BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar belakang 1
Dalam upaya peningkatan produksi tanaman pertanian dan perkebunan,
seringkali terkendala oleh adanya serangan hama, baik ketika masa pembibitan, pertumbuhan dan produksi tanaman. Bahkan beberapa serangga ordo Lepidoptera bersifat polifagus, yaitu pemakan berbagai macam daun tanaman, seperti Manduca sexta (Sphingidae) (Villanueva, 2007; Kalinova, 2001; de Campo, et al., 2001) dan Antheraea (Saturniidae) (Naumann and Nӓssig, 2000). Meskipun serangga ini jika dibudidayakan dapat berperan sebagai ngengat penghasil serat sutera seperti Bombyx mori L. (Bombycidae), namun serangga ini perlu memperoleh perhatian serius. Pengendalian
konvensional
secara
kimiawi
dengan
menggunakan
insektisida yang selama ini dilakukan dipandang tidak efektif, karena tidak dapat menjangkau keberadaan larva yang sering berlindung di bawah permukaan daun. Insektisida memang berhasil membunuh langsung serangga sasaran, tetapi penggunaan secara berlebihan dapat mengakibatkan terjadinya resistensi bagi serangga (Zarbin, et al., 2007; Wei, et al., 2004), mematikan serangga sekunder yang bermanfaat, seperti predator atau kutu hewan (Witzgall, et al., 2010; Millar, 2002) serta membahayakan bagi lingkungan dan manusia (Rosell, et al., 2008; Zarbin, et al., 2007). Oleh karena itu penggunaan insektisida hanya akan efektif ketika populasi serangga mulai muncul, sehingga secara ekonomi akan menguntungkan. Untuk mengatasi tantangan dengan terus meningkatnya penggunaan insektisida, akhir-akhir ini para entomolog menerapkan konsep integrated pest management, IPM. Dalam praktek agar pengendalian serangga menguntungkan secara
ekonomi,
tetapi
mampu
menekan
1
kerusakan
lingkungan,
IPM
2 menggunakan pendekatan dengan mengkombinasikan pengendalian kimia, biologi dan agroteknologi. Dalam konsep ini, tahap awal yang paling efektif pengendalian serangga dilakukan dengan menggunakan feromon. Keunggulan utama penggunaan feromon yaitu bekerja hanya untuk serangga dengan spesies spesifik, aktif dalam jumlah yang sangat kecil dan tidak bersifat toksis bagi hewan dan manusia. Aplikasi feromon dalam IPM dapat dimanfaatkan antara lain untuk mendeteksi dan memantau populasi hama, untuk memprediksi keadaan populasi larva saat musim tanam atau kondisi hama untuk masa yang akan datang, untuk menekan populasi serangga dan untuk menekan biaya serta tenaga operasional pengendalian hama. Pengembangan metode pengendalian ini dilakukan dengan (1) menempatkan feromon yang berfungsi sebagai penjebak masal (mass trapping), (2) menjenuhkan udara di sekitar lahan pertanian atau perkebunan dengan uap feromon untuk tujuan mengacaukan perkawinan (mating disruption) khusus untuk feromon seks dan (3) memasang feromon yang dicampur dengan pestisida, sebagai umpan yang mematikan (lure and kill) (Witzgall, et al., 2010; Norin, 2007; Zarbin, et al., 2007; Wood, 2002). Feromon yang disekresi oleh serangga umumnya merupakan campuran beberapa senyawa yang bersifat spesifik bagi setiap serangga dan aktivitasnya saling bersinergis (Miura, et al., 2009; Nieberding, 2008; Norin, 2007), bersifat mudah menguap (Rasmy, 2006) dan kadarnya sangat rendah, seperti dalam Aphid gossypi berkisar 0,1 – 0,15 ng per individu (Byers, 2005), dari sebanyak 300.000 ngengat sutera B. mori hanya diperoleh 5,3 mg bahan aktif (Alouw, 2007). Bahkan untuk serangga yang memiliki ukuran sangat kecil, seperti spesies Cecidomyidae, hanya mensekresi dalam jumlah pikogram hingga femtogram (Witzgall, et al., 2010). Oleh karena itu untuk keperluan aplikasi feromon di lapangan, digunakan feromon sintetis dan diatur pelepasannya agar keberadaanya di udara sesuai dengan jangka waktu yang diinginkan. Pendekatan retrosintesis dalam perancangan sintesis telah diakui sangat efektif untuk menyelesaikan masalah-masalah yang dihadapi dalam sintesis
3 feromon. Dalam merancang sintesis feromon target harus diupayakan untuk memperoleh jalur sintesis yang paling sederhana dan paling produktif. Secara teknis, retrosintesis dapat dilakukan melalui dua cara, yaitu membelah molekul target menuju material awal (prekursor atau bahan dasar) melalui pemutusan ikatan dan pengubahan gugus fungsional. Beberapa faktor yang juga harus menjadi pertimbangan dalam perancangan sintesis adalah kesederhanaan dan ketersediaan bahan dasar yang potensial, persentase hasil sintesis, dan keselamatan dalam melakukan sintesis. Kesederhanaan dan ketersediaan bahan dasar sintesis di perdagangan akan menentukan tahapan retrosintesis atau sintesis yang harus dilakukan, yang pada akhirnya akan menentukan nilai ekonomis proses sintesis feromon. Senyawa aldehid rantai panjang hampir selalu dijumpai sebagai komponen utama penyusun feromon seks serangga betina ordo Lepidoptera (Ando, et al., 2008), seperti B. mory L. mensekresi feromon seks (E10,Z12)10,12-heksadekanal (He, et al., 2010; Zarbin, et al., 2007),
