Perbandingan fitoremediasi pestisida oleh spesies rumput yang berbeda

Abstrak
Rumput laut menunjukkan potensi yang signifikan untuk fitoremediasi residu pestisida. Akan tetapi, pemahaman tentang kemampuan fitoremediasinya masih terbatas. Penelitian ini bertujuan untuk menyelidiki faktor-faktor yang memengaruhi perilaku fitoremediasi, termasuk jenis pestisida, konsentrasi, durasi paparan, dan spesies tanaman. Tiga spesies rumput laut musim dingin yang umum— Lolium multiflorum Lam. (rumput laut tahunan), Lolium perenne L. (rumput laut abadi), dan Festuca arundinacea Schreb. (rumput laut tinggi)—dimanfaatkan untuk menilai efektivitasnya dalam menghilangkan tiga residu pestisida (paclobutrazol, imidacloprid, dan imazethapyr) dari lingkungan yang terkontaminasi. Hasilnya menunjukkan bahwa kemampuan fitoremediasi rumput laut bersifat khusus spesies, dengan preferensi yang menonjol untuk pestisida residu tertentu. Rumput laut tahunan menunjukkan tingkat penghilangan residu pestisida yang lebih tinggi daripada rumput laut abadi, yang berkorelasi dengan peningkatan laju transpirasinya. Secara khusus, rumput gandum tahunan menunjukkan efisiensi yang lebih unggul dalam pemulihan sisa paclobutrazol dibandingkan dengan imidakloprid dan imazethapyr. Analisis korelasi selanjutnya mengidentifikasi faktor translokasi sebagai penentu penting perbedaan dalam tingkat penghilangan. Temuan ini menawarkan wawasan berharga untuk mengoptimalkan penerapan rumput dalam pemulihan lingkungan yang terkontaminasi pestisida.

Singkatan
Analisis Varians
analisis varians
Cp
konsentrasi pestisida rata-rata pada jaringan tanaman
Bahasa Indonesia: DW
berat kering
FW
berat segar
GCB
karbon hitam grafit
RCF
faktor konsentrasi akar
ULANG
efisiensi penghapusan
SCF
faktor konsentrasi tembakan
TF
faktor translokasi
1. PENDAHULUAN
Residu pestisida dapat berkontribusi signifikan terhadap pencemaran lingkungan melalui persistensi yang lama yang dapat berdampak buruk pada pertumbuhan dan mengurangi hasil panen berikutnya (Kalantary et al., 2022 ; Ramborger et al., 2021 ; Wu et al., 2013 ; ZY Zhang et al., 2011 ). Misalnya, imazethapyr menunjukkan stabilitas yang nyata di dalam tanah, mencegah pertumbuhan gandum dan oat secara teratur selama 18 bulan, dan pertumbuhan bit gula, kubis, dan rami secara teratur hingga 24 bulan pasca-aplikasi (Buchling et al., 2022 ; Huang et al., 2001 ). ( 2016 ) melaporkan pengurangan signifikan pada tinggi tanaman, kandungan klorofil, dan aktivitas enzimatik (malondialdehid, superoksida dismutase, katalase, dan peroksidase) pada tanaman gandum berikutnya setelah aplikasi imazethapyr pada dosis yang direkomendasikan (0,1 kg/ha). Demikian pula, Jiang et al. ( 2019 ) menemukan bahwa aplikasi paclobutrazol sangat menghambat pertumbuhan tanaman kentang berikutnya, dengan paclobutrazol terdeteksi pada 1,23 mg/kg berat segar (FW). Imidakloprid sering terdeteksi di tanah rumah kaca tomat dan mentimun, dengan konsentrasi masing-masing 0,23 mg/kg dan 0,13 mg/kg (Fu et al., 2020 ). Selain itu, residu pestisida dapat mengganggu struktur komunitas mikroba tanah dan mengubah siklus nutrisi (Sim et al., 2022 ; Y. Zhang et al., 2022 ). ( 2019 ) menunjukkan bahwa residu imazethapyr berdampak negatif pada akumulasi dan aktivitas karbon mikroba, sementara Pertile et al. ( 2020 ) mengamati penurunan signifikan kandungan karbon mikroba tanah setelah aplikasi imidakloprid. Lebih jauh, imidakloprid tidak hanya menghambat aktivitas mikroba tanah (Fu et al., 2020 ) tetapi juga berdampak buruk pada pertumbuhan dan reproduksi cacing tanah (Liang et al., 2023 ). Oleh karena itu, pembuangan residu pestisida dari lingkungan sangatlah penting.

