Oseana, VolumeXXXIII,Nomor l,Tahun 2008 :25

Oseana, VolumeXXXIII,Nomor l,Tahun 2008 :25-31
ISSN 0216-1877
PENGARUH LOGAM BERAT KADMIUM (Cd) TERHADAP
METABOLISME DAN FOTOSINTESIS DI LAUT
Oleh
Triyoni Purbonegoro1)
ABSTRACT
EFFECTS OF CADMIUM (Cd) ON METABOLISM AND PHOTOSYNTHESIS
IN MARINE ENVIRONMENT. Heavy metals have become major environmental
contaminants due to rapid expansion of industrialization. Within the group of
heavy metals, Cadmium (Cd) is recognized as one of the most toxic metals without
clear biological function. Environmental pollution caused by Cadmium has given
adverse effects on ecosystems and human life. Marine ecosystem is one the
ecosystems that has suffered because of Cadmium pollution. Within the
ecosystem, marine diatoms have important roles as primary producer and the
base of the food web. Several parameters have been analyzed to study the effects
of Cadmium toxicity on marine diatoms, especially on photosynthesis. Some
evidences clearly described how high concentration of Cadmium can degrade
tylacoid membrane of chloroplast, inhibit ATP and NADPH production, and
damages some specific enzymes. Increase of Cadmium concentration on marine
diatoms will greatly affect organisms on top level of food web. Eventually, by the
process of bioaccumulation, these will pose human health on danger.
kekhawatiran yang serius. Kekhawatiran ini
disebabkan tingkat toksisitas logam berat
yang sangat tinggi bagi makhluk hidup
terutama bila terjadi bioakumulasi pada
rantai makanan.
Kadmium (Cd) merupakan salah satu
logam berat yang banyak digunakan dalam
berbagai industri, yaitu industri pelapisan
logam, industri baterai nikel-kadmium,
industri cat, industri PVC atau plastik dan
Iain-lain. Tubuh manusia tidak memerlukan
kadmium dalam proses pertumbuhan dan
metabolismenya, sehingga kadmium sangat
beracun bagi manusia (SLAMET, 1996).
Pencemaran
PENDAHULUAN
Telah diketahui bahwa sekitar 70 %
wilayah Indonesia adalah perairan laut yang
merupakan sumberdaya yang sangat besar
untuk dapat dimanfaatkan bagi kesejahteraan
manusia. Tingkat pertumbuhan industri di
negara berkembang, khususnya Indonesia,
teras meningkat. Dampak dari pertumbuhan
ini tampak pada meningkatnya kandungan
logam-logam berat di lingkungan perairan
(ARIONO, 1996). Peningkatan konsentrasi
logam berat di lingkungan perairan laut
menimbulkan
_______________________
1)
Bidang Dinamika Laut, Pusat Penelitian Oseanografi-LIPI, Jakarta.
Oseana, Volume XXXIII No. 1, 2008
25
sumber:www.oseanografi.lipi.go.id
Logam esensial yaitu besi (Fe),
mangan (Mn), molibdenum (Mo), kobalt
(Co) dan seng (Zn) akan berikatan dengan
protein sel dan berguna untuk proses
pertumbuhan. Logam non esensial antara lain
kadmium (Cd) dan merkuri (Hg) yang
bersenyawa dengan protein sel dapat
menyebabkan efek racun terhadap sel atau
organisme (DARMONO, 1995).
lingkungan oleh kadmium dari limbah
buangan industri telah menimbulkan dampak
negatif terhadap ekosistem dan kehidupan
manusia. Di Toyama, Jepang, terjadi tragedi
yang diakibatkan pencemaran kadmium pada
tanah pertanian yang ditanami padi oleh
masyarakat setempat. Pencemaran tersebut
berakibat beberapa penduduk menderita 'ItaiItai Disease' yaitu penyakit rematik yang
aneh (FRIBERG dalam SOEMARWOTO,
2001). Penderita mengalami pelunakan
seluruh kerangka tubuh yang diikuti
kematian
akibat
gagalginjal(SLAMET,
1996).
