BUKU AJAR
EKOTOKSIKOLOGI (BIO 409)
DISUSUN OLEH: ANDHIKA PUSPITO NUGROHO, M.Si.
FAKULTAS BIOLOGI UNIVERSITAS GADJAH MADA JULI 2004
Minggu I PENDAHULUAN Latar Belakang Ekotoksikologi dari kata Ekologi dan Toksikologi
timbul karena adanya
efek bahan kimia di lingkungan (ekosistem) organisme
Ekotoksikologi mempelajari efek toksik substansi (substances) pada non human species dalam suatu kompleks sistem (system) (Gambar 1).
Gambar 1. Ekotoksikologi merupakan studi multidisipliner mengenai efek toksik substansi pada species dalam kompleks sistem (Leuween 1995). Tabel 1 menunjukkan disiplin dan bidang kajian ekotoksikologi.
Tabel 1. Disiplin ekotoksikologi dan beberapa topik penelitian (Leuween 1995). Kimia
Ekologi
Toksikol
Matematik
Exposure
Effect ogi assessment
Struktur komunitas
Envi. fate amodels
assessment
Modes of toxic
Fungsi komunitas
Phamacokinetic
Transpor
action
Dinamika populasi
models LC50 &
Partitioning
Bioakumulasi
Siklus nutrien
NOEC statistics
Transformasi
Biotransformasi
Various
Species2
SARs/QSARs
Ekstrapolasi
interactions
extrapolation Population
&
ecosystem models Efek ekotoksikologis yang dipelajari merupakan respon pada tingkat organisasi biologis, dari tingkat molekular-ekosistem (Gambar 2). Berdasarkan gambar tersebut, perubahan biokimiawi merupakan salah satu respon molekular yang dapat dipelajari. Respon biokimiawi terjadi dalam waktu paling singkat, setelah organisme mengalami pendedahan suatu bahan kimia (polutan). Selain itu, respon tersebut merupakan respon yang paling mudah untuk mengetahui hubungan respon dengan bahan kimia spesifik. Namun, berdasarkan relevansi ekologis, respon biokimiawi menunjukkan relevansi yang paling rendah.
Gambar 2. Skema hubungan antara respon terhadap polutan pada tingkat organisasi biologis dengan peningkatan waktu respon, peningkatan kesulitan untuk mengetahui hubungan respon dengan bahan kimia spesifik, dan increasing importance (Walker et al. 2001).
Adanya polutan dalam suatu lingkungan (ekosistem), dalam waktu singkat, dapat menyebabkan perubahan biokimiawi suatu organisme. Selanjutnya perubahan tersebut dapat mempengaruhi perubahan fisiologis dan respon organisme, perubahan populasi, komposisi komunitas, dan fungsi ekosistem (Gambar 2). Perubahan biokimiawi sampai dengan ekosistem menunjukkan adanya peningkatan waktu respon terhadap bahan kimia, peningkatan kesulitan untuk mengetahui hubungan respon dengan bahan kimia spesifik, dan increasing importance. Berdasarkan Gambar 2, apabila terjadi perubahan komposisi komunitas, hal tersebut diawali dengan adanya perubahan biokimiawi individu — individu dari populasi penyusun komunitas, yang selanjutnya diikuti perubahan fisiologis, respon organisme (kematian dan kemampuan reproduksi), dan perubahan populasi, yang pada akhirnya mempengaruhi komposisi komunitas. Gambar 3 menunjukkan sumber, distribusi, transpor, dan transformasi polutan serta efek (respon) pada individu, populasi, komunitas, dan ekosistem. Berdasarkan gambar tersebut, polutan dilepaskan dari sumber polutan ke dalam ekosistem, selanjutnya mengalami proses distribusi dan transpor melalui daur atau siklus biogeokimia serta mengalami transformasi, balk secara fisik atau biologis. Polutan tersebut kemudian dapat diuptake oleh organisme dan dapat menyebabkan efek lethal (kematian) dan sublethal. Dalam tubuh organisme, polutan dapat mengalami biotransformasi dan bioakumulasi. Selanjutnya, terjadi perubahan karakteristik dan dinamika populasi (reproduksi, imigrasi, recruitment, mortalitas), struktur dan fungsi komunitas (diversitas spesies, perubahan hubungan predator — prey), dan fungsi ekosistem (respirasi terhadap rasio fotosintesis, laju siklus nutrien, dan pola aliran nutrien). Rute masuknya polutan ke dalam lingkungan 1.
Secara alami
a. Mengikuti daur biogeokimia b. Pelapukan batuan c. Aktivitas/letusan gunung berapi 2.
Disebabkan aktivitas manusia
a. Pelepasan unintended (kecelakaan nuklir, penambangan, kecelakaan kapal) b. Pembuangan berbagai jenis limbah ke lingkungan secara sengaja maupun tidak sengaja
c. Aplikasi biocide dalam penanganan hama dan vektor
Gambar 3. Sumber, distribusi, transpor, dan transformasi polutan serta respon terhadap polutan pada organisme, populasi, komunitas, dan ekosistem (Francis 1994).
Minggu II KELAS UTAMA POLUTAN Klasifikasi utama polutan (Walker et al. 2001 : 3 — 22) 1.
2.
Ion anorganik a.
Metal : kadmium (Cd), timbal (Pb), seng (Zn), mangan (Mn), merkuri (Hg)
b.
Anion : nitrat dan fosfat
Polutan organik Senyawa organik : senyawa yang mengandung karbon (C), kecuali CO 2 dan CO
3.
a.
Hidrokarbon : Polycyclic Aromatic Hydrocarbon (PAH)
b.
Polychlorinated Biphenyls (PCBs)
c.
Polychlorinated Dibenzodioxins (PCDDs)
d.
Polychlorinated Dibenzofurans (PCDFs)
e.
Polybrominated Biphenyls (PBBs)
f.
lnsektisida organoklorin (DDT, aldrin, dieldrin, dan lindane)
g.
Insektisida organofosfat
h.
lnsektisida karbamat
i.
Insektisida piretroid
j.
Herbisida fenoksida
k.
Rodentisida antikoagulan I. Deterjen m. Klorofenol
Senyawa organometalik Senyawa hasil ikatan antara logam dengan ligan organik, misalnya senyawa organomerkuri (metilmerkuri) dan organotimbal
4.
Isotop radioaktif (radionuklida)
5.
Polutan gas Ozon (03) dan oksida karbon, nitrogen, dan sulfur
Minggu III EMISI DAN TRANSPOR POLUTAN SERTA NASIB POLUTAN DALAM LINGKUNGAN A. Emisi dan Tipe Emisi Emisi Pelepasan polutan dari sumbernya atau pelepasan polutan ke dalam kompartemen lingkungan yang lain atau yang lebih lugs (kompartemen lingkungan dibedakan menjadi air, tanah atau sedimen, udara, dan organisme). Secara alami, emisi suatu substansi ke dalam kompartemen lingkungan yang lain, dapat disebabkan adanya letusan gunung berapi (gas SO2), pelapukan batuan (mineral), adanya angin (Pb di udara, yang berasal dari kendaraan bermotor, dapat terbawa angin dan terdeposisi dalam tanah) atau terbawa air . Tipe emisi : 1.
Continuous emissions Emisi yang terjadi dengan laju aliran konstan dalam periode waktu yang panjang Contoh
: emisi bahan kimia dari proses produksi yang kontinyu (kilang minyak-oil refinery).
2.
Block emissions Emisi dengan laju aliran yang konstan pada waktu tertentu dan terdapat interval waktu tanpa atau rendah emisi. Contoh
: emisi dari lalu lintas dalam sehari, pada jam sibuk, terjadi emisi gas buangan kendaraan bermotor yang tinggi.
3.
Peak emissions Emisi polutan dalam jumlah besar, yang terjadi dalam waktu singkat, tetapi jarak antar emisi dapat terjadi dalam waktu yang lama. Contoh
: emisi spent liquid setelah isolasi suatu substansi dalam batch process.
