BIOLOGI LINGKUNGAN
LAPORAN PENELITIAN HIBAH PENELITIAN STRATEGIS NASIONAL TAHUN ANGGARAN 2009
PENENTUAN NILAI AMBANG N DAN P PENYEBAB BLOOMING POPULASI Microcystis spp. DI PERAIRAN WADUK SUTAMI
Dra. CATUR RETNANINGDYAH, MSi. Dr. SUHARJONO, MS.
Dibiayai oleh Direktorat Jenderal Pendidikan Tinggi, Departemen Pendidikan Nasional, melalui DIPA Universitas Brawijaya Nomor: 0174.0/023-04.2/XV/2009 Tanggal 31 Desember 2008 dan berdasarkan SK Rektor Nomor: 160/SK/2009, Tanggal 7 Mei 2009
UNIVERSITAS BRAWIJAYA NOPEMBER 2009
RINGKASAN populasi Microcystis secara nyata dipengaruhi oleh peningkatan parameter total N dan total P serta rendahnya rasio keduanya. Untuk membuktikan hal tersebut maka diperlukan penelitian lanjutan yang bertujuan untuk membuat model pertumbuhan Microcystis hasil isolasi dari waduk Sutami pada berbagai variasi konsentrasi N dan P dengan rasio yang berbeda di media selektif B 12 di laboratorium, menentukan rasio N:P yang optimum untuk memicu terjadinya pertambahan jumlah individu secara cepat (blooming) dari Microcystis hasil isolasi dari waduk Sutami pada media selektif di laboratorium dan mengetahui pengaruh perbedaan rasio N:P terhadap pertumbuhan Microcystis yang dikulturkan bersama-sama dengan komunitas plankton lain secara insitu pada media alami di waduk Sutami. Penelitian dilakukan bulan April sampai Nopember 2009. Penelitian tahap pertama dilakukan di laboratorium Mikroalga Cyanobacteria dari genus Microcystis berpotensi untuk blooming di waduk Sutami pada waktu tertentu. Pada kondisi blooming, Microcystis sp. dapat menghasilkan racun microcystin yang bersifat toksik terhadap organisme yang lain. Hasil analisis jalur untuk melihat keterkaitan dinamika populasi Microcystis dengan kualitas air di waduk Sutami menunjukkan bahwa peningkatan dengan eksperimen murni menggunakan rancangan acak lengkap faktorial dengan faktor berupa N dan P yang masing-masing dengan variasi berbagai konsentrasi dan variasi rasio N:P. Pengulangan penelitian dilakukan sebanyak tiga kali pada waktu yang sama. Variabel kelimpahan populasi Microcystis diamati tiap hari sampai 30 hari sehingga akan didapatkan laju pertumbuhan ( ) dan daya dukung lingkungan (γ). Faktor fisikokimiawi media (pH, DO, suhu, konduktivitas, total N organik, total P, ortofosfat, ammonium dan nitrat) diukur tiap empat hari. Untuk melihat perbedaan dan γ serta kualitas air antar perlakuan maka dilakukan uji Manova yang dilanjutkan dengan uji Tukey HSD yang dilakukan dengan paket program SPSS for Windows release 13. Hasil tahap pertama ini akan dijadikan dasar untuk penelitian tahap kedua insitu di waduk Sutami dengan eksperimen semu menggunakan rancangan acak lengkap. Air waduk Sutami yang didalamnya sudah berisi komunitas plankton termasuk juga Microcystis diberi perlakuan lima variasi konsentrasi rasio N terhadap P dan juga perlakuan kontrol yaitu air waduk Sutami yang tidak diberi penambahan nutrisi. Eksperimen dilakukan dengan menggunakan kantung plastik transparan diameter 1 m dan panjang 1,5 m yang dimasukkan ke perairan dan dijaga supaya bisa terbenam di perairan dengan menggunakan karamba dari bambu. Pengulangan penelitian dilakukan sebanyak empat kali pada waktu yang sama. Variabel terikat pada penelitian ini adalah kelimpahan Microcystis dan variabel bebasnya adalah berbagai variasi rasio N:P dan kualitas fisikokimiawi air. Penghitungan kelimpahan Microcystis dan kualitas fisiko-kimiawi perairan dilakukan tiap tiga hari sekali sampai 30 hari. Keterkaitan Microcystis dengan faktor fisiko-kimiawi dinalisis dengan mencari koefisien korelasi Pearson dan analisis regresi berganda. Hasil penelitian menunjukkan bahwa perlakuan interaksi atau kombinasi pemberian nitrat dan fosfat dapat mempengaruhi secara nyata terhadap kelimpahan maksimum (γ) dari Microcystis, sedangkan laju pertumbuhan hanya dipengaruhi oleh perbedaan kadar nitrat (N) di media. Pemberian Nitrat 8 mg/L dibarengi dengan pemberian fosfat 0,4 mg/L (rasio N:P 20) di media B12 mampu mendukung kelimpahan maksimum Microcystis tertinggi dibandingkan dengan perlakuan yang lain. Peningkatan kadar fosfat di media B12 tidak selalu diikuti peningkatan laju pertumbuhannya. Fosfat
