Sampling penelitian ini dilaksanakan pada bulan Desember – Mei 2011 mengambil lokasi di beberapa ruas sungai Ciliwung Jawa Barat dan sortir organisme serta pengolahan datanya dilakukan di Laboratorium Ekotoksikologi dan Hidrokimia, Pusat Penelitian Limnologi LIPI Cibinong, Jawa Barat. Titik lokasi sampling ditetapkan secara purposive yang didasarkan pada pertimbangan besarnya beban dan sumber pencemaran yang masuk pada masing-masing stasiun pengamatan, mulai dari reference site (gunung mas hingga situs yang sudah diduga terkena gangguan sedang atau berat). Selain itu dalam pemilihan lokasi sampling juga didasarkan pada kesamaan ecoregion yang masih masuk gradien tinggi dan banyaknya substrat batuan pada bagian dasar sungai. Menurut Mitchael T. Barbour, 2004 in Sudarso (2011 komunikasi pribadi) menetapkan bahwa yang masih termasuk dalam gradien tinggi dinyatakan dengan masih terdapatnya batuan Cobble (64-256 mm) di dasar sungai lebih dari 30 % dan kecepatan arus lebih dari 0,5 m/detik.
Lokasi yang digunakan selama penelitian dalam menyusun biokriteria maupun menghitung keanekaragaman nimfa Ephemeroptera adalah:
1. Stasiun Gunung Mas yang terdiri dari dua situs pengamatan (St 1) yang berfungsi sebagai situs rujukan pada bagian hulu dengan kondisi habitat yang masih terjaga dengan baik/minim gangguan aktivitas antropogenik
2. Stasiun Kampung Pensiunan (St.3) mewakili daerah yang sudah mengalami gangguan oleh aktifitas perkebunan teh.
3. Stasiun Kampung Jog-jogan (St.4) mewakili daerah dari adanya aktivitas pertanian, pemukinan penduduk, dan perkebunan.
4. Stasiun Cibinong (St.6) mewakili daerah dengan sumber pencemar yang relatif lebih kompleks (limbah domestik, perkotaan dan industri).
Titik koordinat lokasi pengambilan sampel secara rinci telah disajikan pada Tabel 1 dan Gambar 1 .
Tabel 1. Titik koordinat lokasi pengambilan sampel di Sungai Ciliwung.
No Nama Lokasi Titik koordinat
1 Gunung Mas 1 6042’4,38” LS, 106058’12,49”BT 2 Kampung Pensiunan 6042’05,11” LS, 106058’26,75”BT 3 Kampung Jog-jogan 6040’41,47” LS, 106055’58,17”BT 4 Cibinong (PDAM) 6028’58,55” LS, 106048’53,05”BT Alat dan Bahan
Alat yang digunakan selama penelitian meliputi alat untuk pengukuran kualitas air yaitu current meter, water quality checker, spektrofotometer. Alat untuk mengambil dan preparasi sampel biologi (nimfa Ephemeroptera) yaitu timbangan, saringan bertingkat, jala surber, dan mikroskop.
Bahan kimia yang digunakan meliputi: larutan alkohol, formalin teknis, dan bahan kimia untuk analisis parameter amonium, COD, nitrat, ortofosfat, dan alkalinitas,
Variabel (yang ditera dan kerja)
Variabel tera yang diamati pada penelitian ini meliputi :
1. Kualitas fisik perairan meliputi: suhu, kecepatan arus, konduktivitas, dan turbiditas.
2. Kualitas kimia perairan meliputi: oksigen terlarut (DO), amonium (N-NH4), nitrat (N-NO3), ortofosfat (O-PO4), bahan organik total (TOM), dan kebutuhan oksigen kimiawi (COD).
3. Kualitas biologi dari komunitas larva Ephemeroptera yaitu: struktur komunitas meliputi kepadatan, jumlah taksa, dan keragaman.