Diatom
laut
merupakan
alga
mikroskopik yang paling umum dijumpai dan
mudah dikenali (DARLEY, 1982). Diatom
laut memiliki banyak peran penting bagi
lingkungan, yaitu sebagai produsen primer
dalam suatu rantai makanan, meningkatkan
kesuburan
dan
produktivitas,
serta
memelihara kestabilan ekosistem perairan
laut tersebut (WIDJAJA, 1996). Peningkatan
konsentrasi logam berat kadmium pada
diatom laut sangat berpengaruh terhadap
organisme pada tingkatan rantai makanan di
atasnya. Hal ini pada akhirnya dapat
membahayakan kesehatan manusia sebagai
konsumen tingkat akhir, karena logam berat
kadmium
akan
terakumulasi
dalam
konsentrasi tinggi pada tubuh.
Penyerapan Logam Berat
Penyerapan logam berat oleh
mikroorganisme pada sistemkulturterjadi
dalam dua tahap. Tahap awal berupa
penyerapan pasif yang berlangsung cepat,
diikuti oleh penyerapan aktif yang
berlangsung lambat (TING et al., 1989).
ERNST (1998) menyatakan bahwa pada
tingkat selular, penyerapan pasif berawal
ketika logam berat berinteraksi dengan
dinding sel. Dinding sel mengandung enzim
ekstraselular
yang
berfungsi
dalam
penyerapan unsur-unsur yang dibutuhkan sel.
Pada penyerapan aktif, logam berat tersebut
ditransportasikan melalui membran sel
menuju sitoplasma (TING etal, 1989).
PENGARUH KADMIUM TERHADAP
METABOLISME
Sebelum logam berat memberikan
dampak negatif terhadap organisme tertentu,
logam berat tersebut terlebih dahulu
mengalami mekanisme penyerapan ke dalam
tubuh organisme. Logam berat kadmium
(Cd) mengalami mekanisme penyerapan ke
dalam sel. Unsur-unsur tersebut kemudian
terlibat dalam aktivitas metabolisme sel dan
memberikan pengaruh terhadap pertumbuhan
diatom laut (RAYMONT, 1980).
Oseana, Volume XXXIII No. 1, 2008
Gambar 1. Mikrograf elektron dari dinding
sel diatom. (SWEETS, 1998).
26
sumber:www.oseanografi.lipi.go.id
disebut permease. Enzim Permease adalah suatu
protein membran sel yang berikatan dengan ion
logam berat sehingga ion logam berat tersebut
dapat melintasi lapisan lipid bilayer membran sel
(KIMBALL, 1998).
Dalam proses difusi terfasilitasi, ion
logam berat bergerak searah dengan gradien
konsentrasi (perbedaan konsentrasi), artinya
konsentrasi lingkungan di luar sel hams lebih
tinggi daripada di dalam sel. Membran sel juga
mampu 'memompa' ion logam berat berlawanan
dengan gradien konsentrasi. Proses ini disebut
transport aktif dengan menggunakan energi
berupa ATP yang berasal dari hasil metabolisme
sel (DARNELL et al, 1986;KIMBAL, 1998 dan
SIMKISS & TAYLOR, 1995). Setelah ion logam
berat melewati membran sel, enzim-enzim dan
organel sel dalam sitoplasma menjadi tujuan ion
logam berat tersebut. Kloroplas merupakan
organel paling sensitif terhadap logam berat, di
mana logam berat tersebut berpengaruh pada
proses fotosintesis (ERNST, 1998).
