Oleh:

Budiono, SP, MM

Widyaiswara Ahli Madya BBPP Binuang 

1.Karakteristik Biochar (Arang)

 Suatu kajian biochar  sebagai material yang dapat menjadi solusi. Namun untuk mencapainya memerlukan waktu yang tak ekonomis 15-125 tahun. Informasi kekinian menunjukkan rekayasa biochar dengan meningkatkan kualitas sejak proses pyrolysis, pemanfaatan limbah pertanian lokal, penambahan nutrisi layaknya pupuk majemuk dan pengkayaan agen hayati. Inovasi ini telah meminimalkan waktu yang dibutuhkan untuk pembenahan tanah secara simultan interaksi dengan  tanaman, mikroba, tanah dan lingkungan, telah meningkatkan efisiensi dan profitabilitas system tanah. Sehingga dapat mengeliminir hambatan dan system tanah lebih ekonomis dan ekologis(Abdillah & Budi, 2021; Asadi et al., 2021; Dey & Mavi, 2022; Glaser et al., 2002; 

Sifat fisiko-kimia konten elemen biochar  menunjukkan bahwa setelah dilakukan modifikasi, kandungan komponen biochar mengalami perubahan, yaitu menunjukkan bahwa gugus fungsi biochar telah berubah. Setelah periode impregnasi di pengubah, beberapa gugus fungsi telah rusak dan tersusun kembali selama proses pirolisis pada suhu tinggi. Elemen kandungan C dalam tiga biochar sama-sama di atas 78%. Kandungan unsur H dan N kurang dari 6%. Kandungan unsur O biochar termodifikasi alkali lebih tinggi daripada biochar termodifikasi asam, yang mungkin merupakan hasil O terfiksasi oleh oksida logam alkali diendapkan pada permukaan dari zat sisa modifikasi natrium hidroksida (NaOH) setelah proses pirolisis. Dari hasil biochar yang dimodifikasi, dua termodifikasi kondisi tersebut menyebabkan perbedaan kandungan unsur C dan O pada suhu pirolisis yang sama(Dey & Mavi, 2022).

Suhu pirolisis meningkat dari  350°C hingga 650°C, hasil biochar menurun dari 37,23% menjadi 25,43% karena unsur C, H, O dilepaskan dalam bentuk molekul kecil seperti H₂O, CO2, dan CO ketika termal terjadi dekomposisi pada tongkol jagung . Peningkatan suhu pirolitik, konten C tetap meningkat, sedangkan O dan kandungan H dan hasil menurun.  Rasio atom H/C dihitung untuk mengevaluasi derajat karbonisasi biochar. O/C dan (O + N)/C rasio atom menunjukkan indeks polaritas. Nilai maksimum rasio H/C, O/C, dan (O + N)/C terjadi untuk C0,yang merupakan tongkol jagung mentah. Semakin tinggi suhu pirolisis dikaitkan dengan nilai yang lebih rendah dari rasio H / C. Kapan suhu mencapai 350°C, rasio atom H/C menurun dengan cepat (rasio H/C 0,782), kemudian perlahan menurun setelah 450°C,dan pada 650°C rasio H/C adalah yang terendah, menunjukkan hal itu karbonisasi lebih mudah terjadi pada suhu tinggi. 

Pengelolaan secara komprehensif dan integral diperlukan, agar jasa lingkungan  dapat berkontribusi meningkatkan daya dukung lahan sebagai penopang produksi tanaman (padi). Salah satu solusi untuk membenahi permasalahan tanah telah banyak diterapkan penggunaan kapur, abu sekam, kaolin, ziolit dan bahan mineral lain yang kaya kalsium, silikat almunium dan magnesium. Namun dari kelebihan – kelebihan tersebut ditemukan kekurangan diantaranya bahan anorganik jika diterapkan terus menerus dapat menimbulkan pencemaran tanah dan air(Akbari et al., 2021).

Pada akhirnya mengganggu keseimbangan tanah, bahkan akumulasi mineral/logam ikutannya dapat mencemari lingkungan. Oleh karena itu penggunaan limbah fly ash (debu dan partikel logam ) pada energy industry berbahan batu bara dapat merusak lahan pertanian (ekosistem buatan) (Kunecki et al., 2018) Pada jangka waktu tertentu akan menjadi permasalahan baru adanya akumulasi nano alumosilicate baik penjerapan terhadap unsur essensial, mengganggu keseimbangan struktur, tekstur dan keseimbangan habitat mikrobia dan flora dan fauna tanah lainnya (Ramanathan et al., 2020).