Variabel kerja yang diamati pada penelitian ini meliputi:
1. Kualitas habitat dengan menggunakan indeks habitat (US-EPA 1999).
2. Status pencemaran organik di air dengan menggunakan indeks kimia Kirchoff (1991) indeks habitat dan indeks pencemaran
3. Penilaian kualitas biologi dari Sungai Ciliwung diprediksi dengan menggunakan indeks Stream Invertebrate Grade Number-Average level/SIGNAL (Gooderham & Tysrlin, 2002), indeks keanekaragaman Shannon-Wiener, indeks keseragaman (Clarke & Warwick, 2001), indeks biological monitoring working party/BMWP (Armitage et al., 1983).
Teknik Pengumpulan Data Sampel Nimfa Ephemeroptera
Pengambilan sampel biologi (nimfa Ephemeroptera) menggunakan alat jala surber (berukuran 30 x 30 cm2 dengan lebar mata jaring 0,2 mm). Pada masing-masing lokasi sampling, pengambilan sampel diusahakan pada tipe habitat yang banyak mengandung pebble (Φ 16-64 mm) dan coblle (Φ 64-256 mm). Pengambilan sampel nimfa Ephemeroptera dilakukan sebulan sekali berdasarkan pertimbangan pengaruh musim hujan, musim kemarau dan musim peralihan. Jala surber dipasang di atas permukaan batu dan dilakukan penyikatan dengan sikat gigi halus dan pengadukan, sehingga hewan yang ada di batu akan terbawa hanyut masuk ke jala surber.
Gambar 7. Sketsa Surber (Manan, 2010)
Masing-masing stasiun pengamatan dilakukan pengulangan sebanyak lima kali dan digabung menjadi satu sampel. Alasan pengambilan lima sampel tersebut didasarkan pada pendapat Carter & Resh (2001) yang menyebutkan penggunaan alat jala surber di Negara Amerika umumnya berkisar dari 3-8 sampel (ulangan) dengan rata-rata 4,7 sampel. Serasah yang tertahan dalam saringan dimasukkan dalam wadah plastik dan diberi larutan pengawet formalin 10 % guna meminimalkan perubahan dalam biomassa (Jin & Ward, 2007) dan dimasukkan dalam toples plastik. Di laboratorium, sampel yang telah diawetkan dalam formalin 10 % diletakkan dalam saringan yang berpori 0,2 mm dan dibilas dengan menggunakan air kran. Sortir dari nimfa Ephemeroptera dilakukan di bawah mikroskop stereo dengan pembesaran 10-45 kali. Hewan yang telah tersortir dimasukkan dalam botol flakon yang sudah ditambah dengan larutan pengawet alkohol 70%.
Metode pengukuran
Pada penelitian ini dilakukan pengukuran kualitas fisik dan kimia perairan. Analisis fisik yang diukur secara langsung di lapangan meliputi parameter kecepatan arus, turbiditas, konduktivitas, dan suhu air, sedangkan parameter kimia meliputi oksigen terlarut (DO) dan pH. Parameter kimia seperti amonium, nitrat, ortofosfat, alkalinitas, bahan organik total (TOM), COD. Parameter biologi yang diukur meliputi distribusi spasial nimfa Ephemeroptera baik itu keragaman (H’) dan Kepadatan yang semuanya dianalisis di Laboratoriun Ekotoksikologi dan Hidrokimia Puslit Limnologi-LIPI. Penjelasan analisis masing-masing parameter tersebut diatas secara rinci akan dijelaskan di Tabel 2.
Tabel 2. Parameter lingkungan yang diukur dalam penelitian
No. Parameter Satuan Alat/Metode
Pengukuran Keterangan 1. Parameter fisika a. Suhu air b. Kecepatan arus c. Turbiditas d. Konduktivitas o C m/dtk NTU mS/det Termometer Current meter Turbidimeter Konduktimeter Langsung Langsung Langsung Langsung 2. Parameter kimia a. Nilai pH air b. Oksigen terlarut c. COD d. Amonium e. Nitrat e. Ortofosfat f. Alkalinitas h. Nitrit - mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/l setara CaCO3 mg/L pH meter DO meter Titrimetrik Spektrofotometri Spektrofotometri Spektrofotometri Titrimetrik Spektrofotometri Langsung Langsung APHA (1995) APHA (1995) APHA (1995) APHA (1995) APHA (1995) APHA (1995) Analisis Data
Analisis Parameter Fisika Kimia Perairan
Parameter fisik-kimia perairan yang terukur dianalisis secara dekskriptif yaitu membandingkan parameter kualitas air dengan baku mutu air menurut PP RI No. 82 tahun 2001 tentang pengelolaan kualitas air dan pengendalian pencemar air kelas I, II, III dan IV. Dimana kelas I adalah untuk air minum; kelas II untuk bahan baku air minum; kelas III untuk pariwisata dan kegiatan perikanan dan pertanian. Analisis parameter kualitas air dikaji dengan pola perbandingan. Data yang sudah diperoleh kemudian disajikan dalam bentuk grafik dan tabel.
