Isotop Stabil 1. Sifat Kimiawi Isotop Stabil
13
----- : Batasan ekosistembiota yang bermigrasi : Proses makan memakan secara langsung
Gambar 5 Ilustrasi jaring-jaring makanan di ekosistem lamun dan mangrove a. Kneer et al. 2008; b. Marguillier et al. 1997; c. Zieman et al. 1984; d.
Nordhaus dan Wolff 2007; e. Meziane dan Tsuchiya 2000; f. Sheaves dan Molony 2000; g. Tewfik et al. 2005.
Karbon dan nitrogen merupakan unsur utama yang dibutuhkan oleh setiap organisme yang di darat dan laut. Karbon dan nitrogen merupakan salah satu
unsur esensial yang ada di dalam proses kehidupan dan dibutuhkan dalam jumlah besar Campbell et al. 2008. Proses perpindahan sumber makanan
merupakan proses satu kesatuan dengan perpindahan karbon dan nitrogen. Sumber karbon dan nitrogen dari produsen primer memiliki nilai yang bervariasi
dan dipengaruhi faktor lingkungan seperti fisik, kimia, dan biologi.
2.3. Isotop Stabil 2.3.1. Sifat Kimiawi Isotop Stabil
Isotop adalah unsur bernomor atom sama, tetapi memiliki jumlah neutron yang berbeda. Isotop terbagi kedalam 2 bagian, yaitu stabil dan tidak stabil
Ekosistem Lamun Mikroba
c
Udang Ghost shrimp
a
Detritus Lamun
a
Gastropoda
b
Ikan Besar
b
Bivalva
ab
Copepod
a
Gastropoda
b
DetritusDaun Mangrove
e
Kepiting
b,d e
Ekosistem Mangrove
b
Mikroba
e
Ikan
b f
Ikan Kecil
b
Bivalva
b
Manusia
g
14 radioaktif Hoefs 2009. Isotop stabil didefinisikan sebagai elemen isotop yang
stabil secara aktif dan tidak membusuk decay dan tidak termasuk radioaktif Sulzman 2007. Menurut Hoefs 2009 sejauh ini jumlah isotop stabil di alam
yaitu 300, sedangkan isotop tidak stabil 1.200. Karbon yang utama memiliki fraksi yang besar di alam berupa isotop
karbon-12 98,89, fraksi karbon yang rendah 1,11 terdapat pada karbon- 13. Nitrogen yang berlimpah dalam bentuk isotop nitrogen-14, sedangkan
nitrogen yang rendah adalah nitrogen-15 0,36. Sulfur memiliki 4 bentuk stabil, yaitu sulfur-32 yang banyak ditemukan 95,02, sulfur-34 4,21, sulfur-33
0,75, dan fraksi sulfur yang kecil adalah sulfur-36 0,02 Ehleringer dan Rundel 1989. Isotop stabil berkembang menjadi salah satu alat analisis atau
metode sidik jari finger print yang digunakan pada bidang geologi, kimia, dan biologi yang dikenal dengan stable isotope analysis SIA.
2.3.2. Manfaat Isotop Stabil Pada bidang biologi, analisis isotop stabil digunakan untuk studi ekologi
dan lingkungan, seperti untuk mengetahui sumber dan jaring-jaring makanan, sirkulasi di biosfer, kontaminasi perairan, pola migrasi nutrient dan hewan, input
nutrien, ukuran tubuh spesies Jardine et al. 2003; Fry 2006, mengetahui partikel-partikel mangsa prey yang masuk di pemangsa predator,
mengidentifikasi sumber polutan, mengetahui proses-proses penilaian nitrifikasi, dan estimasi rata-rata C di tanah Sulzman 2007.