Fitoremediasi menawarkan beberapa keuntungan dibandingkan metode remediasi lainnya, termasuk sifat ramah lingkungan, daya tarik estetika, efisiensi, efektivitas biaya, dan kesesuaian untuk aplikasi skala besar (Henderson et al., 2006 ). Teknik ini telah digunakan secara luas untuk menghilangkan berbagai kontaminan, seperti logam berat, polutan organik persisten, dan antibiotik (Murphy & Coats, 2011 ; Nasir et al., 2023 ; Padmavathiamma & Li, 2009 ; Panja et al., 2020 ). Di antara berbagai spesies tanaman yang digunakan dalam fitoremediasi, rumput telah menunjukkan potensi yang signifikan (Jia et al., 2023 ). Terutama termasuk dalam famili Gramineae, rumput memiliki sistem akar yang padat dan mendukung beragam organisme mikroba rizosfer. Selain itu, mereka memainkan peran penting dalam melindungi tanah dari erosi oleh air, angin, dan limpasan permukaan. Karena variabilitas genetiknya yang luas, rumput menunjukkan kemampuan beradaptasi yang luar biasa terhadap berbagai kondisi lingkungan yang merugikan, termasuk salinitas, alkalinitas, panas, dan dingin (Lafrance et al., 2013 ; Li, Qiu et al., 2020 ; Li, Chen et al., 2020 ). Rumput juga memiliki keunggulan unik dalam menghilangkan logam berat dari tanah. Logam berat yang terakumulasi dalam tanaman dapat dihilangkan secara efektif melalui pemotongan, sehingga meminimalkan risiko polusi sekunder (Majewska & Slomka, 2016 ; Otunola et al., 2022 ). Studi terbaru telah menyoroti potensi rumput dalam mengurangi residu pestisida melalui fitoremediasi (Jia et al., 2023 ; Li, Qiu et al., 2020 ). Namun, mekanisme yang mendasari dan faktor-faktor spesifik yang memengaruhi efisiensi remediasinya masih kurang dipahami. Variasi spesies tanaman, sifat fisikokimia pestisida, dan kondisi lingkungan dapat memengaruhi penyerapan, translokasi, dan degradasi kontaminan secara signifikan. Pemahaman yang komprehensif tentang faktor-faktor ini sangat penting untuk mengoptimalkan penerapan rumput laut dalam skenario dunia nyata. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengidentifikasi faktor-faktor utama yang memengaruhi kemampuan fitoremediasi rumput laut sehubungan dengan residu pestisida. Tujuan kami adalah untuk memberikan landasan teoritis untuk penerapan fitoremediasi menggunakan rumput laut untuk mengurangi residu pestisida di lingkungan.

2 BAHAN DAN METODE
2.1 Kondisi budidaya tanaman
Benih Lolium multiflorum (Axcellall), Lolium perenne (RevengeGLX), dan Festuca arundinacea (Bright) diperoleh dari Beijing Bright Turf Co., Ltd. Untuk mensterilkan benih, benih direndam dalam larutan natrium hipoklorit 10% selama 15 menit, diikuti dengan pembilasan benih dengan air suling empat hingga lima kali. Benih yang sudah dibersihkan disemai dalam pot yang diisi dengan vermikulit dan disiram dengan larutan nutrisi Hoagland, yang terdiri dari 5 mM Ca(NO3 ) 2 · 4H2O , 5 mM KNO3 , 0,2 µM FeSO4 · 7H20 , 2 mM MgSO4·7H2O, 1 mM KH2PO4 , 0,2 µM EDTA – Na2 , 0,01 µM MnCl2 · 4H2O , 0,08 µM ZnSO4 · 7H2O , 0,045 mM H3BO3, 0,4 µM Na2MOO4 ·2H2O , 0,3 µM CuSO4 · 5H2O . Tanaman dibudidayakan dalam kondisi pertumbuhan ruang dalam kondisi konstan (16 jam terang/8 jam gelap, LED, 800 µmol −2 s −1 ) pada suhu 25°C–27°C. Setelah mencapai tahap dua hingga tiga daun, tanaman dipindahkan ke kotak plastik berisi 900 mL larutan nutrisi dan ditanam selama 14 hari. Setiap kotak memiliki enam lubang pada lembaran berlubang, dengan dua bibit dipasang di setiap lubang. Larutan nutrisi diganti setiap 2 hari.