Proses masuknya logam berat
melintasi membran sel dapat terjadi kalau
logam berat tersebut bersifat lipofilik
(mudah larut dalam lipid atau lemak) (LU,
1995). Lapisan membran sel terbentuk dari
dua lapisan lipid (lipid bilayer). Logam
berat yang bersifat lipofilik tersebut akan
larut dalam lipid dan berikatan dengan
protein sel (DARMONO, 1995). Membran
sel bersifat sukar dilalui (impermeabel)
oleh ion-ion yaitu natrium (Na+) dan
kalium (K+), serta ion-ion logam berat
seperti tembaga (Cu), seng (Zn), dan
kadmium (Cd). Untuk dapat melintasi
membran sel, ion logam berat tersebut
mengalami proses difusi terfasilitasi
(facilitated diffusion). Dalam proses
tersebut, ion logam berat mendapat bantuan
suatu enzim di dalam membran sel yang
Gambar 2. Mikrograf kloroplas dan diagram struktur kloroplas (SHUMWAY, 2003).
Oseana, Volume XXXIII No. 1, 2008
27
sumber:www.oseanografi.lipi.go.id
gradien elektrolit tersebut dengan cara
mengganggu aktivitas moleku-molekul yang
bertugas sebagai pembawa elektron (electron
carriers).
Konsentrasi kadmium yang berlebihan
berpengaruh terhadap molekul plastoquinone
yang terkandung dalam membran tilakoid.
Molekul ini merupakan protein periperal
(protein pembantu) yang terikat bebas pada
permukaan luminal (berhadapan dengan lumen)
membran tilakoid. Molekul ini berfungsi
sebagai pembawa elektron dalam reaksi kimia
pada proses fotosintesis. Logam berat kadmium
menyebabkan terganggunya kerja molekul
plastoquinone sebagai pembawa elektron yang
berperan penting dalam reaksi kimia
fotosintesis. Hal tersebut pada akhirnya dapat
mengganggu gradien elektrolit yang memiliki
peran dalam proses fotosintesis, antara lain
dalam menyediakan tenaga untuk pembentukan
ATP dan NADPH (KRUPA & BASZYNSKI,
1995). Proses ini terjadi pada reaksi terang yang
berperan dalam menyediakan molekul ATP dan
NADPH. Logam berat tersebut menyebabkan
terganggunya pembentukan ATP dan NADPH,
sehingga akhirnya mempengaruhi ketersediaan
ATP dan NAPDH bagi aktivitas fotosintesis
(GREGER&OEGREN, 1991).
Logam berat kadmium juga dapat
menghambat kerja enzim yang berperan dalam
proses fotosintesis. Efek ini biasanya timbul
akibat interaksi antara kadmium dengan gugusSH (sulfhydryl) metalotionein pada enzim
tersebut. Metalotionein merupakan jenis protein
yang dapat berikatan dengan logam berat.
Metalotionein dapat ditemukan di semua
golongan makhluk hidup, yaitu mamalia, ikan,
moluska, zooplankton dan fitoplankton
(LASUT, 2002). Protein ini memiliki berat
molekul yang ringan dan sifat utamanya adalah
mengandung 26- 33 % sistein serta tidak
mempunyai asam amino aromatik atau histidin
(RAND & PETROCELLI, 1985). Sebagai
konsekuensi dari banyaknya kandungan asam
amino sistein, maka
Pengaruh Kadmium Terhadap Struktur
dan Metabolisme Kloroplas
Logam biasanya bertindak sebagai
kofaktor yang membantu kerja enzim pada
reaksi-reaksi tertentu dalam sel. Sel perlu
menyimpan cadangan logam tersebut, tetapi
tidak sampai berlebihan atau pada
konsentrasi yang bersifat racun. Logam
tersebut selanjutnya dibebaskan secara
perlahan (LASUT, 2002). Ketika konsentrasi
logam mencapai tingkat tertentu atau
berlebihan akan berdampak buruk pada
proses metabolisme sel (ERNST, 1998).
Dalam proses fotosintesis, konsentrasi logam
berat kadmium (Cd) yang berlebihan akan
berpengaruh terhadap kloroplas. Pengaruh
tersebut terjadi pada struktur kloroplas dan
proses metabolisme yang terjadi di dalamnya
(ERNST, 1998).
Di samping itu struktur membran kloroplas
dan membran tilakoid yang terdapat dalam
sel juga terbentuk oleh lapisan atau lapisan
lipid
berlapis
dua
(lipid
bilayer).