Menurut Jardine et al. 2003 terdapat 3 elemen yang digunakan pada stable isotope untuk ekologi yaitu karbon, nitrogen, dan sulfur. Elemen yang
banyak digunakan untuk ekosistem laut adalah karbon dan nitrogen Carabel et al. 2006. Dalam bidang ekologi, nilai isotop stabil pada karbon digunakan untuk
membedakan komponen sumber karbon produsen primer yang diasimilasi oleh tingkat konsumen yang lebih tinggi Peterson dan Fry 1987 dan untuk
mengetahui proses metabolisme di tubuh biota invertebrata Paulet et al. 2006. Asimilasi karbon dan nitrogen oleh konsumen disebut dengan fraksinasi atau
perpindahan karbon dan nitrogen Δδ
13
C dan Δδ
15
N DeNiro dan Epstein 1978, 1981; Dubois et al. 2007. Isotop stabil karbon di konsumen memiliki nilai yang
sama atau merefleksikan dari sumbernya makanannya DeNiro dan Epstein 1978, sama seperti dengan karbon, nitrogen pada hewan dapat memberikan
informasi dari komposisi nitrogen konsumen yang sama dengan isotop nitrogen dari sumber makanannya DeNiro dan Epstein 1981. Nilai isotop stabil nitrogen
15 lebih sering digunakan pada tingkatan trofik dikomunitas Wada et al. 1991,
struktur tropik di ekosistem akuatik Minagawa dan Wada 1984 atau menggambarkan jaring-jaring makanan Vonk et al. 208 dan untuk mengetahui
proses metabolisme biota laut Lorrain et al. 2002. Oleh karena itu, isotop karbon digunakan untuk mengetahui atau merunut sumber makanan pada
konsumen, sedangkan isotop nitrogen digunakan untuk mengetahui dan menghitung tingkatan konsumen di tropik level dalam rantai dan jaring-jaring
makanan. Analisis isotop stabil merupakan salah satu metode yang digunakan untuk
mengetahui dinamika jaring makanan di sistem akuatik, pola dan sumber bahan organik pada biota perairan darat dan laut seperti di ekosistem mangrove
Bouillon et al. 2002;Hsieh et al. 2002 dan lamun Lepoint et al. 2004. Selain itu, terdapat metode lain untuk mengetahui pola dan sumber bahan organik pada
hewan invertebrata laut seperti yaitu pengamatan di lapangan, analisis isi usus gut content, biomarker seperti asam lemak fatty acidDalsgaard et al. 2003
atau dengan metode DNA Blankenship dan Yayanos 2005.Metode isotop stabil dalam merunut sumber makanan atau menghitung tropik level memiliki
keuntungan seperti mengetahui sumber-sumber organik terlarut, mengetahui dasar atau awal dari jaring-jaring makanan, dan dapat menghitung tropik level di
rantai atau jaring-jaring makanan Pasquaud et al. 2007. Metode dengan menggunakan pengamatan pada sistem pencernaan
merupakan metode yang mudah Alfaro 2008, akan tetapi hanya dapat digunakan pada ikan dan beberapa krustacea, tetapi metode ini tidak dapat
digunakan pada hewan berukuran kecil, membutuhkan pengujian kembali Kaehler dan Pakhomov 2001, masih terdapat bias dan kurang mewakili
keseluruhan Pasquaud et al. 2007, dan metode yang misleading menyesatkan pada isi usus kerang karena tidak dapat membedakan bahan
ingested yang tidak dicerna Kasai et al. 2006. Metode pengamatan pola dan sumber organik di lapangan merupakan metode yang membutuhkan waktu yang
panjang. Pada biota laut seperti makrozoobentos, analisis sumber organik yang dapat mewakili dan mengetahui sumber organik dapat digunakan analisis isotop
stabil. Menurut Davenport et al. 2011, analisis isotop stabil dapat menjelaskan organik terlarut yang kompleks dilingkungan kolom perairan dan materi yang
berasosiasi. Selain itu, metode analisis isotop stabil berhasil dalam menjelaskan rantai dan jaring-jaring makanan dan trofik level kompleks Post 2002 di
16 ekosistem mangrove Bouillon et al. 2002;Hsieh et al. 2002 dan ekosistem
lamun Lepoint et al. 2004; Vonk et al. 2008. Nilai rasio fraksinasi isotop stabil dari karbon dan nitrogen di konsumen
yaitu makrozoobentos, menjadi petunjuk untuk mengetahui asal mula atau aliran sumber makanan produsen. Makrozoobentos di zona intertidal memegang
peran penting dalam transfer aliran energi terhadap konsumen teratas atau trofik yang lebih tinggi di dalam rantai organik. Apabila makrozoobentos hilang atau
berkurang, maka transfer energi karbon dan nitrogen di ekosistem tersebut terganggu atau menjadi tidak seimbang dan bahkan dapat menyebabkan
kepunahan sehingga pemanfaatan dari fungsi bivalvia tidak dapat dimanfaatkan kembali oleh manusia konsumen teratas sebagai fungsi sosial-ekonomi dan
ekologi.