M. sexta L.
mensekresi feromon seks (E10,E12,E14)- 10,12,14-heksadekatrienal (Kalinova, et al., 2001; Tumlison, et al., 1989) dan A. polyphemus Cramer mensekresi feromon seks (E6,Z11)-6,11-heksadekanal (Kochansky, et al. 1975) (Gambar 1.1).
Gambar 1.1. Komponen feromon seks serangga betina A. B. mory L. B. M. sexta L. C. A. polyphemus C. Pengembangan sintesis terhadap feromon seks kelompok di atas telah dilakukan melalui berbagai pendekatan retrosintesis, antara lain (1) pemutusan ikatan tunggal diantara ikatan rangkap dengan mempertahankan geometri dari
4 struktur bahan
dasar
selama
berlangsungnya
reaksi
sintesis
dan
(2)
pemutusan ikatan rangkap bersifat stereospesifik, yang sintesisnya dapat dilakukan melalui reaksi Wittig (Kalinova, et al., 2001; Liblikas, 2004). Aplikasi retrosintesis terhadap feromon poli tidak jenuh, seperti feromon yang disekresi M. sexta L. dilakukan dengan pemutusan ikatan antara karbon 10 dan 11 telah menghasilkan jalur sintesis yang memuaskan. Penggunaan bahan dasar
(2E,4E)-2,4-heksadienol yang diolah menjadi garam (2E,4E)-2,4-
heksadienil- trifenilfosponium bromida dan kemudian digabungkan dengan 10asetoksi dekanal melalui reaksi Wittig menghasilkan campuran (E10,E12,E14)dan (Z10,E12,E14)-10,12,14-heksadekatrienal dengan rasio 64 : 36. Peningkatan jumlah isomer E,E,E dilakukan dengan menambahkan sejumlah katalis iodin sambil disinari (Chen and Millar, 2000). Jalur dan reaksi sintesis yang sama, tetapi dengan pengolahan bahan dasar yang sebaliknya, yaitu (2E,4E)-2,4heksadienol diolah menjadi (2E,4E)-2,4-heksadien-1-al digabungkan dengan 10hidroksidekiltrifenilfospo-nium bromida juga menghasilkan campuran isomer yang sama (Liblikas, 2004; Kalinova, et al., 2001; Ando et al., 1988). Pendekatan retrosintesis dalam pengembangan metode sintesis selain berorientasi untuk memperoleh bahan dasar yang tersedia di perdagangan juga harus memperhatikan aspek stereomolekul target. Beberapa peneliti melalui analisis retrosintesis terhadap molekul feromon telah menghasilkan senyawa alami yang digunakan sebagai sumber khiral atau sumber geometri dalam sintesis feromon. Sebagai contoh S-sitronelal yang merupakan komponen utama minyak sereh telah digunakan sebagai sumber khiral dari bahan dasar untuk sintesis feromon seks lalat screwworm, Cochliomyia hominovorax, (6S,19S)-6-asetoksi19-metilnona- kosana (Mori, et al., 2004), sedangkan isomer R-sitronelal digunakan untuk sintesis feromon agregasi kutu kumbang, Apthona flava, (1R,2S)-himakalen (Bartelt, et al., 2003). Bentuk reduksi senyawa ini atau Rsitronelol dapat digunakan untuk sintesis feromon seks kumbang kacang polong dan buncis azuki, Callosobruchus maculus, (2S,6R)-2,6-dimetiloktan-1,8-dioat (Nakai, et al, 2005) atau feromon seks kutu kedele busuk, Euschistus obscures,
