I.
PENDAHULUAN
1.1. Latar belakang Keberhasilan pembangunan pertanian dan industri dapat menimbulkan dampak negatif terhadap lingkungan, terutama terhadap kualitas sumber daya lahan. Pencemaran logam berat pada lahan pertanian merupakan masalah lingkungan pada umumnya, yang dapat mengurangi produksi tanaman, keamanan produk sebagai pangan dan pakan (Zheljazkov et al., 2008). Sumber utama logam berat pada tanaman adalah media pertumbuhan. Penyerapan logam berat oleh akar tanaman tergantung pada ketersediaannya dalam tanah dan sumber lain termasuk pupuk, pestisida dan herbisida (Ansari dkk., 2009). Environmental Protection Agency (EPA) menyusun ”top-20” B3 antara lain logam berat As, Pb, Hg, Cd, dan Cr (Sudarmaji dkk., 2006). Bahan-bahan pupuk, pestisida, herbisida dan limbah industri mengandung Cd dan Pb dapat menurunkan kualitas sumber daya alam dan produktivitas lahan pertanian (Anonim, 2002). Dipilihnya logam berat Pb dan Cd, karena keduanya banyak ditemukan pada bahan agrokimia khususnya pada pupuk, selain itu Cd mewakili logam transisi sedangkan Pb mewakili logam jenis lain berdasarkan Tabel Periodik Unsur. Alasan lain, keduanya menjadi sampel yang representatif ditinjau dari elektronegativitas dan radius ioniknya dalam kaitannya dengan kecenderungan menjadi kation dari sisi kecepatannya. Charlena
(2004)
menyatakan,
pupuk
anorganik
golongan
fosfat
mengandung logam berat khususnya Pb sebesar 7 – 225 mg/kg dan Cd sebesar 0,1 – 170 mg/kg, pupuk anorganik golongan nitrat mengandung logam berat khususnya Pb sebesar 2 – 27 mg/kg dan Cd sebesar 0,05 – 8,5 mg/kg, sedangkan pupuk organik (pupuk kandang) mengandung logam berat Pb sebesar 1,1 – 27 mg/kg dan Cd sebesar 0,1 – 0,8 mg/kg dan kompos mengandung logam berat Pb sebesar 1,3 – 2.240 mg/kg dan Cd sebesar 0,01 – 100 mg/kg. 1
Winter (2012), pada Tabel Periodik Unsur, Pb termasuk logam jenis lain dan termasuk unsur golongan IVA, sedangkan Cd merupakan logam transisi 2 unsur golongan IIB, elektronegativitas Pb 2,33 dan Cd 1,69, sedangkan radius ioniknya Pb 154 pm dan Cd 161 pm (skala pauling). Kalkani dan Kalkani (2004), ion Pb memiliki konfigurasi elektron [Xe] 4f 14 5d10 6s2 6p2 dan ion Cd memiliki konfigurasi elektron [Kr] 4d10 5s2. Cemaran logam berat dalam tanah, risiko serapan oleh tanaman yang diikuti masuknya cemaran dalam rantai makanan, sekarang menjadi pemasalahan yang besar (Lavado et al., 2001). Tanaman menyerap logam berat dari tanah dan mengangkutnya ke jaringan tanaman dan terakumulasi pada sumber pangan, sehingga mencapai ke pangan manusia melalui rantai makanan membahayakan kesehatan manusia (Drazic dan Mihailovic, 2005). Timbal (Pb) dan kadmium (Cd) berasal dari lingkungan yang tercemar dan akan berbahaya disebabkan sistem bioakumulasi. Masuknya cemaran Pb dan Cd ke dalam tubuh makhluk hidup dapat melalui pangan dan air minum, inhalasi udara dan penetrasi melalui kulit. Timbal dapat menyebabkan timbulnya gejala anemia dan defisiensi hemoglobin, disfungsi ginjal dan kerusakan otak (Balia dkk., 2007); serta gangguan terhadap sistem reproduksi yaitu efek racun terhadap gamet dan dapat menyebabkan cacat kromosom (Sudarmaji dkk., 2006). Kadmium dapat menyebabkan demineralisasi tulang, meningkatkan kerapuhan tulang dan risiko fraktur, menyebabkan timbulnya anemia dan hipertensi, pada testis menyebabkan hiperplasia yang merupakan permulaan terjadinya kanker. Menurut Yong et al., (2008) tanaman kedelai memiliki kapasitas yang besar untuk menyerap Cd dari tanah. Jumlah kadmium dalam jaringan tumbuhan berbeda-bedadan keberadaan Cd pada jaringan akar > jaringan batang > jaringan daun. Keberadaan jumlah Cd dalam jaringan tanaman tersebut menunjukkan arah perjalanan Cd dalam sistem tanah–tanaman. Menurut Mendoza Co´zatl et al., 2
