FAKTOR-FAKTOR KIMIA YANG MEMPENGARUHI PRODUKTIVITAS PERAIRANProduktivitas primer adalah laju produksi energi yang tersimpan sebagai bahan organik pada tanaman hijau per satuan waktu dan unit area (Fahey T & A Knapp. 2007. Primary production: Guiding principles and standards for measurement. In: Fahey TJ & AK Knapp (eds). Principles and standards for measuring net primary production, pp. 3-11. Oxford Univ. Press, New York 2007)

?

Tanaman hijau (phytoplankton)Per satuan ruang (Komponen Spatial) Dy/dA

Produksi energi (bahan organik)Per satuan Waktu (Komponen Temporal) = dy/dt

Tingkatan Produktivitas primer mengarahkan kepada perbedaan tingkat kemampuan lingkungan perairan untuk memproduksi atau dinamakan TINGKAT TROPIKOligotropik : merupakan lingkungan perairan yang mempunyai produktivitas primer rendah berasosiasi dengan rendahnya N dan P mempunyai nilai 7 25 gC/cm2/tahun Mesotropik : merupakan lingkungan perairan dengan tingkat produktivitas sedang, mempunyai nilai PP diantara Oligotropik dengan Eutropik Eutropik : merupakan lingkungan perairan dengan tingkat produktivitas tinggi, mempunyai nilai PP 75 700 gC/cm2/tahunSumber : Welch (1980). Ecological effects of waste water. Cambridge Univ. Press. Cambridge.

Oligotropik Acidotropik Alkalitropik Argillotropik Siderotropik Dystropik

: : : : : :

Rendah primer tinggi, berasosiasi dengan tingginya nilai N dan P Produktivitas rendah, berasosiasi dengan rendahnya N dan P serta pH , 5,5 Produktivitas tinggi, berasosiasi dengan tingginya konsentrasi Calsium Produktivitas rendah, berasosiasi dengan tingginya turbiditas akibat clay Produktivitas rendah, berasosiasi dengan tingginya kandungan Fe Produktivitas rendah, berasosiasi dengan tingginya asam humik (termasuk warna)

Sumber : Wetzel, R.G. 2001. Limnology : Lake and River Wcosystem (3th eds). Academic Press. NY

APA LANDASAN DARI PENGELOMPOKAN STATUS TROPIK ?

?O2

Radiasi Cahaya

CO2

Skema Faktor-faktor Pembatas bagi pertumbuhan Fitoplankton (Harris, 1986)

ATP C-4 NH4O2

NO2

NO2

Glicolate C-3 Asam AminoPati

NO3

Vacuola NO3Protein, RNA, DNA DEP Pi

CO2

CO2 Pi PO4

Pati Piruvat

Glicolate

Polyfosfat H+ PO4 NH4 CO2 O2

Proses endocytosis dan Ectositosis

ProsesTransduksi sel

Faktor PelaksanaanTransfer materi pada phytoplankton

Tipe Algae Zoochlorella

Host Phyllum Porifera Protozoa Coelenterata

Carbohidrat lepasan ke Host Glucosa Maltosa Glucosa/ Maltosa

MoluskaZooxanthellae Coelenterata Moluska

GlucosaGlyserol Glyserol

Sumber : Scmiidth-Nielsen, 1983. Animal physiology : Adaptation and environment. Cambridge Univ. Press. NY

?

Tanaman hijau (phytoplankton)Per satuan ruang (Komponen Spatial) Dy/dA

Produksi energi (bahan organik)Per satuan Waktu (Komponen Temporal) = dy/dt

Intensitas Cahaya MatahariNutrien Pembatas (Nitrogen/Posfor) Temperatur

Terkait dengan pembatasan ruang/kedalaman perairan serta memberikan ruang terjadinya proses kimia setempat

Terkait dengan pola pertumbuhan bioproses, tingkat konsumsi atau waktu insiden dan proses kimia

Konsumsi Oksigen (ul O2/g/jam)

800 600 400 200

Q-teoritis Q-aktual

EFEK FISIOLOGI SUHU TERHADAP PHYTOPLANKTON Log Q10 = (log R2 log R1).{10/(T2-T1)}Q10 = Quotient respirasi R = Laju konsumsi oksigen T = TemperaturSumber : Scmiidth-Nielsen, 1983. Animal physiology : Adaptation and environment. Cambridge Univ. Press. NY

