Daftar Isi PENDEKATAN TEKNIK NUKLIR UNTUK STUDI BIOKINETIK AKUMULASI DAN DEPURASI KADMIUM PADA GASTROPODA LAUT TELUK JAKARTA
Pusat Pengembangan
Heny Suseno PengeJolaan Limbah Radioaktif-BATAN,
Serpong
ABSTRAK PENDEKATAN
TEKNIK
NUKLIR
UNTUK
STUDI
BIOKINETIKA
AKUMULASI
DAN DEPURASI
KADMIUM
PADA GASTROPODA LAUT TELUK JAKARTA. Studi biokinetik kadmium pada gronggong hitam (strombus urseus) melalui jalur air dalam kondisi laboratorlum telah dilakukan. Penelitian ini bertujuan untuk memperoleh beberapa parameter biokinetik yang me lip uti proses akumulasi dan depurasi. Percobaan akumuJasi dilakukan dengan cara mengkontaminasi gastropoda tersebut menggunakan IOBCdselama periode tertentu sampai diperoleh kondisi tunak. Percobaan depurasi dilakukan dengan memindahkan oiastropoda tersebut ke dalam air laut bersih yang mengalir. Selama percobaan dilakukan pencacahan aktivias I Cd sehingga parameter biokinetik dapat ditentukan. Hasil percobaan diperoleh faktor konsentrasi IOBCdsebesar 24,3 sampai dengan 30,25. Tidak terdapat pengaruh nyata ukuran tubuh gastropoda terhadap faktor konsentrasi. Biokinetika depurasi dijelaskan dengan modellinier. Waktu paro biologis diperoleh sebesar 7,9 sampai 10,35 hari.
ABSTRACT NUCLEAR TECHNIQUES APPROACH FOR STUDYING THE S/OK/NEnCS OF ACCUMULA nON AND DEPURA nON OF CADMIUM IN JAKARTA SA Y MARINE GASTROPOD. The biokinetics of cadmium in little ooar conch (strombus urseus) contaminated through water pathway has been studied under laboratory conditions. The aim of /his research was to find some biokinetic parameters both for accumulation and depuration process. The experiment of accumulations was carried out by contaminating this gastropod with 109Cd for some periode of time until it aChieved /he steady slate conditions. The depuration experiment was carried out by placing the contaminaled gastropod in the flow of clean sea water. The result of experiment show that the concentration factors for I09Cds in gastropod were 24.3 to 30.25, while the concentration factor of f(19Cd in soft parts of the gastropod was not significanUy influenced by the gastropod size. The depuration kinetics of the IO!ICd could be described by one component linear model. The biological half-lives were found to be 7.9 to 10.35 days.
PENDAHULUAN Hal penting dalam penggunaan organisme sebagai bioindikator polutan logam berat dalam sistem perairan adalah strategi akumulasi bersih (net accumulation strategy) yang melibatkan penelitian pengambilan dan eleminasi/retensi logam dalam organisme(11• Sebelum organisme digunakan sebagai bioindikator harus dilakukan studi biokinetika yang meliputi akumulasi dan depurasi. Investigasi pengambilan dan pelepasan dalam organisme yang berhubungan dengan pajanan ekstemal merupakan langkah pertama dalam mengakses logam secara slgnlflkan dalsm slstem aquatlk. Keuntungan yang diperoleh dari percobaan laboratorium sebagai basis untuk mengestimasi parameter biokinetik dan hitotesis awal tentang bioakumulasi. Pada kebanyakan kasus program pemantauan ling kung an pesisir yang menggunakan bioindikator tidak dirancang secara primer guna melihat perbedaan pora kontaminan dalam lingkungan. Untuk itu dibutuhkan percobaan dan observasi mendalam untuk memahami proses bioakumulasi secara komprehensif. Pengendalian eksperimen merupakan faktor
dan pendekatan utama untuk mempelajari hubungan sebab akibat dan selalu menyerdahanakan kondisi lingkungan!21• Berpijak dari keempat kriteria tersebut maka aplikasi teknik nuklir merupakan jawaban untuk memperoleh kondisi eksperimen yang dapat disesuaikan dengan lingkungan yang seb~narnya. Radioisotop telah digunakan secara laas untuk mempelajari akumulasi polutan dalam organisme laut. Studi bioakumulasi menggunakan radiotracer mempunyai. keuntungan antara lain: mudah dalam hal· pengukuran dan menghasilkan data yang presisi dan akurasi, dapat digunakan untuk konsentrasl yang sangat rendah dimana konsentrasinya dapat diatur mendekati kondisi realistik terhadap lingkungan(3). Gronggong hitam (strom bus urseus) adalah gastropod a laut dan merupakan macrozoobentos dan ~ang terdapat di perairan Teluk Jakarta! dan mempunyai potensi dapat digunakan sebagai bioindikator kadmium di perairan terse but. Makalah ini merupakan hasH studi awal bioakumulasi kadmium dalam strombus urseus penggunaan perunut 109Cd yang meliputi akumulasi, depurasi dan estimasi dalam bentuk pemodelan sederhana.