Penelitian sebelumnya telah membahas terkait dosis untuk mendapat komposisi yang harmonis bagi pertumbuhan dan produksi tanaman padi. Namun dalam implementasinya ditemukan berbagai permasalahan baru, akibat aktifitas pemupukan yang dilakukan pupuk anorganik, pupuk kompos, pupuk organik cair (POC), penggunaan bahan amelioran kapur, abu, kaolin, zeolite, ( Handayani et al., 2017; Samira et al., 2012; Troy et al., 2015). dan biochar (Chongqing Wang et,al.2022).

Potensi kelimpahan limbah tanaman jagung sangat besar yang meliputi batang, daun dan tongkol sebesar 85% dari total biomasa tanaman jagung yang berkisar 20-25 ton/Ha, yang berpotensi sebagai bahan biochar. Bahan pembenah tanah  dari limbah jagung dapat dihasilkan sebesar 4.13-5.25 ton biochar/Ha (Saleh, 2010).  

Peran biochar meliputi: mengontrol pH,aerasi,porositas tanah pada posisi idial untuk tumbuh dan produksinya tanaman; immobilisasi POC dan Konsorsium Mikrobia; mengontrol status air dan ketersediaan nutrisi tanah (serap , simpan, melepas); meningkatkan potensi KTK,  sehingga idial sebagai habitat (tumbuh, reproduksi, perlindungan) mikrobia;mempunyai gugus karbon rantai dan cincin memperkokoh stabilitasnya dalam lingkungan; dan mampu menjadi remidiator bagi lingkungan yang mengalami stressing ecology. Karena keracunan bahan berbahaya, terpapar logam berat, dan akumulasi disharmonisasi aspek kimia, fisik dan biologi tanah(Abdillah & Budi, 2021; Shan et al., 2016; Shi et al., 2022).    

Solusi yang menjadi bahan kajian dan pertimbangan penelitian ini adalah penerapan kolaborasi biochar dengan pupuk organik cair (POC) Suplemen Tanaman BMT, yang diperkaya konsorsium mikrobia sebagai material “Three In One”(BIOTRON). 

Kolaborasi biochar dengan POC dan konsorsium mikrobia  merupakan keniscahyaan, untuk saling memperkuat peran dan kapasitasnya(Ichriani et al., 2018; Kang et al., 2021; Khataee et al., 2018; Liu et al., 2021; Mian & Liu, 2018; Wang et al., 2023; Yayu Zhang ab; et al., 2022) . Mengingat pemberian POC pada tanaman secara langsung mengalami proses leaching, evaporasi, perkolasi dan run off . Tentu kondisi ini  akan tidak efesien dan kompetitif dalam proses produksi. Kedudukan konsorsium mikrobia dalam POC secara terbuka akan mengancam produktifitas, efektifitas dan eksistensinya. Karena akan mudah terpapar matahari, kontaminasi bahan berbahaya, dan keluar dalam sistem agroekologi lahan pertanian  (Muktamar et al., 2017).

Oleh karena itu menjadi keniscahyaan akan memberikan optimalisasi peran dan kapasitas jika diintegrasikan dengan biochar. Karena biochar mampu memerankan dan mendorong proses immobilisasi nutrisi dan agency hayati (konsorsium mikrobia) kedalam biochar. Biotron sebagai material yang telah diperkaya nutrisi organik dan agen hayati , kaya akan pori-pori , kandungan senyawa karbon sebesar 43.86%, struktur per senyawaannya stabil dengan ikatan cincin dan rantainya, berpotensi beraviliasi lebih beragam dengan senyawa/unsur lain, potensi muatan yang   dinamis, dan ragam peran lainnya yang tak dimiliki bahan pembenah tanah dari material anorganik.

