Air yang tampak jernih belum tentu benar-benar bersih. Di banyak tempat di dunia, jejak obat-obatan kini ditemukan mengalir di sungai, danau, bahkan air tanah. Salah satu yang paling sering terdeteksi adalah antibiotik golongan tetrasiklin. Obat ini telah lama digunakan untuk mengobati infeksi pada manusia dan hewan ternak. Sejak pandemi, penggunaannya meningkat tajam di berbagai sektor, memperbesar kemungkinan residunya masuk ke lingkungan.
Masalahnya, tetrasiklin memiliki struktur kimia yang stabil dan sulit terurai secara alami. Sebagian besar senyawa induknya dapat bertahan di perairan dalam konsentrasi sangat kecil, tetapi cukup untuk menimbulkan dampak ekologis. Residu antibiotik ini dapat mengganggu mikroorganisme air, merusak keseimbangan ekosistem, dan memicu munculnya gen resistensi antibiotik. Dalam jangka panjang, kondisi ini berpotensi melahirkan bakteri kebal obat yang sulit dikendalikan.
Berbagai metode telah dikembangkan untuk mengatasi pencemaran antibiotik, mulai dari proses oksidasi canggih hingga filtrasi membran. Namun banyak teknologi tersebut membutuhkan biaya tinggi dan operasional rumit. Di tengah tantangan itu, pendekatan yang lebih sederhana kembali dilirik: adsorpsi, atau proses “menangkap” molekul pencemar menggunakan bahan penyerap.
Salah satu bahan yang banyak diteliti adalah biochar, arang kaya karbon yang dihasilkan dari pemanasan biomassa dalam kondisi minim oksigen. Biochar memiliki permukaan luas dan berpori, dilengkapi gugus fungsi kimia yang dapat berinteraksi dengan berbagai zat. Ia dapat dibuat dari limbah pertanian, kayu, atau bahan organik lain, menjadikannya relatif murah dan ramah lingkungan.
Namun biochar biasa masih memiliki keterbatasan. Beberapa jenis memiliki luas permukaan yang belum optimal, sifat hidrofilik rendah, serta jumlah situs aktif yang terbatas untuk menangkap molekul kompleks seperti antibiotik. Untuk mengatasi kelemahan ini, para peneliti mengembangkan berbagai teknik modifikasi.
Salah satu pendekatan adalah membuat biochar menyerupai struktur grafena, dikenal sebagai graphene-like biochar. Melalui perlakuan alkali tertentu, struktur karbonnya menjadi lebih terbuka dan berlapis, sehingga luas permukaan dan volume porinya meningkat. Pendekatan lain adalah menambahkan unsur nitrogen ke dalam struktur biochar, proses yang disebut nitrogen doping. Penambahan nitrogen dapat mengubah sifat elektronik dan kimia permukaan, menciptakan lebih banyak titik interaksi dengan molekul pencemar.
Menariknya, efek penambahan nitrogen tidak selalu sama pada setiap jenis biochar. Pada biochar biasa, dampaknya terhadap kemampuan menyerap tetrasiklin bisa bervariasi tergantung kondisi larutan. Namun pada biochar yang telah dimodifikasi menyerupai grafena, penambahan nitrogen cenderung secara konsisten meningkatkan daya serapnya.
Mengapa demikian?
Proses adsorpsi tidak hanya bergantung pada luas permukaan, tetapi juga pada cara molekul antibiotik berinteraksi dengan permukaan karbon. Dua mekanisme utama yang berperan adalah pengisian pori dan gaya tarik antarmolekul, termasuk gaya van der Waals dan interaksi elektrostatik. Ketika nitrogen ditambahkan, interaksi elektrostatik antara permukaan biochar dan molekul tetrasiklin cenderung menguat. Artinya, ada gaya tarik tambahan yang membantu “mengunci” molekul antibiotik di permukaan.
Sementara itu, gaya van der Waals yang bersifat lebih lemah dan umum tidak banyak berubah akibat penambahan nitrogen. Dengan kata lain, nitrogen doping terutama memperkuat aspek muatan dan interaksi listrik, bukan semata-mata memperbesar luas permukaan.
Pemahaman ini penting karena membantu menjelaskan mengapa biochar grafena yang diberi nitrogen menunjukkan peningkatan performa lebih stabil dibandingkan biochar biasa. Struktur grafena menyediakan ruang dan pori yang memadai, sementara nitrogen memperkaya titik aktif yang memperkuat interaksi dengan antibiotik.
Di balik detail kimia yang kompleks, ada pesan sederhana. Limbah biomassa yang diolah dengan tepat dapat menjadi alat efektif untuk menangani pencemaran antibiotik. Dengan rekayasa struktur dan komposisi yang cermat, biochar dapat ditingkatkan kemampuannya untuk menangkap senyawa yang sulit terurai.
Dalam konteks krisis resistensi antibiotik global, inovasi seperti ini memberi harapan. Membersihkan air dari residu obat bukan sekadar soal kualitas lingkungan, tetapi juga soal kesehatan publik jangka panjang. Air yang bebas dari jejak antibiotik membantu menjaga keseimbangan mikroba alami dan menekan risiko munculnya bakteri kebal obat.
Perjalanan dari limbah biomassa menjadi material canggih penyerap polutan menunjukkan bahwa solusi lingkungan tidak selalu harus mahal dan rumit. Terkadang, jawabannya ada pada arang sederhana yang dimodifikasi dengan cermat, bekerja diam-diam menyaring ancaman tak kasatmata dari aliran air kita.