UJI TOKSISITAS SEDIMEN

(1)

UJI

TOKSISITAS

SEDIMEN

Oleh :

Meiska Nur Harlandi (25309008) Indah Kartika Sari L (25309028)

SEDIMEN

Indah Kartika Sari L (25309028)

PENDAHULUAN

• Sedimen: habitat untuk organisme akuatik dan tempat penyimpanan terbesar

senyawa kimia persisten.

• Kontaminan yang terakumulasi sedimen berupa senyawa kimia antropogenik

(l b t ki i i d t i ti id hid k b i) (logam berat, senyawa kimia industri, pestisida, hidrokarbon energi)

• Konsentrasi kontaminan di sedimen > di air.

• Faktor yg mempengaruhi partitioning atau sorption senyawa antara air dan

sedimen adalah:

- Kelarutan dalam air − Jumlah asam sulfida volatile - pH − Ukuran sedimen

- Redoks − Kandungan mineral utama dlm sedimen

-Afinitas utk sedimen organik karbon dan organik karbon terlarut

• Lokasi yg paling parah terkontaminasi adalah pelabuhan-pelabuhan industri. • Penentuan efek sedimen terkontaminasi pada organisme akuatik

(2)

KARAKTERISTIK SEDIMEN

• Sedimen adalah partikulat yg terdapat di bawah air.

• Komponen utama sedimen adalah:

• Interstitial water (komponen terbesar),terdapat di sekitar partikel sedimen dengan jumlah

50% d i l di 50% dari volume sedimen.

• Fase anorganik (fragmen batu dan mineral), mengatur bioavailabilitas logam divalen. • Senyawa organik, mrp komponen yg penting karena mengatur sorption dan bioavailabilitas

kontaminan organik nonionik.

• Senyawa antropogenik, termasuk kontaminan.

• Ukuran sedimen dikelompokkan menjadi:

• Tanah liat (<2 µm) − Pasir (50 - <2000 µm)

L (2 50 ) K ikil ( 2000 )

• Lumpur (2 - <50µm) − Kerikil (>2000 µm)

• Fraksi yg kasar tersusun dari senyawa anorganik stabil dan bukan merupakan

senyawa kimia kontaminan.

• Kontaminan biasanya ditemukan pada fraksi yg halus, yg memiliki luas area

lebih besar sehingga meningkatkan kemampuan sorpsi kontaminan.

PRINSIP UJI TOKSISITAS SEDIMEN

• Tujuan: mengetahui toksisitas potensial kontaminan terhadap bentos. • Metode: uji letalitas jangka pendek (mengukur efek individual

kontaminan pada satu spesies) atau uji jangka panjang (menentukan efek campuran senyawa kimia pada struktur dan fungsi komunitas). efek campuran senyawa kimia pada struktur dan fungsi komunitas).

• Evaluasi komunitas bentos sebaiknya dilakukan terlebih dahulu. • Tidak adanya bentos di sedimen tidak selalu mengindikasikan

sedimen toksik, keberadaan bentos dipengaruhi oleh faktor fisika dan kimia.

P ji t k i it di d t di k t k

• Pengujian toksisitas sedimen dapat digunakan untuk:

Menentukan hubungan antara efek toksik dan bioavailabilitas

Meneliti interaksi antar kontaminan

Menentukan distribusi kontaminasi spasial dan temporal

Mengevaluasi bahaya dari bahan yg dikeruk

Menentukan prioritas area yang dibersihkan

(3)

• Fase sedimen yang dievaluasi meliputi: whole sediment, suspended sediment, elutriates atau ekstrak sedimen.

• Jumlah sampel sedimen: beberapa milimeter hingga lebih dari 800 L. • Organisme uji: alga, makrofita, ikan , bentos, epibentos dan pelagic

invertebrates.

• Metode yang sering digunakan adalah paparan jangka pendek (≤10 hari),

karena penelitian jangka panjang memberikan hasil yang tidak terlalu berbeda terhadap toksisitas kontaminan.

