LAPORAN HIBAH PENELITIAN STRATEGIS NASIONAL TAHUN ANGGARAN 2010

OPTIMALISASI TEKNIK BIOREMEDIASI WADUK SUTAMI MALANG AKIBAT PENCEMARAN NITRAT- FOSFAT DAN

BLOOMING Microcystis MENGGUNAKAN MIKROBA DAN HIDROMAKROFITA

Dra. Catur Retnaningdyah, M.Si Dr. Suharjono, MS

Dibiayai Oleh Direktorat Jenderal Pendidikan Tinggi, Kementerian Pendidikan Nasional

sesuai dengan Surat Perjanjian Penugasan Dalam Rangka Pelaksanaan Hibah Penelitian Strategis Nasional Tahun Anggaran 2010 Nomor :

522/SP2H/PP/DP2M/VII/2010, tanggal 24 Juli 2010

UNIVERSITAS BRAWIJAYA NOVEMBER 2010

Tema: PERUBAHAN IKLIM DAN KERAGAMAN HAYATI

Bidang Ilmu: MIPA

RINGKASAN

Mikroalga jenis Microcystis berpotensi blooming pada waktu tertentu di waduk Sutami Malang disebabkan tingginya kadar nitrat dan fosfat di perairan. Pengendalian blooming Microcystis menggunakan bakteri pereduksi nitrat indigenous waduk Sutami masih belum efektif akibat hasil samping berupa tingginya kandungan ammonium (4,9-37 mg/L) pada proses bioremediasi tersebut. Tujuan penelitian selama dua tahun ini secara keseluruhan adalah untuk menemukan teknik bioremediasi yang efektif dan aplikatif dalam mereduksi bahan pencemar penyebab blooming Microcystis terutama nitrat dan fosfat yang selanjutnya dapat menghambat pertumbuhan Microcystis di perairan khususnya waduk Sutami Malang. Penelitian tahun pertama ini mencoba mengoptimalkan teknik bioremediasi pada skala laboratorium yaitu mendapatkan jenis hidromakrofita yang mampu bersinergi dengan formulasi bakteri pereduksi nitrat indigenous waduk Sutami sehingga secara efektif dapat mereduksi nitrat dan fosfat serta menghambat pertumbuhan Microcystis pada skala laboratorium Penelitian dilakukan melalui tiga tahap dengan eksperimen murni di rumah kaca menggunakan rancangan acak lengkap faktorial. Pada tahap pertama ditentukan jenis hidromakrofita berpotensi tinggi dalam mereduksi nitrat dan fosfat dengan tiga faktor yaitu variasi nitrat, fosfat dan jenis hidromakrofita. Faktor lingkungan yang diukur selama penelitian adalah kadar nitrat, ortofosfat, nitrit, ammonium, DO, pH, konduktivitas, dan suhu. Inkubasi penelitian selama 15 hari. Hidromakrofita yang mampu mereduksi nitrat dan fosfat paling tinggi dikombinasikan dengan bakteri pereduksi nitrat untuk diketahui potensinya dalam mereduksi nitrat dan fosfat di media serta menghambat pertumbuhan Microcystis. Pengamatan pertumbuhan Microcystis dilakukan selama 15 hari. Hasil penelitian menunjukkan bahwa Azolla sp., Hydrilla verticillata, Limnocharis flava, dan Marsilea crenata mampu mereduksi nitrat mencapai 90% setelah enam hari inkubasi dan 99% setelah sembilan hari inkubasi di media air waduk Sutami yang diberi tambahan tanah sawah dan pengayaan nitrat 16-32 mg/L serta fosfat 0,4-0,8 mg/L. Keempat jenis hidromakrofita tersebut juga mempunyai kemampuan mereduksi fosfat sampai mencapai 100% setelah inkubasi enam sampai sembilan hari. Di antara ke empat hidromakrofita tersebut, Azolla sp. mampumenghasilkan produktivitas basah tertinggi dibandingkan dengan yang lain. Kombinasi bakteri pereduksi nitrat indigenous waduk Sutami dengan Azolla sp. mampu mereduksinitrat sampai 97% pada media waduk Sutami yang diberi tambahan tanah sawah dan pengayaan nitrat 16 mg/L serta fosfat 0,4 mg/L setelah enam hari inkubasi. Potensitersebut lebih rendah (67%) pada media sama yang tanpa tanah sawah. Kemampuan kombinasi bakteri tersebut dengan Azolla dalam mereduksi fosfat adalah mencapai 100% setelah inkubasi selama enam hari pada media tanpa tanah sawah dan mencapai 84%setelah inkubasi selama sembilan hari pada media dengan penambahan tanah sawah. Kadar ammonium hasil proses remediasi adalah termasuk rendah dengan nilai berkisar antara 0,01-0,24 mg/L. Potensi kombinasi bakteri pereduksi nitrat dengan Azolla dalam menghambat pertumbuhan Microcystis di media air waduk Sutami yang ditambahi tanah sawah dan pengayaan nitrat 16 mg/L serta fosfat 0,4 mg/L adalah lebih tinggi dibandingkan dengan Azolla dan bakteri pereduksi nitrat secara sendiri-sendiri. Kombinasi Azolla dan bakteri pereduksi nitrat dapat digunakan sebagai agen remediator nitrat dan fosfat di perairan yang selanjutnya bisa