Meningkatnya aktivitas enzim galaktolipase
oleh pengaruh logam berat kadmium yang
berlebihan memicu hidrolisis molekul
monogalaktolipid yang menyusun membran
tilakoid, sehingga menyebabkan degradasi
membran tilakoid tersebut (KRUPA &
BASZYNSKI, 1995).
Pengaruh Kadmium Pada Fotosintesis
Proses metabolisme yang terjadi
dalam fotosintesis melibatkan reaksi-reaksi
kimia dengan bantuan bermacam enzim yang
berfungsi sebagai katalisator. Reaksi-reaksi
kimia tersebut melibatkan aktivitas elektronelektron yang berperan dalam membentuk
suatu gradien elektrolit. Gradien elektrolit ini
antara lain berfungsi untuk menghasilkan
tenaga yang berguna bagi reaksi-reaksi
selanjutnya dalam proses fotosintesis
(DARNELL, 1986). Logam berat kadmium
dapat berpengaruh terhadap
Oseana, Volume XXXIII No. 1, 2008
28
sumber:www.oseanografi.lipi.go.id
Selain berpengaruh pada proses
fotosintesis itu sendiri, logam berat kadmium
juga dapat menyebabkan klorosis. Klorosis
merupakan proses degradasi klorofil oleh
pengaruh dari iuar sel yang bersifat ekstrim.
Klorosis yang disebabkan oleh logam berat
kadmium dapat melalui dua jalur, yaitu
penghambatan langsung terhadap enzim 5-asam
aminolevulinat dehidratase yang berperan
dalam sintesis klorofil, dan melalui penggantian
logam besi (Fe) dan magnesium (Mg) yang
terlibat dalam sintesis klorofil (STOBART et
al, 1985).
Terganggunya aktivitas fotosintesis
diatom laut menyebabkan kemampuan sel
diatom laut tersebut untuk memperbanyak diri
menjadi berkurang. Hal ini menyebabkan
pertumbuhan diatom laut yang identik dengan
pertambahan jumlah sel menjadi terhambat.
Pada diatom laut, Navicula incerta dan
Nitzschia closterium, konsentrasi logam berat
kadmium yang bertambah menyebabkan
pertumbuhan kedua jenis diatom laut tersebut
menjadi terhambat (RACHLIN et al, 1982).
Pengaruh yang sama terjadi pada diatom laut,
Phaeodactylum tricornutum. Konsentrasi logam
berat kadmium yang bertambah menyebabkan
terhambatnya proses fotosintesis diatom laut
tersebut (OVERNELL, 1976).
Pengaruh peningkatan logam berat
kadmium terhadap diatom laut kurang lebih
akan sama dengan yang pengaruh peningkatan
konsentrasi logam berat lain terhadap diatom
laut tersebut. Pengaruh ini disebabkan oleh
karakteristik logam berat kadmium yang
hampir sama dengan logam berat tersebut.
Percobaan yang dilakukan oleh CID et al
(1995), dengan menggunakan logam berat
tembaga
(Cu),
memperlihatkan
bahwa
peningkatan konsentrasi logam berat tersebut
berpengaruh
terhadap
diatom
laut,
Phaeodactylum tricornutum. Pengaruh tersebut
ditunjukkan dengan penurunan terhadap proses
fotosintesis, konsentrasi ATP, dan kandungan
klorofil a dalam sel diatom laut tersebut.
protein ini mengandung kelompok thiol
(sulfhydryl, - SH) dalam jumlah besar.
Kelompok ini memiliki afinitas yang tinggi
terhadap kation bivalen sehingga mengikat
logam-logam berat dengan sangat kuat,
khususnya merkuri (Hg), kadmium (Cd), perak
(Ag), seng (Zn), dan stanum (Sn) (LASUT,
2002).