• Kekurangan 10-d adalah:

Hanya untuk mengukur respons letal

Desain percobaan terbatas untuk pengujian statis

Spesies uji yang digunakan bukan merupakan spesies yang paling sensitif dan pada pengujian tidak ada life stage yang paling sensitif

Fase elutriate dan sedimen tersuspensi lebih sering diuji dibandingkan dengan whole Fase elutriate dan sedimen tersuspensi lebih sering diuji dibandingkan dengan whole

sediment

Pada saat pengujian whole sediment, spesies yang digunakan cenderung tidak kontak langsung dengan sedimen

• Pengujian subletal dilakukan dengan pemaparan selama 7-14 hari dengan

menggunakan midges (Chironomus riparius dan C. tetans), amphipods (Rhepoxynius abronius, Hyalella azteca dan Diporeia spp.) atau

cladoderan (Daphnia magna).

PENGUJIAN KUALITAS SEDIMEN

• Pendekatan yg digunakan US EPA dalam pengujian sedimen dapat dilihat

pada Tabel 2, yang berupa:

-Perbandingan area rekomendasiPerbandingan area rekomendasi − Toksisitas whole sediment dan uji sediment-spiking Toksisitas whole sediment dan uji sediment spiking - Equilibrium partitioning − Struktur komunitas bentos

- Residu jaringan − Triad kualitas sedimen

-Toksisitas interstitial water

• Pendekatan numerik (untuk menentukan chemical-specific SQC), deskriptif

atau kombinasi numerik dan deskriptif.

• Untuk menentukan kualitas sedimen digunakan pendekatan kombinasi • Untuk menentukan kualitas sedimen digunakan pendekatan kombinasi. • Evaluasi: penggabungan data paparan, analisis kimia dan pengujian

komunitas bentos, yang akan menghasilkan tingkat polution-induced

(4)

KRITERIA KUALITAS SEDIMEN

DAN BIOAVAILABILITAS

• SQC merupakan konsentrasi numerik dari senyawa kimia tunggal yg digunakan

untuk memperkirakan efek biologi pada organisme bentos dan dapat juga

digunakan untuk pengelompokkan sedimen alami di danau, sungai, muara dan air laut pesisir pantai.

• Perhitungan SQC:

SQC = Kpx WQC

SQC : Sediment Quality Criteria (µg kontaminan/g sedimen, dalam berat kering) Kp : Koefisien partisi (L/g)

WQC : nilai kronis akhir yang diperoleh dari WQC Guidelines

• Pada sedimen berbasis karbon organik, SQCocdapat dihitung dengan rumus:

SQCoc= Kocx WQC

SQC S di b b i k b ik ( / ) SQCoc : Sedimen berbasis karbon organik (µg/goc)

Koc : Koefisien partisi karbon organik

• Karbon organik merupakan fase sorpsi utama untuk senyawa kimia organik nonion

yang tedapat di sedimen.

• Senyawa kimia dapat terakumulasi pada sedimen dan bersifat bioavailable thd

organisme yang berada di sedimen.

REMEDIASI SEDIMEN TERKONTAMINASI

• Dapat dilakukan dengan:

• Pemindahan, berupa pengerukan dan pembuangan → tempat pembuangan. • Stabilisasi, berupa injeksi grout, semen atau sealant untuk mengurangi air pd

sedimen.

• Penutupan berupa peletakan lapisan inert di atas sedimen terkontaminasi • Penutupan, berupa peletakan lapisan inert di atas sedimen terkontaminasi. • Pengelolaan in situ, berupa pengolahan kimia atau biologi.

• no action, biasanya dilakukan pada area dengan:

• Kontaminan tidak menimbulkan masalah dalam waktu dekat.

• Proses alami akan menutup sedimen terkontaminasi dalam waktu dekat. • Biodegradasi dapat mendetoksifikasi kontaminan.

• Remediasi terlalu mahal.

• Remediasi mengakibatkan lebih banyak masalah dibandingkan no action.

• Prosedur remediasi dipengaruhi oleh:

-Ekologi − Engineering

- Faktor kimia − Kesehatan masyarakat

-Faktor fisika − Pertimbangan politik

• Kontrol sumber dan pemantauan secara kontinu harus dilakukan untuk

(5)

METODOLOGI

• Pedoman standar untuk pelaksanaan uji toksisitas sedimen dengan

invertebrata freshwater (ASTM 1995a: E 1706-95a)

• Pedoman standar untuk pelaksanaan uji toksisitas sedimen statis

10-d dengan ampiphods muara dan laut (ASTM 1992: E 1367-92)

• Pedoman standar untuk mendesain uji biologi pada sedimen (ASTM

1994d: 1525-94)

• Pedoman standar untuk pelaksanaan uji toksisitas sedimen dengan

polychaetous annelids laut dan muara

• Pedoman standar untuk pengambilan, penyimpanan, karakterisasi

dan manipulasi sedimen untuk uji toksikologi

PENGAMBILAN DAN PENYIMPANAN SEDIMEN

• Kontak langsung dengan sedimen harus dihindari → penggunaan APD. • Pengambilan sampel → replikasi.