5 metil-2,6,10- trimetildodekanoat (Zarbin, et al., 2000). Pemanfaatan bahan alam sebagai bahan dasar sintesis akhir-akhir ini terus berkembang. Beberapa jenis bahan alam yang lain, seperti (+)-α-pinen digunakan untuk mensintesis feromon seks serangga pengganggu buah tanaman jeruk, Planococcus citri (Dunkelblum, et al., 2002), (S)-(-) pulegon untuk bahan dasar sintesis feromon agregat kumbang lantai bertanduk lebar, Gnatocerus cornutus (Tashiro, et al.,2004). Monosakarida D-atau L-eritrosa dalam bentuk terlindungi, yaitu (2,3-O-isopropilidena)-D- atau L-eritrosa dengan menggunakan cara-cara sintesis konvensional, seperti olefinasi Wittig, hidrogenasi katalitik dan reaksi laktonisasi untuk sintesis feromon kumbang Trogoderma dan kumbang Osaka Anomala osakana (Totokotsopoulus, et al., 2009). Senyawa karbohidrat lain, seperti (-)-2-deoksi-D-ribosa dan D-glukosa digunakan sebagai sumber kiral bahan dasar dalam sintesis feromon atraktan nyamuk Culex quinquefascia (Mihou and Michaelakis, 2010). Sementara itu dengan cara mempertahankan geometrinya, Zarbin, et al (2007) menggunakan asam oleat untuk sintesis feromon seks lalat rumah tangga, Musca domestica, (Z)-9-trikosena , sedangkan Davies, et al (2007) memanfaatkan asam α-(alpha) linolenat (ALA) untuk sintesis komponen utama feromon seks ngengat pohon bergetah, Mnesampela private, (3Z,6Z,9Z)-3,6,9-nonadekatriena dan Walker, et al (2009) menggunakan untuk sintesis komponen minor (3Z,6Z,9Z)-3,6,9-henikosatriena. Dalam penelitian ini pendekatan berbeda digunakan untuk mengubah sistem geometri dan gugus fungsional dari ALA (Gambar 1.2), untuk sintesis kandidat feromon seks yang memiliki geometri dan gugus fungsional bagi salah satu serangga ordo Lepidoptera. Penggunaan ALA sebagai bahan dasar sintesis feromon dinilai sangat menguntungkan karena ALA dapat diisolasi dari minyak biji selasih, sehingga dapat menjamin ketersediaannya dan secara ekonomi lebih murah. Apalagi kadar ALA dalam minyak biji selasih (Ocinum baslicum L.) relatip tinggi, yaitu mencapai 49-75 % (menurut Nour, et al., 2009), 57-63 % (menurut Parry, et al.,
6 2005) dan 57,4-62,5 % (menurut Anger, et al., 1996). Selanjutnya untuk mengetahui dan menunjang aplikasinya di lapangan, dalam penelitian ini senyawa feromon seks hasil sintesis juga dipelajari beberapa aspek kualitatif dan kuantitatif, meliputi analisis docking, aktivitas elektroantenogram (EAG), uji bioassay
di laboratorium dengan olfaktometer, laju evaporasi dan stabilitas
oksidasi molekul kandidat feromon seks. Dengan diketahuinya karakter-karakter kandidat feromon seks yang disintesis dari ALA ini, diharapkan dapat diwujudkan dalam sistem pengendalian serangga secara terpadu yang efektif, efisien dan ramah lingkungan.