2.3.3. Siklus Isotop Stabil di Laut Variasi isotop dapat ditemukan dari material dengan klasifikasi proses yang
berbeda-beda, seperti reaksi dan perbedaan sumber seperti sumber dari luar angkasa atau bumi Hoefs 2009. Proses reaksi dari isotop stabil di bumi
terdapat di seluruh material yang merupakan bagian dari siklus di alam. Siklus isotop stabil, seperti karbon dan nitrogen, di bumi berada di atmosfir, daratan,
dan lautan memiliki keterkaitan satu sama lain dari masing-masing ekosistem.
Gambar 6Siklus isotop stabi l karbon δ
13
C di alam Peterson dan Fry 1987.
17 Karbon di laut berasal dari pertukaran CO
2
antara atmosfir dengan ekosistem terestrial dan permukaan laut Gambar 6; Peterson dan Fry 1987;
Hoefs 2009. Nilai δ
13
C CO
2
di atmosfir menjadi menurun akibat respon masukkan dari pembakaran minyak bumi dan dekomposisi yang selama lebih
dari 30 tahun turun 1 ‰. Karbon uptake di daratan seperti dari tumbuhan C
3
memiliki proses fraksinasi 21 ‰ antara atmosfir memiliki -7 ‰ dan biomassa tumbuhan -28 ‰, sedangkan uptake karbon tumbuhan C
4
seperti tumbuhan tropis dan laut lebih rendah -13 ‰ yaitu 6 ‰. Karbon organik terlarut yang ada
di tanah merupakan hasil dari campuran antara karbon dari atmosfir atau biomassa tumbuhan karena secara umum memiliki nilai karbon yang kemiripan
dengan tumbuhan Peterson dan Fry 1987. Lebih lanjut, menurut Peterson dan Fry 1987 dan Hoefs 2009 menyatakan bahwa siklus karbon di air tawar
berbeda dengan air laut dikarenakan perbedaan komposisi dan sumber CO
2
terlarut, dimana masukkan sumber karbon di air laut yang lebih kuat berasal dari respirasi. Selain itu, siklus karbon dilaut karena pertukaran antara CO
2
di atmosfir dengan permukaan laut.
Nilai isotop stabil karbon di makhluk hidup berbeda, seperti di tumbuhan dan hewan. Menuru
t O’Leary 1981, nilai isotop karbon δ
13
C di tumbuhan dapat dibedakan berdasarkan tipe proses fotosintesis terbagi kedalam 3
kelompok, yaitu tumbuhan C
3
, C
4
, dan CAM Crassulacean Acid Metabolism. Karbon δ
13
C tumbuhan C
4
memiliki nilai -15 ‰ sampai -9 ‰ Hemminga dan Mateo 1996, sedangkan C
3
didarat seperti tumbuhan mangrove pada saat berfotosintesis memiliki nilai antara -24 ‰ dan -30 ‰. Tumbuhan CAM memiliki
nilai melebihi tumbuhan C
3
dan C
4
Bouillon et al. 2008. Tumbuhan lamun, memiliki nilai isotop karbon δ
13
C dengan kisaran antara -3,0 ‰ sampai dengan -23,8 ‰ yang tergolong kedalam tumbuhan tipe C
4
akan tetapi secara umum metabolisme pada saat berfotosintesis tergolong kedalam C
3
Hemminga dan Mateo 1996.
Produsen primer seperti fitoplankton di laut memiliki nilai isotop karbon δ
13
C -17 ‰ sampai -23 ‰, sedangkan fitoplankton di air tawar memiliki nilai yang lebih rendah dari fitoplankton laut. Penelitian yang dilakukan Lopes et al.
2009 di sedimen ekosistem mangrove, nilai isotop karbon -20 ‰ sampai dengan -23 ‰
. Nilai isotop karbon δ
13
C pada tumbuhan darat C
3
, C
4
, dan CAM dapat berbeda-beda karena terdapat perbedaan jenis, kandungan nutrien, dan
letak geografis Bouillon et al. 2008 . Nilai δ
13
C pada mangrove dan lamun yang
18 hidup memiliki nilai yang sama dengan dekomposisi mangrove dan lamun
Zieman et al. 1984. Nitrogen yang ada di makhluk hidup sebagian besar berasal atmosfir dalam
bentuk gas N
2
Peterson dan Fry 1987 dan sebagai nutrien yang terbatas di laut Hoefs 2009. Komposisi nilai nitrogen di biosfer memiliki mendekati 0 ‰ atau
dapat dikatakan lebih rendah karbon, dengan kisaran -10 sampai dengan + 10 ‰ Gambar 7. Menurut Peterson dan Fry 1987 penyebab utama nilai nitrogen
yang rendah dikarenakan terbatasnya suplai dari reaksi di tumbuhan dan bakteri. Nitrogen yang terlarut dalam bentuk N
2
di permukaan laut, memiliki nilai + 1 kemudian dimanfaatkan oleh partikel organik terlarut seperti fitoplankton.