• Pengambilan sampel dapat menyebabkan hilangnya integritas sedimen, perubahan

senyawa kimia atau perubahan ekuilibrium zat kimia.

• Benthic grab lebih baik digunakan daripada pengeruk.

• Paparan langsung terhadap sinar matahari harus dikurangi jika terdapat senyawa

fotolitik.

• Pengawetan: pada suhu 40_{C dan suasana gelap.}

• Rentang waktu pengawetan: <2 minggu (ASTM) - <8 minggu (US EPA).

• Jika uji toksisitas whole sediment tidak dapat dilakukan pada periode tersebut, maka

perlu dilakukan uji toksisitas interstitial water segera setelah sampel diambil.

• Uji toksisitas interstitial water diulangi dengan melakukan uji toksisitas whole sediment

untuk mengevaluasi perubahan potensial toksisitas selama penyimpanan.

(6)

SEDIMEN KONTROL

• Sedimen yang bersih dari

kontaminan.

REFERENCE SEDIMENT

• Digunakan untuk menilai

kondisi sedimen tanpa adanya

senyawa yang diinginkan.

• Kontaminan yang terdapat di

sedimen kontrol merupakan

polutan yang tersebar merata,

bukan berasal dari satu titik

atau sumber.

• Sedimen kontrol digunakan

untuk:

y

g

• Pengujian reference sediment

membutuhkan basis area

spesifik untuk mengevaluasi

toksisitas.

• Jika karakteristik geokimia

sedimen uji melebihi batas

untuk:

• Menilai acceptibility pengujian • Memberi bukti terhadap pengujian

organisme

• Dasar untuk menginterpretasi data

yang diperoleh dari uji sedimen

j

toleransi organisme uji, maka

perlu melakukan evaluasi

terhadap sedimen kontrol dan

reference.

LABORATORY-SPIKED SEDIMENT

• Sedimen uji dapat dibuat dengan memanipulasi sifat dari sedimen kontrol

dan reference dengan menambahkan senyawa kimia atau campuran limbah.

• Menentukan: LC50, LOEC serta hubungan konsentrasi-respons dan sebab-akibat

akibat,.

• Waktu pencampuran: beberapa jam pada temperatur rendah. • Durasi kontak dapat mempengaruhi partitioning dan bioavailabilitas. • Umur spiked sediment maks 1 bulan.

• Penggunaan pelarut selain air, harus diuji terlebih dahulu dibandingkan

dengan kontrol negatif sedimen.

• Jika ada perbedaan, maka kontrol yg digunakan adalah kontrol pelarut. • Jika tidak ada perbedaan, maka kedua data dapat digunakan.

• Pelarut organik yang bagus adalah trietilen glikol (toksisitas rendah, tidak

mudah menguap dan dapat melarutkan senyawa organik).

• Pelarut lain: metanol, etanol atau aseton.

• Penambahan senyawa kimia dapat dilakukan dengan menggunakan rolling mills, feed mixer atau hand mixing.

(7)

KARAKTERISASI SEDIMEN

• Karakterisasi sedimen digunakan untuk mengatur availabilitas

kontaminan di sedimen.

• Pengukuran karakterisasi berupa:

-

pH - Acid volatile sulfides - Karbon organik - persen air

-Karbon anorganik - grain size

• Pada desain percobaan tertentu, analisis yang dilakukan

meliputi BOD, COD, DOC, CEC, redoks, TVS, total amonia,

logam, organosilikon, senyawa organik sintetik, minyak dan

lemak, hidrokarbon petroleum dan analisis kimia interstitial

water.

• Dilakukan juga analisis makrobentos.

UJI ELUTRIATE

 Tujuan: untuk mengevaluasi efek potensial jangka pendek (jamj g p j g p (j atau hari) dari open-water disposal.