merupakan faktor pembatas bagi kehidupan Microcystis yang hanya dibutuhkan dalam jumlah sedikit. Pada penelitian ini kelimpahan Microcystis yang tinggi terjadi pada kandungan fosfat 0,4 mg/L. Kelimpahan yang tinggi dari Microcystis di media B12 dapat terjadi pada media B12 dengan rasio N:P yang rendah (10 dan 20) asalkan diberi kandungan nitrat yang rendah (8 mg/L) atau pada rasio N:P yang tinggi dengan (40,80, 160) dengan pemberian nitrat yang lebih tinggi (16 dan 32 mg/L) Semakin tinggi rasio N:P pada media alami air waduk Sutami yang diberi penambahan variasi nitrat dan fosfat semakin besar kelimpahan maksimum Microcystis yang bisa didukung oleh media tersebut. Kelimpahan Microcystis dari waduk Sutami yang ditumbuhkan bersama-sama dengan plankton lain pada berbagai rasio N:P berkorelasi nyata secara positif dengan kadar nitrat, nitrit, total fosfat, konduktivitas, pH, suhu, rasio N:P perlakuan dan nilai KMnO4 perairan. Blooming Microcystis di perairan waduk Sutami dapat terjadi pada kadar nitrat perairan yang tinggi dengan rasio Nitrat:fosfat terlarut yang tinggi. Tingginya kelimpahan maksimum Microcystis dapat mengakibatkan rendahnya rasio TN terhadap TP aktual baik di media B12 maupun di media alami waduk Sutami. Dalam rangka penghambatan terhadap terjadinya blooming Microcystis di perairan maka perlu dilakukan pengendalian terhadap sumber-sumber nitrat dan fosfat dari aktivitas manusia di sekitar waduk. Kata Kunci: Blooming Microcystis, Nutrien N dan P, Waduk Sutami
Microalgae from genus Microcystis having potency to bloom in a particular period at Sutami reservoir. In that blooming condition, Microcystis is a notorious species because it can produce toxins that are dangerous to other algae, zooplankton, fish, birds, cattle, pets, and humans. From data analyses using path analyses to know the correlation among Microcystis with water physico-chemical factors in the Sutami reservoir, it had been known that there is correlation between Nitrogen and Phosphate in the water with the Microcystis abudance. Because of that, this research were be done to prove that statistically assumption. The general objective of this research is to finding the growth model of Microcystis issolating from Sutami reservoir in the B12 medium that were modified with variation of nitrate and phosphate at difference ratio and to know the effect of N:P ratio variation toward Microcystis that growing together with other plankton found in Sutami reservoir. Research has been done on April-November 2009. The research methodology as follow: Microcystis exploration in Sutami reservoir, isolation and culturing Microcystis using B12 medium. The effect of nitrate and phosphate concentration at various ratio toward the growth of Microcystis is carried out experimentally three replications with factorial completely randomized design. Dependent variable factor is growth rate of Microcystis and the independent factors are: variation concentration of nitrate in B12 medium (0, 8, 16, 32 and 64 ppm) and the concentration of phosphate in B12 medium (0; 0.2; 0.4; 0.8; and 1.6 ppm). Incubation of all replicates was done in constant light 5-8 KLux 12 hours per day. In a further experiment we determined the interaction of Microcystis and