dimanfaatkan untuk mencegah terjadinya blooming Microcystis di perairan tawar. Untuk membuktikan hal ini maka pada tahun kedua diusulkan penelitian yang hasilnya diharapkan dapat ditemukan teknik aplikasi bioremediasi yang paling efektif di perairan waduk Sutami dengan membuat model wetland dan atau sistem keramba hidroponik. Kata Kunci: Bioremediasi, hidromakrofita, pengendalian Microcystis, waduk Sutami.

SUMMARY

Microcystis is one species of microalgae having potential to bloom at a certain time in Malang Sutami reservoir caused by high levels of nitrate and phosphate in waters. Microcystis bloom control using indigenous nitrate reducing bacteria Sutami reservoir is still not effective due to a high content of ammonium (4.9 to 37 ppm) in the bioremediation process. The purpose of this two years research is to find an effective bioremediation techniques that applicable in reducing the pollutants causing Microcystis bloom mainly nitrate and phosphate which in turn can inhibit the growth of Microcystis in the water, especially in Sutami reservoir, Malang. This first year of research is trying to optimize bioremediation techniques that is getting the kind of hydromacrophyte that is able to collaborative with formulation of indigenous nitrate reducing bacteria from Sutami reservoir so effectively to reduce nitrates and phosphates as well as inhibit the growth of Microcystis in a laboratory level. The study was conducted in three phases with pure experiment in greenhouse using a completely randomized factorial design. In the first stage determined the species of hydromacrophyte high potential in reducing nitrate and phosphate by three factors: variations of nitrate, phosphate and species of hydromacrophytes. Environmental factors measured during the study were concentrations of nitrate, orthophosphate, nitrite, ammonium, dissolved oxygen, pH, conductivity, and temperature. Research Incubation for 15 days. The species of hydromacrophyte having highest ability to reduce nitrate and phosphate will be combined with nitrates reducing bacteria to know its potential to reduce nitrate and phosphate in the media as well as inhibiting the growth of Microcystis. Observation of the growth of Microcystis conducted for 15 days. The results showed that Azolla sp., Hydrilla verticilata, Limnocharis flava, and Marsilea crenata are able to reduce nitrate reached 90% after six days of incubation and 99% after nine days of incubation in medium water reservoirs Sutami given additional rice land and nitrate (16-32 ppm) phosphate (0.4-0.8 ppm) enrichment. The four species of hydromacrophytes also has the ability to reduce the phosphate reach to 100% after incubation of six to nine days. Among of that four hydromacrophyte, Azolla sp. capable of producing the highest wet productivity. The combination of indigenous nitrate reducing bacteria from Sutami reservoir with Azolla sp. able to reduce nitrate to 97% on ater media from Sutami reservoir given additional rice field soil and enrichment with 16 ppm of nitrate and 0.4 ppm of phosphate after six days incubation. The potential is lower (67%) in the same media without rice field soil. The ability of these bacteria with a combination of Azolla in reducing phosphate is reaching 100% after incubation for six days on media without rice field soil and reached 84% after nine days of incubation on media with the addition of rice land. Ammonium as the result of the remediation process including low with values ranging from 0.01 to 0.24 ppm. The combination of Azolla with nitrate reducing bacteria capable to in inhibited the growth of Microcystis in water Sutami reservoir media that added 16 ppm of nitrate and 0.4 ppm of phosphate was higher compared with Azolla and nitrate reducing bacteria alone. Combination of Azolla and nitrate reducing bacteria could be used as an agent of nitrate and phosphate remediator in waters which in turn can be used to prevent the occurrence of Microcystis bloom in freshwater. To prove this then in the second year of research is proposed to be found the applicative of

bioremediation techniques that are most effective in waters Sutami reservoir with creating the wetlands and hydroponic or cage system model. Keywords: Bioremediation, hydromacrophyte, control of Microcystis, Sutami reservoir