I
203
TEORI (7)
Eksperimen menggunakan radiotracer untuk mempelajari proses bioakumulasi dilakukan dalam sistem tertutup dan dikenal dengan istilah aquaria experiment. Rangkaian eksperimen dimulai dengan mengumpulkan biota laut, aklimatisasi, dan pemberian perunut radioaktif Pengamatan pengambilan kontaminan (uptake) dilakukan dengan cara menganali~is kandungan radionuklida yang digunakan sebagai perunut radioaktif dalam periode tertentu dan dikonversikan dalam parameter biokinetik seperti terlihat dalam persamaan (1). FK ~ Konsentrasi tracer(Bq) I gram organisme Konsentrasi tracer(Bq) I gram air
(8) dimana ku adalah konstanta pengambilan dan merupakan nilai slope dari Faktor konsentrasi Ct adalah (FK) terhadap waktu (t), konsentrasi pad a t pengamatan (Bq/g), Css adalah konsentrasi pada kondisi setimbang (Bq/g) dan t112b adalah waktu paro biologis kontaminan dalam organisme laut. Berikutnya At adalah persentase kontaminan yang terikat dalam organisme pada proses depurasi (%) dan Ao adalah total kontaminan yang terakumulasi. Persamaan (3) dan (5) merupakan persamaan linier proses akumulasi dan depurasi. Disisi lain persamaan (4) dan (8) merupakan persamaan model saturasi kedua proses tersebut.
( 1)
dimana FK adalah faktor konsentrasi. Selanjutnya ditentukan nila; FK pada keadaan steady state (tunak) pada waktu tertentu yang merepresentasikan laju pengambilan kontaminan sama dengan laju ekresi kontaminan dalam organisme laut tersebur5]. Setelah diperoleh keadaan tunak, maka dilakukan penghentian pajanan perunut dalam organisme laut yang digunakan sebagai hewan percobaan. Percobaan selanjutnya dilakukan dengan memlndahkan hewan percobaan dalam air bebas kontaminan dalam kondisi mengalir. Hal ini dilakukan untuk memperoleh laju pelepasan kontaminan (depuration) dalam organisme laut. Mekanisme total akumulasi kontaminan dalam organisme laut melalui fase air dapat diekspresikan dalam persamaan (2) sampai dengan (6) yang merupakan model linier dan saturasi. Kedua model tersebut menjelaskan hubungan antara lama pajanan kontaminan dengan konsentrasi tracer yang digunakan dalam eksperimen[6J• FK ~
ke cn
BAHAN DAN METODA
~:
Bahan Bahan yan~ digunakan terdiri dari: Peru nut radioaktif Cd buatan Isotope Product Inc, Jerman, aquarium masing-masing berkapasitas 75 liter dan 20 liter, air laut dan Gronggong hitam (strombu$ urseus) yang diambil dari Kepulauan Seribu. Bahan gelas seperti: Erlenmeyer, gelas piala dan sebagainya.
Alat Detektor NaI(TI) diameter 20cm tinggi 14cm buatan Packard yang dihubungkan dengan MCA terintegrasi dalam system Inspector buatan Canberra. pH meter Tata Kerja 1. Aklimatisasi Gronggong hitam (atrombua UniOUS) diambil secara langsung dari perairan Kepuluaf) Seribu dengan teknik penyelaman tradisional pada bulan Mei 2004. Hewan tersebut selanjutnya dibersihkan dan ditempatkan masing -masing sebanyak 20 buah dalam aquarium terpisah yang berkapasitas 75 liter. Proses aklimatisasi dilakukan dengan memelihara hewan tersebut selama 1 minggu tanpa pemberian perunut I09Cd. Aklimatisasi bertujuan untuk menghilangkan stres hewan percobaan dalam kondisi aquarium sehingga dapat digunakan dalam percobaan bioakumulasi.
