OSEANOGRAFI KIMIA

Makalah Individu 

    OSEANOGRAFI KIMIA

MINOR DAN TRACE ELEMENT DI PERAIRAN LAUT

Oleh :

LEO KENNEDY
0804131919

JURUSAN ILMU KELAUTAN
FAKULTAS PERIKANAN DAN ILMU KELAUTAN
UNIVERSITAS RIAU
PEKANBARU
2010

 Elemen  adalah  unsur,  materi  atau  bahan  dasar  (fundamental  kinds  of matter)  yang menyusun  seluruh  benda  di  alam  semesta. Elemen ini tersusun dari atom-atom yang berasal dari elemen yang sama secara kimiawi dan memiliki  sifat  yang  identik.  Hingga  saat  ini  telah  dikenal  sekitar  116  elemen  atau unsur.

Secara  garis  besar,  elemen  dapat  dibagi  menjadi  2,  yaitu  :  elemen  organik  dan inorganik.  Menurut Miessler dan Tarr (2000) menyatakan bahwa elemen organik berkaitan dengan senyawa hidrokarbon dan derivatnya  yang  sebagian besar menjadi elemen utama yang menyusun makhluk  hidup. Sedangkan elemen inorganik mencakup keseluruhan elemen yang terdapat dalam tabel  periodik  unsur  termasuk  Hidrogen  dan  Karbon  itu  sendiri.
Menurut Millero  (2006)  membagi  elemen  (organik  dan  inorganik)  menjadi  3  kelompok berdasarkan  rata-rata  konsentrasinya  di  alam,  yaitu:    elemen makro  (0,05  – 750 mM), elemen mikro (0,05 – 50 μM) dan elemen trace atau kelumit (0,05 -50 nM).
Riley dan Chester  (1971), menyatakan bahwa unsur N, P dan Si adalah merupakan mikro elemen esensial terpenting yang dibutuhkan oleh organisme laut. Ketiga elemen tersebut berperan  penting  dalam  metabolisme,  proses  fisiologis  dan  reaksi  biokimiawi  dalam tubuh.
Mikro Elemen di Laut
Elemen  adalah  unsur,  materi  atau  bahan  dasar  (fundamental  kinds  of matter)  yang menyusun  seluruh  benda  di  alam  semesta. Elemen ini tersusun dari atom-atom yang berasal dari elemen yang sama secara kimiawi dan memiliki  sifat  yang  identik.  Hingga  saat  ini  telah  dikenal  sekitar  116  elemen  atau unsur.
Secara  garis  besar,  elemen  dapat  dibagi  menjadi  2,  yaitu  :  elemen  organik  dan inorganik. Miessler dan Tarr (2000) menyatakan bahwa elemen organik berkaitan dengan senyawa hidrokarbon dan derivatnya  yang  sebagian besar menjadi elemen utama yang menyusun makhluk  hidup.
Asam  amino,  protein  dan  lemak  yang menyusun  organism hidup umumnya tersusun dari elemen organik (unsur atau senyawa yang terdiri dari  C , H dan O). Sedangkan elemen inorganik mencakup keseluruhan elemen yang terdapat dalam tabel  periodik  unsur  termasuk  Hidrogen  dan  Karbon  itu  sendiri.    Namun,  menurut Manahan  (2001),  elemen,  bahan  atau  materi  organik  adalah  semua  senyawa  yang mengandung karbon termasuk substansi yang dihasilkan dari proses hidup  (kayu, kapas, wol), minyak bumi, gas alam (metan), cairan pelarut/pembersih, fiber sintetik dan plastik. Sedangkan elemen atau bahan inorganik adalah semua substansi yang tidak mengandung Karbon  seperti  logam,  batuan,  garam,  air,  pasir  dan  beton.  Elemen  inorganik  ada  yang bersifat terlarut (dissolved) dan ada yang padat (solid atau insoluble).
Millero  (2006)  membagi  elemen  (organik  dan  inorganik)  menjadi  3  kelompok berdasarkan  rata-rata  konsentrasinya  di  alam,  yaitu:
1.    elemen makro  (0,05  – 750 mM) (Na, Cl, Mg)
2.    elemen mikro (0,05 – 50 μM) (P dan N)
3.    elemen trace atau kelumit (0,05 -50 nM) (Pb, Hg, Cd)
Sedangkan berdasarkan sifatnya, elemen (inorganik)dibedakan menjadi
1.    jenis  logam logam (metal) bersifat padat, memiliki kilap, dapat dibentuk  menjadi  lempengan  tanpa  mengalami  kerusakan  (malleable)  serta  mampu menghantarkan  listrik  dengan  baik. Seluruh  logam  (metal)  kecuali  raksa  (Hg) berbentuk padat pada suhu kamar.