2.2 Metode Eksperimen
2.2.1 Efisiensi fitoremediasi rumput gandum tahunan pada tiga pestisida
Untuk mengeksplorasi efisiensi fitoremediasi rumput laut pada berbagai pestisida, tiga pestisida (paclobutrazol, imazethapyr, dan imidacloprid) dipilih untuk ditambahkan secara terpisah ke dalam larutan nutrisi, dan L. multiflorum (rumput gandum tahunan) digunakan sebagai bahan tanaman. Paclobutrazol tingkat teknis (kemurnian 97%), imazethapyr (kemurnian 98%), dan imidacloprid (kemurnian 98%) semuanya diperoleh dari Binnong Technology Co., Ltd. dan awalnya dilarutkan dalam asetonitril untuk mencapai konsentrasi 900 mg/L. Selanjutnya, 1 mL larutan pestisida dicampur secara menyeluruh dengan 899 mL larutan nutrisi untuk mencapai konsentrasi akhir 1 mg/L. Tiga replikasi dibuat untuk setiap kelompok perlakuan, di samping kelompok kontrol, yang tidak memiliki tanaman tetapi identik dengan kelompok perlakuan. Larutan nutrisi diambil sampelnya pada hari ke-0, 0,5, 1, 2, 4, 7, dan 10 setelah pemaparan, dan sampel disimpan pada suhu −20°C.

2.2.2 Durasi dan efisiensi fitoremediasi untuk paclobutrazol
Cakupan tanaman diperluas untuk menilai tiga spesies rumput— L. multiflorum , L. perenne , dan F. arundinacea —untuk efek remediasi temporalnya pada paclobutrazol. Paclobutrazol ditambahkan ke dalam larutan nutrisi pada konsentrasi 1 mg/L, dengan tiga kali ulangan untuk setiap perlakuan. Kelompok kontrol identik dengan kelompok perlakuan tetapi tanpa tanaman. Larutan nutrisi, akar, dan pucuk diambil sampelnya pada hari ke-0, 0,5, 1, 2, 4, 7, dan 10. Sampel tanaman dibilas empat hingga lima kali dengan air suling untuk menghilangkan pestisida dari permukaan dan kemudian disimpan pada suhu −20°C (Davamani et al., 2021 ; Kale et al., 2015 ).

2.2.3 Efisiensi fitoremediasi pada berbagai konsentrasi paclobutrazol
Rumput-rumputan diberi paparan konsentrasi paclobutrazol yang berkisar antara 0,2–2 mg/L untuk menilai konsistensi efisiensi fitoremediasi antara spesies di seluruh gradien konsentrasi. Paclobutrazol ditambahkan ke larutan nutrisi pada konsentrasi 0,2, 0,6, 1, 1,5, dan 2 mg/L, dengan tiga kali ulangan untuk setiap perlakuan. Kelompok kontrol juga disertakan, yang terdiri dari larutan nutrisi dengan pestisida tetapi tanpa tanaman. Larutan nutrisi, akar, dan pucuk diambil sampelnya pada hari ke-10. Sampel tanaman dibilas empat hingga lima kali dengan air suling untuk menghilangkan residu pestisida di permukaan dan disimpan pada suhu -20°C.

2.2.4 Metode analisis residu imidakloprid, imazethapyr, dan paclobutrazol dalam matriks yang berbeda
Metode ekstraksi imidakloprid, imazethapyr, dan paclobutrazol dalam larutan nutrisi: 15 mL larutan nutrisi ditambahkan ke dalam tabung sentrifus 50 mL yang berisi 15 mL asetonitril. Kemudian tabung dikocok selama 5 menit pada pengocok putar pada kecepatan 2500 rpm. Pada langkah berikutnya, 6 g NaCl ditambahkan ke dalam tabung untuk pemisahan fase. Setelah dikocok selama 10 menit tambahan, supernatan disaring melalui membran 0,22-µm untuk analisis.

Metode ekstraksi imidakloprid, imazethapyr, dan paclobutrazol dalam sampel tanaman: Sampel dikeringkan beku pada suhu -50°C selama 24 jam dan digiling menjadi bubuk halus menggunakan penggiling kriogenik. Sekitar 100 mg dari setiap sampel yang diproses kemudian dipindahkan ke tabung polipropilena 10 mL yang berisi 5 mL asetonitril dingin untuk ekstraksi lipid. Kemudian tabung dikocok selama 5 menit pada pengocok putar pada kecepatan 2500 rpm. Untuk pemisahan fase, tabung disentrifugasi pada kecepatan 4000 rpm selama 5 menit. Untuk sampel akar, supernatan dipindahkan ke tabung baru dengan 50 mg C18 dan 10 mg karbon hitam grafit (GCB). Untuk sampel pucuk, supernatan dipindahkan ke tabung baru dengan 50 mg C18, 50 mg amina sekunder primer, dan 10 mg GCB. Setelah pengocokan kuat selama 2 menit, supernatan disaring melalui filter jarum suntik nilon 0,2-µm untuk dianalisis.

