2 Tinjauan Pustaka

2.1 Nitrogen Amonia

Nitrogen merupakan nutrien dasar untuk semua bentuk kehidupan, bahkan perubahan yang

sangat kecil dari kadar nitrogen yang tersedia di alam dapat mempengaruhi tingkat

kehidupan mikroorganisme, tumbuhan dan hewan.4

Pada air dan air limbah, bentuk-bentuk nitrogen yang sangat menarik perhatian yaitu nitrat,

nitrit, amonia, dan nitrogen organik. Semua bentuk nitrogen ini, begitu juga gas nitrogen

(N2), dapat dipertukarkan secara biokimia dan merupakan komponen dari siklus nitrogen.5

Siklus nitrogen di lingkungan hidrosfer dapat diilustrasikan sebagai Gambar 2.1 berikut.

Gambar 2.1 Siklus nitrogen di lingkungan hidrosfer

Nitrogen organik didefinisikan sebagai nitrogen yang terikat dengan karbon, yang

mempunyai bilangan oksidasi negatif tiga. Nitrogen organik dan amonia dapat ditentukan

secara bersama-sama dan disebut sebagai nitrogen kjeldahl. Yang termasuk nitrogen organik

antara lain protein dan peptida, asam nukleat dan urea. Konsentrasi nitrogen organik

bervariasi dari 100 µg L-1 di beberapa danau hingga lebih dari 20 mg L-1 pada limbah

mentah.5

Total nitrogen teroksidasi merupakan penjumlahan nitrogen nitrat dan nitrit. Nitrat biasanya

terdapat dalam skala renik pada permukaan air tetapi dapat mencapai skala yang tinggi pada

air tanah. Pada jumlah yang berlebihan, nitrat berkontribusi terhadap penyakit yang dikenal

sebagai metemoglobinemia pada bayi. Dengan batas 10 mg nitrat sebagai nitrogen L-1 telah

ditetapkan pada air minum untuk mencegah penyakit ini. Nitrat merupakan nutrien yang

penting untuk autotrof yang berfotosintesis dan telah dikenal sebagai nutrien pembatas-

pertumbuhan (growth-limiting nutrient).5

Nitrit merupakan nitrogen dengan bilangan oksidasi di antara nitrat dan nitrogen organik.

Nitrit dapat masuk ke dalam sistem persediaan air karena kegunaannya sebagai inhibitor

korosi pada industri pemrosesan air. Nitrit merupakan agen etiologik yang sebenarnya dari

metemoglobinemia. Asam nitrit, yang dibentuk dari nitrit dalam larutan asam, dapat bereaksi

dengan amina sekunder (RR’NH) membentuk nitrosamin (RR’N-NO), yang diketahui

karsinogen.5

Amonia terbentuk secara alami pada air permukaan dan air limbah. Konsentrasinya rendah

pada air tanah karena amonia teradsorbsi ke partikel tanah dan tidak segera dilepaskan dari

tanah. Amonia diproduksi dari deaminasi senyawa yang mengandung nitrogen organik dan

dari hidrolisis urea. Konsentrasi amonia dalam air bervariasi dari 10 µg nitrogen amonia L-1

pada air permukaan dan air tanah hingga lebih dari 30 mg L-1 pada air limbah.5

Oleh karena itu, untuk mempermudah pembahasan kita tentang nitrogen, dapat dinyatakan

bahwa nitrogen organik ditulis sebagai N organik, nitrogen nitrat sebagai N-NO3-, nitrogen

nitrit sebagai N-NO2-, dan nitrogen amonia sebagai N-NH3.5

Amonia merupakan produk akhir utama dari dekomposisi protein pada ikan dan organisme

air lainnya. Sumber utama senyawa nitrogen pada pembudidayaan ikan berasal dari makanan

yang mengandung protein. Oleh karena itu, kecepatan penghasilan amonia oleh ikan

sebanding dengan kecepatan pemberian makanan untuk ikan. Amonia dieksresikan terutama

melalui insang, dan dalam urin dan feces. Amonia juga dihasilkan selama dekomposisi zat

organik, seperti sisa makanan, oleh bakteri.6

Penentuan amonia dalam air dilakukan dengan mengukur ammoniacal nitrogen yaitu

penjumlahan NH3 dan NH4+. Dalam air, terdapat amonia (tak terionisasi) yang beracun