(2011) Cd terdistribusi ke seluruh bagian tanaman termasuk ke dalam jaringan biji. Seregin dan Kozhevnikova, (2005) menyatakan bahwa distribusi logam berat Pb dan Cd pada biji jagung terakumulasi pada jaringan kulit dan skutelum. Tindakan untuk menurunkan kadar logam berat dalam tanah dan bahan pangan antara lain dengan metode kelasi. Menurut Marwati dkk., (2006), bahwa asam
sitrat
terbukti merupakan
senyawa pengkelat
yang efektif terhadap
logam Fe, Cu, Pb, Mg dan Ca. Bader, (1986) menyatakan ada 2 syarat yang harus dipenuhi agar senyawa tertentu berfungsi sebagai pengkelat yaitu 1) molekul sekurang-kurangnya memiliki 2 gugus fungsional sebagai donor atom dan mampu mengikat ion logam, 2) untuk efektifitas pengkelatan ion logam maka gugus fungsional tersebut harus diposisikan dalam molekul tidak terlalu jauh dengan atom logam yang akan dikhelat. Pada penelitian ini digunakan bahan pengkelat asam sitrat, karena sifatnya yang tidak beracun dan mampu mengkelat ion logam berat. Asam sitrat dikategorikan aman digunakan pada makanan oleh semua badan pengawasan makanan nasional dan internasional. Asam sitrat di dalam tubuh dapat dengan mudah mengalami metabolisme dan kelebihannya dapat dihilangkan dari tubuh serta tidak menimbulkan efek negatif terhadap kesehatan. Timbal (Pb) dan kadmium (Cd) pada biji kedelai dapat diturunkan dengan menggunakan bahan pengkelat seperti asam sitrat, karena setiap molekulasam sitrat mempunyai 3 gugus fungsional karboksilat (COOH) yang dapat berperan sebagai pengkelat logam setelah melepaskan proton menjadi ion sitrat (COO–). Efektifitas kelasi dapat ditingkatkan dengan penggunaan swelling agent agar perendaman antara bahan pengkelat dengan ion logam lebih besar dan intensif.
3
Terkait dengan uraian di atas, maka perlu penelitian yang berorientasi pada upaya penurunan kadar Pb dan Cd pada biji kedelai dengan metode kelasi asam sitrat. Penelitian kelasi ini meliputi penggunaan swelling agent pada berbagai taraf pH lingkungan kelasi (penelitian tahap I) dan ratio bahan pengkelat asam sitrat terhadap air, waktu perendaman dan kondisi biji kedelai (penelitian tahap II), serta deprotonasi gugus fungsional karboksilat asam sitrat pada berbagai taraf pH lingkungan kelasi (penelitian tahap III). 1.2. Rumusan permasalahan Beberapa logam berat berbahaya seperti Pb dan Cd dapat berasal dari lingkungan tercemar. Logam berat menjadi berbahaya yang disebabkan oleh sistem bioakumulasi dan berdampak negatif terhadap kesehatan. Akumulasi cemaran logam berat Pb dan Cd di dalam tanah disebabkan oleh penggunaan agrokimia diantaranya pupuk anorganik. Serapan logam berat oleh tanaman yang diikuti oleh masuknya logam berat dalam rantai makanan, saat ini menjadi permasalahan serius bagi upaya penanggulangan kontaminan logam berat pada pangan. Permasalahan penelitian adalah : 1) Berapa kadar cemaran Pb dan Cd biji kedelai hasil sistem budidaya tanpa dan menggunakan menggunakan pupuk anorganik serta akumulasi Pb dan Cd pada jaringan biji kedelai. 2) Bagaimana menurunkan kadar Pb dan Cd biji kedelai dengan metode kelasi dengan faktor perlakuan ratio berat biji terhadap dimethylformamide (DMF) yang dikombinasikan dengan derajat keasaman. 3) Bagaimana menurunkan kadar Pb dan Cd biji kedelai dengan metode kelasi dengan faktor perlakuan ratio bahan pengkelat asam sitrat terhadap air, waktu perendaman dan kondisi biji. 4) Bagaimana deprotonasi gugus fungsional bahan pengkelat asam sitrat dipengaruhi oleh perubahan derajat keasaman (pH) lingkungan kelasi. 4