Tahapan analisa kualitas air secara dekskriptif adalah sebagai berikut:
1. Mencari rata-rata dari masing-masing parameter perstasiun pengamatan. 2. Menyajikan data dalam bentuk grafik untuk distribusi secara spasial 3. Membandingkan data baku mutu kualitas perairan dan literatur yang ada
untuk melihat kualitas perairan. Indeks Kimia Kirchoff
Status pencemaran organik di air dengan menggunakan indeks kimia Kirchoff (1991). Komponen parameter kimia dan fisik yang digunakan untuk
menghitung indeks kimia Kirchoff meliputi: DO, pH, suhu, amonium, nitrat, ortofosfat, dan konduktivitas. Hasil analisis parameter kimia di atas selanjutnya digunakan untuk menghitung nilai indeks kimia dengan menggunakan rumus Kirchoff (1991) sebagai berikut:
Dengan:
CI = adalah Nilai Indeks Kimia pada setiap titik sampling n = adalah banyaknya jumlah parameter
q = adalah parameter sub-indeks diperoleh dari pengurangan anggota parameter diantara skala 0 sampai 100
w = nilai bobot kepentingan dari setiap parameter, nilainya dari 0-1. Kriteria pencemaran organik menurut indeks kimia Kirchoff secara rinci dapat dilihat dalam Tabel 3. Kandidat daerah yang akan ditetapkan sebagai situs rujukan diharapkan yang memiliki nilai skor indeks 84 ke atas.
Tabel 3: Kriteria indeks kimia Kirchoff (1991) guna menggolongkan status pencemaran organik.
Skor indeks kimia Status/kondisi 0 – 27 28 – 56 57 – 83 84 – 100 Tercemar berat Tercemar sedang Tercemar ringan Belum tercemar Indeks Habitat
Prediksi gangguan yang terjadi pada habitat di sekitar lokasi sampling dilakukan dengan menggunakan sistem scoring yang mengadopsi dari US-EPA (1999). Komponen dari penilaian habitat yang dilakukan scoring meliputi: substrat epifaunal atau ketersediaan vegetasi penutup, embeddedness (banyaknya batuan yang tertanam di dasar sungai), banyaknya kombinasi antara kecepatan aliran dan kedalaman, endapan sedimen, status aliran dari saluran basin, perubahan saluran, frekuensi dari jeram dan kelokan sungai, stabilitas pinggir sungai, perlindungan pinggir sungai oleh vegetasi, dan lebar zona vegetasi riparian. Masing-masing skor metrik dilakukan penjumlahan, sehingga diperoleh nilai skor total dari indeks habitat. Kriteria gangguan pada habitat sungai disajikan
wn w w w wi xqn x xq xq q qi CI
1 1 2 2 3 3 ...dalam Tabel 4. Daerah yang mempunyai nilai skor habitat tertinggi atau dalam kategori optimal diharapkan dapat dijadikan sebagai kandidat situs rujukan.
Tabel 4 Kriteria penilaian gangguan terhadap habitat yang diadopsi dari protokol US-EPA (1999).
