populasi yang pesat di kawasan perkotaan telah mendorong ekspansi pembangunan ke daerah pinggiran kota dengan kondisi tanah yang sering tidak menguntungkan untuk infrastruktur. Situasi ini menciptakan kebutuhan akan teknik stabilisasi tanah yang efektif. Metode tradisional seperti stabilisasi mekanis dan injeksi grouting dengan semen atau polimer menghadapi beberapa kendala serius:
- Biaya tinggi
- Membutuhkan peralatan berat
- Mengganggu infrastruktur perkotaan yang sudah ada
- Melibatkan bahan kimia berbahaya dengan konsekuensi lingkungan serius
Penggunaan stabilisator seperti semen Portland menghasilkan masalah lingkungan signifikan termasuk produksi karsinogen dan pemanasan global. Sebagai respons, para peneliti mengembangkan teknologi renovasi tanah modern yang berkelanjutan, ramah lingkungan, dan mampu memenuhi kebutuhan infrastruktur masyarakat.
Fokus penelitian teknologi perbaikan tanah saat ini adalah pada metode biologis yang tangguh, ramah lingkungan, dan hemat energi. Soil-bioengineering yang menggunakan sistem akar vegetatif untuk menstabilkan struktur tanah adalah salah satu strategi yang diadopsi secara luas. Namun, pendekatan ini memiliki keterbatasan karena dipengaruhi oleh musim tanam dan variasi iklim yang memperkenalkan ketidakpastian dalam pertumbuhan dan proliferasi akar tanaman di dalam tanah.
Teknik Perbaikan Tanah Biologis
Teknik perbaikan tanah biologis dapat diklasifikasikan menjadi dua kategori utama:
- Teknik Perbaikan Tanah Bio-mediasi: Melibatkan penggunaan organisme hidup secara langsung ke dalam tanah, dan produk sampingan yang dihasilkan dari aktivitas biologis mereka dapat digunakan untuk mengubah sifat rekayasa tanah.
- Teknik Perbaikan Tanah Bio-inspirasi: Tidak melibatkan aplikasi langsung organisme hidup ke tanah, tetapi menggunakan bahan-bahan berbeda untuk memberikan reaksi dan produk yang serupa ke dalam tanah.
Microbially Induced Calcium Carbonate Precipitation (MICP)
MICP adalah aktivitas metabolik mikroba yang menggunakan presipitasi mineral anorganik (kalsit/kalsium karbonat; CaCO₃) untuk memperkuat material berpori, yang pada akhirnya meningkatkan sifat rekayasa tanah. Aplikasi terbaru MICP meliputi:
- Penguatan dan pengerasan tanah
- Perbaikan retakan beton
- Produksi bio-bricks dari agregat bata
- Stabilisasi/solidifikasi abu terbang dari pembakaran sampah padat perkotaan
Mikroorganisme yang digunakan dalam presipitasi karbonat yang diinduksi secara mikroba (MICP) dapat memiliki dampak signifikan pada sifat mekanik dan rekayasa tanah karena:
- Tingkat reproduksi yang cepat
- Metabolisme yang fleksibel
- Konsumsi energi rendah
- Keragaman dan kelimpahan
- Ramah lingkungan
Enzyme Induced Calcium Carbonate Precipitation (EICP)
EICP adalah teknik perbaikan tanah biogeoteknik inovatif dimana kalsium karbonat dipresipitasi dari larutan berair di dalam pori-pori tanah, meningkatkan kualitas biogeoteknik tanah granular. Presipitasi kalsium karbonat meningkatkan kekuatan, kekakuan, dan dilatansi tanah melalui:
- Pengisian pori
- Pengerasan partikel
- Pengikatan antar partikel
Proses EICP memiliki potensi untuk digunakan sebagai solusi bio-sementasi dan bio-remediasi dalam berbagai masalah lingkungan, bangunan, geoteknik, dan teknik sipil, termasuk:
- Meningkatkan kekuatan tanah
- Menurunkan potensi likuifaksi tanah
- Mengendalikan erosi permukaan
- Menurunkan permeabilitas
- Meremediasi kontaminan logam berat
Reaksi kimia dalam proses EICP melibatkan hidrolisis urea oleh enzim urease:
CO(NH₂)₂ + 2H₂O → 2NH₄⁺ + CO₃²⁻
CaCl₂ → Ca²⁺ + 2Cl⁻
Ca²⁺ + CO₃²⁻ → CaCO₃ ↓ (presipitasi)
EICP memiliki keunggulan karena efektif untuk berbagai jenis tanah, termasuk tanah berbutir halus, berkat ukuran kristal enzim urease yang lebih kecil (biasanya 12 nm atau 120 Å).