 Cara: mengukur potensial yang dihasilkan oleh senyawa larut air pada sedimen terhadap water column selama proses pembuangan.

 Sampel elutriate dibuat dengan pengocokan kuat 1 bagian sedimen dengan 4 bagian air selam 15-30 menit. Campuran kemudian didiamkan, fase cair disentrifugasi dan disaring.  Hasil dari uji elutriate berupa letalitas akut bahan buangan.  Beberapa sampel elutriate lebih toksik dibandingkan dengan

(8)

UJI INTERSTITIAL WATER

SEDIMENT



Tujuan: untuk mengevaluasi efek potensial in situ sedimen

terkontaminasi pada organisme akuatik.



Konsentrasi kontaminan pada interstitial water berhubungan

dengan toksisitas dan bioakumulasi.



Interstitial water dapat diisolasi dengan sentrifugasi, squeezing,

suction dan dialisis.



Sentrifugasi atau squeezing digunakan jika volume air yang

dibutuhkan banyak.



Jika sedimen bersifat anoxic, pada saat pemrosesan sampel

perlu mengurangi oksidasi (kontak sedimen dengan udara)

perlu mengurangi oksidasi (kontak sedimen dengan udara).



Interstitial water harus diuji secepatnya (penyimpanan akan

mengubah kandungan kimia).



Setelah sampel diisolasi,dilakukan pengujian sesuai dengan

prosedur pengujian toksisitas efluen (Chapter 2 dan 3).

PROSEDUR PERCOBAAN UJI

TOKSISITAS

WHOLE-SEDIMENT

1. Desain Percobaan

• Tujuan percobaan



Menentukan LC50 : kontrol negatif, kontrol solven,

konsentrasi sedimen+bahan kimia



Studi lapangan : identifikasi tempat toksik untuk investigasi

lanjut 1 sampel per titik sampling (cakupan tempat

maksimum)



Survey kuantitatif sedimen : menentukan secara statistik

perbedaan antara efek dengan kontrol, referensi, dan uji

sedimen di beberapa tempat

• Variabel : jumlah dan jenis kontrol sedimen referensi jumlah

• Variabel : jumlah dan jenis kontrol, sedimen referensi, jumlah

perlakuan dan replikat, karakteristik dan kualitas air (lapisan

diatas sedimen)

• Memisahkan subsampel : menghitung variasi didalam sampel

dan membandingkan prosedur pengujian (sensitivitas hewan

uji)

(9)

2. Chamber test (reaktor)

• Tidak ada aliran air dari satu chamber ke chamber yang lain

• Reaktor dibuat dari beberapa material (desain percobaan dan

kontaminan)

• Tidak terjadi kontak, leaching dan pelarutan dengan material

reaktor (mempengaruhi organisme uji)

• Meminimasi sorpsi, pelarutan dan leaching bahan kimia dari air

: kaca, stainless steel 316, nylon, teflon, dan polycarbonate /

polyethylene

• Interaksi sedimen dan lapisan air dalam reaktor :

mempengaruhi keberadaan kontaminan

• Rasio sedimen : lapisan air = merubah bioavailabilitas dan

efek racun

(St

t l) V l

di

l

k

• (Stemmer et al) Volume sedimen : luas permukaan =

mempengaruhi toksisitas selenium dalam sampel sedimen pada

Dapnia magna

• Luas permukaan konstan dengan rasio sedimen : air (1:4) =

mempengaruhi keberadaan kontaminan dan konsentrasi air

• Uji dilakukan pada beberapa kondisi air terhadap sedimen

(kesadahan air dan pH memepengaruhi toksisitas sedimen)

3. Organisme Uji

• Didasarkan pengaruh utamanya dalam ekologi, keberhasilan uji, dan

interpretasi hasil uji

• Hewan uji yang banyak digunakan dalam pengujian toksisitas

Whole-sediment

(10)

• Dipilih berdasarkan sensitivitas, cara makan, relevansi dengan

ekologi, distribusi geografis, taksonomi (hewan asli, jumlah

tersedia, toleransi dengan karakteristik geokimia sedimen

(ukuran / berat)

• Jenis makanan dan kontak langsung dengan sedimen :

mempengaruhi dosis kontaminan dan potensi akumulasi

kontaminan (adsorpsi ke seluruh tubuh)