Gambar 1.2 Struktur asam alfa linolenat (ALA) 1.2 Keaslian penelitian Berdasarkan penelusuran literatur dari berbagai sumber yang dilakukan penulis hingga saat penulisan dapat dikemukakan bahwa nilai ekonomis penggunakan feromon seks dalam sistem IPM, ditentukan oleh dua faktor, yaitu keefektifan proses sintesis molekul feromon dan keefektifan uap feromon di udara menarik serangga ketika diaplikasikan di lapangan. Dari aspek sintesis, penggunaan ALA sebagai bahan dasar sintesis feromon seks dalam penelitian ini akan menjamin ketersediaan bahan dasar, mengingat kelimpahan ALA dalam minyak biji selasih atau biji rami relatip besar, lebih dari 50 %. Namun tantangan utama yang dihadapi adalah diperlukan teknik pemurnian komponen ALA agar dapat memenuhi kriteria untuk bahan dasar sintesis. Disisi lain panjang rantai karbon dari ALA yang mendekati panjang rantai karbon molekul feromon seks serangga Lepidopteras, maka selama proses sintesis tidak diperlukan tahapan perpanjangan rantai karbon Berbeda dengan yang dilakukan oleh Zabin, et al. (2007) dalam sintesis feromon seks lalat rumah tangga, M. domestica atau Davies, et al. (2007) dan Walker, et al. (2009), dalam sintesis komponen utama dan komponen minor dari
7 feromon seks ngengat pohon bergetah, M. privata, maka untuk menghasilkan senyawa kandidat feromon seks serangga dalam penelitian ini justru dilakukan dengan mengubah posisi dan geometri ALA. Pengubahan struktur molekul ALA menjadi molekul feromon seks hanya melalui tiga tahap reaksi, yaitu isomerisasi untuk mengubah posisi dan geometri sistem triena dalam ALA dan reduksi gugus karboksilat dari ALA yang diikuti oksidasi atau asetilasi untuk mengubahnya menjadi gugus aldehid atau ester-asetil untuk menghasilkan kandidat feromon seks. Tahapan proses isomerisasi terhadap ikatan rangkap dalam molekul alkena telah lazim dilakukan, tetapi isomerisasi terhadap tiga ikatan rangkap dua dalam molekul ALA yang kemungkinan dihasilkan beberapa isomer posisi atau geometri merupakan kajian yang sangat menarik. Selain itu mengingat bahwa sistem triena ALA sangat rentan mengalami oksidasi, reduksi atau polimerisasi, maka pemilihan reagen dan kondisi reaksi dalam proses reduksi, oksidasi dan asetilasi dalam pengubahan gugus karboksilat ALA menjadi gugus fungsional yang sama dengan feromon seks juga menjadi kajian dalam penelitian ini. Secara struktural senyawa yang dihasilkan dalam penelitian ini dapat dikategorikan sebagai senyawa homolog terhadap molekul feromon seks serangga Lepidoptera. Oleh karena itu dalam penelitian ini juga dilakukan beberapa kajian, baik analisis docking terhadap molekul kandidat feromon seks maupun uji secara langsung dengan menggunakan serangga di laboratorium. 1.3 Tujuan penelitian Tujuan penelitian ini adalah mensintesis senyawa kandidat feromon seks serangga dari ALA melalui tahapan sebagai berikut : 1. Mengisolasi dan karakterisasi ALA dari minyak biji selasih O. basilicum L. 2. Memodifikasi molekul ALA menjadi senyawa kandidat feromon seks serangga hama dan mengkarakterisasi. 3. Menganalisis docking molekul kandidat feromon seks serangga
8 4. Menguji aktivitas kandidat feromon seks terhadap respon elektroantenografi (EAG) antena serangga. 5. Menguji
aktivitas
kandidat
feromon seks serangga secara bioassay di
laboratorium. 6. Menentukan laju evaporasi kandidat feromon seks serangga, 7. Menguji stabilitas oksidasi kandidat feromon seks serangga.
1.4 Manfaat penelitian Temuan dalam penelitian ini diharapkan : 1. Dari aspek sintesis, dapat digunakan sebagai model dalam pengembangan sintesis feromon-feromon lain dengan memanfaatkan bahan alam. 2. Dari aspek uji karakter dan uji aktivitas, dapat digunakan untuk mengetahui sekaligus merancang pemakaian kandidat feromon seks ini dalam sistem pengendalian terpadu ketika akan diaplikasikan di lapangan. 3. Membantu para entomolog atau petani dalam menyediakan feromon seks sintetis yang selama ini tergantung dari impor dengan harga yang mahal. 4. Menunjang program pemerintah dalam meningkatkan produksi tanaman perkebunan atau pertanian melalui aplikasi feromon seks 5. Menunjang terwujudnya
green chemistry dengan menggunakan senyawa
feromon sebagai bahan pengendalian serangga hama yang ramah lingkungan dan sekaligus menekan penggunaan insektisida