1.3. Tujuan dan manfaat penelitian 1.3.1. Tujuan umum Mendapatkan informasi ilmiah tentang kelasi dalam rangka penurunan Pb dan Cd biji kedelai dengan metode kelasi asam sitrat. 1.3.2. Tujuan khusus 1) Mempelajari pengaruh sistem budidaya tanpa dan dengan pupuk anorganik terhadap kadar Pb dan Cd serta distribusinya pada biji kedelai. 2) Mempelajari pengaruh ratio DMF dan derajat keasaman dalam menurunkan kadar Pb dan Cd pada biji kedelai. 3) Mempelajari pengaruh ratio bahan pengkelat, waktu perendaman dan kondisi biji dalam menurunkan kadar Pb dan Cd pada biji kedelai. 4) Mempelajari deprotonasi gugus fungsional asam sitrat sebagai bahan pengkelat pada berbagai pH lingkungan kelasi.
1.3.3. Manfaat penelitian Manfaat yang diharapkan dari penelitian ini adalah: 1) Manfaat di bidang pengembangan ilmu pengetahuan, yaitu metode kelasi Pb dan Cd yang terdapat dalam biji kedelai menggunakan asam sitrat. 2) Menambah
khasanah
ilmu
pengetahuan
tentang
faktor-faktor
yang
mempengaruhi kelasi dalam rangka perbaikan kualitas biji kedelai karena cemaran Pb dan Cd. 3) Memberikan informasi kepada masyarakat tentang cemaran logam berat Pb dan Cd pada biji kedelai, implikasi klinis serta metode penurunannya sebelum memasuki proses pengolahan pangan.
5
1.4. Kebaruan penelitian Penelitian terhadap penurunan Pb dan Cd biji kedelai dengan metode kelasi asam sitrat belum pernah diteliti, penelitian terdahulu yang terkait dengan topic penelitian di atas disajikan pada Tabel 1.1. Tabel 1.1. Penelitian terdahulu yang terkait dengan metode kelasi asam sitrat No. Judul publikasi 1. Kisic et al., (2011). Heavy metals 1) uptake by aerial biomass and grain of soybean. 2) 2.
3.
4.
5.
6.
7.
dengan penurunan Pb dan Cd
Kajian Kandungan Cd, Hg, Mo, Cu, Cr, Zn dan Ba dalam tanah, pada biji kedelai, jagung dan gandum Enrichment Coefficients masingmasing logam berat. Mousavi et al., (2010). Lead and 1) Kandungan Pb dan Cd pada cadmium availability and uptake by tanah rice plant in response to different 2) Kandungan Pb dan Cd pada biosolids and inorganic fertilizers. bagian tanaman padi (akar, biji dan brangkasan) dengan pemupukan anorganik urea, TSP dan potassium phosphat. Seregin, V. and Kozhevnikova, A. 1) Distribusi Cd, Pb, Ni, Sr pada biji D., (2005). Distribution of cadmium, jagung lead, nickel, and strontium in 2) Toksisitas logam berat terhadap imbibing maize caryopses. perkecambahan biji. Penelitian tersebut di atas sebagai acuan penelitian tahap I, yaitu sistem budidaya tanaman kedelai tanpa pemupukan dan dengan pupuk anorganik. Elpidio et al., (2011). A Comparative Study of the Chelating Effect Between Textured Soya Aqueous Extract and EDTA on Fe3+, Pb2+, Hg2+, Cd2+ and Ni2+ Ions. Kołodyńska, D., (2011). Bahan pengkelats of a New Generation as an Alternative to Conventional Chelators for Heavy Metal Ions Removal from Different Waste Waters. Wuana et al., (2010). Removal of heavy metals from a contaminated soil using organic chelating acids. Marwati dkk., (2006). Pemucatan minyak daun cengkeh dengan metode kelasi menggunakan asam sitrat.