2.    non  logam memiliki  sifat  buram  dan  tidak semuanya  dapat  dibentuk  dengan  mudah.  Sedangkan elemen non  logam ada yang bersifat cair dan gas. Oksigen, klorin, cairan bromine coklat tergolong non metal.
Tumbuhan dan hewan yang hidup umumnya membutuhkan nutrien untuk  tumbuh dan berkembang.   Organisme hidup memenuhi kebutuhannya akan nutrien dengan cara menyerap  unsur  hara  dari  tanah,  makan  dan  minum  atau  melalui  proses  absorbsi, dekomposisi dan difusi elemen yang dibutuhkan dari  lingkungan sekitarnya. Ada elemen atau  senyawa  yang mampu  diproduksi  dan  dihasilkan  oleh  tubuh  seperti  hormon,  zat tepung,  serbuk  sari  dan madu  pada  bunga.
 Namun  adapula  elemen  yang  tidak  dapat dihasilkan oleh tubuh. Elemen  ini umumnya diperlukan dalam  jumlah sedikit oleh tubuh namun  sangat  penting  bagi  proses metabolisme,  fisiologi  dan  reaksi  biokimiawi  dalam tubuh. Kekurangan elemen  ini akan menyebabkan gangguan metabolisme dan penyakit akibat  defisiensi.  Elemen  ini  dikenal  sebagai  elemen  esensial.  Vitamin  dan  mineral umumnya termasuk dalam senyawa yang bersifat esensial.
Elemen  esensial  yang  ada  di  laut  umumnya  memiliki  konsentrasi  yang  rendah. Konsentrasi elemen esensial yang berlebihan di dalam air laut (akibat run off dari daratan dan  antropogenik)  dapat  memberikan  dampak  yang  merugikan  bagi  makhluk  hidup. Elemen  yang  tidak  dibutuhkan  oleh  tubuh  atau  jika  kekurangan  tidak  menimbulkan gangguan  pada  proses  metabolisme  dalam  tubuh  tergolong  elemen  non  esensial.
Millero  dan  Sohn  (1992)  menyatakan  bahwa  perairan  laut  memiliki  konsentrasi senyawa  organik  yang  sangat  rendah  dibandingkan  konsentrasi  senyawa  inorganik. Senyawa organik  terdiri dari kelompok hewan yang  telah hidup dan  telah mati. Serasah atau  detritus  hasil  degradasi  bahan  organik  dan  pengaruh  antropogenik.  Berdasarkan komposisi kimianya, bahan organik terdiri atas karbohidrat, protein, asam amino, lemak, hidrokarbon,  asam  karbosiklik,  humus,  dan  kerogen  serta  komponen-komponen mikro lainnya  seperti  steroid,  aldehid,  alkohol  dan  komponen  organo-sulfur.
Riley dan Chester  (1971), menyatakan bahwa unsur N, P dan Si adalah merupakan elemen esensial terpenting yang dibutuhkan oleh organisme laut. Ketiga elemen tersebut berperan  penting  dalam  metabolisme,  proses  fisiologis  dan  reaksi  biokimiawi  dalam tubuh. Nitrogen penting untuk membangun  jaringan  tubuh. Sedangkan  fosfor dan  silica penting  dalam  pembentukan  cangkang  terutama  bagi  kelompok  Diatom,  Coccolithofor dan  Pteropod.
Besi,  Mangan,  Tembaga,  Seng,  Kobal  dan  Molybdenum  adalah  mikro elemen  esensial  yang  sangat  dibutuhkan  untuk  pertumbuhan  sebagaimana  ditemukan pada    enzim. Meskipun memiliki  konsentrasi  yang  sedikit  dalam  air  laut,  namun mikro elemen esensial  tidak pernah menjadi  faktor pembatas yang mengontrol populasi biota laut.  Kadang-kadang  konsentrasi mikro  elemen  esensial  ditemukan  dalam  jumlah  yang banyak  dalam  air  laut,  namun  hal  tersebut  belum  menjamin  pemenuhan  kebutuhan mikro elemen esensial bagi organisme laut. Hal ini karena mikro elemen esensial tersebut berada dalam bentuk yang tidak dapat diabsorbsi langsung oleh biota laut yang ada.
Berdasarkan strukturnya  senyawa organik dapat dibagi menjadi :
1.    materi organik  terlarut  (DOM) yang berukuran < 0,45 µm  termasuk koloid