00 20 40

1

Temperatur (oC)

Laju Konsumsi Nutrient (%)

Merangsang proses metabolisme dan dalam kondisi tertentu merangsang kerja fungsi enzim

60

T-1 < T-2 < T340

T-3 T-2 T-1

2Memacu konsumsi nutrisiSumber : Harris, I. 1976. The Physiological Ecology of Phytoplankton. Blackwell Sci. Publ. Oxford

200 0 20 Temperatur (oC) 40

Nitrogen dan Fosfor loading (mol N/m2/th)

N2

DAUR NITROGEN DI PERAIRANOrganic N Plankton dan Flora littoral

N2 TROPOGENIC ZONA

NO3

NO2

H2O CO2 R-CH-CHO NH2 O2 R-COOH + CO2

NH3TROPOLYTIC ZONA

HidrolitikN2 Organic N PlanktonH2O

1

AssimilasiCO2

NO3

NO2

23 4

Nitrifikasi Denitrifikasi Fiksasi N2

Organic N SedimenO2 R-COOH + CO2

NH

3

SEDIMEN

Dekomposisi Resisten N

Pola Umum Distribusi Vertikal Nitrat dan Ammonium pada Dua Kondisi Tingkat Tropik Perairan

NH3+ H2O

NH4+ + OH-

Amonia berada dalam dua bentuk yaitu amonia tidak terionisasi (NH3) dan amonia terionisasi (NH4+) secara setimbang , berubah tergantung pada pH perairan.

Pada pH rendah , amonia berada pada bentuk terionisasinya, kesetimbangan bergeser ke kanan (ion amonium); Pada pH tinggi , sebagian besar amonia dalam bentuk tak terionisasinya, kesetimbangan bergeser ke kiri (amonia)

NITRIFIKASI

Merupakan suatu proses pengubahan amonium/ammonia menjadi nitrat melalui reaksi pembakaran (pemanfaatan oksigen) dan biologis

1 NH4+ + 11/2 O2

2 H+ + NO2- + H2O

Bakteri Nitrosomonas (Nitrobacteriaceae, ordo Pseudomonadales) Merupakan bakteri mesopilik dengan toleransi suhu yang lebar antara 1-37oC dan dapat tumbuh normal pada pH normal

2 NO2- + 1/2 O2

NO3-

Bakteri Nitrobacter

O2Pembatas :Temperatur (pembatasan kelarutan) Kesuburan perairan

Klas fosfor dalam sistem akuatik GrupOrthofosfat

Tingkat pentingnya speciesH3PO4, H2PO4HPO42-, PO4-3 Kompleks H4P2O7, H3P2O7H2P2O72HP2O73-, P2O74Kompleks H3P3O10-2 H2P3O103HP3O104-, P3O105Kompleks

Konstanta ionisasi asam (t = 25oC)pKa,1 = 2,1 pKa,1 = 7,2 pKa,1 = 12,3 pKa,1 = 1,52 pKa,1 = 2,4 pKa,1 = 6,6 pKa,1 = 9,3 pKa,1 = 2,3 pKa,1 = 6,5 pKa,1 = 9,2

Polyphosfat Tipe : pyrofosfat

Tipe : Tripolyfosfat

Metafosfat Tipe : trimetafosfat Organik fosfat

HP3O92-, P3O93pKa,1 = 2,1 Sangat beragam tipenya, termasuk didalamnya adalah phospolipid, gula fosfat, nucleotida, phospoamida dan sebagainya.