Penelitian multidisiplin karena karakteristik khusus, aplikasi yang luas, dan prospek pengembangan yang menjanjikan. Penelitian dasar dan terapan tentang penerapan biochar di bidang pertanian, lingkungan, dan energi telah meningkat secara dramatis dalam menghadapi ketahanan pangan, pencemaran lingkungan, dan kekurangan energi. Meskipun ada beberapa perselisihan tentang penelitian biochar, banyak penelitian telah menunjukkan pentingnya penelitian biochar dari perspektif kemajuan ilmiah dan aplikasi praktis. Makalah ini secara singkat mengingat kembali sejarah aplikasi biochar; memperkenalkan kemajuan penelitian tentang karakteristik dasar biochar dan teknologi produksi terkaitnya; merangkum status penelitian dan permasalahan aplikasi biochar yang ada di bidang pertanian, lingkungan, dan energi; dan menganalisis potensi masalah dan tren pengembangan penelitian biochar di masa depan(Chen et al., 2019).

Konsep dasar produksi biochar sebagai bahan pembenah tanah, telah banyak dikembangkan dalam proses fisikokimia tanah (Haider dkk., 2017; Liao & Thomas, 2019; Mohammadi dkk., 2017; Wijitkosum & Jiwnok, 2019).Usaha pertanian merupakan kegiatan produksi yang meninggalkan limbah pertanian berlimpah pada tanaman jagung mencapai 45-60%  jika tidak dikelola akan menjadi musibah lingkungan dan meningkatkan resiko usaha pada musim selanjutnya. Oleh karena itu, perlu dikelola menjadi bahan baku sebagai biochar seperti sekam padi, tongkol jagung dan batang singkong. Limbah-limbah ini jumlahnya terus meningkat setiap tahun seiring dengan peningkatan produktivitasnya (Budiono,2020).

Pengelolaan ekosistem dan agro-ekosistem yang berkelanjutan melalui konservasi tanah dan air mendukung usaha pertanian intensif. Fasilitas untuk  mengatasi tantangan ini dapat diwujudkan melalui penambahan biochar pada pupuk organik atau pupuk an organik. Efisiensi biochar dapat ditingkatkan melalui prosedur fisik, kimia dan mikroba. Improvisasi material  biochar dengan pengkayaan nutrisi dan material hayati berkolaborasi menyusun biochar three in one (Biotron). Peran biotron pada pertanian berkelanjutan, remediasi polusi dan percepatan reaksi pembenahan tanah. Karakter biochar yang optimal dapat diwujudkan melalui improvisasi biochar menjadi biotron (Budiono. 2020).

Pemanfaatan karakter biochar yang menguntungkan dan untuk meningkatkan efisiensinya sekaligus meminimalkan resiko. Produksi dan penerapan biochar telah banyak dikaji dan diterapkan sifat fisik dan kimia biochar dan faktor-faktor yang mempengaruhi nya (yaitu, sifat biomassa dan kondisi pirolisis) telah dibahas terdahulu secara rinci. Kualitas biochar dapat ditingkatkan kualitasnya melalui metode aktivasi/modifikasi fisika dan kimia untuk meningkatkan karakteristik biochar dan aplikasi pada lingkungan telah diteliti secara khusus, untuk memutakhirkan rekayasa produksi, sifat, dan aplikasi biochar(Kazemi Shariat Panahi et al., 2020).

Bahan baku biochar berasal dari lignoselulosa dan pupuk kandang yang mengandung kumpulan senyawa organik dan anorganik sebagai bahan pembenah tanah. Namun, tidak semua biochar merupakan bahan pembenah tanah yang layak; ini karena sifat fisik dan kimianya bervariasi karena komposisi unsur bahan baku, proses pengolahan, dan perbedaan ukuran partikel. Biochar dapat memberikan fungsi dan peran yang lebih efektif sebagai pembenah tanah,  dengan sifat-sifat yang relevan sebagai bahan pembenah tanah yang berhasil melalui pemilihan bahan baku, kondisi pirolisis, dan pilihan ukuran partikel (Novak et al., 2014).

Identifikasi dan kuantifikasi sifat biochar penting untuk mencapai hasil yang optimal dalam pertanian atau lingkungan. Teknik spektroskopi canggih dapat diadopsi dalam karakterisasi biochar. Pemilihan metode yang tepat sangat penting untuk menilai sifat biochar secara akurat dan konsisten. Metode untuk mengkarakterisasi biochar dapat dilakukan dengan analisis proksimat, ultimate, fisikokimia, permukaan dan struktural, dan sifat biochar penting untuk berbagai aplikasi(Igalavithana et al., 2018).