• Hyalella azteca (Amphipod)

Hyalella azteca (Amphipod)



Uji toksisitas sedimen air tawar



Umur 7-14 hari : dapat berkembangbiak (dewasa)



Hasil akhir uji : ketahanan, perilaku, pertumbuhan dan

pematangan alat reproduksi



Isolasi kuantitatif Amphipod muda di sedimen sulit diamati (ukuran

sangat kecil < 1 mm)



Hewan uji dewasa : dari lapangan dan aklimatisasi di laboratorium

sebelum dilakukan uji



Durasi pengujian 10 hari (amphipod air tawar, estuari dan laut)



Waktu paparan pendek : pengamatan efek kontaminan pada

pertumbuhan dan reproduksi



Metode kembangkan dengan waktu paparan sedimen lebih lama

(20-60 hari) menggunakan : A.abdita, L.plumulous dan H. Azteca

• Chironomous tentans (Midges)

 Larva instar pertama C. tentas 6-27 kali lebih sensitiv daripada larva instar ke-4 paparan akut tembaga

 Larva instar pertama C. Riparius 127 kali lebih sensitiv daripada larva instar ke-2 paparan akut kadmium

 Uji kronik : instar hewan pertama, midges / daphnids untuk senyawa organik dan inorganik

 Uji sedimen : larva instar ke-2 sampai instar ke-3 (umur 10-14 hari),

 Uji sedimen : larva instar ke 2 sampai instar ke 3 (umur 10 14 hari), dilanjutkan sampai 17 hari (pertumbuhan instar ke-4 ) : mengukur efek pada larva yang hidup dan mengalami pertumbuhan

 Metode yang sedang dikembangkan dan dipakai : paparan jangka panjang (20-42 hari ) pada sedimen menggunakan C.tentans

• Chironomus riparius

 Umur larva hewan uji 1-3 hari, pupa dan dewasa

 (Ingersoll & Nelson) : percobaan menggunakan C.riparius selama 21 hari ada pertumbuhan jamur dan bakteri pada permukaan sedimenp j p p

 Pemberian makan dikurangi : mencegah pertumbuhan bakteri dan jamur pada sedimen (larva yang hidup tidak terganggu)

 Larva dewasa pertumbuhannya terhambat di 28 hari

 Uji menggunakan C. Riparius dibatasi 14 hari dengan lapisan air menggunakan sistem renewal water

 Pada hari ke-14 suhu 20 o_{C, larva instar pertama sampai larva instar} ke-4 larva dapat bertahan hidup dan berkembang

(11)

• Mayflies dan Cladocerans



Dilakukan selama 10 hari



Uji dengan Mayflies : kemampuan bertahan hidup, pertumbuhan

end point tokisisitas



Uji dengan Cladocerans : survival, pertumbuhan dan reproduksi



Cladocerans : lebih banyak kontak di permukaan sedimen dan terpapar

baik air-kontaminan yang terlarut di lapisan air serta ikatan partikel-

y

g

p

kontaminan pada permukaan sedimen



Cladocerans lebih sensitif diantara jenis organisme lain

• Oligochaetes



Relatif lebih toleran terhadap beberapa jenis kontaminan



Memiliki siklus hidup komplek



Untuk uji toksisitas akut



(Wiederholm et al, 1987), Paparan selama 500 hari menggunakan

(

,

),

p

gg

Oligochaetes : mengukur pertumbuhan dan reproduksi



(Reynoldson, 1991 & ASTM, 1995), Uji jangka pendek selama 28 hari

menggunakan Tubifex tubifex : pengamatan efek pada pertumbuhan

dan reproduksi



(Phipps et al, 1993 & US.EPA, 1994), Bioakumulasi kontaminan pada

sedimen dengan periode paparan selama 28hari



Durasi ini lebih efektif untuk uji toksisitas lethal dan sublethal

menggunakan Lumbriculus variegatus

• Polychaetes



Uji toksisitas sublethal di sedimen : larva, juvenile dan dewasa



Pengamatan efek : survival atau pertumbuhan



Waktu paparan 12 – 85 hari



Evaluasi efek sedimen laut dan estuari pada polychaetes



Uji l h l 4 h i



Uji lethal : 4 hari



Uji sub-lethal : 28 hari

(12)