(2) (5) (4) (6) (3)
FKt .~ku·t
204
HASIL DAN PEMBAHSAN
2. Proses akumulasi Setelah menjalani proses aklimatisasi, 3 jenis ukuran hewan tersebut ditempatkan dalam aquarium yang berbeda-beda. Setiap aquarium berisi 8 hewan (rasio hewana terhadap volume adalah: 1 moluska berbanding 1,5 liter media). Masingmasing aquarium berisi air laut pada pH 7 mengandung perunut 109Cd 1,46 Bq/ml. Media air laut tersebut djganti setiap hari untuk mempertahankan konsentrasinya. Secara periodik hewan terse but dicacah menggunakan spectrometer gamma untuk peroleh data pengambilan kontaminan C09Cd dari fase terlarut). Pemberian kontaminan terhadap hewan dihentikan ketika konsentrasi 109Cddalam tubuh moluska tidak mengalami kenaikan atau berada dalam keadaan tunak (steady state). Seluruh hewan dipindahkan ke media air laut yang tidak mengandung kontaminan untuk menjalani proses depurasi.
Biokinetik Akumulasi Kadmium Akumulasi polutan kadimium terlarut dalam air laut yang direpresentasikan oleh 109Cd oleh gastropoda ditunjukkan pad a Gambar 1. Mengacu pada Gambar 1, keadaan tunak pada proses pengambilan 109Cd tercapai setelah terkontaminasi selama 9 hari untuk semua ukuran. Rekapitulasi data pad a 9 hari terse but (kondisi tunak) diperoleh parameter biokinetik seperti Faktor Konsentrasi dalam kondisi tunak (FKss) dan konstanta pengambilan (ku) Cd. Harga faktor konsentrasi berkisar antara 24,46 sampai dengan 30,25. Harga Faktor konsentarsi tersebut menunjukkan bahwa gastropoda mampu mengakulasi kadmium dari air laut sebesar 24 sampai dengan 30 kali. Oisisi lain ku diperoleh dari slope persamaan linier antara durasi (2 sampai dengan 9 hari) dengan faktor konsentrasi 109Cd. Harga konstanta proses akumulasi kadmium berkisar antara 2,48 sampai dengan 3,08 an . h·-I Penjelasan kemampuan akumlualsi 109Cd oleh gastropod a laut mengacu pad a argumen bahwa proses akumulasi yang melibatkan transportasi kontaminan ke dalam sel organisme. Ion logam diambil oleh organisme laut dari dalam air melalui lebih dari satu jalur transportasi antara lain[71:
3. Proses Depurasi Setelah menjalani proses bioakumulasi, ketiga jenis ukuran hewan ditempatkan dalam aquarium yang berisi media air laut bebas kontaminan dan dalam kondisi mengalir. Selama proses depurasi, secara periodik moluska tersebut dicacah menggunakan spectrometer gamma untuk peroleh data pelepasan kontaminan.
40 35
.t••.... it ..... ·i
•
.~ 30 ~
16 10 5 o
2
3
4
5
7
9
11
16 21
26
Durasi (hari)
Gambar 1. Akumulasi kadmium oleh direpresentasikan sebagai 109Cd
205
gastropoda
yang
pengolahan
1. Transportasi carrier mediated dimana ion
berupa
penyaringan
dan
logam berikatan dengan protein Transportasi melalui protein pembawa dimana saluran membran sel (membran channel) yang mengandung protein dengan inti hidrophobik yang dapat dilalui oleh logam. Difusi pasif lemak dengan logam tertarut (non polar) dimana IQgam larut dalam lapisan ganda lemak termasuk alkH metal, logam netral lipofilik dan spesi metal kompleks anorganik.
sebagainya yang memungkinkan kandungan bahan organik tetah berkurang maka kemungkinan yang paling dominan adalah akumulasi kadmium dalam bentuk ion logam bebas. Pada percobaan ini data yang diperoleh merupakan proses akumulasi kadmium oleh gastropod a dari fase air laut merujuk pada sub jalur transportasi carrier • mediated dimana ion logam langsung berikatan dengan protein jaringan tubuh.