Kromatografi cair kinerja ultra tinggi-spektrometri massa tandem digunakan untuk mengukur kandungan pestisida dalam berbagai spesies rumput dan larutan nutrisi. Analisis kuantitatif ekstrak dilakukan menggunakan kromatografi cair kinerja ultra tinggi (Agilent 1290 Infinity II) yang digabungkan dengan spektrometri massa kuadrupol rangkap tiga (Agilent 6470), menggunakan kolom Waters Acquity Ultra High Performance Liquid Chromatography Bridged Ethyl Hybrid (UHPLC BEH) C18. Kondisi pemisahan kromatografi adalah sebagai berikut—gradien terdiri dari 0,2% asam format dalam air (A) dan asetonitril (B) pada laju alir 0,3 mL/menit, oven kolom diatur ke 40°C, dan volume injeksi adalah 5 µL. Spektrometer massa dioperasikan dengan ionisasi elektrospray dalam mode positif dan pemantauan reaksi berganda. Kondisi spektrometri massa untuk imidakloprid, asam imidakloprid, dan paclobutrazol dirinci dalam Tabel 1 .

* Menunjukkan ion kuantitatif.
2.3 Analisis data
Kinetika degradasi pestisida dalam larutan nutrisi dievaluasi menggunakan model degradasi orde pertama.

di mana C 0 adalah konsentrasi awal pestisida (mg/kg), C t adalah konsentrasi pestisida pada t (hari), k adalah konstanta laju degradasi (hari −1 ), dan t 1/2 adalah waktu paruh degradasi pestisida.
Berdasarkan konsentrasi residu pestisida dalam sampel larutan nutrisi dan tanaman, efisiensi penghilangan (RE), faktor konsentrasi pucuk (SCF), faktor konsentrasi akar (RCF), faktor translokasi (TF), dan konsentrasi pestisida rata-rata pada jaringan tanaman (Cp) dihitung (Namiki et al., 2018 ; Wang, Gao et al., 2021 ; Wang, Li et al., 2021 ). Terakhir, analisis korelasi dilakukan untuk mengidentifikasi faktor-faktor utama yang meningkatkan kinerja fitoremediasi.

Analisis korelasi dilakukan menggunakan Origin Pro 2021 (OriginLab Corporation). Analisis statistik dilakukan dengan perangkat lunak SPSS 20.0. Analisis varians (ANOVA) termasuk ANOVA satu arah dan dua arah, digunakan untuk menentukan persentase kontribusi variabel dependen dan independen. Signifikansi statistik didefinisikan sebagai nilai- p kurang dari 0,05, dan uji Tukey rentang ganda (perbedaan yang benar-benar signifikan) diterapkan untuk mengidentifikasi perbedaan yang signifikan di antara kelompok yang berbeda.

3 HASIL
3.1 Pemulihan tiga pestisida dalam berbagai matriks
Pemulihan dari tiga pestisida pada berbagai matriks diukur pada dua tingkat paparan, masing-masing dengan lima replikasi independen. Pemulihan berkisar antara 92,9% hingga 106,5%, dengan deviasi standar antara 1,1% dan 8,2% (Tabel 2 ). Hasil ini dianggap dapat diterima untuk analisis selanjutnya.

Singkatan: RSD, deviasi standar relatif.

3.2 Efisiensi fitoremediasi rumput gandum tahunan pada berbagai pestisida
L. multiflorum menunjukkan kemampuan yang signifikan untuk mengurangi kandungan imidakloprid, paclobutrazol, dan imazethapyr dalam larutan nutrisi. Setelah periode fitoremediasi 10 hari, kandungan imidakloprid, paclobutrazol, dan imazethapyr diukur masing-masing sebesar 0,71 ± 0,051, 0,41 ± 0,032, dan 0,71 ± 0,062 mg/kg. Pada kelompok kontrol, konsentrasi pestisida setelah 10 hari tercatat sebesar 0,88 ± 0,015, 0,87 ± 0,012, dan 0,91 ± 0,009 mg/kg (Gambar 1 ). Khususnya, L. multiflorum menunjukkan efisiensi tertinggi dalam fitoremediasi residu paclobutrazol. Namun, efektivitasnya dalam menghilangkan residu imazethapyr terbatas.