DAFTAR PUSTAKA

Abel, P.D. 1989. Water Pollution Biology. Ellis Horwood Limited Publishers, Chichester. Atlas, R.M. 2004. Handbook of Microbiological Media. Third Edition. CRC Press Inc.,

New York Barko, J.W., D.G. Hardni, & M.S. Matthews. 1982. Growth and Morphology of

Submerged Macrophytes in Relaltion to Ligh and Temperature. Can. J. Bot. 60:877-887

Brower, J.E., J.H. Zar, & C.N. Von Ende. 1990. Field and Laboratory Methods for General Ecology. Third Edition. Wm. C. Brown Publishers, Dubuque.

Chu, Z., X. Jin, N. Iwami & Y. Inamori. 2007. The effect of Temperature on Growth Characteristics and Competitions of Microcystis aeruginosa and Oscillatoria mougeotii in a Shallow, Eutrophic Lake Simulator System. Hydrobiologia. 581: 217-223

Clesceri, L.S., A.E. Greenberg & A.D. Eaton. 1998. Standard Methods for the Examination of Water and Waste Water. 20th Ed., Washington.

Closs, G., B. Downes & A. Boulton. 2006. A Scientific Introduction Freshwater Ecology. Blackwell Publishing. Malden USA

Connell, Des. W. dan G.J. Miller. 1995. Kimia dan Ekotoksikologi Pencemaran. Diterjemahkan dari Chemistry and Ecotoxicology of Pollution, Oleh: Koestoer, Y. Penerbit Universitas Indonesia, Jakarta

Davis, M.L. dan Masten, S.J. 2004. Principles of Environmental Engineering and Science. McGraw-Hill companies, Inc. New York

Dokulil, M.T. & K. Teubner. 2000. Cyanobacterial Dominance in Lakes. Hydrobiologia. 438: 1-12

Effendi, H. 2003. Telaah Kualitas Air. Penerbit Kanisius. Yogyakarta Ernst, A., M. Deicher, P.M.J. Herman & Ute I.A. Wollenzien. 2005. Nitrate and Phosphate Affect Cultivability of Cyanobacteria from Environments with Low Nutrient Levels. Applied and Environmental Microbiology 71(6):3379-3383

Etikawati, N dan Jutono. 2000. Perkembangan biota pada perakaran Azolla microphylla Kaulfuss. Biodiversitas 1 (1): 30-35.

Ferrão-Filho, A.S., P. Domingos & S. M. F. O. Azevedo, 2002, Influences of a Microcystis aeruginosa Kützing bloom on zooplankton populations in Jacarepaguá Lagoon (Rio de Janeiro, Brazil), Limnologica, 32: 295-308

Fujimoto, N. & R. Sudo. 1997. Nutrient-limited growth of Microcystis aeruginosa and Phormidium tenue and competition under various N:P supply ratios and temperatures. Limnol. Oceanogr., 42(2): 250-256

GRIN (Germplasm Resources Information Network). 2002. Azolla. http://www.arsgrin. gov/cgi-bin/npgs/html/taxon.pl?102986. Tanggal akses 7 November 2010.

Goldman, C.R. & A.J. Horne. 1983. Limnology. Mc. Graw Hill International Book Co., New York.

Gray, N.F. 1995. Waste Water Treatment Biology in Nierenberg, W.A. (ed.). Encyclopedia of Environmental Biology. 3:463-478. Academic Press, New York

Guntenspergen, G.R., F. Stearn, dan J.A. Kadlec. 1989. Wetland Vegetation. dalam Hammer, D.A. (Ed). Constructed Wetlands for Wastewater Treatment.

Municipal, Industrial and Agricultural. Lewis Publishers, Michigan. hlm 73-88. Hammer, D.A., dan Bastian, R.K. 1989. Wetlands Ecosystems: Natural Water

Purifiers. Dalam Hammer, D.A. (Ed). Constructed Wetlands for Wastewater Treatment. Municipal, Industrial and Agricultural. Lewis Publishers, Michigan. hlm 5-10.