Transportasi kadmium ke dalam tubuh moluska terse but mefibatkan tiga jenis bioavailabi/ity kadmium, dua diantaranya terdapat dalam sistem aquatik, yaitu: 1. kadmium dalam bentuk senyawa kompleks hidrofilik dengan bahan organik yang terdapat dalam air laut. Proses akumulasi kadmium dalam bentuk senyawaan kompleks tersebut lebih besar dibandingkan dengan ion kadmium. Senyawaan organik yang terdapat dalam air laut dan berfungsi sebagai ligan dalam membentuk senyawaan kompleks dengan kadmium adalah asam fulvik, asam amino histidin dan asam karboksilat. 2. Kadmium dalam bentuk senyawaan kompleks hidrofobik , dimana ligan yang benkatan dengan kadmium adalah xanthates dan dithiocarbamates, Kedua ligan ini berasal dan buangan industri.
Biokinetik Depurasi Kadmlum Depurasi kadmium secara prinsip te~adi melalui ginjal atau organ yang terkait dalam sistem ekresi gastropoda tersebut. Depurasi kadmium setelah terakumulasi dalam tubuh gastropoda ditunjukkan pada Gambar 4. Mengacu pada Gambar 3 maka ukuranlbobot gastropdoda tidak menunjukkan perbedaan yang cukup signifikan. Proses depurasi mengarah pada kecenderungan model linier dibandingkan dengan model saturasi. Diperoleh korelasi yang signifikan antara kuantitas kadmium yang terlepas dengan waktu depurasi yang ditunjukkan oleh koefisien regresi tinier diatas 0,9. Mengacu pada hasil percobaan, maka nilai slope dari Gambar 2 merupakan nilai dari konstanta eliminasi (ke) , Nilai ke terse but berkisar antara 6,7 sampai dengan 8,74% hari-1• Kuantisasi dari nilai konstanta tersebut adalah kemampuan gastropda melepas kadmium dari dalam jaringan tubuh setelah terkontaminasi adalah berkisar anatara 6,7% sampai dengan 8,7% perhari.
2.
3.
Mengacu pada air laut yang digunakan sebagai media percobaan telah dilakukan
2~ 403 $0 a:'(ii.....c: 120 60 .
o
'Vi 1019,19
I E '00 20l 80
y1
E,59
~..
= ~.7003x + 107.7
R'
= 0.9436 y2 =
~.H37. + 114.0
,
R' • 0.9761
Ji"
, R'
=
L
0.9827
•
"
It4
y3 =
4
~.4438x + 1i2:'5~
6
9
•
..
14
'6
20
22
Durasi (hari)
Gambar 2. Depurasi kadmium oleh gastroda direpresentasikan sebagai 109Cd
206
yang
0
~
90
U.0 50 30 0 20 10 70 80
-modeI9,5!1 model 9,1g model 7,3 9
-40
C X
9,5g 9,1 9
•
7,3g
•
10
15
20
25
30
Durasi (hari)
Gambar 3. Estimasi FK berdasarkan model liner dibandingkan dengan hasil percobaan
20 0
10 5 30 Durasi
(hari) 35
25
-
- ••
.
-"+
,
J: model ;( 010 25 40 20 30 50 0 15 model I
••
• -
,, 0 %
-
,I
-model • I
7.3 9,59 9,1g
i --------------·-----l I
~
J:
Gambar 4. Estimasi FK berdasarkan model liner dibandingkan dengan hasil percobaan
Waktu paro biologis (t1l2b) ditentukan menggunakan nilai ke dan persamaan (5) dan diperoleh sebesar 7,9 sampai dengan
10,35 har!. Artl flsis darl nilsl ini adalah
kadmium yang terkandung dalam jaringan strombus urseus berkurang setengahnya setelah 7,9 sampai 8 hari ketika kontaminasi dihentikan.