other microalgae found in Sutami reservoir with the variation of nitrate and phosphate ratios in natural media that be done insitu in Sutami reservoir with four replication. Experiment of this second research was done in plastic envelope with diameter 1 m and height 1,5 m. Ratio of nitrate: phosphate used in this experiment were 0, 10, 20, 40, 80 and 160. The abundance of Microcystis were counted every three days for 30 days. The laboratory research result showed that medium B12 that was added by nitrate 8 ppm and phosphate 0.4 ppm (ratio N:P 20) caused increasing the higher maximum population abundance. The concentration of phosphate was needed to grow of the Microcystis spp. is low. In this research, the highest abundance of Microcystis was found at phosphate concentration 0.4 ppm. The higher Microcystis abundance could occur in B12 medium that having low ratio N:P (ratio 10 and 20) if the nitrate content is low (maximal 8 ppm) and even if the ratio if N:P is higher (40, 80, 160) if the nitrate content in medium is higher too (minimal 16 and 32 ppm). Result of insitu experiment showed that increasing of N:P ratio will cause increasing the abundance of Microcystis too. The abundance of Microcystis from Sutami reservoir that growing together with other plankton at various ratio of N:P having significantly positive correlation with concentration of nitrate, nitrite, phosphate total, conductivity, pH, temperature and KMnO4 value. The blooming of Microcystis in Sutami reservoir can be happened if nitrate concentration in the water is high with ratio nitrate and phosphate is high too. Increasing of maximum population abundance of Microcystis in the water could cause the lower of actual TN:TP ratio even in B12 medium or insitu in Sutami reservoir. To avoid the Microcystis blooming in the water is needed controlling
the point source of nitrate and phosphate especially from human activities in the sorrounding of reservoir. Key words: Microcystis blooming, N and P nutrient, Sutami reservoir
DAFTAR PUSTAKA Abel, P.D. 1989. Water Pollution Biology. Ellis Horwood Limited Publishers, Chichester. Abelovich A, Shilo M. 1972. Photo-oxidative death in blue-green algae. J. Bact. 111. Hal: 682-689 Barnes, R.S.K. & K.H. Mann. 1991. Fundamentals of Aquatic Ecology. Blackwell Science. London. 270 pages. Boyd, C. 1982. Water Quality Management for Pond Fish Culture. Elsevier Scientific Publishing Company. New York. Brower, J.E., J.H. Zar, & C.N. Von Ende. 1990. Field and Laboratory Methods for General Ecology. Third Edition. Wm. C. Brown Publishers, Dubuque. Chu, Z., X. Jin, N. Iwami dan Y. Inamori. 2007. The effect of Temperature on Growth Characteristics and Competitions of Microcystis aeruginosa and Oscillatoria mougeotii in a Shallow, Eutrophic Lake Simulator System. Hydrobiologia. 581: 217-223 Clesceri, L.S., A.E. Greenberg & A.D. Eaton. 1998. Standard Methods for the Examination of Water and Waste Water. 20th Ed., Washington. Closs, G., B. Downes, A. Boulton. 2006. A Scientific Introduction Freshwater Ecology. Blackwell Publishing. Malden USA Connell, Des. W. dan G.J. Miller. 1995. Kimia dan Ekotoksikologi Pencemaran. Diterjemahkan dari Chemistry and Ecotoxicology of Pollution, Oleh: Koestoer, Y. Penerbit Universitas Indonesia, Jakarta Cyanosite. 1997. Microcystis. http://www-cyanosite.bio.purdue.edu. Tanggal akses 25 Februari 2007 Davis, M.L. dan Masten, S.J. 2004. Principles of Environmental Engineering and Science. McGraw-Hill companies, Inc. New York Dokulil, M.T. & K. Teubner. 2000. Cyanobacterial Dominance in Lakes. Hydrobiologia. 438: 1-12 Durr,
S. 2006. Microcystist. http:// www.btinternet.com/ microcystist.html. Tanggal akses 25 Februari 2007
~stephen.