Studi Kasus dan Hasil Penelitian
Aplikasi MICP pada Tanah Liat
Punnoi et al. (2021) melaporkan peningkatan kekuatan tekan bebas (qu) tanah liat yang dipadatkan dan ditreatment dengan MICP menggunakan bakteri Bacillus pasteurii dalam bentuk sel vegetatif dan spora bakteri. Hasil studi menunjukkan:
- Nilai qu sampel yang ditreatment setelah 3 hari dan 7 hari perawatan lebih besar dari qu sampel yang tidak ditreatment
- MICP dengan sel vegetatif meningkatkan nilai qu tanah liat hingga 2,0 kali
- MICP dengan spora bakteri meningkatkan nilai qu tanah liat hingga 2,6 kali
- Peningkatan kekuatan ini sesuai dengan peningkatan kandungan kalsit terukur sebesar 2,3-2,8 kali
- Modulus Young sekan pada 50% kekuatan (E50) juga meningkat 1,8 dan 2,3 kali masing-masing untuk tanah yang ditreatment MICP dengan sel vegetatif dan spora bakteri
Diobservasi bahwa sel vegetatif meningkatkan kekuatan tanah liat lebih awal daripada spora bakteri. Keterlambatan dalam kinerja awal MICP oleh spora bakteri disebabkan oleh resistensinya terhadap lingkungan yang tidak sesuai, yang membutuhkan waktu untuk mengaktifkan kembali dari bentuk spora menjadi sel aktif.
Aplikasi MICP pada Tanah Liat Lunak
Xiao et al. (2020) melaporkan peningkatan kekuatan tekan bebas tanah yang ditreatment sebesar 2,42 kali mencapai 43,31 kPa dan pengurangan kadar air tanah liat dari 40% menjadi 30,73%. Spesimen uji tanah liat lunak dibuat dengan campuran tanah liat lunak, larutan dengan berbagai konsentrasi garam nutrisi, dan bakteri Sporosarcina pasteurii, kemudian dirawat selama 28 hari.
Pencampuran langsung larutan S. pasteurii, garam nutrisi, dan tanah liat lunak secara signifikan meningkatkan keseragaman distribusi spasial bakteri dan nutrisi dalam tanah liat lunak dan mempromosikan pembentukan kalsium karbonat.
Aplikasi MICP pada Tanah Liat Laut
Kannan et al. (2020) mengevaluasi perilaku rekayasa tanah liat laut yang ditreatment MICP melalui serangkaian uji konsolidasi satu dimensi, uji kompresi bebas, dan penentuan sifat indeks. Metode bio-augmentasi dan bio-stimulasi dilakukan pada dua jenis tanah berbeda, yaitu tanah liat Kuttanad dan tanah liat laut Cochin. Ditemukan bahwa:
- Pada sampel tanah liat laut, teknik bio-stimulasi tidak efektif; bio-augmentasi diperlukan untuk perbaikan tanah
- Pengurangan sekitar 29% diamati untuk batas cair 25 hari setelah perawatan bio-augmentasi
- Setelah perawatan MICP, kompresibilitas tanah liat laut berkurang sekitar 32%
- Pada kadar air batas ketangguhan, kekuatan geser tak terdrainase tanah liat laut yang ditreatment MICP meningkat secara signifikan (peningkatan tertinggi terukur sekitar 148%)
- Sebagian besar spesimen yang diteliti mengalami perubahan designasi tanah dari CH ke MH, yang menunjukkan perbedaan karakteristik tanah yang cukup besar
Perbandingan EICP dan MICP
Saat membandingkan efisiensi presipitasi karbonat dari EICP menggunakan larutan kedelai dan MICP menggunakan bakteri ureolitik sebagai katalis untuk hidrolisis urea, Lee et al. (2020) menemukan:
- Karena pertumbuhan mikroba, laju MICP meningkat seiring waktu
- Laju EICP menurun karena urease, sebuah protein, terdegradasi seiring waktu
- Masalah EICP ini dapat diatasi dengan memodifikasi rasio kedelai kuning terhadap air suling
- Dengan meningkatkan kandungan kedelai kuning, laju EICP dapat disesuaikan untuk mengendapkan jumlah maksimum teoritis kalsium karbonat dalam 24 jam
- Populasi mikroba juga dapat mengatur laju MICP, meskipun karena kompleksitas kultivasi mikroba, ini lebih menantang daripada dengan EICP
Keefektifan presipitasi EICP dari perspektif kemampuan presipitasi dan kemudahan menyesuaikan laju presipitasi menjadikannya pengganti yang bagus untuk MICP. Nilai UCS spesimen tanah liat berpasir yang ditreatment dengan EICP ditemukan berada dalam kisaran 1,58 hingga 2,72 untuk berbagai kombinasi larutan kedelai dan urea-CaCl₂. Kekuatan maksimum diamati untuk sampel yang dirawat selama 28 hari dengan larutan urea-CaCl₂ 140g/L dan larutan kedelai 3g/L.