Kriteria Habitat Skor Penilaian Habitat pada Gradien Tinggi dan Rendah
Optimal 160 – 200
Sub-Optimal 110 – 159
Marginal 60 - 109
Buruk < 60
Indeks Pencemaran
Sumitomo dan Nemerow (1970) in Kep-MENLH No. 115 tahun 2003, Universitas Texas, A.S., mengusulkan suatu indeks yang berkaitan dengan senyawa pencemar yang bermakna untuk suatu peruntukan. Indeks ini dinyatakan sebagai Indeks Pencemaran (Pollution Index) yang digunakan untuk menentukan tingkat pencemaran relatif terhadap parameter kualitas air yang diizinkan Indeks ini memiliki konsep yang berlainan dengan Indeks Kualitas Air (Water Quality Index). Indeks Pencemaran (IP) ditentukan untuk suatu peruntukan, kemudian dapat dikembangkan untuk beberapa peruntukan bagi seluruh bagian badan air atau sebagian dari suatu sungai. Criteria gangguan menurut indeks pencemaran disajikan pada Tabel 5.
Table 5. Kriteria Penilaian Gangguan Menurut Indeks Pencemaran Ketentuan evaluasi nilai PI, jika: Kriteria
0 ≤ PIj ≤ 1,0 → memenuhi baku mutu ( kondisi baik) 1,0 ≤ PIj ≤ 5,0 → tercemar ringan
5,0 ≤ PIj ≤ 10 → tercemar sedang
≥ 10 → tercemar berat
Pengelolaan kualitas air atas dasar Indeks Pencemaran (IP) ini dapat memberi masukan pada pengambil keputusan agar dapat menilai kualitas badan air untuk suatu peruntukan serta melakukan tindakan untuk memperbaiki kualitas jika terjadi penurunan kualitas akibat kehadiran senyawa pencemar. IP mencakup berbagai kelompok parameter kualitas yang independent dan bermakna.
Analisis struktur komunitas Nimfa Ephemeroptera
Kepadatan Ephemeroptera didefinisikan sebagai jumlah individu jenis perstasiun, biasanya dalam satuan meter persegi. Dapat dihitung dari persamaan sebagai berikut :
Ki = (ai/b) x 10.000 Dimana :
K : Kepadatan Ephemeroptera ke-i (Ind/m2)
a : Jumlah individu Ephemeroptera pada setiap bukaan surber b : Luas Bukaan surber (30 cm x 30 cm)
10.000 : Nilai konversi cm2 ke m2
Keanekaragaman jenis dari masing-masing stasiun pengamatan ditentukan dengan menggunakan rumus index keanekaragaman dari Shanon-Wiener (Cairns & Dickson 1971) sebagai berikut:
N n N n H i i 2 log '
Dengan,H’= index keanekaragaman (bits per individu) ni = Jumlah individu dalam satu spesies N = Jumlah total individu spesies.
Penghitungan indeks tersebut dilakukan dengan menggunakan software Spesies Diversity and Richness versi 2.65 dari Pisces Conservation.
Keseragaman dari komunitas larva Ephemeroptera diprediksi dengan menggunakan Indeks keseragaman sebagai berikut:
E’= H’/ Hmaks. Dengan,
Hmaks = Keragaman jenis maksimum = log2 S S = jumlah jenis dalam sampel yang ditemukan.
Uji korelasi Spearman dilakukan dengan variabel lingkungan guna mengetahui sensitifitas indeks tersebut diatas. Penghitungan uji korelasi Spearman dengan menggunakan program Statistica versi 7 (Statsoft).
Analisis Pengelompokan Komunitas dan Habitat Makrozoobentos
Analisis statistik multivariat Correspondence Analysis (CA) disebut juga dengan analisis faktorial koresponden diterapkan guna mengetahui adanya pengelompokkan komunitas Ephemeroptera pada setiap stasiun pengamatan. Analisis faktorial koresponden adalah suatu metode statistik yang bertujuan untuk mencari hubungan yang erat antara modalitas dari dua karakter /variable pada variable matriks data kontigensi serta mencari hubungan yang erat antara seluruh modalitas karakter dan kemiripan antar individu berdasarkan konfigurasi jawabannya pada matriks data (Bengen, 2000). Untuk membandingkan dua objek, maka perlu diberikan suatu pengukuran yang dapat mencirikan kemiripan atau ketidak miripan. Dalam hal ini analisis faktorial koresponden menggunakan jarak khi-kuadrat.