durr/
Ferrão-Filho, A.S., P. Domingos , S. M. F. O. Azevedo, 2002, Influences of a Microcystis aeruginosa Kützing bloom on zooplankton populations in Jacarepaguá Lagoon (Rio de Janeiro, Brazil), Limnologica, 32: 295-308 Fujimoto, N., R. Sudo. 1997. Nutrient-limited growth of Microcystis aeruginosa and Phormidium tenue and competition under various N:P supply ratios and temperatures. Limnol. Oceanogr., 42(2): 250-256 Goldman, C.R. & A.J. Horne. 1983. Limnology. Mc. Graw Hill International Book Co., New York. Grobbelaar, J. U., E. Botes; J.A. van den Heever, A.M.Oberholster dan P.J. Oberholster. 2004. Toxin Production By Cyanobacteria, Report to the Water Research Commission, on the project : Scope and Dynamics of Toxins Produced by Cyanophytes in the Freshwaters of South Africa and the Implications for Human and Other Users. http:// www. wajae. org/ papers/ papers_vol9 /papers9_ the_detection quantification_full.pdf. Tanggal Akses 26 Februari 2007. Heathwaite, L., Phil H. dan Rachel D. 2000. Pathways of Phosphorus Transport in Agriculture and phosphorus management: the Chesapeaks Bay. editor Sharpley A.N . CRC Press. Boca Raton Izydorczyk, K., T Jurczak, A. frankiewicz, A. Skowron, J. M. Boczek and M. Tarczyn´ ska, 2008. Influence of abiotic and biotic factors on microcystin content in Microcystis aeruginosa cells in a eutrophic temperate reservoir, Journal of Plankton Research. 30 (4): 393–400 Joung, S.H., C.J. Kim, C.Y. Ahn, K.Y. Jang, S.M. Boo, H.M. Oh. 2006. Simple method for a cell count of the colonial Cyanobacterium Microcystis sp. The Journal of Microbiology. 44(5):562-565 Kauffman, K and Stone,D.2003. Hazards from Microcystis aeruginosa in Fresh Water. Department of Human Service Oregon. http://www.oregon.gov /DHS/ph/envtox/mafact.shtml diakses tanggal 25 April 2005. Krebs, C.J. 1999. Ecological Methodology. Second Edition. Benjamin Cummings An Imprint of Addison Wesley Longman, Inc. California NODC Taxonomic Code. 1996. Microcystis. http:// www.itis.usda. gov. Tanggal akses 8 Februari 2007 Nojiri, Y. 1987. Progress in Water Quality Analysis. Japanese Society of Ground Water, 29: 107-111
Oberholster, P.J, Botha dan Grobbelaan, (2004), Microcystis spp. : Source of Toxic Mikrocystins in Drinking Water. African Journal of Biotechnology, 3(3):159 – 168. Oregon Public Health Services. 2002. Fact Sheet: hazards from Microcystis aeruginosa in Fresh Water. http://www.ohd.hr.state.or.us /esc/docs/mafact.htm. Diakses 26 April 2002 Otsuka, S., S. Suda, R. Li, S. Matsumoto, M. W. Watanabe. 2000. Morphological variability of colonies of Microcystis morphospecies in culture. J. Gen. Appl. Microbiol., 46: 39-50. Palmer, M.A. dan D.B.Roy. 2001. An Estimate of The Extent of Dystrophic, Oligotrophic, Mesotrophic, and Eutrophic standing fresh water in Great Britania. Joint Nature Conservation Committee Report. Peterborough. Pasteur
2007. Medium Culture of cyanobacteria.http://www.pasteur.fr /recherche/banques /PCC/Media.htm. Diakses tanggal 26 Februari 2007.
Qiang Hu, Westerhoff, P; Vermaas, W. 2000. Removal oF Nitrate from Grounwater by Cyanobacteria : Quantitative Assesement of Factors Influencing Nitrate Uptake. Applied and Environmental Microbiology. Radojevic, M. dan Bashkin V.N. 1999. Practical Environmental Analysis. The Royal Society of Chemistry. Cambridge Ramirez, J.J. dan C.E.M. Bicudo. 2005. Diurnal and Spatial (Vertical) Dynamics of Nutrients (N, P, Si) in Four Sampling Days (Summer, Fall, Winter and Spring) in A Tropical Shallow Reservoir and Their Relationships with The Phytoplankton Ccommunity. Braz. J. Biol. 65(1): 141-157 Raps, S., K. Wiman, H.W. Siegelman dan P.G. Falkawsky. 1983. Adaptation of Cyanobacterium Microcystis aeruginosa to Light Intensity. Plant Physiol. 72 : 829-832 Retnaningdyah, C. , Prayitno, Y. Rosyitawati, M.Y.C Dewi, A.N. Hartini, 2002. Potensi Mikroalga sebagai Bioindikator Tingkat Pencemaran Bahan Organik di Perairan Waduk. National Seminar on Research and Studies Research Grant conducted by Ministry of National Education, Directorate General of Higher Education, TPSDP, Jakarta December 27-28. Retnaningdyah, C., Prayitno, M.Y.C Dewi, A.N. Hartini, 2003. Diversitas Mikroalga di waduk Sutami dan lahor Malang, dipresentasikan secara oral pada Seminar Nasional Biodiversitas di Unair, Surabaya.