Berkaitan dengan emisi, ada beberapa tipe sumber polutan : 1.
Point sources Sumber polutan, berupa satu atau beberapa titik, yang dapat dikuantifikasi berdasarkan jumlah polutan yang diemisikan dari sumber.
2.
Diffuse sources Kumpulan small point sources dengan tipe sama
3.
Line sources Kumpulan besar small point sources dengan tipe sama (mobile), yang terdistribusi sepanjang jalur tertentu.
4.
Area sources Konsentrasi sejumlah point sources
Emisi berhubungan dengan risk assessment where and when? B. Transpor Setelah masuk ke dalam lingkungan, bahan kimia ditranspor dan dapat ditransformasi menjadi bahan kimia yang lain. Transpor dapat terjadi dalam suatu kompartemen, misalnya dalam udara atau tanah, atau antar kompartemen, antara air udara, udara - tanah, dan air - tanah (Gambar 4). Mekanisme transpor : 1.
Transpor Intramedia (dalam suatu kompartemen) Transpor intramedia terjadi dalam kompartemen yang mobile, yaitu air dan udara, melalui mekanisme adveksi dan dispersi. Adveksi menyebabkan bahan kimia berpindah dari suatu tempat ke tempat lain, sebagai hasil aliran atau pergerakan medium (kompartemen). Sedangkan dispersi menyebabkan terjadi perpindahan bahan kimia, yang disertai dengan penurunan gradien konsentrasi.
2.
Transpor Intermedia (antar kompartemen) Transpor intermedia jugs terjadi melalui mekanisme adveksi dan dispersi. Proses adveksi terjadi jika suatu bahan kimia ditranspor dari suatu kompartemen ke kompartemen lain oleh adanya physical carrier, misalnya deposisi fog, raindrop, dan aerosol dari udara ke tanah atau air. Intermedia dispersi terjadi seperti intramedia dispersi, misal volatilizasi dan absorpsi gas (udara - air dan udara - tanah).
Gambar 4. Transpor intramedia dan intermedia. 1, 5, 8 : adveksi dan dispersi intramedia; 2, 3, 4, 6, dan 7 : adveksi dan dispersi intermedia (Berg et al. 1995). Dalam suatu sistem yang terdiri dari lebih dari satu fase atau kompartemen (phase or compartment), bahan kimia cenderung untuk bermigrasi dari satu fase ke fase yang lain (transpor intermedia), jika fase-fase tersebut belum mencapai ekuilibrium (Gambar 5). Faktor yang mempengaruhi tFaktor yang mempengaruhi transpoalam lingkungan : 1.
Solubilitas dalam air Jumlah maksimum senyawa yang larut dalam air murni pada scat ekuilibrium dan suhu tertentu. Solubilitas dalam air menentukan a.
distribusi,
b.
mobilitas, dan
c.
efek bahan kimia.
Gambar 5. Sifat
senyawa
(compound
properties)
yang
menunjukkan
ekuilibrium antara 2 fase (Berg et al. 1995). 2.
Octanol — water partition coefficient (Kow) Kow merupakan rasio konsentrasi bahan kimia (X) organik pada scat ekuilibrium dalam fase octanol dengan konsentrasi bahan tersebut (X) dalam fase air (Gambar 6). Octanol merupakan model solven, yang dipandang menyerupai lipid dalam organisme dan karbon organik dalam tanah. Kow berguna untuk :
a.
Model estimasi untuk untuk pengukuran toksisitas, bioakumulasi, dan sorption pada tanah dan sedimen.
b.
Pengukuran hidrofobisitas Nilai Kow tergantung pada jenis bahan kimia. Gambar 6 menunjukkan
Kow
hexachlorobenzene
lebih
tinggi
dibandingkan
acetone.
Hal
ini
disebabkan hexachlorobenzene menunjukkan preferensi yang tinggi pada octanol dibandingkan acetone. Dalam Gambar 6, nilai Kow berbanding lurus dengan bioconcentration factor dan soil sorption, tetapi berbanding terbalik dengan LC50.
KOW = (X) octanol / (X) water
Gambar 6. Kow merupakan rasio konsentrasi bahan kimia dalam octanol dan air pada saat ekuilibrium. Kow digunakan untuk estimasi biokonsentrasi, sorption, dan toksisitas (Leeuwen and Hermens 1995). 3.
Vapour pressure The compound's tendency to evaporate into the air compartment to affect partitioning and transport of chemicals between environmental media (compartment).
4.
Henry's law constant Volatilization affect transport of chemicals between the air and water compartment. Henry's law partitioning of a chemical between a gaseous phase and a liquid phase Henry's law (H, Pa.m3/mol).
5.
=
Stabilitas molekular Molekul rekalsitran mempunyai resistensi (stabilitas) tinggi terhadap transformasi biokimiawi dan mempunyai waktu paruh yang lama dalam biota, tanah, sedimen, dan air. Contoh : p,p' — DDE, dieldrin, beberapa PCB, dan dioxin.
C. Nasib (fate) polutan dalam Iingkungan Polutan yang masuk ke dalam suatu Iingkungan dapat mengalami proses abiotik dan biotik, yang dapat mengubah struktur kimiawi polutan tersebut. 1.
Proses abiotik a. Hidrolisis Perubahan struktur kimiawi melalui reaksi dengan air secara langsung b. Oksidasi Proses transformasi, elektron ditransfer dari bahan kimia pada spesies penerima elektron c. Reduksi Transfer elektron terjadi dari reduktan ke bahan kimia, untuk direduksi d. Degradasi fotokimiawi Transformasi melalui interaksi dengan cahaya
2.
Proses biotik a. Biodegradasi Pemecahan (breakdown) suatu bahan kimia secara enzimatis b. Biotransformasi Konversi suatu bahan kimia menjadi satu atau lebih produk dengan mekanisme biologis
Minggu IV NASIB POLUTAN ORGANIK DALAM INDIVIDU DAN EKOSISTEM A. Individu Polutan organik yang masuk ke dalam suatu ekosistem, dapat teruptake oleh organisme, sebagai konsekuensi adanya mekanisme difusi pasif melalui natural barrier (lipid bilayer). Sebagai contoh, masuknya polutan melalui dawn dan akar tumbuhan; melalui kulit, saluran pencernaan, dan paru-paru pada vertebrate; tracheae pada invertebrate terestrial, dan insang pada ikan. Proses pergerakan polutan melalui lipid bilayer tergantung pada solubilitas polutan. Polutan yang mempunyai keseimbangan antara solubilitas dalam lipid dan air (Kow 1), akan dengan mullah melalui lipid bilayer. Selain itu, proses difusi juga ditentukan fluiditas lipid bilayer. Pada suhu rendah, lipid bilayer kehilangan fluiditas, sehingga proses difusi tidak terjadi. Setelah melalui proses uptake, selanjutnya, polutan tersebut dapat mengalami proses distribusi, metabolisme, dan penyimpanan dalam tubuh organisme serta ekskresi dari tubuh organisme. Keseluruhan proses ini disebut toksikokinetik.
Gambar 7. Model yang menggambarkan nasib polutan lipofilik dalam organisme (Walker et al. 2001).
Berdasarkan Gambar 7, setelah melalui proses uptake, polutan akan mengalami proses distribusi dalam tubuh organisme dan dapat mencapai : 1.
Site of action Bentuk toksik polutan akan berinteraksi dengan makromolekul, misalnya protein atau DNA, yang menyebabkan efek toksik pada organisme.
2.
Site metabolism Polutan dapat mengalami proses metabolisme secara enzimatis, yang merupakan proses detoksifikasi atau bioaktivasi.
3.
Site of storage Polutan dapat terakumulasi atau tersimpan dalam organ, tetapi tidak berinteraksi dengan makromolekul atau mengalami metabolisme.
4.