Hartati, S. dan Arisoesilaningsih, E. 2005. Toleransi Diversitas Hidromakrofita terhadap Limbah Deterjen. Makalah disampaikan dalam Seminar Nasional Basic Science II tanggal 26 Februari 2005 diselenggarakan oleh Fakultas MIPA. Unibraw. Malang.

IRRI, 1996. Standard System for Rice. INGER. Manila. Joung, S.H., C.J. Kim, C.Y. Ahn, K.Y. Jang, S.M. Boo & H.M. Oh. 2006. Simple

method for a cell count of the colonial Cyanobacterium Microcystis sp. The Journal of Microbiology. 44(5):562-565

Krebs, C.J. 1999. Ecological Methodology. Second Edition. Benjamin Cummings An Imprint of Addison Wesley Longman, Inc. California

Mitakda, B., Prayitno, Suharjono, C. Retnaningdyah, 2000. Perancangan dan Pemodelan Usaha Peningkatan Kemampuan Purifikasi Sungai Brantas Hilir. J. Natural 4 (2): 38-49.

Mohamed, E. S. E. S. M. 2005. Role of Azolla in Different Ecosystems. Thesis. Botany & Microbiology Department Faculty of Science. Al Azhar University. Cairo.

Nastiti, H. 2004. Potensi Biodegradasi Beberapa Strain Anggota Genus Pseudomonas terhadap LAS (Linear Alkylbenzene Sulfonate). Skripsi. FMIPA. Unibraw. Malang

Nicholas, D.S. 1983. Capacity of Natural Wetlands to Remove Nutrients from Wastewater. J. Water Pollut. Control Fed. 55:495-505.

Oberholster, P.J, Botha & Grobbelaan. 2004. Microcystis spp. : Source of Toxic Mikrocystins in Drinking Water. African Journal of Biotechnology, 3(3):159 –168.

Radojevic, M. dan Bashkin V.N. 1999. Practical Environmental Analysis. The Royal Society of Chemistry. Cambridge

Rajendran, R. dan Reuben, R. 1991. Evaluation of the water fern Azolla microphylla for mosquito population management in the rice-land agro-ecosystem of south India. Med Vet Entomol 5(3): 299-310.

Ramirez, J.J. & C.E.M. Bicudo. 2005. Diurnal and Spatial (Vertical) Dynamics of Nutrients (N, P, Si) in Four Sampling Days (Summer, Fall, Winter and Spring) in A Tropical Shallow Reservoir and Their Relationships with The Phytoplankton Ccommunity. Braz. J. Biol. 65(1): 141-157

Retnaningdyah, C. , Prayitno, Y. Rosyitawati, M.Y.C Dewi & A.N. Hartini, 2002. Potensi Mikroalga sebagai Bioindikator Tingkat Pencemaran Bahan Organik di Perairan Waduk. National Seminar on Research and Studies Research Grant conducted by Ministry of National Education, Directorate General of Higher Education, TPSDP, Jakarta December 27-28.

Retnaningdyah,C. & S. Samino. 2005. Monitoring Dinamika Komunitas Fitoplankton dan Zooplankton di Waduk Sutami Malang Periode 2005. Laporan Penelitian Kerjasama Perum Jasa Tirta I dengan Jurusan Biologi Fakultas MIPA Universitas Brawijaya Sertifikat No. ID03/0127

Retnaningdyah,C. & S. Samino. 2006. Monitoring Dinamika Komunitas Fitoplankton

dan Zooplankton di Waduk Sutami Malang Periode Bulan Januari-Maret 2006. Laporan Penelitian Kerjasama Perum Jasa Tirta I dengan Jurusan Biologi Fakultas MIPA Universitas Brawijaya Sertifikat No. ID03/0127

Retnaningdyah, C. 2008. Keterkaitan Kualitas Air dengan Dinamika Populasi Microcystis spp. di Waduk Sutami, Malang, Jawa Timur. Makalah dipresentasikan secara oral pada Seminar Nasional Limnologi IV, diselenggarakan oleh Pusat penelitian Limnologi-LIPI, Bogor, 15 Oktober 2008

Retnaningdyah, C., U. Marwati, Suharjono, N. Ajijah, Marjono, A. Soegianto, B. Irawan. 2009. Potensi Formulasi Bakteri Pereduksi Nitrat Waduk Sutami Malang dalam menghambat Pertumbuhan Microcystis. Berkala Penelitian Hayati: 14(2): 209-217

Retnaningdyah, C. dan Suharjono. 2009. Penentuan Nilai Ambang N dan P Penyebab Blooming Populasi Microcystis spp. di Perairan waduk Sutami. Laporan Hibah Penelitian Strategis Nasional. Dibiayai oleh DirJen Dikti melalui DIPA Universitas Brawijaya.