2.    materi organik partikulat  (POM) yang terdiri atas materi berbentuk partikulat (> 2,0 µm) dan materi tersuspensi (0,45 – 2,0 µm)
2.2  Sumber (Sources)
Berdasarkan asalnya,  sumber elemen mikro yang masuk ke  laut  secara garis besar dapat di bagi menjadi 2 :
a.  Allotochnous  (external sources) :
•    Aktifitas gunung berapi (erupsi)
•    Pelapukan batuan
•    Gurun Pasir
•    Aktifitas Manusia (antropogenik)
b.  Autotochnous  (internal sources) :
•    Aktifitas gunung berapi bawah laut (Submarine Eruption)
•    Pergeseran kerak bumi
•    Aktifitas Biologi
Mekanisme transport elemen yang bersumber dari daratan dapat dibagi 3 :
•    Melalui sungai (fluvial transport)
•    Melalui udara (atmospheric transport) dan angin (Aeolian transport)
•    Melalui pencairan es (glacial transport)
Elemen yang masuk ke laut akan mengalami proses-proses :
•    Fisika  : advection, mixing, adsorption, deposition
•    Kimia  : redox, hydrolysis, complexation, solidification, dissolution
•    Biologi : absorption, decomposition
2.3  Distribusi
Chester  (1990)  menyatakan  bahwa  ada  tiga  proses  yang  berperan  dalam distribusi elemen di laut :
•    Saturasi dan presipitasi (Ca, Sr, Ba)
•    Adsorbdi oleh partikel tersuspensi (Mn, Zn, Cd, Pb)
•    Absorbsi oleh biologi (Co, Mo, Ni, Zn).
Selain proses diatas, proses-proses biogeokimia seperti reaksi redoks, kompleksasi – solidifikasi,  mineralisasi-remineralisasi  dan  faktor  lingkungan  seperti  pH,  suhu, salinitas,  arus dan  aktifitas hidrothermal  juga berperan penting  terhadap distribusi mikro elemen di laut.
Tipe Distribusi Elemen.
Elemen mikro memiliki  konsentrasi  yang  sangat  rendah  di  laut  karena  elemen mikro memiliki  sifat  yang  sangat  reaktif  sehingga  dengan  cepat  akan  segera   berikatan dengan  senyawa  kimia  yang  lain  saat mencapai  laut  dan mengendap  di  dasar  perairan dalam  bentuk  sedimen.  Selain  itu,  ada  pula  elemen  mikro  yang  memang  memiliki konsentrasi  sangat  kecil dari  sumbernya. Misalnya: batuan  kristal dan  gas  yang  berasal dari dalam perut bumi.
Profil distribusi elemen mikro dapat dibagi menjadi beberapa kategori, yaitu:
a.  Conservative Profile:  rasio konsentrasi elemen yang konstan  terhadap elemen yang berkaitan dengan khlorinitas atau salinitas ditemukan pada beberapa elemen karena tingkat reaktifitasnya yang rendah. Beberapa elemen makro dan logam kelumit (trace metal)  seperti seperti molybdenum  (MoO42-)  dan  tungsten  (WO42-)
b.  Nutrient  Type  Profile: penurunan  konsentrasi  elemen  di  permukaan  perairan  dan pengayaan di kedalaman perairan. Senyawa dipindahkan dari bagian atas permukaan oleh plankton atau senyawa partikulat yang dihasilkan oleh produsen melalui aktifitas biologi.  Di  perairan  yang  dalam  senyawa  partikulat  akan  mengalami  regenerasi melalui  proses  oksidasi  oleh  bakteri.
Berdasarkan  tempat  terjadinya  regenerasi elemen mikro, maka nutrient type profile dapat dibagi menjadi 3, yaitu:
•    Regenerasi elemen mikro pada perairan dangkal hingga kedalaman maksimum 1 km. Misalnya  pada  logam  Cd 2+yang  berikatan  dengan  bagian  yang  lunak  dari material biologi yang masih hidup atau yang sudah mati.
•    Regenerasi elemen mikro pada perairan dalam hingga kedalaman maksimum dimana keberadaan  logam  dalam  air  laut masih  dapat  terdeteksi.  Beberapa  elemen mikro yang termasuk ke dalam kelompok ini adalah: Zn, Bad an Ge.