Site of excretion Polutan yang masuk dalam tubuh organisme dapat langsung mencapai tempat ekskresi, untuk dikeluarkan dari dalam tubuh. Selain itu, juga diekskresikan hasil metabolisme atau biotransformasi yang larut dalam air. Gambar 8 memberikan ilustrasi mengenai proses uptake, rute distribusi,
metabolisme, dan penyimpanan polutan dalam tubuh serta ekskresi polutan dari dalam tubuh mamalia. 1.
Metabolisme Polutan organik dapat menyebabkan efek merugikan pada organisme. Selain itu, berdasarkan konsep fugasitas (kecenderungan polutan (bahan kimia) untuk berpindah dari satu fase ke fase yang lain), polutan organik dapat terakumulasi dalam jumlah besar dalam tubuh organisme. Hal ini disebabkan tubuh organisme mempunyai kapasitas yang besar untuk mengikat polutan organik, dengan adanya jaringan lemak. Apabila organisme membutuhkan energi melalui proses katabolisme lemak, polutan organik yang semula terikat pada jaringan lemak akan terurai, dapat &pat berinteraksi dengan sel. Berdasarkan hal tersebut, organisme mempunyai kemampuan untuk melakukan proses biotransformasi polutan organik menjadi produk (metabolit) yang mullah larut dalam air, dan dapat dikeluarkan dari dalam tubuh (Gambar 9 dan 10).
Gambar 9 menunjukkan jenis polutan organik dan proses biotransformasi yang mengarah kepada pembentukan produk yang larut dalam air. Pada umumnya, polutan organik mengalami 2 fase biotransformasi, yaitu fase I dan II (Gambar 10). Reaksi fase I menyebabkan polutan menjadi lebih larut dalam air, dengan penambahan gugus polar, misal gugus —OH. Fase ini merupakan microsomal mixed — function oxidase, yang dikatalisis oleh cytochrome P — 450 enzim, yang terdapat dalam retikulum endoplasma sel hati (Gambar 10). Pada reaksi fase II, hasil reaksi fase I mengalami reaksi konjugasi, dengan penambahan agen konjugasi (Tabel 2). Hal ini bertujuan agar hasil reaksi fase II mempunyai polaritas dan kelarutan yang tinggi serta mullah diekskresi (Gambar 10). Reaksi konjugasi dalam fase II dapat terjadi dalam 4 jalur, yaitu glucuronic acid conjugation, sulphate conjugation, acetyl conjugation, dan glutathione conjugation. Reaksi glucuronic acid conjugation :
dimana :
−
+
−
−
+
X
=
O, COO or NH
UDPGA
=
uridine diphosphoglucuronic acid
GT
=
glucuronyltransferase
Tabel 2. Agen konivaasi dan enzim vana menakatalisis reaksi fase II Agen Konjugasi
Enzim
Glucuronide
UDP glucuronyltranferase
Glutathione
Glutathionetransferase
Sulphate
Sulphotransferase
Acetyl
Acetyltransferase
Gambar 8. Proses uptake, rute distribusi, metabolisme, dan penyimpanan polutan dalam tubuh serta ekskresi polutan dari dalam tubuh mamalia (Manahan 1994).
Gambar 9. Jalur biotransformasi polutan dalam organisme (Berg et al 1995).
Ilustration of Phase II reactions (Manahan 1994) Gambar 10. Reaksi fase I dan II biotransformasi (Manahan 1994). 2.
Penyimpanan Polutan lipofilik yang masuk ke dalam tubuh organisme, dapat mengalami proses penyimpanan. Proses ini bertujuan untuk mencegah interaksi polutan dengan site of action. Polutan yang bersifat lipofilik umumnya disimpan dalam jaringan lemak.
3.
Ekskresi Beberapa vertebrata akuatik dapat mengekskresikan polutan lipofilik melalui difusi. Ikan dapat mengekskresikan polutan tersebut melalui insang, sedangkan katak melalui kulit yang permeabel. Burung dan mamalia air tidak mempunyai kulit yang permeabel, sehingga ekskresi dilakukan melalui feses atau urin. Ekskresi polutan lipofilik melalui urin merupakan hasil proses reaksi fase I dan II biotransformasi.
Minggu V NASIB POLUTAN ORGANIK DALAM INDIVIDU DAN EKOSISTEM 4.
Konsep Model Model tiruan ekosistem sebagai alat analisis interaksi komponen dalam ekosistem seharusnya tidak dipandang sebagai tujuan akhir dalam studi ekologis Model dan real (realita) dihubungkan melalui dua prosedur, yaitu abstraksi dan interpretasi abstraction real system
model interpretation
Abstraction
:
berarti
generalisasi
parameter)
paling
-4
memilih
penting
komponen
dalam
real
(variabel,
system
dan
mengabaikan komponen yang kurang penting Interpretation :
komponen dan perilaku model dapat menggambarkan komponen, karakteristik, dan perilaku dari real system.
Modelling strategy :
1.
Select optimal level of complexity
2.
Never plan model development for more than 1 year
3.
Avoid the temptation to incorporate all available information into the model
4.
Follow specific objectives, don't try to make a universal model
5.
If possible, incorporate already existing models
System properties and model properties :
1.
Many system propeties are not represented in the model
2.
Some model properties cannot be found in real systems
Sistem Kumpulan komponen yang saling mempengaruhi dan merupakan suatu keseluruhan yang terpadu Ciri sistem
5.
1.
Adanya masukan
2.
Adanya keluaran
3.
Adanya organisasi
4.
Mengandung hirarki
5.
Memungkinkan umpan- balik
6.
Dapat dibuat simulasi
7.
Dapat dibuat model
Model Toksikokinetik (Toxicokinetic Models) Model toksikokinetik untuk mendeskripsikan dan memprediksi laju uptake, laju eliminasi, dan biokonsentrasi toksikan dalam organisme. Model yang sederhana dapat terdiri dari 2 kompartemen : 1.
Organisme
2.
Lingkungan di sekitarnya
Dalam model tersebut dapat
menunjukkan
perpindahan
toksikan
antar
kompartemen,
yaitu
perpindahan toksikan dari lingkungan sekitar organisme ke dalam organisme, dan perpindahan toksikan dari dalam tubuh organisme ke lingkungan sekitarnya (Berg et al. 1995). Menurut Berg et al. (1995), Widianarko dan Straalen (1996), dan Hattum (1995), peningkatan atau penurunan konsentrasi toksikan dalam organisme akuatik dapat dinyatakan dalam fungsi waktu : dCo/dt = kwCw - keCo
(persamaan 1)
dimana, Co
= konsentrasi toksikan dalam tubuh organisme (mol/kg)
Cw
= konsentrasi toksikan dalam air (mol/L)
kw
= laju uptake toksikan (L/kg.d)
ke
= laju eliminasi toksikan (l/d)
Bila organisme secara kontinu terdedah oleh suatu toksikan, maka Co (t) = Cwkw/ke[1 — e-ke.t]
(persamaan 2)
Laju uptake dapat diperoleh dari inisial uptake toksikan, dengan asumsi, tidak terjadi eliminasi toksikan, sehingga Co = kwCwt
(persamaan 3)
Dalam t , e-ke.t mendekati nol, dan steady — state akan dicapai (dC o/dt = 0), sehingga faktor biokonsentrasi (BCF) dapat ditentukan, BCF = Co/C, = kw/ke
(persamaan 4)
Rasio konsentrasi toksikan dalam organisme akuatik dan air (C o/Cw) (persamaan 4), hanya merepresentasikan biokonsentrasi pada steady — state. Jika konsentrasi dalam organisme dan air ditentukan sebelum steady— state diperoleh, maka rasio Co/Cw akan mengunderestimate nilai BCF. Tetapi, jika rasio ditentukan dalam kondisi, yaitu konsentrasi dalam air menurun lebih cepat dibandingkan konsentrasi dalam organisme, maka rasio C o/Cw akan mengoverestimate nilai BCF. Dalam lingkungan akuatik, organisme dapat mengalami pendedahan dalam periode
waktu
yang
pendek.
