The Importance of Marine Bio-geochemical Modelling In Devising Indonesian Climate-adaptation Plan


The importance of marine bio-geochemical modelling in devising Indonesian climate-adaptation plan


Prima Anugerahanti & Shovonlal Roy

Department of Geography and Environmental Science

University of Reading

Russell Building, Whiteknights,

Reading, RG6 6DW

Indonesia is an archipelagic country; it consists of the sea and thousands of islands. The nation is surrounded by 81,000 km of coastline and 51,000 km2 of coral reefs [1]. A huge part of Indonesian population rely on the coastal area and marine ecosystem. In 2005, 8% of the working population were working within the marine fisheries sector [2] contributing US$ 5.2 billion to Indonesia’s gross domestic product [3]. Therefore health of the coastal and marine ecosystem is essential to their living [4]. However environmental and climatic changes are constant threat to these ecosystems. Global climate change, caused by the increase of carbon dioxide (CO2) amongst other greenhouse gases, is a major driver of ocean acidification [5] with potentially significant impact on marine resources. CO2 concentration has now exceeded the maximum values, 380ppm, for the past 740,000 years (Raven et al., 2005). There has been an increase (from 0.70C/100 years in 1905, to 1.50C/100 years since 1945) in sea surface temperature and sea surface height (from 1.6 mm/year in 1960, to 7 mm/year in 1993) in Indonesian waters [6]. Western-Indo Pacific region is susceptible to harmful algae that could cause paralytic shellfish poisoning [7, 8]. It has been reported that harmful bloom events in Indonesia are increasing in number [9] which may pose a serous public health and economic problem, especially for a country whose population depend on seafood for protein. Furthermore, fish catches in Indonesia have been predicted to suffer a decline by over 20% until 2055, and may experience the strongest decline in fish catches [10]. Coastal communities are therefore very vulnerable to the impacts of marine degradation, both due to climate change and human activities.

Although various means of addressing sensitivity and adaptive capacity of coastal communities to marine resource degradation are incorporated in the national policy framework, vulnerability in the coastal area remains high, low resilience, making the policy ineffective [11, 12]. For example according to Ferrol-Schulte et al. [12] Indonesia’s marine policy is lacking in consideration of the causes of vulnerability. It is also a common trend in ecosystem resource management to make fishing pressure is often the focus of conservation strategy, leaving out environmental effects [13]. Nevertheless, ecosystem stability results from climate influence [14] and interaction between different species [15]. As a part of preserving and protecting the marine environment, The Ministry of Marine Affairs and Fisheries has constructed a specific marine environment policy, to prevent, overcome, and recover the source of marine pollution and effect, potential marine disasters, and impacts from climate change. The purpose is to ensure that resources from the sea are readily available to use, enhance the quality of life, and establish a safer environment for all Indonesians, notably the coastal communities. Further, the possible impacts of global climate change is included, creating a national action plan for climate change adaptation, called RAN-API [16]. The objectives of RAN-API are to serve as a basis for mainstream climate change adaptation issues in the national development planning process, to act as a guide for short term, medium term, and long term action for sectoral and cross-sectoral plans for climate change adaptation, devising urgent short term priority actions so that it could get special attention, and to develop synchronised adaptation actions and efforts to build more effective communication and coordination systems for local government and sector [6]. This action plan is specifically developed for improving the systems resilience to the impacts of climate change, by various ministries, institutions, and using models by Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) in order to predict the change in rainfall, surface temperature, sea surface temperature, and sea surface height. Some of its plans includes food diversification, enhancing aquaculture, and rehabilitation of degraded ecosystem.

Undoubtedley, RAN-API has proposed a progressive national action plan for increasing adaptive capacity on coastal communities. However, the interventions that are planned in the document would be more effective in tackling livelihood vulnerabilities if the proposed action are aligned with the state-of-the-art scientific knowledge. For instance, one of the action plans from RAN-API is to expand aquaculture sector [6] in order to reduce the risk of biodiversity loss due to climate change and fishing pressure. This effort is usually carried out near the coastal area. Unfortunately, Indonesian waters are not free from HAB organisms. For example Dinophysis, which cause nausea and diarrhoea to humans who consumed seafood infested with the phytoplankton, are found off the coast of Jakarta [17, 18, 9] and Pyrodinium, causative species of paralytic shellfish poisoning (PSP) in Ambon bay [19]. These locations are popular with aquaculture and tourism. Wild fish may swim away from the location of the bloom, however, trapped fish in aquaculture will suffer catastrophic mortality. The increase of HAB phenomenon might be caused by low level sewage treatment [20], and the increase in precipitation therefore increased levels of land runoff [21] resulting in eutrophication manifested by HAB. Therefore in devising a national action plan, understanding the mechanisms and pathways of how ecosystem response is essential [13]. It is generally acknowledged that there are significant gaps in understanding the marine ecosystem structures and functions and their response to human pressure [22, 23]. In order to evaluate its structure and function, and predict the impacts from human activities [24, 25, 26, 27, 28] and climate change [29, 30] on marine ecosystems, ecological models have been used and recognised as an effective method. Similar models have been used to provide information about indicators of good environmental status, such as biodiversity and food webs, in European Union’s Marine Strategy Framework Directive [31]. At the University of Reading, we are working on better understanding of marine biogeochemical processes by developing ecosystem models. The base of almost all marine food webs are the phytoplankton in the surface ocean and are also the bases of marine biogeochemical model. By combining information about physical forcing, chemical cycling, phytoplankton physiology, and ecological structure it is possible to simulate the response of phytoplankton to climate variability and change [32, 33, 34]. The timing of blooms [35] and differences in phytoplankton community structures [36] has long been recognised as a possible explanation for variations in the ecosystem over time and space [37]. From this realisation, phytoplankton are partitioned into distinct groups with common biogeochemical function. Same taxonomic size may have phytoplankton with different functional types, and the same phytoplankton taxonomic class may have divergent biogeochemical functions. Therefore, we separate phytoplankton into different functional groups in order to observe their variety of responses to environmental changes. Phytoplankton have different needs for different nutrients, some of them, such as the harmful dinoflagellates Pyrodinium prefer high salinities (30 – 35 PSU) and high temperatures (250-280C) [21]. Using these information along with physical forcings, it is possible to predict the timing of their blooms.