Sumber : Snoeyink dan Jenkins (1980)

H3PO4 H+ + H2PO4H2PO4- H+ + HPO4-2

HPO4-2 H+ + PO4-3

Pola Umum Distribusi Vertikal Fosfat Terlarut (Ps) dan Fosfat Total (Pt) Pada Dua Kondisi Tingkat Tropik Perairan

DESKRIPSI KINEMATIKA EKOSISTEM

FAKTOR-FAKTOR KINEMATIKA EKOSISTEM

O2 tpHCO2 POOL PENGGERAK

1. Bahan Organik : P H C

POOL ENERGITC

2. Muatan Padatan (terlarut/tersuspensi):Ikatan dengan Sekumpulan logam berat yang terlarut : Pb, Cd, Hg, Cu, Ni dsb

3. Exogenous loading (masukan dari luar) :

RESPON BIOPROSES

Pola Perubahan Ekosistem : Terjadinya pergeseran status Lingkungan perairan baik Berdasarkan tingkat tropik maupun status saprobitas

Exogenous loading (masukan dari luar) :

Reaksi

AKSIA1 : Tingkat Produksi awalA2 : Struktur biota awal

RESPON BIOPROSES

Tingkat Produksi Struktur Biota

A3 : Perubahan fisika kimia lingkungan

KINEMATIKA EKOSISTEM

Apakah suatu lingkungan perairan akan selalu tetap/statis/tidak berubah pada suatu kondisi tropik tertentu ?

Apabila demikian, bagaimana mekanismenya ? Faktor-faktor apa saja yang menjadi kendalinya ? Apabila tidak, bagaimana mekanismenya ? Faktor-faktor apa saja yang menjadi kendalinya ?

RESPON BIOPROSES

Tingkat Produksi Struktur Biota

Sebagai ukuran dinamika ekosistem

Produksi bahan organikRespon Biofisiologi Produksi tanaman hijau daun (produksi/produktivitas primer) Memerlukan kompensasi Reaerasi, Deoksigenasi dan dekarbonisasi

1 Konsep SAPROBITAS Konsep TROPIC

Respon Ecofisiologi

2

Respon BiofisiologiBioakumulasi adalah pengambilan dan retensi pencemar oleh makhluk hidup dari lingkungan melalui suatu mekanisme atau lintasan;Biokonsentrasi adalah pengambilan dan retensi pencemar langsung dari massa air oleh makhluk hidup melalui jaringan seperti insang atau jaringan epitel. Biomagnifikasi adalah proses dimana pencemar bergerak dari satu tingkat tropik ke tingkat lainnya dan menunjukkan peningkatan kepekatan dalam makhluk hidup sesuai dengan keadaan tropik merekaBiotransformasi

?

Beberapa sifat umum perairan pada berbagai tingkat tropik dan tingkat saprobik 71. Ikan 2. Algae hijau 3. Algae biru 4. Volvocales 5. Oligochaeta dan tuberficida 6. Ciliata dan flagellata 7. Bakteri 8. Pembusukan abiotik

Biota

6 1 3 4

5

Oksigen (g/m3/jam)

2

Pernafasan dan BOD5 (mg/l) Produksi Primer

% DO rataan Dan Ranah harian

Indeks dan Tingkat saprobik

Bertambahnya kerusakan

Kematiana

Kerusakan Tidak dapat balik

Respon Ecofisiologi

Tanggapan terhadap Racun

Kerusakan dapat balik

a=

Homeostasis Kenormalan

b=

pengaruh teramati dari suatu zat esensial terhadap kehidupan pada kepekatan rendah; pengaruh suatu zat tidak esensial

b

c1

c2

c3

c4

Pertambahan kepekatan Racun dengan suatu waktu Kontak yang tetap

Kurva Dosis-Tanggapan (Hubungan hipotetik antara pengaruh teramati dan kepekatan)

RESPON BIOPROSES 1 Konsep TROPIC Konsep SAPROBITAS

Oligotropik :Lingkungan perairan yang mempunyai produktivitas primer rendah berasosiasi dengan rendahnya N dan P mempunyai nilai 7 25 gC/cm2/tahun

Mesotropik :Lingkungan perairan dengan tingkat produktivitas sedang, mempunyai nilai PP diantara Oligotropik dengan Eutropik

2

Eutropik :Lingkungan perairan dengan tingkat produktivitas tinggi, mempunyai nilai PP 75 700 gC/cm2/tahun

Sebagai ukuran dinamika ekosistem

Polisaprobik :yaitu saprobitas perairan yang tingkat pencemarannya berat, kesuburan sulit dimanfaatkan dimanfaatkan dan tidak cocok untuk budidaya laut

Alpha Mesosaprobik :yaitu saprobitas perairan yang tingkat pencemarannya sedang sampai dengan berat, kesuburan sulit dimanfaatkan untuk kultivan tertentu