•    Kombinasi regereneasi elemen mikro antara perairan dangkal dan dalam. Salah satu elemen yang termasuk kelompok ini adalah perak (Ag). Logam ini diketahui berikatan dengan phytoplankton, diatom dan cangkang hewan laut. Surface  enrichment  and  depletion  at  depth:  Elemen  yang  termasuk  kelompok  ini memiliki input yang berasal dari atmosfir, sungai dan daratan.
c.  Surface    enrichment  and  depletion  at  depth:  Elemen  yang  termasuk  kelompok  ini mudah  bereaksi  dan  secara  cepat  berpindah  dari  air  laut  karena  berikatan  dengan partikulat  yang  berada  di  kolom  air  untuk  selanjutnya mengendap  dalam  sedimen. Waktu  tinggal  (residence times) dari elemen kelompok  ini  tergolong sangat pendek. Logam  timbal  (Pb) merupakan elemen  yang  inputnya berasal dari  atmosfir  (berasal dari  asap  kendaraan    dan  industri  di  darat  yang menggunakan  bahan  bakar  fosil). Mn2+  merupakan  contoh  yang  baik  untuk  elemen  yang  memasuki  permukaan  air melalui sungai atau berasal dari endapan sedimen di perairan yang dangkal.
d.  Mid-depth minima: Kondisi mid-depth minimum dapat  terjadi  jika  terdapat  input dari permukaan yang kemudian mengalami regenerasi di dekat dasar atau mengalami scavenging di keseluruhan kolom air. Logam seperti Cu2+, Sn dan  Al3+ tergolong dalam kelompok ini. Input dari permukaan laut  berasal dari daratan yang terbang ke udara membentuk debu atmosfer yang kemudian jatuh ke permukaan laut. Al dengan cepat akan mengalami  penyerapan  oleh  partikel  tersuspensi  dari  permukaan  air melalui proses  adsorbs  atau mengalami  penyerapan  oleh  plankton.  Partikel  yang  terserap kemudian  jatuh dan mengendap di  laut dalam membentuk sedimen. Resustensi dan flux Al dalam sedimen akan semakin meningkat saat mendekati dasar perairan.
e.  Mid-depth  maxima:  profil  dari  tipe  ini  terbentuk  dari  input  hidrotermal  yang dikeluarkan oleh sistem mid-ocean ridge. Elemen Mn2+ ,3He adalah contoh yang baik dari Mid-depth maxima ini.
f.    Mid-depth maxima or minima in the sub-oxic layer: sebuah lapisan sub-oxic yang besar dapat ditemukan di beberapa wilayah di Samudera Pasifik dan Samudera India. Proses  reduksi  dan  oksidasi  dalam  kolom  air  atau    di  sekitar  slope  sedimen menghasilkan  Fe2+ dan  Mn2+(maxima)  yang  tereduksi  dan  Cr3+ (minima)  dalam bentuk  tereduksi  yang  bersifat  insoluble  atau mengendap  di  dasar  perairan  dalam bentuk solid.
g.    Maxima  and  minima  in  Anoxic  Waters:  pada  suatu  daerah  dengan  sirkulasi terbatas  seperti di Laut Hitam, Trench Cariaco   dan  fjords, air dapat menjadi anoxic (tidak memiliki kandungan Oksigen) dan memproduksi H2S. Di batas antara 2 perairan dapat  terjadi proses  reduksi oksidasi  yang menyebabkan maxima  atau minima  dari perubahan  solubilitas  dari  species  yang  berbeda.  Fe2+  dan Mn2+ tergolong maxima karena memiliki solubilitas yang meningkat dalam bentuk tereduksi. Kondisi maxima ini terjadi akibat proses reduksi oksidasi Besi dan Mangan dekat batas lapisan antara dari oksik-anoksik.
2.4  Penyebaran (Variasi Musiman)
a.  Nitrogen
Variasi musiman dari nitrit, nitrat dan ammonia terjadi pada lapisan permukaan laut sebagai  hasil  dari  aktifitas  biologi.  Perubahan  konsentrasi  Nitrogen  secara  musiman sebagian besar terjadi di perairan dangkal daerah lintang sedang atau lintang tinggi. Saat musim  semi,  terjadi  peningkatan  intesitas  cahaya  dan  durasi  (lama  penyinaran)  yang menyebabkan  peningkatan  populasi  fitoplankton.  Hal  ini  menimbulkan  perpindahan Nitrogen  anorganik  terlarut  dari  daerah  eufotik.  