4

(NH3) dan ion amonium (terionisasi) yang relatif tidak beracun (NH4+). Nitrogen amonia

akan berada sepenuhnya sebagai NH4+ pada pH air yang ada di alam. Bentuk amonia dan ion

amonium dapat berubah satu sama lain dengan mudah, dengan perbandingan amonia

terhadap amonium yang sangat bergantung pada pH dan suhu. Amonium terdapat paling

banyak ketika pH di bawah 8,75, dan amonia terdapat paling banyak ketika pH di atas 9,75.

Total amonia nitrogen (TAN) merupakan penjumlahan dari konsentrasi amonium dan

amonia.4

Pada analisis air, kegunaan mengetahui konsentrasi TAN selain untuk memahami

biogeokimia nitrogen pada ekosistem air4,7, juga mempunyai gambaran menyeluruh tentang

lingkungan yang merupakan akibat dari aktivitas manusia dan polutan atau mengetahui

tingkat eutrofikasi. Selain itu, konsentrasi TAN digunakan sebagai parameter kualitas air.4

2.2 Toksisitas Nitrogen Amonia

Jika pada ikan terdapat amonia secara kronis atau berlangsung lama dengan konsentrasi 0,01

mg L-1, dapat mengakibatkan kelainan pertumbuhan pada ikan seperti kerusakan pada insang

dan ginjal, penurunan pertumbuhan, kerentanan terhadap penyakit, gagal berfungsinya otak,

dan penurunan dalam kemampuan mengikat oksigen. Sedangkan toksisitas jangka pendek

dari amonia dapat mengakibatkan kematian pada ikan atau sindrom akuarium baru, dalam

beberapa hari, mulai dari konsentrasi 0,1 mg L-1.6,8

2.3 Reaksi Berthelot

Reaksi pembentukan senyawa indotimol biru, pertama kali dijelaskan oleh Berthelot pada

1859, sudah sangat lazim digunakan untuk penentuan nitrogen amonia secara

spektrofotometri.

Reaksi Berthelot adalah reaksi amonia dengan hipoklorit yang menghasilkan monokloramin,

yang kemudian bereaksi dengan timol, pada suasana basa, menghasilkan indotimol biru.9

5

Struktur senyawa indotimol biru yang terbentuk seperti terlihat pada Gambar 2.2 berikut.

Gambar 2.2 Struktur senyawa indotimol biru

Senyawa indotimol biru yang terbentuk mempunyai serapan maksimum di daerah sinar

tampak pada panjang gelombang 672 nm dengan intensitas yang cukup baik. Oleh karena itu

dapat digunakan sebagai pereaksi untuk analisis nitrogen amonia secara spektrofotometri.

2.4 Metode Analisis untuk Nitrogen Amonia

Penentuan amonia, khususnya pada konsentrasi rendah, memerlukan reaksi kimia untuk

mengubah analit menjadi senyawa turunannya sehingga dapat dianalisis secara kolorimetri.7

Dua metode kolorimetri yang sesuai untuk analisis air yaitu metode Nessler dan fenat. Kedua

metode ini akan dijelaskan kemudian. Reaksi menggunakan reagen tipe indofenol (metode

fenat) merupakan cara yang masih banyak digunakan.7

2.4.1 Metode Nessler

Pada tahun 1856 J. Nessler pertama kali mengusulkan larutan basa merkuri (II) iodida dalam

kalium iodida (K2HgI4) sebagai pereaksi untuk penentuan amonia secara kolorimetri.10,11

Sejak itu, berbagai modifikasi dari reagen yang digunakan telah dilakukan. Ketika pereaksi

Nessler direaksikan dengan larutan amonium, amonia bereaksi dengan pereaksi tetapi tidak

seketika membentuk hasil yang berwarna jingga-coklat, tetapi terflokulasi dengan lama.