Retnaningdyah, C., Suharjono, A. Soegianto, B. Irawan, 2010, Respon Pertumbuhan Microcystis Hasil Isolasi dari Waduk Sutami pada Berbagai Kombinasi Nitrat dan Fosfat di Media Selektif B-12, Makalah dipresentasikan secara oral pada Seminar Nasional Basic Science VII , diselenggarakan oleh Fakultas MIPA Universitas Brawijaya, Malang, 20 Pebruari 2010.

Romanowska-Duda, Z., J. Mankiewicz, M. Tarczynska, Z. Walter & M. Zalewski. 2002. The Effect of Toxic Cyanobacteria (Blue Green Algae) on Water Plants and Animal Cells. Polish Journal of Environmental Studies. 11(5): 561-566

Samino, S. & C. Retnaningdyah, 2004. Monitoring Dinamika Komunitas Fitoplankton dan Zooplankton di Waduk Sutami Malang Periode Bulan Oktober sampai Desember 2004. Laporan Penelitian Kerjasama Perum Jasa Tirta I dengan Jurusan Biologi Fakultas MIPA Universitas Brawijaya Sertifikat No.ID03/0127

Samino, S. & C. Retnaningdyah, 2006. Evaluasi Sifat Toksik Microcystis spp. Terhadap Beberapa Ikan dari Waduk Sutami untuk Pengembangan Early Warning System dalam Blooming Mikroalga. Laporan Penelitian Kerjasama Perum Jasa Tirta I dengan Jurusan Biologi Fakultas MIPA Universitas Brawijaya Sertifikat No. ID03/0127

Sharpley, A.N. 2003. Agriculture and phosphorus management: the Chesapeaks Bay. CRC Press LLc. Boca Raton

Shutes, R.B., Ellis, J.B., Revitt, D.M. dan Zhang, T.T. 1993. The Use of Thypa latifolia for Heavy Metal Pollution Control in Urban Wetlands. Dalam Moshiri, G.A. (Ed.). Constructed Wetlands for Water Quality Improvement. Lewis Publishers, Boca Raton, Florida. 533 hlm

Smith, VH. 1983. Low nitrogen to phosphorus ratios favor dominance by blue-green algae in lake. Science. 221:669-671

Stahl-Delbanco, A., L.A. Hansson & M. Gyllstrom. 2003. Recruitment of resting stages may induce blooms of Microcystis at low N:P ratios. J. of Plankton Research. 25(9): 1099-1106.

Suharjono, B.Mitakda, M. Yusuf, C. Retnaningdyah, S. Samino dan Prayitno. 2000. Potensi Makrofita Akuatik dalam Meningkatkan Kualitas Air Kali Mas Surabaya. Makalah disampaikan dalam Seminar Nasional Biologi XVI tanggal

25-27 Juli 2000 diselenggarakan oleh Perhimpunan Biologi Indonesia di ITB. Bandung.

Verspagen, J.M.H. 2006. Benthic-Pelagic Coupling in the Population Dynamics of the Cyanobacterium Microcystis. Ph.D Thesis. Universiteit Utrecht, Nederlands

Wardhana, W.A. 2001. Dampak Pencemaran Lingkungan. Penerbit ANDI. Yogyakarta Watanabe, I. 2005. Azolla and its use. http://www.asahi-net.or.jp/~it6iwtnb/

azollaE.html. Tanggal akses 7 November 2010. Xie, L., P. Xie, S. Li, H. Tang & H. Liu. 2003. The low TN:TP ratio, a cause or a

result of Microcystis blooms?. Water Research 37: 2073-2080 Zmijewska, M.I., E. Niemkiewicz & L. Bielecka. 2000. Abundance and Species

Composition of Plankton in the Gulf of Gdansk-Wschód (Gdansk-East) Sewage Treatment Plant. Oceanologia, 42 (3): 335-357.