Ekstrak Urease Tumbuhan untuk Presipitasi Kalsium Karbonat
Dilrukshi et al. (2018) melakukan perbaikan tanah menggunakan presipitasi kalsium karbonat yang diinduksi urease yang berasal dari tumbuhan. Untuk tujuan presipitasi kalsium karbonat, ekstrak kasar dari biji semangka yang dihancurkan digunakan sebagai sumber urease bersama dengan urea dan kalsium klorida.
Kekuatan tekan bebas yang diestimasi dari pasir Mikawa yang tersedia secara komersial menunjukkan bahwa kekuatan meningkat dengan peningkatan konsentrasi urea-CaCl₂. Nilai UCS tertinggi ditemukan untuk sampel yang dirawat selama 14 hari pada 0,7 M CaCl₂-urea dan konsentrasi urease 3,912 U/mL.
Ekstrak urease kasar dari biji semangka yang dihancurkan dapat menggantikan urease yang dipasok secara komersial untuk presipitasi karbonat dan digunakan sebagai pendekatan dampak rendah untuk perbaikan tanah.
Aplikasi EICP untuk Meningkatkan Kekuatan Geser Liner Tanah Liat yang Dipadatkan
Gao et al. (2020) menggunakan EICP untuk meningkatkan kekuatan geser liner tanah liat yang dipadatkan. Pemadatan dilakukan pada tanah yang ditreatment dengan empat konsentrasi penyemenan yang berbeda pada kadar air cetak yang berbeda.
- Sampel tanah yang ditreatment memiliki nilai UCS lebih besar dari 200 kPa, yang dianggap sebagai standar minimum yang direkomendasikan untuk liner tanah liat yang dipadatkan
- Nilai UCS tanah yang tidak ditreatment kurang dari 200 kPa
- Kekuatan geser meningkat seiring dengan peningkatan molaritas larutan urea-CaCl₂
- Kekuatan terbesar 643,5 kPa dicapai pada larutan sementasi 1,00 M ketika sampel disiapkan pada kadar air cetak -2% dalam kaitannya dengan OMC
- Gambar SEM tanah yang ditreatment menunjukkan pembentukan presipitasi putih
- Investigasi XRD tanah yang ditreatment mengungkapkan bahwa mineral kalsit hadir dalam matriks tanah
Efektivitas Ekstrak Urease Kasar vs Urease Komersial
Tirkolaei et al. (2020) melakukan pengujian pada ekstrak kasar dan ekstrak murni dari biji semangka, kedelai, kacang jack, dan tepung kacang jack dalam tabung reaksi. Ditemukan bahwa ekstrak kasar kacang jack menghasilkan hasil satuan tertinggi di antara keempat sumber tanaman ini, diukur sebagai jumlah urease per massa awal bahan sumber.
Saat membandingkan kekuatan sampel tanah yang diobati dengan ekstrak urease kasar dan ekstrak urease yang tersedia secara komersial, terlihat bahwa ketidakmurnian dalam kedua ekstrak memainkan peran penting dalam penguatan tanah, sehingga ekstrak kasar lebih efektif.