Pemodelan Bioakumulasi Kadmium Berdasarkan hasH percobaan akumulasi maka terdapat dua skenario model biokumulasi kadmium tersebut. Model tersebut dapat berupa liner mengikuti persamaan (2) maupun saturasi mengikuti persamaan (7). Menggunakan harga konstanta pengambHan (kuJ yang diperoleh dari percobaan, maka dibuat suatu model
207
linier yang dibandingkan dengan nilai faktor' konsentrasi dari hasil percobaan seperti yang ditunjukkan pad a Gambar 3, Mengacu pads Gambar 2, setelah 9 hari proses akumulasi maka etimasi nilai Fk cenderung lebih rendah dibandingkan dengan hasH percobaan. Hal ini bahwa untuk mengestimasi kecenderungan peningkatan faktor konsentrasi menggunakan model linier untuk model bioakumulasi kadmium tidaklah relalistik. Pada model linier hanya mengasumsikan kontaminan masuk kedalam organisme dan terakumulasi tanpa disertai oleh proses eliminasi. Disisi lain proses bioakumulasi merupakan selisih antara total akumulasi dengan total depurasi. Mengacu pad a mekanisme akumulasi melalui proses passive uptake terjadi ketika ion logam
kadmium mengikat dinding sel dengan dua cara yang berbeda, pertama pertukaran ion di mana ion monovalent dan divalent seperti Na, Mg, dan Ca pada dinding sel digantikan oleh ion-ion logam berat; dan kedua adalah formasi kompleks antara ion-ion logam berat dengan functional groups seperti carbonyl, amino, thiol, hydroxy, phosphate, dan hydroxy-carboxyl yang berapa pada dinding se!. Proses passive uptake ini bersifat bolak baik dan cepat. Berdasarkan teori tersebut, maka proses bioakumulasi tidak hanya merupakan proses pengambilan saja, tetapi juga diikuti oleh proses pelepasan baik melalui reaksi kesetimbangan maupun produk metabolisme berupa ekskresi. Prediksi akumulasi menggunakan model saturasi sebagaimana dengan mengakomodir hasil perhitungan ke ditunjukkan pada Gambar 4. Gambar 4 menunjukkan pola kecenderungan yang peningkatan nilai faktor konsentrasi yang sam a antara estimasi (model) dengan hasil perhitungan. Hal yang berbeda hanya keadaan tunak pada model dicapai dalam waktu 16 hari. Oisisi lain hasil percobaan menunjukkan bahawa keadaan tunak dicapai setelah 11 hari kontaminasi.
KESIMPULAN 1. Harga faktor konsentrasi kadmium dalam strombus urseus berkisar antara 24,46 sampai dengan 30,25. Harga Faktor konsentarsi terse but menunjukkan bahwa gastropoda mampu mengakumulasikan kadmium dari air laut sebesar 24 sampai dengan 30 kali. 2. Nilai ke strom bus urseus berkisar antara 6,7 sampai dengan 8,74% harr1. Kuantisasi dari nilai konstanta tersebut adaJah kemampuan gastropod a melepas kadmium dari dalam jaringan tubuh setelah terkontaminasi adalah berkisar antara 6,7% sampai dengan 8,7% per hari.
3.
Waktu paro biologis (tU2b) 109Cd dalam gastropod a adalah 7,9 sampai dengan 10,35 hari. Arti fisis dari nilai inl adalah kadmium yang terkandung di dalam jaringan strombus urseus berkurang setengahnya setelah 7,9 sampai 8 hari setelah kontaminasi dihentikan.
DAFT AR PUST AKA 1. KAHLE, J and ZAUKE, G.P (2000), Bioaccumulation of trace metals in the calanoid copepod Metridia gerfachei from the Weddell Sea (Antarctica) Carl von Ossietzky Universitat Oldenburg, FB Biologie (ICBM), Germany 2. FISHER, N (2002) •. Executive Summary ·Ciesm Workshop Monographs 19, Metal and Radionuclide Bioaccumulation in Marine Organism, halaman 7-25 Monaco, 3. FISHER, N (2003)· Advantage and Problems in The Apllication of Radiotracer for Determining The Bioaccumulation of Contaminant in Aquatic Organism, RCM on Biomonitoring, IAEA, Monaco 4. ANNOM (2000), ·Buku Neraca Kesetimbang Lingkungan Oaerah OKI Jakarta, Bapeda Pemda OK!. 5. FISHER, N (2002) .. Executive Summary ·Ciesm Workshop Monographs 19, Metal and Radionuclide Bioaccumulation in Marine Organism, halaman 7-25 Monaco, 6. SMALL LF (1997), • Basic Concept in Marine Biology and Ecology", IAEA Training Course Series No. 7 on Strategies and Methodologies for Applied Marine Radioactivity Studies, Viena . 7. PETER GC CAMPBELL (2002) Predicting Metal BioavailabilityApplicability of Biotic Ligan Model, Ciesm Workshop Monographs 19, Metal and Radionuclide Bioaccumulation in Marine Organ is, Monaco
Daftar Isi