Retnaningdyah,C. Dan S. Samino. 2005. Monitoring Dinamika Komunitas Fitoplankton dan Zooplankton di Waduk Sutami Malang Periode 2005. Laporan Penelitian Kerjasama Perum Jasa Tirta I dengan Jurusan Biologi Fakultas MIPA Universitas Brawijaya Sertifikat No. ID03/0127 Retnaningdyah,C. Dan S. Samino. 2006. Monitoring Dinamika Komunitas Fitoplankton dan Zooplankton di Waduk Sutami Malang Periode Bulan Januari-Maret 2006. Laporan Penelitian Kerjasama Perum Jasa Tirta I dengan Jurusan Biologi Fakultas MIPA Universitas Brawijaya Sertifikat No. ID03/0127 Retnaningdyah, C., U. Marwati, A. Harnanto, S. Samino 2007. Usaha Peningkatan Bioremediasi Untuk Pengendalian Blooming Cyanobacteria Microcystis spp. di Perairan tawar. Laporan penelitian Program Insentif Riset Terapan. Penelitian dengan biaya Ristek. Retnaningdyah, C., U. Marwati, S. Samino, S. Partini, Y. A. F. Hardi. 2008. Respon Pertumbuhan Microcystis spp. dari Waduk Sutami pada Beberapa Variasi Media Pertumbuhan, Intensitas Cahaya dan Lama Penyinaran. Prosiding Seminar Nasional Biodiversitas II , Universitas Airlangga, Surabaya19 Juli 2008 Retnaningdyah, C. 2008. Keterkaitan Kualitas Air dengan Dinamika Populasi Microcystis spp. di Waduk Sutami, Malang, Jawa Timur. Prosiding Seminar Nasional Limnologi IV, diselenggarakan oleh Pusat penelitian LimnologiLIPI, Bogor, 15 Oktober 2008. Robarts RD, Zohary T. 1987. Temperatur Effects on Photosysthetic Capacity, respiration, and Growth Rates of Bloom-forming Cyanobacteria. NZ J. Mar. Freshwater Res. 21:391-399 Romanowska-Duda, Z., J. Mankiewicz, M. Tarczyńska, Z. Walter, M. Zalewski. 2002. The Effect of Toxic Cyanobacteria (Blue Green Algae) on Water Plants and Animal Cells. Polish Journal of Environmental Studies. 11(5): 561-566 Samino, S. dan C. Retnaningdyah, 2004. Monitoring Dinamika Komunitas Fitoplankton dan Zooplankton di Waduk Sutami Malang Periode Bulan Oktober sampai Desember 2004. Laporan Penelitian Kerjasama Perum Jasa Tirta I dengan Jurusan Biologi Fakultas MIPA Universitas Brawijaya Sertifikat No. ID03/0127 Samino, S. dan C. Retnaningdyah, 2006. Evaluasi Sifat Toksik Microcystis spp. Terhadap Beberapa Ikan dari Waduk Sutami untuk Pengembangan Early Warning System dalam Blooming Mikroalga. Laporan Penelitian Kerjasama Perum Jasa Tirta I dengan Jurusan Biologi Fakultas MIPA Universitas
Brawijaya Sertifikat No. ID03/0127 Sharpley, A.N. 2003. Agriculture and phosphorus management: the Chesapeaks Bay. CRC Press LLc. Boca Raton Smith, VH. 1983. Low nitrogen to phosphorus ratios favor dominance by blue-green algae in lake. Science. 221:669-671 Stahl-Delbanco, A., L.A. Hansson, M. Gyllstrom. 2003. Recruitment of resting stages may induce blooms of Microcystis at low N:P ratios. J. of Plankton Research. 25(9): 1099-1106. Van der Vesthuizen AJ, Eloff JN. 1985. Effects of Temperature and light on Toxicity and Growth of Microcystis aeruginosa [UV-006]. Planta.163: 55-59 Verspagen, J.M.H. 2006. Benthic-Pelagic Coupling in the Population Dynamics of the Cyanobacterium Microcystis. Ph.D Thesis. Universiteit Utrecht, Nederlands Villareal TA, Carpenter EJ. 2003. Bouyancy Regulation and the Potential for Vertical Migration in the Oceanic Cyanobacterium Trichodesmium. Microbioal Ecol. 45: 1-10 Watanabe, M. F. dan S. Oishi. 1985. Effects of Environmental Factors on Toxicity of a Cyanobacterium (Microcystis aeruginosa) under Culture Conditions. Applied and Environmental Microbiology, May 1985, p. 1342-1344 49, No. 5 Xie, L., P. Xie, S. Li, H. Tang, H. Liu. 2003. The low TN:TP ratio, a cause or a result of Microcystis blooms?. Water Research 37: 2073-2080 Zmijewska, M.I., E. Niemkiewicz, L. Bielecka. 2000. Abundance and Species Composition of Plankton in the Gulf of Gdańsk-Wschód (Gdańsk-East) Sewage Treatment Plant. Oceanologia, 42 (3): 335-357.