Hasil yang berwarna jingga-coklat ini mempunyai rumus NH2Hg2I3 (Nichols dan Willets,

1934).11 Akan tetapi metode ini mempunyai kelemahan di antaranya menggunakan logam

berat sebagai pereaksi dan hanya bereaksi dengan amonium (NH4+).

2.4.2 Metode Fenat

Pembentukan warna dari reaksi amonia dengan fenol dan hipoklorit, pertama kali dijelaskan

oleh Berthelot pada 1859, merupakan dasar dari metode indofenol. Metode ini telah diteliti

6

lebih luas, dan berbagai modifikasi dari prosedur ini telah diusulkan. Russell menggunakan

ion mangan (II) untuk mempercepat reaksi, sedangkan peneliti lain menggunakan natrium

nitroprusida sebagai katalis. Akan tetapi, ada juga beberapa metode indofenol yang tidak

menggunakan katalis. Pada beberapa prosedur, kloramin-T digunakan menggantikan

hipoklorit. Timol telah digunakan sebagai pengganti fenol.10

Weatherburn, setelah meneliti faktor-faktor yang mempengaruhi kebolehulangan warna

indofenol, menganjurkan penggunaan pereaksi fenol, natrium nitroprusida dan hipoklorit

seperti yang dahulu digunakan oleh Chaney dan Marbach.

2.4.3 Metode Indotimol

Pada metode indotimol digunakan timol sebagai pengganti fenol, natrium nitroprusida

sebagai katalis dan hipoklorit. Pengukuran serapan indotimol biru dilakukan pada panjang

gelombang 672 nm.

Selain metode spektrofotometri yang telah disebutkan di atas, nitrogen amonia dapat juga

dianalisis dengan metode kromatografi penukar ion atau dengan metode elektrometri

menggunakan elektroda selektif ion.

2.5 Prakonsentrasi menggunakan silika-C18

Prakonsentrasi merupakan suatu teknik untuk memekatkan analit sehingga konsentrasinya

naik agar dapat diukur secara kuantitatif oleh alat ukur.

Ekstraksi fasa-padat merupakan teknik prakonsentrasi yang memiliki kelebihan

dibandingkan ekstraksi cair-cair, seperti penggunaan pelarut yang lebih sedikit, waktu

ekstraksi untuk preparasi analit yang lebih cepat dan potensial untuk otomatisasi.12,13

Silika-C18 adalah salah satu jenis material yang dapat digunakan pada teknik ekstraksi fasa-

padat. Silika-C18 bersifat nonpolar (fasa terbalik), berbentuk butiran halus berwarna putih,

dengan ukuran pori 60 Ǻ dan stabil pada kebanyakan pelarut organik. Silika-C18 tidak

menunjukkan gejala pengembangan ataupun penyusutan.12 Unsur renik dapat tertahan pada

silika-C18 melalui interaksi van der Waals.13

7

Struktur silika-C18 dapat dilihat pada Gambar 2.3 berikut ini.

Gambar 2.3 Struktur silika-C18

Ketika silika-C18 yang bersifat hidrofobik digunakan, reagen pasangan ion direaksikan ke

larutan analit, yang bersifat ionik, terlebih dahulu. Reagen pasangan ion ini memiliki bagian

hidrofobik dan bagian ionik. Bagian hidrofobik dari reagen pasangan ion akan berinteraksi

dengan silika-C18 yang hidrofobik, sedangkan bagian ionik dari reagen pasangan ion akan

membentuk pasangan ion dengan analit.13

2.6 Analisis Injeksi Alir (Flow Injection Analysis / FIA)

Analisis injeksi alir (Flow Injection Analysis) merupakan metode analitik berdasarkan

penginjeksian sampel ke suatu aliran yang tidak bersegmen. Aliran tersebut menuju ke suatu

detektor atau sensor untuk direkam sebagai sinyal analitik yang kontinu.14

Analisis injeksi alir merupakan metode yang ideal untuk otomatisasi analisis sampel dalam