Pengaruh logam berat kadmium pada
aktivitas enzim antara lain terjadi pada enzim
ribulosa bifosfat karboksilase dan Carbonic
Anhydrase (CA) yang berperan dalam
penyerapan dan fiksasi karbon dioksida (CO2).
Pada awal siklus Calvin, logam berat kadmium
berpengaruh pada enzim ribulosa bifosfat
karboksilase. Substitusi logam magnesium
(Mg) yang dibutuhkan enzim tersebut oleh
logam berat kadmium (Cd) dapat menghambat
proses fiksasi karbon dioksida (ERNST, 1998).
Selain enzim ribulosa bifosfat karboksilase,
salah satu enzim yang penting bagi proses
fotosintesis diatom laut adalah enzim Carbonic
Anhydrase (CA). Enzim ini mengandung logam
seng (Zn) dan berperan dalam merubah asam
karbonat (HCO3) menjadi CO2. Logam seng
(Zn) yang terikat enzim ini dapat digantikan
oleh logam lain, sehingga aktivitas enzim
menjadi terganggu. Aktivitas enzim ini akan
berkurang hingga sampai 56 % jika logam seng
(Zn) diganti oleh logam kobalt (Co), dan akan
berkurang sampai hanya 5 % jika logam seng
(Zn) diganti oleh logam kadmium (Cd)
(DARMONO, 1995).
Pengaruh Kadmium Pada Diatom Laut
Pada diatom laut, Thalassiosira
weissflogii, logam seng (Zn) digantikan oleh
logam berat kadmium (Cd) yang terikat pada
enzim Carbonic Anhydrase (CA) dan
menggantikan peran logam seng (Zn) tersebut
dalam mekanisme penyerapan unsur karbon (C)
(LANE & MOREL, 2000). Dengan demikian
jika logam yang diikat oleh enzim bukan logam
yang semestinya, fungsi enzim tersebut akan
terganggu atau rusak (DARMONO, 1995).
Oseana, Volume XXXIII No. 1, 2008
29
sumber:www.oseanografi.lipi.go.id
KESIMPULAN
Dari uraian di atas, maka dapat disim-pulkan
sebagai berikut:
1. Logam berat kadmium bersifat lipofilik
(dapat larut dalam lipid atau lemak)
sehingga dapat diserap ke dalam sel
diatom laut dengan bantuan enzim
permease dan energi yang berasal dari
ATP.
2. Kloroplas merupakan organel dalam sel
diatom laut yang paling sensitif terhadap
logam berat kadmium.
3. Konsentrasi logam berat kadmium yang
berlebihan
antara
lain
dapat
menyebabkan
degradasi
membran
tilakoid, menghambat produksi ATP dan
NADPH, mengganggu kerja molekul
plastoquinone, enzim ribulosa bifosfat
karboksilase dan Carbonic Anhydrase
(CA), serta menyebabkan klorosis.
DAFTAR PUSTAKA
ARIONO, D. 1996. Bioremediasi Logam
Berat di Lingkungan Perairan dengan
Bantuan Mikroorganisme. Biota, Vol. I
(2): 23-27.
CID, A.; C. HERRERO; E. TORRES and J.
ABALDE 1995. Copper toxicity on the
marine
microalga
Phaeodactylum
tricornutum : effects on photosynthesis
and related parameters. Aquatic
Toxicology 31: 165-174.
DARNELL, J.; H. LODISH and D. BALTIMORE,
1986. Molecular Cell Biology. Scientific
American Books: 231 pp.
ERNST, W.H.O 1998. Effects of Heavy Metals in
Plants at The Cellular and Organismic Level,
In : Ecotoxicology. Gerrit Schuurmann and
Bernd Markert (Eds.) John Wiley & Sons, Inc
and Spektrum Akedemischer Verlag: 32 pp.
FRIBERQ L.I 974. Cadmium in the Environment.
CRC Press, Cleveland, Ohio: 248 pp.
GREGER, M. and E. OEGREN 1991. Direct and
Indirect Effects of Cd2+ on Photosynthesis in
Sugar Beet (Beta vulgaris). Physiol. Plant.