Penghentian
pendedahan
dan
penurunan
konsentrasi toksikan dalam air (atau C w = 0), akan menyebabkan toksikan tereliminasi dari organisme. Laju eliminasi dapat ditentukan dari persamaan 1, dengan C w = 0, sehingga akan menghasilkan penurunan konsentrasi toksikan dalam organisme dan diperoleh persamaan Co(t) = Co(t=0) e-ke.t
(persamaan 5)
dimana, Co(t=0) merupakan konsentrasi toksikan dalam organisme, saat awal periode eliminasi (mol/kg) (Berg et al. 1995).
Minggu VI NASIB POLUTAN ORGANIK DALAM INDIVIDU DAN EKOSISTEM 6.
Toksikodinamik Dalam
tubuh
organisme,
polutan
mengalami
fase
kinetik
(toksikokinetik) dan dinamik (toksikodinamik). Toksikodinamik merupakan interaksi polutan dengan sel, jaringan atau organ, dalam bentuk respon toksik. Fase dinamik dapat dibedakan menjadi
1.
Reaksi polutan dengan reseptor atau organ target
2.
Respon biokimiawi
3.
Efek yang dapat diobservasi (Gambar 11) Toxicant or toxic metabolite Primary reaction Toxicant + receptor modified receptor Biochemical effect Enzyme inhibition Cell membrane disruption Malfunction of protein biosynthesis Disruption of lipid metabolism Disruption of carbohydrate metabolism Inhibition of respiration (02 utilization) Behavioural or physiological response Alteration of vital signs Central nervous system Teratogenesis Mutagenesis Carcinogenesis Effects on immune system Gambar 11. Fase dinamik toksikan (Manahan 1994).
B. Ekosistem 1.
Ekosistem akuatik Nasib polutan yang masuk ke dalam ekosistem akuatik ditentukan oleh sifat fisik, lipofilisitas, vapour pressure, dan stabilitas kimiawi. Senyawa yang mempunyai stabilitas kimiawi yang rendah, cenderung mengalami hidrolisis, sehingga tidak menimbulkan efek merugikan bagi ekosistem akuatik, kecuali bila senyawa tersebut mengalami transformasi menjadi senyawa (produk) yang toksik. Dalam ekosistem akuatik, senyawa yang bersifat volatil cenderung tidak berada dalam waktu yang lama. Polaritas senyawa berperan penting dalam menentukan distribusi dan persistensi senyawa tersebut. Senyawa hidrofilik cenderung terlarut dan terdistribusi pada permukaan air. Sebaliknya senyawa lipofilik berasosiasi dengan materi organik yang berada di dalam sedimen. Pada sedimen sungai dan danau terdapat bentuk asosiasi antara partikel organik-anorganik dengan organisme. Polutan organik dapat diadsorbsi oleh partikel sedimen, sehingga membatasi mobilitas polutan dan availibilitas terhadap organisme akuatik. Namun, keberadaan polutan dalam sedimen memungkinkan teruptakenya polutan tersebut oleh organisme benthik tertentu, misalnya makroinvertebrata benthik (grazer), yang menggunakan partikel sedimen (organik) sebagai somber makanannya. Selain itu organisme benthik yang bersifat filter feeder (bivalvia), memungkinkan berinteraksi langsung dengan polutan. Dalam suatu perairan, kandungan oksigen terlarut menentukan laju transformasi kimiawi dan biokimiawi polutan. Bila kandungan oksigen terlarut menurun, proses transformasi oksidatif akan segera digantikan oleh proses reduksi. Dalam ekosistem akuatik adanya proses makan memakan (rantai makanan) menyebabkan terjadinya transfer polutan. Keberadaan atau lama waktu suatu polutan dalam suatu rantai makanan sangat tergantung dari waktu paruh dan bioavailibilitas senyawa polutan tersebut dalam organisme. Polutan lipofilik, misalnya PAHs, tidak menunjukkan keberadaan dalam jangka waktu yang lama dan menyebabkan terjadinya biomagnifikasi, dalam suatu rantai makanan. Hal ini disebabkan waktu paruh senyawa tersebut yang relatif singkat. Beberapa invertebrata pada tingkat trofik yang rendah (Mytilus
edulis), mempunyai kemampuan yang rendah dalam melakukan metabolisme terhadap PAHs, sehingga PAHs terakumulasi dalam kadar yang rendah. Organisme pada tingkat trofik yang lebih tinggi, misalnya ikan, mempunyai kemampuan untuk mendetoksifikasi senyawa tersebut melalui mekanisme induksi
enzim
monooksigenase,
sehingga
kecenderungan
terjadinya
biomagnifikasi pada tingkat trofik yang lebih tinggi, menjadi lebih kecil. 2.
Ekosistem daratan Pestisida merupakan polutan penting dalam tanah pertanian. Polutan tersebut langsung mengkontaminasi tanah atau melalui transfer residu dari tanaman yang telah mengalami aplikasi pestisida. Beberapa pestisida merupakan senyawa organik. Distribusi senyawa organik tersebut dalam tanah tergantung pada solubilitas (Kow), vapour pressure, dan stabilitas kimiawi. Polutan tersebut akan mengalami hidrolisis, oksidasi, isomerasi, dan apabila terdapat di permukaan tanah akan mengalami degradasi secara fotokimiawi. Degradasi tersebut umumnya mengarah pada penurunan toksisitas, tetapi beberapa senyawa menjadi bersifat lebih toksik, misalnya isomerasi senyawa organofosfat malathion menjadi isomalathion. Senyawa yang bersifat polar mullah larut dalam soil water dengan konsentrasi rendah dan cenderung secara kuat teradsorbsi pada permukaan partikel tanah. Senyawa yang mempunyai vapour pressure tinggi cenderung mengalami volatilisasi ke dalam soil water atau atmosfer (Gambar 12). Pengikatan molekul organik (polutan) pada permukaan koloid tanah membatasi pergerakan polutan dalam tanah dan availibilitas pada organisme tanah.
Gambar 12. Nasib pencemar dalam tanah (Walker et al. 2001).
Minggu VII BIOMARKER DAN BIOINDIKATOR Bioindikator Respon yang diinduksi secara antropogenik, yang dikaji melalui parameter biomolekular, biokimiawi atau fisiologis, yang dihubungkan dengan efek biologis pada tingkat organisasi biologis, dari individu-ekosistem. Biomarker Respon biologis terhadap adanya polutan di lingkungan pada tingkat individu pengukuran secara biokimiawi, fisiologis, histologis, dan morfologis.
Gambar 13. Signifikansi ekologis dan lama respon beberapa parameter bioindikator/biomarker terhadap polutan (Walker et al. 2001).
Tabel 3. Tipe bioindikator/biomarker (Anonymous 2001) Fisiolo
Histopato
gis
logis
Integritas DNA
Hormon steroid
Protein stres
Biokimiawi
Enzim antioksidan
Individu
Populasi
Komunitas
Nekrosis
Pertumbuhan
Kemelimpahan
Richness
Fungsi imunitas
Lesi parasitik
Total lipid
Distribusi/stru ktur umur
Indeks diversitas
Trigliseri da
Karsinoma
Anomali pertumbuhan
Rasio seks Indeks
integritas biotik
Tabel 4. Karakteristik bioindikator dan biomarker (Anonymous 2001) Tipe respon Sensitivitas terhadap Hubungan terhadap efek stresor Variabilitas respon Spesifitas terhadap stresor Relevansi ekologis
Biomarker (exposure) Biomolekular, biokimiawi Tinggi Tinggi Tinggi Medium — tinggi Rendah
Bioindikator (efek) Individu — komunitas Rendah Rendah Rendah — medium Rendah — medium Tinggi
Gambar 14. Kondisi fisiologis organisme terhadap adanya polutan pada tiap zona stres. Indikator dalam zona stres 1 lebih sensitif terhadap polutan, sedangkan indikator pada zona stres 3 kurang sensitif terhadap polutan, tetapi mempunyai relevansi ekologis lebih tinggi (Anonymous 2001).