Gambar 7 Siklus isotop stabil nitrogen δ
15
N di alam Peterson dan Fry 1987. Nitrogen yang masuk ke dalam produsen primer seperti tumbuhan dalam
bentuk N
2
yang sebagian besar berasal dari reduksi oleh mikroorganisme. Nilai nitrogen dalam produsen primer sama seperti nilai karbon, nilainya bervariasi
karena dipengaruhi oleh faktor fisik, kimia, dan biologi. Tumbuhan epifit memiliki nilai δ
15
N -8 ‰ sampai dengan -6 ‰ Bouillon et al. 2004. Penelitian yang dilakukan oleh Lopes et al. 2009 pada daun mangrove Avicennia marina dan
Rhizopora mucronata, rasio isotop stabil δ
15
N memiliki nilai 7,1 ‰ dan 0,9 ‰. Lebih lanjut, nilai rasio isotop stabil
δ
15
N di sedimen 8 ‰ sampai dengan 18 ‰. Produsen primer selain mangrove seperti lamun memiliki nilai isotop
δ
15
N berkisar antara 1,28 ‰ sampai dengan 4,0 ‰ Yamamuro et al. 2004; Vonk et al.
19 2008, dan fitoplankton di laut, memiliki n
ilai isotop stabil δ
15
N antara 7 dan 10 ‰ Ogawa dan Ogura 1997 dalam Kasai et al. 2006.
Karbon dan nitrogen dalam ekosistem akuatik dihasilkan oleh produsen primer yaitu tumbuhan dan fitoplankton alga dan bakteri dari hasil fotosintesis
dan respirasi. Proses fotosintesis menghasilkan energi yang digunakan kembali oleh tumbuhan dan fitoplankton alga dan bakteri sebagai bahan bakar untuk
respirasi seluler dan bahan pembangun untuk pertumbuhan. Karbon dan nitrogen berpindah ke organisme yang lebih tinggi tingkatan trofiknya melalui
peristiwa rantai organik dan jaring organik dalam satu ekosistem atau sebagai satu siklus.
Sumber karbon dan nitrogen di daerah estuari, rasio isotop bervariasi dikarenakan ada percampuran antara organik terlarut dari daratan seperti
plankton, serasah tumbuhan darat, dan dari laut seperti plankton laut, alga, dan serasah tumbuhan laut. Menurut Wada et al. 1991 variasi isotop dikarenakan
adanya sumber yang berasal dari organik terlarut dari darat seperti fitoplankton dan tumbuhan lamun. Selain itu, menurut Bouillon et al. 2000, 2002, 2004,
masukkan dari organik seperti serasah daun mangrove memberikan kontribusi terhadap adanya percampuran karbon dan nitrogen yang tinggi.
Karbon dan nitrogen di produsen primer diasimilasi oleh konsumen dan memil
iki nilai rasio dari fraksinasi isotop stabil karbon dan nitrogen. Rasio δ
13
C yang diasimilasi oleh konsumen memiliki nilai 0-1 ‰, sedangkan pada sistem
akutik nilai δ
13
C lebih kaya dan bervariasi antara -2.1 dan +2.8 ‰ Bouillon et al. 2008. Rasio fraksinasi untuk
δ
15
N merupakan nilai yang tinggi, yaitu 2,7 Bouillon et al. 2008 sampai dengan 3,4 ‰ antara sumber makanan dengan
jaringan tubuh Minagawa dan Wada 1984. Akan tetapi nilai rata-rata penuh dari δ
15
N yaitu antara -0,7 dan +9,2 ‰ Bouillon et al. 2008, sedangkan jumlah nilai rata-rata fraksinasi pertropik level, memiliki jumlah 2,5 sampai dengan 5 ‰ untuk
δ
15
N dan 0- 1 ‰ untuk δ
13
C DeNiro dan Epstein, 1978, 1981; Minagawa dan Wada, 1984.
20