83: 129-135.
KIMBALL, J.W. 1998. Biologi. Jakarta Erlangga.
Edisikelima.Jilidl:89hal.
KRUPA, Z. and T. BASZYNSKI 1995. Some
Aspect of Heavy Metals Toxicity Towards
Photosynthesis Apparatus -Direct and Indirect
Effects on Light and Dark Reactions. Acta
Physiol. Plant. 17: 177-190.
LANE, T.W. and F.M.M. MOREL 2000. A
Biological Function For Cadmium In Marine
Diatoms. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 97 (9):
4627-4631.
LASUT, M.T. 2002. Metallotionein : Suatu
Parameter Kunci Yang penting Dalam
Penetapan Baku Mutu Air Laut (BMAL)
Indonesia. Ekoton. 2 (1): 61-68.
DARLEY, W.M. 1982. Algal Biology : A
Physiological Approach. Blackwell
Scientific Publications: 77 pp.
LU, F.C. 1995. ToksikologiDasar. Asas, Organ
Sasaran, dan Penilaian Risiko. Jakarta
Universitas Indonesia.. Edisi II: 15 hal.
DARMONO 1995. Logam Dalam Sistem
Biologi Makhluk Hidup. Jakarta
Universitas Indonesia: 25 hal.
OVERNELL, J. 1976. Inhibition of Marine Algal
Photosynthesis by Heavy Metals. Marine
Biology. Springer-Verlag: 335-342.
Oseana, Volume XXXIII No. 1, 2008
30
sumber:www.oseanografi.lipi.go.id
SLAMET, J.S. 1996. Kesehatan Lingkungan.
Gadjah
Mada
University
Press.
Yogyakarta: 35 hal.
RACHLIN, J.W.; B. WARKENTINE and
T.E. JENSEN 1982. The growth
responses of Chlorella saccharophila,
Navicula
incerta
and
Nitzshia
closterium to selected concentrations of
cadmium. Bulletin of the Torrey
Botanical Club. 109(2): 129-135.
SOEMARWOTO,
O.
2001.
Analisis
Mengenai Dampak Lingkungan. Gadjah
Mada University Press. Yogyakarta: 26
hal.
RAND, G.M. and S.R. PETROCELLI 1985.
Fundamentals of Aquatic Toxicology.
Hemisphere Publishing Co: 49 pp.
STOBART, A.K.; W.T. GRIFFITHS;
K.A.BUKHARI and R.P. SHERWOOD
1985. The Effects of Cd2+ On the
Biosynthesis of Chlorophyll in Leaves of
Barley. Physiol. Plant. 63: 293-298.
RAYMONT, J.E.G. 1980. Plankton and
productivity in the oceans. 2nd Edition.
Vol. 1 — phytoplankton. Pergamon
Press: 31pp.
SWEETS, P.R. 1998. The Mystery Diatoms.
http://www.indiana.edu/~diatom
/allonone.html.
SHUMWAY 2003. Photosynthesis, http: //
138.192.68.68/bio/Courses/biochem2/
Photosyn- thesis.
TING, Y.P.; F. LAWSON and I.G PRINCE
1990. The Uptake of Heavy Metal Ions
By Algae. Australian Journal Of
Biotechnology-.4 (3): 197-200.
SIMKISS,K. and M.G TAYLOR, 1995.
Transport of metal across membranes.
In
:
Metal
speciation
and
bioavailability in aquatic systems:
Andre Tessier and David R. Turner
(Eds). John Wiley & Sons, Singapore:
19 pp.
Oseana, Volume XXXIII No. 1, 2008
WIDJAJA, 1.1996. Toksisitas Kronik DDT
(C14H9Cl5
Terhadap
Pertumbuhan
Chaetoceros gracilis dan Chaetoceros
ceratosporum. Skripsi sarjana perikanan.
Program Studi Ilmu kelautan dan
Teknologi Kelautan. Fakultas Perikanan,
IPB: 25 hal.
31
sumber:www.oseanografi.lipi.go.id