Tabel 5. Bioindikator dalam tiap zona stres (Anonymous 2001) Zona stres 1
Zona stres 2
Zona stres 3
(paling sensitif)
(moderately sensitive)
(kurang sensitif)
Enzim detoksifikasi Kerusakan DNA Enzim antioksidan Protein stres
Bioenergetik Sistem imunitas Pertumbuhan Parameter reproduksi
Parameter populasi Parameter komunitas Perubahan rasio seks Perubahan food web
Gambar 15. Efek langsung dan tidak langsung polutan terhadap organisme (Anonymous 2001).
Kriteria pemilihan bioindikator (Anonymous 2001) : 1.
Relevansi - hubungan kausal terhadap endpoints yang signifikan secara ekologis
2.
Sensitivitas - responsiveness dosis terhadap stressor/polutan spesifik
3.
Spesifisitas - respon terhadap stressor/polutan spesifik
4.
Broad applicability - over temporal and spatial scales
5.
Representativeness - role as surrogate for other responses
6.
Variabilitas - variabilitas relatif rendah terhadap adanya gangguan dalam sistem
7.
Biaya - reasonable for available resources and scope of study
Potensi penggunaan bioindikator (Anonymous 2001) :
1.
mengindikasikan adanya kontaminan
2.
membantu identifikasi mekanisme toksisitas
3.
memberikan peringatan awal adanya kerusakan lingkungan
4.
memberikan indikasi awal adanya perbaikan lingkungan
5.
menunjukkan adanya hubungan antara penyebab (polutan) dengan efek relevan secara ekologis
6.
dapat digunakan dalam ecological risk assessment
Komponen utama dalam bioassessment evaluation (Anonymous 2001) : Biomarkers Is biological exposure to stressors significant? BioindicatorsIs the stressors hazardous to organisms & populations? Ecological Is the stressor causing significant ecological damage to the ecosystem? Risk Assessment Contoh aplikasi bioindikator (Jeffree et al. 1995: 33 - 41) : Bivalvia Air Tawar Australia : Aplikasinya dalam Studi Polusi Logam Pendahuluan Bivalvia air tawar mempunyai sejumlah atribut fisiologis, perilaku, life history (sejarah hidup), dan anatomis, yang dapat digunakan sebagai indikator adanya polusi logam yang masuk ke dalam ekosistem akuatik (Tabel 6).
Investigasi terhadap beberapa spesies bivalvia air tawar Australia, yaitu Velesunio angasi, Velesunio ambiguus, dan Hyridella depressa, telah menunjukkan bahwa spesies tersebut relevan untuk studi polusi logam, termasuk sebagai indikator dalam monitoring tingkat (level) logam yang bioavailable dalam ekosistem akuatik.
Tabel 6. Atribut biologis bivalvia air tawar yang relevan dalam studi polusi logam (Jeffree et al. 1995 : 33 — 41) Atribut biologis
Relevansi terhadap polusi logam Fisiologis
Membran
mempunyai
permeabilitas
tinggi terhadap medium akuatik potensial
Laju
influx yang
tinggi Ca
dan
logam yang analog dengan Ca ke dalam jaringan, terjadi bioakumulasi
Granula
kalsium
fosfat
ekstraseluler
terdeposit dalam jaringan
Logam yang mengalami bioakumulasi dengan
konsentrasi
tinggi
dalam
jaringan,
mempunyai
waktu
paruh
biologis yang lama Perilaku Filtrasi air dalam volume yang besar
Derajat kontak
yang tinggi dengan
polutan dalam medium akuatik Siklus hidup dan anatomi Struktur
cangkang
berkapur
terlaminasi, yang
bertambah,
dan
berkaitan
panjangnya
lama
dengan
Rekaman
mengenai
tingkat
logam bioavailable di lingkungan akuatik dalam periode panjang
hidup Siklus hidup kompleks, ikan
sebagai
pemajanan tahap-
host
memerlukan species,
dan
tahap siklus hidup
pada media lingkungan yang berbeda
Probabilitas pemajanan (exposure) lebih besar pada konsentrasi polutan yang ditingkatkan
dengan
konsekuensi
mengganggu siklus hidup
Namun, informasi mengenai (1) dasar mekanisme metabolisme logam, (2) waktu paruh logam dalam jaringan tubuh bivalvia, dan (3) variabilitas konsentrasi logam dalam jaringan di antara individu (spesies) bivalvia, akan lebih menunjukkan kemampuan bivalvia sebagai indikator yang efektif dalam monitoring atau studi polusi logam dalam ekosistem akuatik. Hal ini dapat dilakukan dengan mempelajari karakter kinetika logam dalam jaringan melalui model mekanistik dan prediktif.
Model Metabolic Analogue Akumulasi Logam oleh Bivalvia Air Tawar Hasil investigasi dengan menggunakan model yang telah diuji dalam skala laboratorium dan investigasi lapangan menunjukkan bahwa
(1)
beberapa logam diabsorbsi dari medium akuatik oleh bivalvia melalui jalur metabolik yang analog dengan Ca, yaitu melalui kanal Ca.
(2)
logam tersebut kemudian mengikuti jalur metabolik Ca, dan sebagian besar terdeposit dalam granula kalsium fosfat ekstraseluler, yang kemudian terdispersi secara meluas dalam jaringan bivalvia.
(3)
laju diferensiasi akumulasi logam dalam seluruh jaringan dipengaruhi oleh laju diferensiasi penurunan logam yang terdeposit dalam granula.
(4)
laju diferensiasi penurunan logam dari seluruh jaringan dikontrol oleh kelarutan logam tersebut sebagai hidrogen fosfat dalam granula ekstraseluler. Aplikasi dalam Lingkungan Signifikansi Ca dalam air. Keberadaan (konsentrasi) Ca dalam air
menentukan laju uptake logam yang bioavailable dibandingkan konsentrasi logam tersebut dalam air. Hal ini ditunjukkan oleh uptake
226
Ra oleh V. angasi, yang
mengalami tingkat reduksi sama besar dengan peningkatan konsentrasi Ca dalam air. Namun, adanya Mg dalam air tidak menunjukkan signifikansi reduksi uptake seperti Ca. Peningkatan konsentrasi Mg dalam air hanya mereduksi uptake logam sebesar one tenth dari reduksi oleh Ca. Reduksi efektif uptake logam oleh Ca secara eksperimen juga terjadi dalam uptake logam Pb, Mn, Co, dan Cd, pada spesies V. ambiguus dan H. depressa, sehingga Ca merupakan variabel utama yang mengontrol bioavailabilitas logam yang ada di medium akuatik. Implikasi hasil ini menunjukkan konsistensi terhadap logam (divalen dan trivalen) dan filum air tawar lain. Penqgunaan Ca sebagai prediktor konsentrasi loqam dalam jaringan. Peningkatan konsentrasi Ca dalam jaringan V. angasi dapat menunjukkan peningkatan konsentrasi logam lain (Ba dan
226
Ra) dalam jaringan, dengan variabilitas antar individu sebesar
87-98 %, dibandingkan variabel umur bivalvia (36-65 %) (P 0.05). Konsentrasi Ca dalam jaringan juga menunjukkan konsentrasi logam Mn dan Zn dalam jaringan H. depressa dan V. ambiguus, dengan variabilitas antar individu sebesar 76-97 %, dibandingkan variabel panjang cangkang bivalvia (56-59%). Namun, variabilitas konsentrasi Mn dan Zn dalam jaringan V. ambiguus tidak signifikan terhadap panjang cangkang (Gambar 16 dan 17).
Gambar 16.
Regresi konsentrasi Ba dan 226Ra dalam jaringan dengan umur bivalvia (atas) dan konsentrasi Ca dalam jaringan bivalvia (bawah), untuk V. angasi dari Corndorl dan Mudginberri billabongs in Magela Creek, Northern Territory, Australia (Jeffree et al. 1995 : 36).
Gambar 17. Regresi konsentrasi Zn dan Mn dalam jaringan dengan panjang cangkang bivalvia (atas) dan konsentrasi Ca dalam jaringan bivalvia (bawah), untuk H. depressa dan V. ambiguus, dari the upper Nepean River, New South Wales, Australia (Jeffree et al. 1995: 37).