Populasi  fitoplankton  kemudian dimangsa oleh zooplankton dan ikan. Nitrogen kemudian dikembalikan ke perairan dalam bentuk  excrete  (kotoran),  urine  (amoniak  dan  urea)  atau  partikel  feses  yang  akan didekomposisi oleh bakteri sebelum dikembalikan ke perairan. Pada musim semi, proses percampuran  vertical  (vertical  mixing)  memiliki  konstribusi  mengangkat  nutrien  dari perairan  bawah  ke  zona  eufotik.  Akibatnya  populasi  fitoplankton  bertambah  dengan cepat  dan  mulai  menurun  saat  terbentuk  zona  termoklin  yang  menghalangi  suplai Nitrogen  ke  lapisan permukaan. 

Nutrien  yang dominan pada waktu  ini  adalah  amoniak yang  diekskresikan  oleh  Zooplankton  dan  selanjutnya  dimanfaatkan  oleh  algae  dalam proses  fotosintesis.  Pada  beberapa  lokasi,  terjadi  penurunan  konsentrasi  Nitrogen terlarut hingga mencapai taraf yang dapat mematikan organisme. Ekskresi Nitrogen oleh zooplankton mencapai tingkat maksimum saat populasi fitoplankton jarang. 

Hal ini terjadi karena  kemungkinan  pemanfaatan  protein  sebagai  sumber  energi  menurun  saat makanan (fitoplankton) berlimpah. Saat organisme mati atau dikonsumsi dan dikeluarkan dalam bentuk feses oleh zooplankton, maka bakteri akan melakukan regenerasi Nitrogen.Regenerasi  nitrat  seringkali  menyebabkan  blooming  algae  pada  akhir  musim  panas. Konsentrasi nitrat akan meningkat   hingga mencapai  titik maksimum pada musim gugur dan  kemudian  menurun.  

Nitrifikasi  akan  selesai  saat  bulan  Januari  saat  permukaan  mendingin  dan  badai  membongkar  lapisan  termoklin,  menyebabkan  nirat  dapat terdistribusi kembali ke kolom air dan dasar perairan. Kondisi yang berbeda terjadi pada daerah perairan yang memiliki up-welling yang membawa nutrient dari perairan bawah ke  lapisan  permukaan.  Kondisi  perairan  di  daerah  up-welling  sangat  subur  dan mendukung  kehidupan  fitoplankton  yang melimpah.    

Dengan  demikian  nutrient  bukan merupakan faktor pembatas di daerah ini. Perubahan  konsentrasi  nutrient  di  lautan  terbuka  yang  jauh  dari  daratan  juga dipengaruhi  oleh  produktifitas  fitoplankton  dan  hanya  terbatas  di  lapisan  permukaan. Namun,  proses  regenerative  terjadi  di  seluruh  kolom  perairan.  Organisme  mati  dan detritus organik akan diuraikan  oleh bakteri saat tenggelam dari permukaan air. 

Partikel organik  akan  tenggelam  dengan  lambat  karena  ukuran  partikel mengalami  penyusutan dan densitas air  laut yang  lebih  tinggi pada perairan yang  lebih dalam. Oksidasi partikel menyebabkan  berpindahnya  oksigen  dari  dalam  air,  demikian  pula  dengan karbondioksida dan  ion nitrat yang menjadi produk akhir dari oksidasi  senyawa organik akan  terakumulasi di daerah perairan yang  lebih dalam. Konsentrasi nitrogen di seluruh samudera  di  dunia memiliki  konsentrasi  yang  konstan mulai  dari  kedalaman  di  daerah pertengahan  hingga dasar perairan.

b.  Fosfor
Di perairan dangkal daerah  temperate, variasi musiman ditemukan pada  fosfat dan  konsentrasi  fosfor  organik  terlarut.  Pada musim  dingin,  sebagian  besar  fosfor berada dalam bentuk orthofosfat. Namun, hal  ini akan menurun dengan cepat pada bulan  maret  saat  fosfat  digunakan  oleh  fitoplankton.  