Jarak khi-kuadrat difirmulasikan sebagai berikut:
Dimana:
Xi : Jumlah baris I untuk semua kolom Xij : Jumlah kolom j untuk semua baris
Pada matriks data, terdiri dari baris-i (genera Ephemeroptera) dan kolom- j (stasiun pengamatan), dimana pada baris ke-I dan kolom ke-j ditemukan kelimpahan ephemeroptera.
Principal Components Analisys (PCA) biasa disebut juga analisis komponen utama merupakan teknik ordinasi langsung yang telah secara luas digunakan dalam model ekologi guna karakterisasi hubungan antara variabel lingkungan yang mempengaruhi spesies dan lokasi sampling. Analisis komponen utama merupakan metode statistik deskriptif yang memberikan gambaran lebih mudah dibaca atau diinterprestasikan dalam bentuk grafik, informasi maksimum yang terdapat pada suatu matriks data. Matriks data yang dimaksud terdiri dari stasiun pengamatan sebagai individu statistik (baris) dan parameter fisika kimia air sebagai variabel kuantitatif (Kolom). Tujuan utama penggunaan analisis komponen utama antara lain untuk mempelajari suatu matriks data dari sudut
pandang kemiripan antara individu (stasiun) dan hubungannya dengan variabel lingkungan serta menghasilkan suatu representasi grafik yang memudahkan interpretasi (Bengen, 2000). Persamaan analisis ini dapat dilihat pada persamaan dibawah ini:
2
Dimana :
d2(i,i’) = 2 baris
i & i’ = Indeks untuk baris, dari baris ke-i sampai ke-i’ j = Indeks untuk kolom
Semakin kecil jarak Euclidean antar stasiun pengamatan, maka semakin mirip karasteristik antara stasiun tersebut. Proses pengolahan data dilakukan dengan menggunakan software Multivariate Statistical Package (MVSP) versi 3.1 Penyusunan Biokriteria Dengan Konsep Multimetrik
Atribut biologi/metrik yang digunakan untuk melihat tingkat gangguan ekologis di setiap lokasi sampling secara rinci telah tercantum pada Tabel 6. Penilaian kualitas biologi dari Sungai Ciliwung diprediksi dengan menggunakan indeks Stream Invertebrate Grade Number-Average level (SIGNAL), indeks biological monitoring working party (BMWP). Penghitungan dengan indeks biologi (SIGNAL dan BMWP) digunakan untuk melihat besarnya nilai toleransi dari setiap jenis larva Ephemeroptera yang ditemukan pada masing-masing stasiun pengamatan. Taksa (genus) larva Ephemeroptera yang tergolong sensitif atau toleran didasarkan pada nilai toleransi terhadap polutan (pollution tolerance value/PTV) yang secara rinci dapat dilihat dalam Lenat (1993) dan US-EPA (1999). Penghitungan indeks SIGNAL dilakukan menurut Gooderham & Tysrlin (2002) dengan menggunakan rumus:
Dengan,
ISIGNAL = Indeks SIGNAL,
T = Nilai toleransi dari setiap taksa yang ditemukan, n = Jumlah taksa yang berbeda yang ditemukan.
Untuk menguji kekuatan diskriminasi masing-masing metrik biologi, maka pada penelitian ini mengadopsi dari metode Barbour et al. (1996). Kekuatan diskriminasi (discriminatory power) masing-masing metrik biologi dievaluasi dengan menggunakan grafik Box-Whisker Plot. Definisi dari kekuatan diskriminasi disini adalah kemampuan metrik dalam membedakan antara sungai yang berfungsi sebagai situs rujukan dengan sungai yang telah mengalami gangguan (situs uji). Tingkatan overlap antara kisaran interquartile/ IQ (persentil 25 hingga 75) pada daerah situs rujukan dengan situs uji dilakukan scoring sebagai sinyal kemampuan diskriminasi dari masing-masing metrik. Jika kisaran IQ tidak ada yang overlap antara situs rujukan dan situs uji maka diberi skor 3. Skor 2 diberikan jika IQ overlap tetapi kedua median terletak diluar dari kisaran IQ yang overlap. Skor 1 jika banyaknya IQ yang overlap tetapi paling sedikit satu median diluar kisaran IQ yang overlap. Skor 0 diberikan ketika IQ hampir keseluruan overlap atau kedua median terjadi overlap. Skor metrik 2 atau 3 menunjukkan kemampuan diskriminasi antara situs rujukan dan situs uji, dan metrik tersebut akan di analisis lebih lanjut. Penjelasan bobot scoring secara rinci dapat dilihat pada Gambar 8.