4. Kondisi Paparan



Air pembiakan organisme dan perlakuan : sesuai dengan

organisme uji dan kualitasnya seragam (sama)



Air tepat dan sesuai menjamin keberhasilan organisme :

bertahan hidup, tumbuh dan perilaku normal



L

i

l

i

b ik

tid k t k

t

i

i (k

t l)



Lapisan air alami sebaiknya tidak terkontaminasi (kontrol)



Kualitasnya tidak berubah-ubah seperti yang dispesifikasikan

oleh ASTM (1998) dan US EPA (1985, 1991)



Desain penelitian diperlukan air dari tempat yang sama

dengan sedimen

5. Homogenisasi Sedimen



Sedimen umumnya tercampur didalam wadah penampung



Subsampel whole-sediment ditambahkan ke masing-masing

reaktor



Kedalaman sedimen dalam reaktor tergantung desain

penelitian dan reaktor uji



Lapisan air dituang perlahan ke dalam sisi-sisi reaktor :

meminimasi resuspensi sedimen

(13)

6. Uji Statik dan Renewal Water

• Sistem operasi dan kondisi fisik (aerasi & suhu)

dicek setiap hari dan disesuaikan

• pH,

alkalinitas,

kesadahan,

oksigen

terlarut,

konduktifitas dan organik karbon terlarut diukur

pada awal dan akhir pengujian (1 x seminggu)

• Uji Statik

 Lapisan air sampel tanpa pergantian dengan lapisan air baru, diaerasi

 Kualitas air dapat berubah selama waktu paparan (4 minggu)

 Konsentrasi produk metabolik (ammonia) tinggi

 Toksik bagi organisme dan mempengaruhi toksisitas sedimen

 Kesadahan mempengaruhi senyawa anorganik

• Uji Renewal Water

 Aliran flow-through (kontinyu)

 Ada penambahan volume air per hari

 Pendistribusian volume lapisan air tiap reaktor harus merata

 Konsentrasi kontaminan di lapisan air berkurang

7. Pelaksanaan Uji

• Aklimatisasi hewan uji terhadap lapisan air, suhu, pencahayaan

dan photoperiod (ASTM, 1995)

• Reaktor diperiksa setiap hari

• Pengamatan perilaku hewan uji (cara berkembangbiak di

g

p

j (

g

sedimen)

• Paparan jangka pendek (10 hari) : organisme uji tidak diberi

pakan

• Pengamatan efek sub-lethal : perkembangan, pertumbuhan,

reproduksi, perilaku dari organisme uji

• Kematian organisme uji : adanya pertumbuhan jamur / bakteri

di permukaan sedimen

• Data feeding rate dan keadaan permukaan sedimen dicek

perhari

• Penambahan makanan mempengaruhi keberadaan kontaminan

di sedimen

• Akhir paparan : organisme uji diambil dari reaktor dengan

(14)

8. Quality Control

• Sampel kontrol sedimen dan lapisan air

• Evaluasi : kontrol organisme hidup, toksikan referensi,

persentase lemak organisme

O

i

ji d

k

t l l k

d

• Organisme uji pada kontrol, perlakuan dan recovery

dapat dievaluasi setelah 1 jam

• Referensi uji toksisitas : mengukur kemungkinan

perubahan kondisi spesies uji

• Referensi toksikan uji : perbandingan interlaboratory

sensitivitas organisme uji

INTERPRETASI DAN

KEAKURATAN

HASIL PENGUKURAN

1. Analisis Data

• Data kimia dan biologi dibandingkan kontrol atau referensi :

mengetahui efek racun, menghitung LC50 dan NOEC

• Berdasarkan pengukuran rata-rata konsentrasi materi yang diuji

• Perbandingan statistik dan interpretasi hasil harus sesuai

dengan desain percobaan

• Perhitungan LC50 atau EC50 : metode probit, binomial, atau

moving-average

• Replikat sampel sedimen independen : efek dibandingkan

dengan kontrol/referensi menggunakan t-test, analisis ANOVA

atau analisis Regresi

• ANOVA : mengetahui perbedaan antar perlakuan

 Ho = tidak ada perbedaan yang signifikan diantara perlakuan dan kontrol (referensi) sampel sedimen

 F-test = Ho diterima, kesimpulan : efek yang diamati pada desain percobaan tidak signifikan