HARI LAUTAN SEDUNIA: Teknologi Nuklear Isotop Stabil Menjelaskan Proses Ekologi Lautan

Oleh Dr. Maizah Mohd Abdullah
Fakulti Sains dan Sekitaran Marin, Universiti Malaysia Terengganu

Manfaat Teknologi Nuklear: Apa Itu Isotop Stabil 

Dalam sains nuklear, isotop stabil merujuk kepada satu bentuk elemen yang tidak terurai kepada bentuk lain melalui pereputan radioaktif. Isotop stabil merupakan elemen atom yang mempunyai bilangan proton yang sama, tetapi mempunyai bilangan neutron yang berbeza. Menurut Agensi Tenaga Atom Antarabangsa (IAEA), 80 daripada 82 unsur pertama dalam jadual berkala mempunyai isotop yang stabil (Rajah 1).

Isotop stabil sangat penting dalam bidang sains, perubatan, kajian alam sekitar, dan industri. Teknologi ini membolehkan saintis untuk mencari dan mengikuti unsur dan molekul dalam proses kimia, fizikal dan biologi. Isotop stabil boleh digunakan sebagai pengesan untuk mengkaji laluan metabolik, kitaran nutrien, dan proses geologi. Ia juga membantu mengetahui sama ada perkara seperti makanan, dadah dan artifak sejarah adalah benar dan dari mana asalnya.

Sebagai contoh, satu unsur kimia seperti karbon mengandungi elemen δ¹²C sebagai elemen kimia yang dominan (majoriti). Walaubagaimanapun, elemen isotop stabil juga wujud Bersama elemen karbon ini, yang mana δ¹³C mempunyai lebihan 1 neutron berbanding elemen δ¹²C dan membawa maklumat kimia yang hampir sepenuhnya sama secara semulajadi, kerana lebihan neutron tidak mengubah sfera reaktif elektron di sekitar persekitaran nukleus. Lebihan neutron yang wujud pada δ¹³C juga membolehkan elemen ini menyimpan maklumat proses kimia, kerana ia disimpan lebih lama berbanding δ¹²C, disebabkan sifatnya yang lebih berat. Justeru, prinsip inilah yang digunakan sebagai aplikasi ekologi dalam kajian isotop stabil.

Adakah Isotop Stabil Bersifat Radioaktif?

Kita sering mendengar tentang risiko radioaktif dari teknologi nuklear seperti loji yang menempatkan reaktor nuklear seperti loji jana kuasa nuklear Fukushima. Justeru, jika ditanya soalan adakah isotop stabil bersifat radioaktif maka jawapannya adalah tidak.Tidak seperti isotop radioaktif, isotop stabil tidak mengalami pereputan radioaktif secara spontan, bermakna ia tidak memancarkan sinaran atau mengalami perubahan dalam nukleus atomnya dari semasa ke semasa.

Ringkasnya, isotop stabil mempunyai bilangan proton dan neutron yang seimbang dalam nukleusnya, yang membolehkan mereka kekal stabil dan tidak mereput. Mereka boleh ditemui di alam semula jadi dan biasanya digunakan dalam penyelidikan saintifik, aplikasi perubatan, dan pelbagai proses perindustrian.

Perkembangan Sains Isotop Stabil di Dunia

 Bukti pertama bagi pelbagai isotop unsur stabil (bukan radioaktif) ditemui oleh J. J. Thomson pada tahun 1912 sebagai sebahagian daripada penerokaannya ke dalam komposisi sinaran terusan (ion positif). Manakala Francis William Aston kemudiannya menemui pelbagai isotop stabil untuk pelbagai unsur menggunakan spektrograf jisim. Pada tahun 1922, saintis British Frederick Soddy dan Francis William Aston telah dianugerahkan pingat Hadiah Nobel dalam bidang kimia untuk penemuan baru mereka berkaitan isotop.