Minggu VIII EFEK POLUTAN PADA INDIVIDU, POPULASI, DAN KOMUNITAS A. Efek Biokimiawi Polutan Organik (Individu) Polutan yang masuk dalam tubuh organisme tubuh (uptake) dapat menyebabkan perubahan pada organisme. Perubahan tersebut dapat bersifat melindungi organisme terhadap efek toksik yang ditimbulkan polutan (respon protektif) atau mengarah pada manifestasi toksik (respon non protektif) (Tabel 7). Induksi MFO dan metallohionein merupakan salah satu contoh
respon
protektif.
Sedangkan
penghambatan
AChE
(asetilkolinesterase) dan pembentukan DNA adduct merupakan salah satu contoh respon non protektif. Tabel 7. Respon protektif dan non protektif terhadap polutan (Walker et al 2001) Tipe respon
Protektif
Contoh
Konsekuensi
Induksi monooxygenases
Peningkatan
(mixed function oxidases-
polutan menjadi lebih larut dalam air
MFO)
dan peningkatan laju ekskresi
Induksi metallothionein
Peningkatan laju pengikatan logam
laju
metabolisme
untuk menurunkan bioavailibilitas Non — protektif
Penghambatan AChE
Efek toksik timbul apabila terjadi penghambatan AChE sebesar 50 %
Formasi DNA adduct
Dapat menyebabkan mutasi (Walker et al 2001)
Gambar 18. Jalur aktivasi dan detoksifikasi bahan kimia (Walker et al 2001).
Gambar 18 menunjukkan jalur aktivasi dan detoksifikasi bahan kimia. Dalam gambar tersebut, bahan kimia dapat mengalami proses detoksifikasi dan aktivasi yang dikatalisis oleh monooxigenase (MFO). Reaksi detoksifikasi yang terjadi merupakan reaksi fase I biotransformasi. +
+
−
+
⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯
+
+
Cytochrome P — 450 enzymes merupakan bagian dari sistem enzim (MFO) Selain
itu,
bahan
kimia
dapat
berinteraksi
dengan
DNA,
yang
dapat
mengakibatkan mutasi atau terjadi mekanisme DNA repair. Tabel 8 menunjukkan beberapa spesifitas respon terhadap masuknya bahan kimia tertentu ke dalam tubuh organisme. Tabel 8. Beberapa spesifitas respon terhadap bahan kimia tertentu (Walker et al 2001) Respon Biologis
Bahan Kimia
Penghambatan ALAD (Amino-
Lead
Laevulinic Penghambatan siklus vitamin K Acid Dehydratase)
Anticoagulant rodenticides Organophosphorous (OPs) compounds
Penghambatan AChE
and carbamates
Induksi monooxygenases
Organochlorines, polynuclear aromatic
Metallothionein Metallothionein (MT) ditemukan oleh Margoshes dan Vallee pada tahun 1957. Metalothioneins merupakan protein stres yang terdapat dalam berbagai spesies hewan dan tumbuhan. Protein ini mempunyai berat molekul yang rendah dan hanya memiliki sedikit asam amino aromatik. Namun, metallothionein memiliki banyak residu sistein dalam bentuk tereduksi (Gambar 19), sebesar 26 — 33 %, yang mempunyai kemampuan tinggi dalam mengikat ion logam. CH2 - CH - COO|
|
SH NH3+ Amino acid : cystein (polar) Gambar 19. Asam amino sistein.
Metallothionein menunjukkan peranan dalam detoksifikasi logam berat (Hg2+, Cd(+2), metabolisme ion Zn+2 dan Cu+2, detoksifikasi oksigen reaktif, dan metabolisme metallodrugs dan alkylating agents. Pada manusia dan mamalia, MTs mengikat 7 ion Zn+2 atau Cd+2 s melalui 20 residu sistein, yang terdistribusi dalam 2 klaster bebas dan sangat dinamik, Cd4(Stb)11 dan Cd3(Stb)9, terletak pada domain alpha- and beta- protein (Gambar 20).
Gambar 20. Metallothionein yang mengikat Cd.
Formasi DNA Adduct Polutan dapat menyebabkan adduct pada DNA. Adanya adduct dapat diperbaiki dengan mekanisme DNA repair (Gambar 21).
Gambar 21. Mekanisme DNA repair (Walker et al. 2001).
Penghambatan Asetilkolinesterase (AChE) Polutan organofostat (OP) dapat menyebabkan terjadinya penghambatan asetilkolinesterase. OP berikatan dengan gugus hidroksil, yang merupakan gugus fungsional AChE (Gambar 22), sehingga enzim yang terfosforilasi tersebut tidak dapat mengkatalisis hidrolisis asetilkolin menjadi asam asetat dan kolin.
Gambar 22.
Mekanisme aksi AChE. Dalam kondisi normal, asetilkolin berikatan dengan asetilkolonesterase dan dihidrolisis menghasilkan asam asetat dan kolin. Organofosfat mengikat gugus hidroksil, yang menyebabkan enzim dihambat dan tidak dapat menghidrolisis asetilkolin (Walker et al. 2001).
Minggu IX EFEK POLUTAN PADA INDIVIDU, POPULASI, DAN KOMUNITAS B. Efek pada Populasi dan Komunitas 1.
Populasi Polutan yang masuk ke dalam suatu ekosistem dapat berinteraksi dengan individu suatu populasi. Interaksi tersebut dapat menyebabkan efek lethal maupun sublethal pada individu organisme, yang dapat mempengaruhi pertumbuhan dan dinamika populasi. Berdasarkan Gambar 23, saat polutan masuk ke dalam ekosistem :
a.
Ukuran populasi beberapa spesies akan mengalami penurunan sampai zero atau hilang dari ekosistem tersebut (i).
b.
Ukuran populasi beberapa spesies mengalami penurunan, tetapi tidak mencapai zero. Hal ini terjadi apabila konsentrasi polutan dalam ekosistem bersifat kronis (rendah) (ii).
c.
Laju pertumbuhan populasi mengalami peningkatan (iii). Apabila polusi terjadi dalam waktu singkat, populasi dapat mengalami
recovery, sehingga ukuran populasi pada Gambar 23 (ii) mengalami peningkatan (Gambar 23 (iv)). Adanya imigrasi dan rekolonisasi, populasi yang hilang dari suatu ekosistem (Gambar 23 (i)), akan muncul kembali dan mengalami peningkatan besarnya ukuran populasi.
Gambar 23. Respon ukuran populasi terhadap pencemar (Walker et al. 2001 : 195).
2.
Komunitas Polutan dapat mempengaruhi struktur dan fungsi komunitas, antara lain melalui gangguan terhadap hubungan atau interaksi antar spesies (populasi) (Gambar 24). Dalam hubungan atau interaksi predator-prey, penurunan besarnya ukuran populasi prey dapat mempengaruhi satu atau lebih predator, yang selanjutnya mempengaruhi struktur komunitas. Selain itu, efek polutan yang dapat menyebabkan eliminasi populasi, dapat menurunkan biodiversitas. Polutan/toksikan
Efek sublethal/lethal
populasi target Interaksi antar spesies (hubungan predator-prey dan kompetisi) Gambar 24. Efek toksikan pada interaksi antar spesies (Stine and Brown 1996: 189).