- Hasil UCS yang lebih tinggi diperoleh pada spesimen bio-semen menggunakan ekstrak kasar kacang jack, yang jauh kurang murni daripada enzim yang tersedia secara komersial
- Hasil ini menunjukkan bahwa ketidakmurnian organik dalam larutan bio-sementasi mungkin sebenarnya meningkatkan efektivitas EICP untuk bio-sementasi
Kesimpulan dan Implikasi
Kebutuhan akan adopsi teknik perbaikan tanah biologis semakin meningkat dalam skenario teknik stabilisasi tanah yang sedang berkembang saat ini. Fokus penelitian teknologi perbaikan tanah saat ini adalah pada metode biologis yang tangguh, ramah lingkungan, dan hemat energi.
Insinyur geoteknik dan peneliti menerapkan presipitasi kalsium karbonat yang diinduksi secara mikroba (MICP) dan presipitasi kalsium karbonat yang diinduksi oleh enzim (EICP) di seluruh dunia. Presipitasi Kalsium Karbonat (CaCO₃) dengan adanya enzim urease bertindak sebagai komponen fundamental dari kedua proses ini.
MICP menggunakan perlakuan langsung mikroorganisme dengan tanah. Studi stabilisasi tanah menggunakan MICP menunjukkan peningkatan kekuatan yang cukup besar dan presipitasi kalsit yang luar biasa dalam matriks tanah.
Berdasarkan hasil presipitasi tabung perbandingan EICP dan MICP, EICP dapat menjadi pengganti yang baik untuk MICP karena efisiensinya dalam presipitasi serta kemudahan dengan mana laju presipitasi dapat dengan mudah dikontrol.
Karena urease dibuat dalam bentuk yang sangat murni untuk penelitian dan aplikasi yang halus, harganya mahal ketika dibeli secara komersial. Karakteristik kekuatan beragam tanah yang diobati dengan enzim urease dari berbagai sumber (biji semangka, biji kedelai, dan biji kacang jack) mengungkapkan peningkatan yang signifikan dan presipitasi CaCO₃ yang efektif. Jadi, enzim urease yang berasal dari tumbuhan dapat menjadi pengganti yang baik untuk enzim urease yang dijual secara komersial.
Peluang dan Tantangan Masa Depan
Meskipun penelitian ini menunjukkan potensi besar teknik biologis untuk stabilisasi tanah, beberapa tantangan dan peluang penelitian masa depan perlu dipertimbangkan:
- Aplikasi pada Skala Besar: Mayoritas studi dilakukan pada skala laboratorium. Diperlukan penelitian lebih lanjut untuk memvalidasi efektivitas teknik ini pada aplikasi lapangan skala besar.
- Optimalisasi Biaya: Meskipun ekstrak urease kasar dari tumbuhan lebih ekonomis daripada urease komersial, prosedur ekstraksi yang lebih efisien perlu dikembangkan untuk mengurangi biaya lebih lanjut.
- Ketahanan Jangka Panjang: Perilaku jangka panjang tanah yang distabilkan secara biologis, termasuk ketahanan terhadap siklus basah-kering dan fluktuasi suhu, memerlukan investigasi lebih lanjut.
- Variabilitas Bahan Biologis: Variabilitas alami dalam sumber enzim biologi dan aktivitas mikroorganisme dapat mempengaruhi konsistensi hasil. Standardisasi protokol perlu dikembangkan.
- Potensi Integrasi dengan Teknik Tradisional: Kombinasi teknik biologis dengan metode stabilisasi tanah konvensional dapat memberikan solusi hibrida yang mengoptimalkan kinerja dan mengurangi dampak lingkungan.
Secara keseluruhan, stabilisasi tanah biologis menawarkan pendekatan menjanjikan dan berkelanjutan untuk meningkatkan sifat rekayasa tanah, terutama dalam konteks meningkatnya kekhawatiran lingkungan dan kebutuhan akan praktek konstruksi ramah lingkungan. Penelitian lebih lanjut dan implementasi industri akan memainkan peran penting dalam memajukan teknik-teknik ini dari fase eksperimental ke aplikasi praktis yang diterima secara luas.
Sumber : Nair, H. S., & Kannan, K. (2023). A Review on Stabilisation of soil using Biological Soil Improvement Techniques. International Journal of Engineering Research & Technology (IJERT), 12(01), 300-303.