Penggunaan pengkelat ekstrak kedelai (glycine) dan EDTA untuk kelasi Fe, Pb, Hg, Cd dan Ni.
1) Komparasi pengkelat EDTA, IDS, DS, EDDS, GLDA dan MGDA 2) Efek pH terhadap kemampuan kelasi Cu 3) Waktu perendaman terhadap kapasitas penyerapan Cu. Kemampuan kelasi asam sitrat, asam tartarat dan EDTA terhadap serapan Ni, Cu, Zn, Cd, Pb pada tanaman jagung. Peranan asam sitrat untuk kelasi Mg, Mn, Zn dan Pb minyak daun cengkeh.
6
8.
Das et al., (2006). Pervaporation separation of DMF from water using a crosslinked polyurethane urea-PMMA IPN membrane. Li et al., (2010). Fast esterification of spent grain for enhanced heavy metal ions adsorption.
Kemampuan DMF meningkat-kan swelling membran, sehingga dapat meningkatkan difusi molekul.
10.
Setiawan (2008) Peran asam humus sebagai pen-desorpsi ion logam.
11.
1) Peranan gugus fungsional –COOH, –OH dan NH asam humat untuk mendesorpsi logam tanah 2) Pengaruh kenaikan pH terhadap teruarainya gugus fungsional as. humat yang direpresentasikan lepasnya proton H+ ke larutan 3) Migrasi ion logam sebagai fungsi perubahan pH pelatrut pada sistem pertukaran ion. Deprotonasi H+ dengan ditandai munculnya puncak –COO– pada diagram FTIR sebagai fungsi perubahan pH.
Tominaga et al., (2007). Nanoordered topographical effects on dissociation of carboxylic acid terminated self-assembled monolayers adsorbed onto a gold surface. Penelitian tersebut di atas sebagai acuan penelitian tahap III, yaitu deprotonasi gugus fungsional –COOH asam sitrat sebagai fungsi perubahan pH lingkungan kelasi.
12.
Jalilehvand et al., (2009). Cadmium complex formation with cysteine and penicillamine. Yang, Z. and Chu, C., (2011). Towards understanding plant response to heavy metal stress dalam Shanker, A., Abiotic Stress in Plants - Mechanisms and Adaptations. Lin and Aarts, (2012). The molecular mechanism of zinc and cadmium stress response in plants. Hou et al., (2012). Effect of heavy metals on the stabilization of mercury(II) by DTCR in desulfurization solutions.
1) Peranan gugus fungsional –COOH spent grain pada adsorpsi Cu, Pb, Zn, Cd dan Ag 2) Penggunaan DMF dan asam sitrat pada adsorsi HMs oleh spent grain. Penelitian tersebut di atas sebagai acuan penelitian tahap II, yaitu Asam sitrat sebagai bahan pengkelat dengan tinjauan ratio asam sitrat terhadap air, DMF sebagai swelling agent dan waktu perendaman. 9.
13.
14.
15.
Formasi komplek tergantung pH.
Cd–cysteine
Pembentukan komplek Cd–PC secara seluler sebagai bentuk respon tanaman (detoksifikasi HMs) dan mengasingkannya ke vakuola.
1) Pembentukan komplek Cd–PC secara seluler 2) Control of metal influx 3) Control of metal efflux. 1) Konfigurasi ion logam berpengaruh pada kapasitas kelasi terhadap ion dan stabilitas pengkelat 2) Konfigurasi elektron memberikan kontribusi pembentukan komplek koordinasi logam – pengkelat. 7
16.
17.
Bruinsma et al., (2002). Zinc Cation diffusion facilitators (CDF) yang Ions and Cation Diffusion berperan sebagai control of metal Facilitator Proteins Regulate efflux Ras-Mediated Signaling. Ou et al., (2013). Genome-wide Peranan plant pleiotropic drug identification, functional analysis resistance transporter termasuk familia and expression profiling of ATP-binding cassette transporters. pleiotropic drug resistance subfamily in potato. Penelitian tersebut di atas sebagai acuan untuk menjawab mekanisme kelasi, yaitu mekanisme terjadinya komplek logam – PC, peranan ABC transporter sebagai control of metal influx dan control of metal efflux, kontribusi konfigurasi ion logam pada kelasi ion dan stabilitas pengkelat dan kontribusi konfigurasi elektron dalam pembentukan komplek koordinasi logam – pengkelat.
8