Manakala bagi saintis era moden, nama Brian Fry bukanlah asing dalam kajian aplikasi isotop stabil dalam kajian ekologi. Beliau berada di tengah-tengah penyelidikan ini dan kerjanya telah mempengaruhi bidang ekologi isotop stabil sejak akhir 1970-an. Pelbagai gelaran telah diberikan kepada beliau termasuklah Isotope Prince of Ecology. Brian Fry ialah seorang Profesor di Institut Ekologi Pantai dan Jabatan Oseanografi dan Kajian Pantai di Louisiana State University di Baton Rouge, Louisiana yang kemudiannya berhijrah dan menghabiskan kerjaya akademik sebagai Prefessor Emeritus di Griffith University, Australia.

Ibu dan bapanya, Arthur Fry saintis dari University of Arkansas, yang merupakan salah seorang saintis isotop asal yang muncul di jabatan kimia selepas Perang Dunia II yang menggunakan isotop dalam kerjaya penyelidikan mereka. Jadi Brian Fry adalah saintis isotop generasi kedua bagi keluarga ini.

Bagaimana Isotop Stabil Membantu Saintis Memahami Proses Ekologi Lautan?

“You are what you eat”

Analisis isotop stabil adalah berdasarkan prinsip ‘anda adalah apa yang anda makan.’ Nisbah isotop stabil berbeza-beza antara siratan makanan dan digabungkan ke dalam tisu haiwan melalui dietnya (Hobson 1999). Ini membolehkan saintis untuk membuat kesimpulan tentang sumber makanan haiwan, keberadaan haiwan yang bergerak di antara siratan makanan, mendedahkan laluan migrasi, tahap trofik dan asal geografi haiwan migrasi. Antara elemen isotop stabil yang biasa digunakan adalah bagi kajian dinamik aras trofik adalah Karbon (δ¹³C), Nitrogen (δ¹⁵N), Sulfur (δ³⁴S),

Antara kelebihan lain aplikasi isotop stabil dalam kajian ekologi marin adalah kerana hanya sedikit jumlah sampel diperlukan untuk analisis dalam EA-IRMS. Justeru, ia amat sesuai digunakan untuk memahami diet haiwan marin terancam seperti ikan yu, ikan lumba-lumba atau reptilia marin seperti penyu. Ini membolehkan kajian dijalankan tanpa membunuh haiwan sebagaimana kaedah konvensional sepertimana analisa kandungan perut yang biasa digunakan.

Apakah Peralatan Yang Digunakan Untuk Mengesan Kandungan Isotop Stabil?

 Nisbah isotop stabil diukur menggunakan spektrometri jisim (Isotope Ratio Mass Spectrometer – IRMS), yang memisahkan isotop yang berbeza bagi sesuatu unsur berdasarkan nisbah jisim kepada casnya. Nisbah isotop dari spektrometri jisim memanfaatkan spektrometri jisim sektor magnetik untuk membolehkan pengukuran ketepatan tinggi kandungan isotop stabil sampel. Pengukuran biasa menyasarkan analisis karbon (δ¹³C), nitrogen (δ¹⁵N) dan oksigen (δ¹⁸O) dan sulfur (δ³⁴S) dan hydrogen (δ²H).

Siratan Makanan di Lautan

Isotop stabil δ¹³C dan δ¹⁵N biasanya digunakan dalam kajian ekologi, termasuk yang tertumpu pada siratan makanan laut. Kedua-dua isotop ini memberikan maklumat berharga tentang aliran tenaga dan hubungan trofik dalam ekosistem. Apabila organisma mengambil makanan, mereka menggabungkan isotop karbon (δ¹³C) dan nitrogen (δ¹⁵N) daripada diet mereka ke dalam tisu mereka. Nisbah isotop ini boleh berbeza-beza bergantung pada sumber makanan mereka dan kedudukannya dalam siratan makanan.

Dalam ekosistem marin, isotop karbon (δ¹³C) boleh membantu mengenal pasti pengeluar utama yang berbeza di dasar siratan makanan. Sumber karbon yang berbeza, seperti fitoplankton, rumput laut atau makroalga, mempunyai identiti unik (signature) isotop yang berbeza. Dengan menganalisis isotop karbon dalam tisu organisma pada tahap trofik yang berbeza, penyelidik boleh menentukan sumbangan sumber karbon yang berbeza kepada keseluruhan siratan makanan.