Minggu X PENGUJIAN TOKSISITAS AKUT Pengujian toksisitas Untuk
mengevaluasi
konsentrasi/dosis
pencemar
(toksikan)
dan
durasi
pendedahan, . yang dibutuhkan untuk menghasilkan efek tertentu. Kriteria dan pendekatan 1. Pengujian harus dapat memprediksi efek pencemar pada organisme yang berbeda 2. Prosedur pengujian menggunakan dasar statistik dan dapat diulang pada waktu dan tempat yang berbeda, dengan hasil yang hampir sama 3. Data meliputi efek berbagai konsentrasi selama durasi pendedahan dan dapat dikuantitatifkan melalui grafik interpolasi atau analisis statistik 4. Data dapat digunakan untuk risk assessment analysis 5. Pengujian mudah dilakukan dan ekonomis 6. Pengujian dapat dengan mudah (sensitif) mendeteksi dan mengukur efek Organisme uji 1. mempunyai kisaran sensitifitas yang lebar 2. merepresentasikan kondisi Iingkungan yang tercemar 3. mudah diperoleh (melimpah) 4. mudah dipelihara dalam kondisi laboratorik, termasuk untuk culturing dan rearing. Sistem pendedahan pengujian toksisitas dalam Iingkungan akuatik 1. Statik Bejana uji terdiri dari still solution dan kontrol 2. Renewal Larutan bahan kimia uji diganti secara periodik 3. Flow - through Bahan kimia uji mengalir masuk dan keluar bejana uji, balk secara intermittent atau kontinyu Berdasarkan lama pendedahan, pengujian 1. Akut, 14 hari, dinyatakan dalam LC50 atau LD50 2. Kronis, > 90 hari Life span organisme uji jugs menentukan lama pendedahan
Faktor yang harus diperhatikan dalam pengujian toksisitas 1. Rute pendedahan dalam aplikasi dosis a. Oral b. Intraperitoneal c. Intramuscular d. Subcutaneous e. Intravenous 2. Lama pendedahan Life span organisme uji menentukan lama pendedahan 3. Analisis data a. Statistik (analisis probit) b. Interpolasi, ekstrapolasi atau intrapolasi A. Pengujian toksisitas akut Pengujian toksisitas akut bertujuan menentukan konsentrasi (dosis) bahan kimia yang menyebabkan efek merugikan pada organisme, melalui pendedahan bahan kimia dalam waktu yang singkat. Dalam pengujian ini, respon yang dipelajari berupa quantal response (dead or alive). Hubungan antara konsentrasi (dosis) bahan kimia dengan persentase organisme yang menunjukkan efek (respon), dinyatakan dalam bentuk kurva konsentrasi (dosis) — mortalitas. Hasil pengujian toksisitas akut berupa persentase organisme yang mati dalam setiap konsentrasi (dosis) dan LC50 atau LD50 (konsentrasi atau dosis yang menyebabkan kematian 50 % organisme uji). 1. Organisme Uji a.
Vertebrata, ikan
:
Cyprinus carpio dan Tilapia nilotica, tikus : Mus musculus dan Rattus norvegicus
b.
Invertebrata, daphnid :
Daphnia
magna;
amphipod
:
Gammarus
lacustris; midge : Chironomus sp. 2. Penentuan konsentrasi atau dosis definitive test (uji sebenarnya) Konsentrasi atau dosis ditentukan berdasarkan range-finding test (uji pendahuluan). Dalam pengujian ini, organisme uji mengalami pendedahan dengan konsentrasi (dosis) bahan kimia berdasarkan rasio logaritmik, yaitu 0.01, 0.1, 1, 10, dan 100 mg/I atau mg/kg, dalam waktu 96 jam atau sama dengan lama waktu uji sebenarnya.
Penentuan konsentrasi atau dosis yang akan digunakan dalam uji sebenarnya berdasarkan kisaran konsentrasi atau dosis dalam uji pendahuluan, yang menyebabkan kematian 50 % organisme uji. 3. Definitive test (Uji Sebenarnya) Kisaran konsentrasi atau dosis dari hasil uji pendahuluan digunakan dalam penentuan konsentrasi atau dosis uji sebenarnya. Dalam kisaran tersebut, konsentrasi atau dosis ditentukan secara geometrik, misalnya 10, 5, 2.5, 1.25, 0.62 mg/I atau mg/kg. Setelah penentuan konsentrasi atau dosis, organisme uji mengalami masa pendedahan dalam waktu yang ditentukan, misalnya 96 jam, tergantung pada life span organisme uji. Selama masa pendedahan, dicatat jumlah kematian dalam setiap konsentrasi atau dosis. 4. Penentuan LC50 atau LD50 Setelah masa pendedahan berakhir, hasil uji sebenarnya dianalisis untuk menentukan LC50 atau LD 50. Penentuan LC50 atau LD 50 dapat dilakukan dengan a.
Analisis probit
b.
Interpolasi Hasil uji sebenarnya diplotkan dalam grafik dengan sumbu X = konsentrasi (dosis) dan sumbu Y = persentase kematian. Kemudian dicari kisaran antar titik, yang terdapat kematian 50 % organisme uji dan dihubungkan dengan garis. Pada konsentrasi atau dosis 50 % sumbu Y ditarik garis, sampai memotong garis antara 2 titik tersebut. Titik potong tersebut diproyeksikan ke sumbu X, sehingga diperoleh LC50 atau LD50.
c.
Ekstrapolasi Apabila hasil uji sebenarnya, tidak diperoleh konsentrasi atau dosis dengan kematian organisme uji > 50 %. Hasil uji sebenarnya diplotkan dalam grafik dengan sumbu X = konsentrasi (dosis) dan sumbu Y = persentase kematian. Di antara titik-titik dalam grafik tersebut, dibuat garis linier sembarang, kemudian dari konsentrasi atau dosis 50 % sumbu Y ditarik garis, sampai memotong garis linier tersebut. Titik potong tersebut diproyeksikan ke sumbu X, sehingga diperoleh LC50 atau LD50.
d.
Penggunaan garis Hasil uji sebenarnya diplotkan dalam grafik dengan sumbu X = konsentrasi (dosis) dan sumbu Y = persentase kematian. Di antara titik-titik dalam grafik tersebut, dibuat garis linier sembarang, kemudian dari konsentrasi atau dosis 50 % sumbu Y ditarik garis, sampai memotong garis linier tersebut. Titik potong tersebut diproyeksikan ke sumbu X, sehingga diperoleh LC50 atau LD50.
Minggu XI PENGUJIAN TOKSISITAS CAMPURAN BAHAN KIMIA Dalam lingkungan alami, organisme umumnya mengalami pendedahan beberapa bahan kimia secara bersamaan. Pengujian suatu toksisitas bahan kimia terhadap organisme, kurang dapat memberikan gambaran kondisi sebenarnya di clam. Hal ini yang mendorong dikembangkan pengujian toksisitas campuran bahan kimia. Pengujian toksisitas campuran bahan kimia dilakukan berdasarkan konsep isobol (Gambar 25). Dari gambar tersebut, 2 bahan kimia diaplikasikan berdasarkan rasio konsentrasi antara kedua bahan kimia tersebut, sehingga apabila bahan kimia A diaplikasikan sebesar 50 % LC50 bahan kimia A, maka bahan kimia B diaplikasikan sebesar 50 % LC50 bahan kimia B. Aplikasi kedua bahan kimia tersebut dapat menimbulkan efek aditif, sinergisme atau antagonisme.
Gambar 25. Isobol LC50 senyawa A dan B (Marking 1985). Efek aditif merupakan efek yang diharapkan akibat adanya pencampuran bahan kimia. Sinergisme (greater than additive) terjadi apabila pencampuran bahan kimia mengakibatkan peningkatan toksisitas atau efek toksik pada organisme. Sedangkan antagonisme (less than additive) terjadi apabila pencampuran bahan kimia mengakibatkan penurunan toksisitas pada organisme.
Dalam pengujian toksisitas campuran bahan kimia, efek aditif, sinergisme atau antagonisme yang dihasilkan, dapat dipelajari dengan menghitung indeks aditif, melalui pengujian toksisitas akut setiap bahan kimia, baik secara individu maupun campuran. Pengujian
secara
campuran
dengan
memperhatikan
konsep
isobol,
yaitu
menggunakan beberapa konsentrasi campuran dengan rasio tertentu. Selanjutnya, hasil kedua pengujian tersebut dihitung dengan menggunakan rumus : +
=
Keterangan : i dan m toksisitas bahan kimia A dan B secara individu dan campuran Apabila nilai : S 1, maka indeks aditif = − 1.0
S 1, maka indeks aditif = S(-1) + 1 Dengan memperhatikan Gambar 26, berdasarkan indeks aditif yang diperoleh, dapat dipelajari efek campuran bahan kimia.