3.3 Durasi dan efisiensi fitoremediasi untuk paclobutrazol
Studi ini mengevaluasi L. multiflorum , F. arundinacea , dan L. perenne dengan memaparkannya pada larutan nutrisi yang mengandung 1 mg/kg paclobutrazol. Kandungan paclobutrazol dalam larutan nutrisi, pucuk, dan akar dideteksi pada titik waktu yang berbeda untuk menyelidiki hubungan antara durasi fitoremediasi dan efektivitas (Gambar 2 ). Hasilnya menunjukkan penurunan kandungan paclobutrazol dalam larutan nutrisi yang bergantung pada waktu, yang sesuai dengan model degradasi orde pertama. Setelah fitoremediasi dengan L. multiflorum , waktu paruh paclobutrazol dalam larutan nutrisi adalah 6,29 hari (Tabel 3 ). Kandungan paclobutrazol dalam pucuk L. multiflorum dan F. arundinacea meningkat seiring waktu, sementara L. perenne mencapai kandungan maksimum 3,64 ± 0,48 mg/kg FW pada 6 hari. Kandungan paclobutrazol dalam akar L. multiflorum mencapai puncaknya pada hari ke-0,5 sebelum menurun secara bertahap menjadi 0,89 ± 0,058 mg/kg berat kering. Sebaliknya, akar L. perenne menunjukkan peningkatan secara bertahap, mencapai kandungan maksimum 1,566 ± 0,156 mg/kg berat kering pada hari ke-10.

Singkatan: K , konstanta laju degradasi; T 1/2 , waktu paruh paclobutrazol dalam larutan nutrisi; R 2 , koefisien korelasi.

3.4 Efisiensi fitoremediasi pada berbagai konsentrasi paclobutrzol
Dalam penelitian ini, L. multiflorum , F. arundinacea , dan L. perenne dipaparkan pada larutan nutrisi dengan berbagai konsentrasi paclobutrazol. Kandungan paclobutrazol dalam larutan nutrisi, pucuk, dan akar dikuantifikasi untuk mengkaji pengaruh kandungan pestisida pada efisiensi fitoremediasi (Gambar 3 ). Setelah fitoremediasi, diamati penurunan signifikan kandungan paclobutrazol dalam larutan nutrisi, dengan penurunan paling substansial disebabkan oleh L. multiflorum , diikuti oleh F. arundinacea , dan L. perenne . Khususnya, kandungan paclobutrazol dalam larutan nutrisi berbeda secara signifikan di antara ketiga spesies rumput laut. Pada konsentrasi paparan 2 mg/kg, kandungan paclobutrazol dalam larutan nutrisi untuk L. multiflorum (0,62 ± 0,027 mg/kg) kira-kira setengah dari L. perenne (1,35 ± 0,027 mg/kg). Kandungan paclobutrazol pada pucuk meningkat seiring dengan kandungan paparan ( p < 0,05), meskipun tidak ada perbedaan signifikan yang diamati di antara ketiga spesies rumput. Demikian pula, kandungan paclobutrazol pada akar juga meningkat seiring dengan kandungan paparan ( p < 0,05), dengan L. perenne menunjukkan kadar yang jauh lebih tinggi daripada L. multiflorum dan F. arundinacea . Pada konsentrasi paparan 2 mg/kg, kandungan paclobutrazol pada akar L. multiflorum (1,02 ± 0,067 mg/kg) dan F. arundinacea (1,25 ± 0,060 mg/kg) kira-kira setengah dari L. perenne (2,26 ± 0,12 mg/kg).

3.5 Hubungan antara efek fitoremediasi dan parameter yang berhubungan dengan penyerapan dan translokasi
Bagan radar digunakan untuk menggambarkan perbedaan dalam parameter serapan dan translasi di antara ketiga spesies rumput laut. Studi ini mengungkapkan urutan RE, SCF, dan TF yang konsisten, dengan L. multiflorum menunjukkan nilai tertinggi, diikuti oleh F. arundinacea dan L. perenne (Gambar 4 ). Ini menunjukkan bahwa L. multiflorum memiliki kemampuan unggul untuk mengangkut paclobutrazol dari akar ke pucuk. Konsentrasi pestisida rata-rata jaringan tanaman (Cp) meningkat dengan tingkat paparan, tanpa perbedaan signifikan dalam Cp yang diamati di antara ketiga spesies rumput laut. Lolium perenne menunjukkan RCF yang sangat tinggi. Analisis korelasi parameter serapan dan translasi pestisida menunjukkan bahwa RCF dan SCF berkorelasi negatif dengan konsentrasi paparan (Gambar 5 ). Sementara RE tidak menunjukkan korelasi dengan konsentrasi paparan, ia menunjukkan korelasi positif yang signifikan dengan SCF dan TF.