Begitu juga, isotop nitrogen (δ¹⁵N) boleh memberikan pandangan tentang interaksi trofik. Isotop nitrogen meningkat dalam nilai apabila ia bergerak ke atas rantai makanan disebabkan oleh fenomena yang dipanggil “pengayaan trofik.” Organisma pada tahap trofik yang lebih tinggi biasanya mempunyai nilai isotop nitrogen yang lebih tinggi berbanding dengan yang berada pada tahap trofik yang lebih rendah. Dengan mengukur nisbah isotop nitrogen dalam tisu organisma, saintis boleh menentukan kedudukan trofik mereka dan membuat kesimpulan aliran tenaga dalam siratan makanan (Rajah 4).

Dengan menggabungkan maklumat daripada isotop karbon dan nitrogen, penyelidik boleh membina model terperinci siratan makanan marin, mengenal pasti spesies utama atau kumpulan berfungsi, menyiasat kesan perubahan alam sekitar, dan memahami dinamik pemindahan tenaga dan kitaran nutrien dalam ekosistem.

Senarai rujukan:

[1]Abdullah, M. M., Lua, W. Y., Mostapa, R., Bashir, Z., Naimullah, M., Hajisamae, S., & Hisam, F. (2022). Effects of Urea Removal on the Stable Isotopes δ¹³C and δ¹⁵N in Rays from the Coastal Waters of Peninsular Malaysia. Jurnal Ilmiah Perikanan dan Kelautan, 14(2).

[2]Abdullah, M. M., Lua, W. Y., Tabaroni, F. I., Bashir, Z., Ali, A., & Bachok, Z. (2023). Stable Isotopes (δ¹³C And δ¹⁵N) Analysis Indicate Resource Partitioning By Elasmobranchs From The Tropical Coastal Waters Of Kuala Pahang, Malaysia. Journal of Sustainability Science and Management, 18(2), 126-136.

[3]Bashir, Z., Abdullah, M. M., & Rusli, M. U. (2020). Comparisons between tissues, preservation, and desiccation methods on stable isotopes δ ¹³C and δ ¹⁵N of spot-tail sharks (Carcharhinus sorrah) from the South China Sea. Turkish Journal of Fisheries and Aquatic Sciences, 20(9), 711-716.

[4]Fry, B. (2006). Stable isotope ecology (Vol. 521, p. 318). New York: Springer.

[5]Hobson, K. A. Tracing origins and migration of wildlife using stable isotopes: A review. Oecologia 120, 314-326 (1999).

[6]Rubenstein, D. R. & Hobson, K. A. From birds to butterflies: Animal movement patterns and stable isotopes. Trends in Ecology & Evolution 19, 256-263 (2004)

[7]https://isotopequeen.blogspot.com/2020/12/brian-fry-isotope-prince-of-ecology.html

[8]https://isotopequeen.blogspot.com/2020/12/brian-fry-isotope-prince-of-ecology.html

[9]https://www.iaea.org/topics/nuclear-science/isotopes/stable-isotopes

Nota: Penulis merupakan pensyarah Program Sarjana Muda Sains (Biologi Marin) di Fakulti Sains dan Sekitaran Marin (FSSM), serta merupakan Penyelidik Bersekutu di Institut Oseanografi dan Sekitaran (INOS), Universiti Malaysia Terengganu. Penulis aktif menjalankan kajian dalam bidang proses ekologi marin khususnya berkaitan hubungan trofik dan jaringan makanan bagi organisma dalam ekosistem marin.

Penulis boleh dihubungi melalui maizah@umt.edu.my   

#LiterasiLautanUntukSemua

*Artikel ini diterbitkan atas inisiatif dan tajaan ‘OceanHOPE Project’ dari Universiti Malaysia Terengganu bagi meningkatkan aras literasi lautan kepada orang ramai bersempena sambutan Hari Lautan Sedunia yang diraikan pada 8 Jun setiap tahun. Sila layari https://oceanhope.umt.edu.my/ untuk maklumat lanjut.