Gambar 26. Penentuan efek campuran bahan kimia. Titik 0 menunjukkan efek aditif (Marking 1985).
Minggu XII PENGUJIAN TOKSISITAS KRONIK Toksisitas kronik merupakan potensi suatu bahan kimia untuk menimbulkan efek merugikan pada organisme melalui masa pendedahan organisme secara terus menerus dalam jangka waktu lama. 1.
Pengujian Toksisitas Kronik
a.
Mempelajari dan mengevaluasi efek suatu bahan kimia pada setiap tahap dalam siklus hidup suatu organisme.
b.
Menerapkan berbagai konsentrasi atau dosis bahan kimia pada setiap tahap siklus hidup organisme, dari gamet — dewasa (pertumbuhan, perkembangan, dan reproduksi), untuk mempelajari efek merugikan bahan kimia tersebut, sehingga pengujian ini berlangsung secara terus menerus, dalam jangka waktu minggu- tahun, tergantung pada lama siklus hidup suatu organisme.
c.
Dalam populasi organisme uji, pemberian konsentrasi bahan kimia yang tinggi diharapkan dapat menimbulkan efek merugikan, sesuai dengan kriteria spesifik (standar). Sedangkan pada konsentrasi bahan kimia yang rendah, efek (respon) yang diharapkan sesuai dengan kontrol.
d.
Memberikan hasil pengujian yang lebih sensitif dibandingkan pengujian toksisitas akut.
2.
3.
Kriteria efek spesifik dalam pengujian toksisitas kronik organisme uji
a.
Jumlah atau persentase embrio yang dapat berkembang secara normal
b.
Jumlah Fl (offspring) yang dapat tumbuh secara normal
Organisme uji
a.
Permasalahan menentukan jenis spesies yang akan digunakan dalam pengujian toksisitas kronik
b.
Organisme uji yang digunakan 1)
Invertebrata,
Daphnia
magna,
Mysidopsis
bahia,
Acartia
tonsa,
Palaemonetes pugio, Gammarus pseudolimnaeus, Chironomus tentans, Tanytarus dissimilis, Neanthes arenaceodentata, dan Capitella capitata. 2)
Vertebrata, Pimephales promelas, Cyprinodon variegatus, Jordanella floridae, dan Salvelinus fontinalis.
4.
Tipe pengujian toksisitas kronik a.
Life - cycle toxicity test Mengukur efek pendedahan kronik suatu bahan kimia pada reproduksi, pertumbuhan, kesintasan, dan parameter lain, dalam satu atau lebih generasi suatu populasi organisme uji.
b.
Sensitive life stage test Mengukur efek pendedahan kronik pada kesintasan dan pertumbuhan, scat organisme uji berada pada tahapan siklus hidup yang paling sensitif.
c.
Functional test Mengukur efek bahan kimia pada fungsi biokimiawi atau fisiologis suata organisme uji.
5.
Desain Pengujian a.
Terdiri dari minimum 5 konsentrasi bahan kimia dan 1 kontrol negatif
b.
Pemilihan konsentrasi berdasarkan hasil flow through acute toxicity
c.
Konsentrasi yang digunakan berkisar 0.01 - 0.05 dari hasil pengujian akut
d.
Sistem pendedahan dengan flow through
e.
Hasil pengujian yang diharapkan konsentrasi bahan kimia yang tinggi dapat menimbulkan efek merugikan, sesuai dengan kriteria spesifik (standar). Sedangkan pada konsentrasi bahankimia yang rendah, efek (respon) yang diharapkan sesuai dengan kontrol. Hal ini bertujuan untuk menentukan MATC (Maximum Acceptable Toxicant Concentration - kisaran konsentrasi toksikan yang menimbulkan efek merugikan), berdasarkan nilai NOEC (No Observed Effect Concentration konsentrasi bahan kimia tertinggi yang secara statistik tidak menyebab efek merugikan, dengan membandingkan kontrol) dan LOEC (Low Observed Effect Concentration - konsentrasi bahan kimia terendah yang secara
statistik
signifikan
menyebabkan
efek
merugikan,
dengan
membandingkan kontrol). 6.
Data yang dikoleksi Berdasarkan pengujian toksisitas kronik dengan menggunakan organisme uji, ikan a. Hasil analisis kualitas air b. Jumlah dan persentase telur yang menetas dan dapat menjadi larva normal c. Jumlah dan persentase juvenil yang sintas dalam 30 hari perlakuan d. Total panjang dan berat basah ikan e. Abnormalitas fisik dan perilaku
7.
Analisis Data Data yang diperoleh dianalisis statistik dengan menggunakan analisis variansi, membandingkan kontrol dan perlakuan. Jika hasil analisis variansi menunjukkan P 0.05, dilanjutkan dengan pengujian DMRT. Berdasarkan Tabel 9 diperoleh hasil NOEC = 0.049 dan LOEC = 0.096, sehingga diperoleh NOEC<MATC
Minggu XIII BIOMONITORING Biomonitoring Biomonitoring (pemantauan biologis) merupakan pengukuran dan evaluasi kondisi sistem kehidupan (biota). Hasil kegiatan tersebut merupakan parameter/metrik yang dapat memberikan gambaran kondisi sistem biologis, dari tingkat individu ekosistem, dan jugs landscape (abiotik), terutama akibat aktivitas manusia (Tabel 10). Tabel 10. Tipe metrik (parameter) merefleksikan multidimensi sistem biologis (Karr and Chu 1999 : 63) Tipe metrik
lndividu
Kekayaan taksa
v
Toleransi, intoleransi Struktur trofik Kesehatan individu
Populasi Komunitas v
v
v
v v
Ekosistem
Landscape
v
v
v
v
Pendekatan Biomonitoring merupakan "slat" untuk mempelajari dinamika suatu ekosistem, balk secara meruang maupun mewaktu, sebagai usaha melindungi ekosistem dan kepentingan manusia. Kegiatan pemantauan tersebut dapat dilakukan dengan menggunakan parameter fisik, kimiawi, dan biologis. Usaha pemantauan secara fisik dan kimiawi, relatif lebih mudah dan cepat diketahui, tetapi kurang memberikan keakuratan mengenai kondisi atau masalah ekosistem yang sebenarnya. Penggunaan organisme dalam pemantauan tersebut (biomonitoring) mempunyai kelebihan dibandingkan jenis pemantauan yang lain, yaitu organisme sungai tertentu dapat memberikan respon biologis, dari tingkat molekuler — komunitas, terhadap perubahan yang terjadi dalam ekosistem. Dalam kegiatan biomonitoring, respon biologis pada tingkat populasi dan komunitas paling mudah dipelajari dibandingkan respon biokimiawi dan fisiologis,
meskipun respon pada tingkat tersebut merupakan respon yang diperoleh dalam jangka waktu yang lebih lama dibandingkan respon biokimiawi atau fisiologis. Respon tingkat komunitas, yaitu kekayaan taksa, jumlah genus dominan, jumlah total individu, kesamaan dan keanekaragaman komunitas, merupakan jenis respon atau parameter biologis yang umum digunakan dalam menilai atau merefleksikan kondisi suatu ekosistem. Usaha biomonitoring diawali dengan pemilihan jenis parameter/respon biologis (metrik), dengan mempelajari respon biologis tingkat komunitas, pada berbagai kondisi ekosistem. Jenis parameter biologis yang dipilih berdasarkan adanya perubahan respon signifikan sejalan dengan perubahan kondisi ekosistem (Gambar 27). Pemilihan tersebut melibatkan pemilihan bioindikator yang tepat, yang dapat merefleksikan dinamika kondisi ekosistem.
Gambar 27. Pemilihan metrik dalam biomonitoring. Metrik A merupakan indikator yang baik untuk biomonitoring, dibandingkan metrik B (Karr and Chu 1999 : 50).