Gambar 8. Evaluasi sensitifitas metrik. Kotak kecil merupakan nilai median, sedangkan kotak besar merupakan kisaran IQ (persentil ke 25 hingga 75). a) tidak ada IQ yang overlap, b). IQ overlap tetapi kedua nilai median tidak ada yang overlap, c).IQ overlap dengan satu nilai median yang overlap, d). IQ sebagian besar overlap atau kedua nilai median overlap.
Pengujian variabilitas data dari situs rujukan dengan daerah uji yang sudah mengalami gangguan dilakukan dengan menggunakan analisis statistik non parametrik Mann-Whitney U-test. Pengerjaan statistik non parametrik dilakukan dengan menggunakan software STATISTICA versi 6 (Stat soft Inc.). Jika metrik biologi yang digunakan menunjukkan adanya overlap dan perbedaan tidak
signifikan pada α = 5% antara stasiun yang berfungsi sebagai situs rujukan dengan
gangguan dan bukan merupakan kandidat yang baik untuk dijadikan sebagai komponen penyusun dari indeks multimetrik.
Dari atribut biologi/metrik terpilih tersebut kemudian dilakukan tahap normalisasi guna menghasilkan sebuah Indeks Biotik Ephemeroptera Kumulatif (IBEK). Tahap normalisasi dilakukan dengan cara menghitung percentile dari setiap atribut biologi di atas. Selanjutnya dilakukan tahap scoring trisection yaitu (1, 3, 5) pada masing-masing atribut biologi di atas. Secara umum jika metrik yang diharapkan meningkat dengan adanya peningkatan gangguan/stress (contoh: % dominansi 3), maka nilai metrik terendah sampai percentile ke 25% diberi skor 5, percentile ke 25 sampai 75% diberi skor 3, sedangkan di atas skor 75 percentile diberi skor 1. Begitu juga sebaliknya, jika metrik yang diharapkan adanya penurunan dari gangguan menunjukkan ketinggian kualitas dari metrik maka skor dibalik dengan yang di atas (Barbour, 1996). Setelah melalui tahap scoring maka dilakukan penjumlahan dari lima atribut biologi ke dalam indeks tunggal atau IBEK. Jika diasumsikan sembilan metrik tersebut sensitif dalam mendeteksi tingkat gangguan ekologi pada masing-masing stasiun pengamatan, maka nilai skor yang terendah adalah delapan dan skor tertinggi adalah 40.
Hasil penggabungan metrik biologi di atas setelah dilakukan normalisasi diuji korelasinya dengan indeks kimia, indeks pencemaran dan habitat dengan menggunakan korelasi sederhana Spearman. Analisis uji korelasi Spearman dengan menggunakan software STATISTICA versi 6. Sensitifitas nilai biokriteria pada masing-masing stasiun pengamatan digambarkan dalam grafik radar dengan indeks tersebut diatas.
Tabel 6: Kandidat metrik yang digunakan untuk diskriminasi tingkat gangguan pada ekosistem sungai.
Pengelompokan
Atribut Biologi Metrik/Atribut Biologi
Respon yang Diprediksi dari Adanya Gangguan
Kekayaan taksa dan komposisi
- Jumlah kekayaan taksa Ephemeroptera
- Jumlah taksa famili
Menurun
Menurun
Toleransi/sensitive - Jumlah taksa sensitif
- Jumlah taksa toleran
- Persentase jumlah individu taksa sensitif - Indeks BMWP - Indeks SIGNAL Menurun Meningkat Menurun Menurun Menurun
Atribut populasi - % dominansi 3
- Indeks Shannon-Wiener - % Kepadatan larva Meningkat Menurun Meningkat