Peran biochar  diantaranya dapat meningkatkan kualitas fisik tanah, kapasitas aerasi dan menahan air lebih baik,jika dibandingkan bahan pembenah tanah lainnya seperti kapur, zeolite, kaolite, dan biomasa bentuk lainnya. Biochar mampu memperbaiki kepadatan tanah, meningkatkan porositas dan mengurangi evapotranspirasi (Haider dkk., 2017).

Kualitas biochar ditentukan oleh  proses produksi dan pemanfaatan  biochar yang sesuai tujuan (Hossain dkk., 2020). Sifat  fisikokimia  biochar  yang  dihasilkan  selama  pirolisis, berpengaruh terhadap penyimpanan  (Hou.J a ,dkk.2022); slow release    nutrisi    tanah   (Nyambishi & Mapope, 2017);    ketersediaan    karbon,    menyediakan    perlindungan    fisik mikroorganisme  terhadap  predator  sehingga  keragaman mikroba  dan  jasa ekosistem tanah dapat meningkatkan eksistensinya.  Struktur biochar dengan luas permukaan yang tinggi memberikan  perlindungan  bagi  bakteri,    dan  mempengaruhi  pengikatan  kation  dan  anion nutrisi  yang  penting (Rawat et  al., 2019).

Selain  itu  struktur molekul  biochar  menunjukkan tingkat stabilitas kimia dan perlekatan mikroba yang tinggi.  Efek perbaikan biochar terhadap sifat tanah berdampak langsung  terhadap pertumbuhan tanaman karena ketersediaan udara dan air di zona perakaran. Biochar yang dihasilkan oleh pirolisis suhu rendah, dicirikan oleh kadar volatil yang tinggi dengan kandungan substrat yang mudah terurai, sehingga dapat mendukung pertumbuhan tanaman (Robertson et al., 2012; Mukherjee & Zimmerman, 2013).

Jenis  bahan  baku  adalah  faktor  penting  lain  yang  menentukan  aplikasi  biochar  dan efeknya  di  dalam  tanah,  karena  sifat-sifatnya  dipengaruhi  oleh  biomassanya (Jindo et  al.,2014). Studi  tentang  struktur  biomassa  mengungkapkan  bahwa  selulosa,  hemiselulosa  dan lignin adalah bahan utama biomassa yang mempengaruhi hasil produk pirolisis (Tripathi, Sahu & Ganesan 2016). Kandungan lignin dan selulosa memiliki pengaruh terhadap pembentukan biochar (Klosset al.,2012). Potensi bahan baku biochar yang sangat besar ini memberikan peluang perbaikan lahan terutama  di  lahan  kering.  Hal  ini  berkaitan  dengan  peran  biochar  yang  dapat  meningkatkan retensi air dan unsur hara. Karakter fisik biochar seperti luas permukaan,bentuk,struktur dan porositas, berperan penting terhadap retensi air tanah (Andrenelli et al.,2016; Liu et al., 2017), retensi  hara  dan  aerasi, (Githinji,  2014,  Drahansky et  al.,  2016).    Selain  itu,  biochar  dapat memperbaiki    sifat  kimia  tanah  seperti  pH  tanah (Agegnehu et  al.,  2017) dan  KTK  yang berkaitan dengan retensi hara (Novak et al., 2009), sehingga efisien dalam penggunaan nitrogen dengan biochar.

Pengaruh jenis bahan baku biomassa, suhu pirolisis, pH media reaksi, dan perlakuan bahan baku pra-pirolisis  pada kapasitas penukar anion biochar , kapasitas tukar kation, titik muatan bersih nol, dan titik efek nol garam . Hubungan antara titik muatan bersih nol (TMBN), dan titik efek nol garam (TENG). Peran permukaan biochar dipengaruhi keberadaan gugus fungsional muatan permukaan yang tidak stabil (dapat dihidrolisis). Biochar Tongkol Jagung, Cangkang, Tandan Kosong Kelapa Sawit berdasarkan Sifat Kimia (Rogovska et  al.,  2014) dan  berkontribusi  terhadap  aktivitas  mikroba(Herliana dkk., 2021). Kapasitas biochar untuk menyerap kontaminan ionik sangat dipengaruhi oleh kimia permukaan biochar.

LAYANAN KONSULTASI

Inovasi Biotron :082153588119