bentuk larutan. Teknik prakonsentrasi yang dikombinasikan dengan metode FIA memiliki

keunggulan dibandingkan dengan proses prakonsentrasi biasa. Teknik prakonsentrasi yang

dikombinasikan dengan metode FIA berlangsung dalam saluran dan reaktor tertutup

sehingga dapat menghindari proses analisis dari kesalahan yang mungkin terjadi akibat

pergantian alat, ataupun kontaminasi. Selain itu, pengukuran dengan sistem FIA memerlukan

jumlah analit dan reagen yang lebih sedikit, dan menghasilkan presisi yang lebih baik

dibandingkan dengan metode analisis biasa.14 Gambar 2.4 memperlihatkan rangkaian sistem

FIA yang digunakan.

Minikolom

Pompa

Carrier Katup

Sampel/eluen

Detektor

Gambar 2.4 Rangkaian sistem FIA

8

Pompa peristaltik dalam sistem FIA digunakan untuk mendorong cairan (sampel, reagen

maupun carrier) melalui pipa penyalur menuju pipa pencampur, dengan kecepatan alir yang

stabil. Kecepatan alir dari pompa dapat diatur dan divariasikan.

Sistem katup 8 jalur digunakan untuk memasukkan sampel maupun eluen dengan volume

tertentu ke dalam aliran carrier. Sistem katup ini digunakan untuk mencegah adanya faktor

pengganggu dalam sistem zona sampel seperti udara yang kadang-kadang dapat memberikan

sinyal pada rekorder.

Jenis detektor yang dipilih disesuaikan dengan karakteristik analit. Pengukuran analit yang

memiliki serapan di daerah sinar tampak atau UV dapat menggunakan detektor berupa

spektrofotometer UV-Vis. Instrumentasi lain dapat dipergunakan sebagai detektor,

disesuaikan dengan kebutuhan, ketersediaan alat, dan tentunya tujuan analisis. Detektor

dapat pula dikombinasikan dengan rekorder sehingga sinyal yang dihasilkan instrumen dapat

direkam secara digital.

2.7 Kinerja Analitik

Untuk mengevaluasi layak tidaknya suatu metode analisis, beberapa besaran kinerja seperti

presisi, linieritas, kepekaan dan limit deteksi harus memberikan nilai yang memenuhi

persyaratan tertentu.

2.7.1 Presisi

Presisi menggambarkan kebolehulangan dari pengukuran, yaitu kedekatan antara nilai data

yang satu dengan nilai data yang lain, yang diperoleh dengan kondisi pengukuran yang sama.

Presisi pengukuran dapat ditentukan dengan melakukan pengukuran berulang. Presisi

biasanya dinyatakan sebagai standar deviasi, atau koefisien variansi.12

2.7.2 Linieritas

Linieritas pengukuran suatu metode analitik adalah kemampuan untuk memberikan

transformasi matematika yang bagus dan proporsional antara konsentrasi analit dalam

sampel dengan daerah konsentrasi yang diberikan. Biasanya linieritas dievaluasi secara

grafik, yaitu dengan plot antara tinggi puncak atau luas puncak analit sebagai fungsi dari

konsentrasi analit, yang biasa disebut kurva kalibrasi.12 Rentang dinamik pengukuran

diperoleh dari daerah linier pengukuran. Semakin besar nilai rentang dinamik pengukuran

maka menandakan kinerja analitiknya semakin bagus.

9

2.7.3 Kepekaan

Besaran ini menunjukkan seberapa besar konsentrasi analit harus diubah agar diperoleh

perubahan sinyal analitik yang kuantitatif.

2.7.4 Limit deteksi

Limit deteksi dapat diartikan konsentrasi minimum analit yang masih terdeteksi secara

kuantitatif oleh alat ukur.12 Limit deteksi dapat dihitung melalui perbandingan sinyal analit

(S) terhadap sinyal blanko (N). Nilai S/N = 3 umumnya dipakai sebagai patokan besaran

limit deteksi. Nilai sinyal blanko merupakan nilai rata-rata dari pengukuran berulang blanko

sebanyak minimal 10 kali.

10