Zooplankton  dan  ikan  akan memakan  fitoplankton  dan  mengembalikan  fosfat  ke  dalam  perairan  melalui feses/buangan metabolisme  dalam  bentuk  fosfat  dan  fosfor  organik  terlarut.  Pada bulan  mei-Juni,  konsentrasi  fosfat  akan  menurun  di  daerah  eufotik  sehingga konsentrasi  fosfor  organik  terlarut  lebih  dominan.  Setelah  fitoplankton mengalami blooming,  regenerasi    fosfat  dari  fitoplankton,  detritus  dan  fosfor  organik  terlarut akan kembali meningkat dengan cepat.

c.  Silika
Silikon  terlarut  di daerah  perairan    pantai  umumnya  cukup  tinggi    karena  efek “run-off” dari daratan. Pada musim semi, ledakan populasi fitoplankton dengan cepat menyebabkan  menurunnya  konsentrasi  silikon.  Regenerasi  silikon  akan  dimulai kembali pada musim panas saat pertumbuhan fitoplankton menjadi lambat dan terus berlanjut  hingga  mencapai  puncaknya  pada  awal  musim  dingin.  Pada  beberapa daerah,  ledakan  populasi  fitoplankton  pada  musim  gugur  dapat  menyebabkan terhambatnya regenerasi silikon untuk sementara waktu. 

Konsentrasi silikon terlarut di permukaan  laut umumnya  rendah, kecuali di daerah yang mengalami up-welling. Pada  lapisan yang  lebih dalam, ditemukan peningkatan yang  tajam dari konsentrasi silikon. Pola distribusi  silikon berbeda dari  satu  samudera ke  samudera  lainnya dan ditentukan oleh pola sirkulasi air dan oleh suplai silikon terlarut dari Antartik dan dari diatom  terlarut  yang  jatuh  dari  permukaan.  Proses  absorbsi  oleh  organisme  juga berpengaruh terhadap pola distribusi silikon.

2.5 Manfaat mikro elemen di laut
a. Nitrogen
Nitrogen dalam air laut umumnya terlarut dalam bentuk nitrat (NO3), nitrit (NO2) dan Amoniak  (NH4).  Bentuk-bentuk  senyawa  dari  nitrogen  tersebut  diabsorbsi  oleh organisme  laut  untuk  memenuhi  kebutuhan  akan  nitrogen  sebagai  salah  satu komponen utama pembentukan asam amino yang menjadi cikal bakal terbentuknya protein.

b.  Fosfor
Senyawa Fosfor seperti ATP (adenosine tri-fosfat) dan ko-enzim nukleotida, memiliki peran  yang  penting  dalam  fotosintesis  dan  proses  lainnya  dalam  tumbuhan. Fitoplankton  umumnya  memenuhi  kebutuhan  fosfor  melalui  asimilasi  secara langsung dalam bentuk ortho-fosfat. Absorbsi dan konversi menjadi  senyawa  fosfor organik  terjadi  saat  kondisi  gelap.

c.  Silikon
Sebagian  besar  tumbuhan  dan  hewan  laut  yang memanfaatkan  silikon  terdiri  dari kelompok  diatom,  radiolaria,  pteropoda  dan  sponges.  Umumnya,  kelompok organisme tersebut memiliki struktur kerangka yang mengandung silika dalam jumlah tinggi.  Sisa-sisa  tubuh  yang  telah  mati  terutama  dari  kelompok  diatom  akan tenggelam  ke  dasar  perairan  membentuk  deposit  endapan  silikat  yang  spesifik.  Hingga saat ini belum diketahui secara pasti bagaimana silika terlarut diabsorbsi oleh diatom,  kemudian  diubah menjadi  hidrat  silikat  dan  digunakan  untuk membentuk cangkang dengan pola yang indah.