Beta Mesosaprobik :yaitu saprobitas perairan yang tingkat pencemaran sedang sampai ringan, kesuburan dapat dimanfaatkan untuk lokasi budidaya

Oligosaprobik :yaitu saprobitas perairan yang tingkat pencemarannya ringan atau belum tercemar, kesuburan dapat dimanfaatkan untuk lokasi budidaya

Produksi Primer (g/m3/jam)

P/R = 1

Eut

Ms

Os Ps Ot Xs Pernafasan (g/m3/jam)Ot = Oligotropik Eut = Eutropik Xs = Xenosaprobitas Os = Oligosaprobitas Ms = Mesosaprobitas Ps = Polisaprobitas

Grafik Produksi Primer terhadap Respirasi untuk Berbagai Keadaan Saprobik dan Tropik dalam daerah Perairan dan rangkaian hubungan timbal baliknya

Perubahan dalam Tingkatan saprobitas dan tropik dalam aliran air dan danau (dari hulu ke hilir) yang dihasilkan dari berbagai exogenous effect Produksi P/R = 1 Eut Sebuah danau atau lingkungan perairan yang menerima hara (nutrien) tanpa bahan Organik terhadap waktu

Ot Respirasi Produksi P/R = 1 Eut Ms Profil kinematika lingkungan perairan akibat Masukan pencemaran berat dengan air limbah yang mengandung banyak hara (nutrien) Profil kinematika lingkungan perairan akibat Masukan pencemaran berat dengan air limbah yang mengandung sedikit hara (nutrien)

OtXs

Ps

Tanah sulfat masam

Tanah sulfat masam

Tanah sulfat masam merupakan tanah yang mengandung senyawa pirit (FeS2). Tanah sulfat banyak terdapat di daerah rawa, baik pada pasang surut maupun lebak. Pada kondisi tergenang senyawa tersebut bersifat stabil, namun bila telah teroksidasi maka akan memunculkan problem, bagi tanah, kualitas kimia perairan dan biota-biota yang berada baik di dalam tanah itu sendiri maupun yang berada di badan-badan air, dimana hasil oksidasi tersebut tercuci ke perairan tersebut.

Pembentukan tanah sulfat masamVegetasi mangrove yang tumbuh membantu terciptanya suatu sedimen, terutama Rhizophora Sp yang memberikan peluang terjadinya akumulasi bahan organik (CH2O)(Tomlinson, 1957) CH2O

T (waktu) O2

Tercipta kondisi anaerob dan mempercepat aktivitas bakteri Desulfobrio dan Desultomaculum untuk memanfaatkan sulfat sebagai sumber energi dan mengaktivasi pembentukan hidrogen sulfida

T (waktu)

Reaksi pembentukan tanah sulfat masam (pirit)(Pon, 1973 dan Rickard, 1973) : 2CH2O + SO42 H2S + Fe2+ FeS + S HCO3 + HS + CO2 + H2O FeS + 2H+ FeS2 (pirit)

Adanya oksidasi pirit merupakan penyebab utama munculnya permasalahan di lahan sulfat masam. Menurut Dent (1986); Alloway dan Ayres (1997) proses oksidasi pirit pada tanah sulfat masam terjadi dalam beberapa tahap dan melibatkan proses kimia serta mikrobiologi. Mula-mula oksigen terlarut dalam air tanah bereaksi lambat dengan pirit, menghasilkan besi fero (Fe2+) dan sulfat atau unsur belerang. Reaksi tersebut adalah sebagai berikut : FeS2 + O2 + 2 H+ Fe2+ + 2 S + H2O

Fe2+ dan S merupakan pemasok ulang terjadinya proses pembentukan tanah sulfat masam, sementara pembentukan H2S berasal dari pembentukan HS akibat adanya peningkatan ion H+ yang terjadi pada Kondisi pH rendah.

Pembukaan lahan hutan bakau untuk budidaya tambak mengakibatkan terjadinya pembongkaran dan oksidasi pirit. Oksidasi pirit yang terjadi ditunjukkan oleh Bloomfield dan Coulter (1973) seperti reaksi berikut : FeS2 + 702 + 2H2O 2FeSO4 + 2H2SO4