Furthermore, phytoplankton also have a socio-economic impact from commercial fisheries. In some countries, it has been shown that commercial fish stocks have been affected by the long-term changes in plankton communities. In the North Sea, in-spite of strong fishing pressure, during 1970s cods increased in abundance [38]. After analysis on plankton data, it revealed that the event coincide with a change in the dominant species of zooplankton in the North Sea, where larger zooplankton replaced smaller species during the time of development of cod larvae, making food readily available for larvae [38]. In contrast, the decline in phytoplankton productivity, due to the restriction of nutrient upwelling during El-Nin˜o event, provided less food for fish [39] resulting in the decline of commercial fisheries, such as anchovies [40]. This also means that the change in plankton communities could lead into a whole shift in the marine community [41]. Thus, developing a marine biogeochemical model with different plankton size and function is essential.

Although utilising models has been carried out by RAN-API to develop its plan, it is also beneficial to utilise biogeochemical models to predict the effect of human activities and climate change to the marine ecosystem. We aim to develop biogeochemical models including phytoplankton types, from which the ecosystem dynamics will be investigated using computer simulations and also in conjunction with the satellite remote-sensing based observations on global ocean. This approach will be effective in better understanding the formation of algal blooms (harmful and non-harmful), and eventually their impact on marine resources such as fisheries. The outcome of this study will potentially contribute to the management and climate adaptation strategies already initiated by the Indonesian Government.


GMO (Genetically Modified Organism)

Perumusan Masalah

Terkait dengan program studi yang saya tekuni sekarang mengenai bioteknologi, maka pada tulisan ini saya akan membahas mengenai permasalahan yang terkait dengan bioteknologi. Sebelumnya saya akan menjelaskan terlebih dahulu mengenai bioteknologi. Bioteknologi adalah cabang ilmu yang mempelajari pemanfaatan makhluk hidup (bakteri, fungi, virus, dan lain-lain) maupun produk dari makhluk hidup dalam proses produksi untuk menghasilkan barang dan jasa. Bioteknologi merupakan alat yang digunakan untuk menghasilkan suatu produk yang berkualitas. Seiring dengan perkembangan ilmu pengetahuan, para ahli telah mulai mengembangkan bioteknologi dengan memanfaatkan prinsip-prinsip ilmiah melalui penelitian. Dalam bioteknologi modern peneliti berupaya dapat menghasilkan produk secara efektif dan efisien. Bioteknologi modern merupakan bioteknologi yang didasarkan pada manipulasi atau rekayasa DNA, selain memanfaatkan dasar mikrobiologi dan biokimia. Salah satu agen mikroorganisme yang dijadikan sebagai inang untuk mendapatkan suatu produk yaitu mikroba.

Indonesia merupakan salah satu kawasan geografis yang memiliki kekayaan hayati yang sangat beranekaragam, yang bila dikelola dengan baik akan memberikan keunggulan kompetitif sebagai pemasok bahan pangan, keperluan industri, dan penyangga lingkungan hidup di planet Bumi ini. Sejumlah tanaman, hewan, dan mikrob, bahkan merupakan organisme asli (indigenous) Indonesia yang seharusnya pantas mendapat perhatian karena lokasi biogeografisnya yang memberikan keunikan dan keuntungan kompetitif. Ironisnya, banyak produk pertanian, peternakan, perikanan, atau agroindustri lain tidak kompetitif, yang berakibat pada turunnya kualitas hidup petani Indonesia pada umumnya. Meskipun ada banyak faktor yang terlibat dalam keterpurukan pertanian ini, salah satu faktor penting yang perlu diperhatikan adalah strategi untuk meningkatkan produktivitas atau nilai tambah produk pertanian itu sendiri. Pilihan teknologi yang tepat, termasuk Bioteknologi Modern, akan sangat membantu usaha untuk meningkatkan produktivitas pertanian atau pemanfaatan sumber daya hayati sehingga diperoleh sifat-sifat unggul yang lebih kompetitif dari berbagai persepsi. Pengetahuan dan penelitian yang baik tentang Bioteknologi Modern akan memberikan kontribusi penting dalam inovasi atau peningkatan nilai tambah produk-produk pertanian dan industri berbasis biologi lainnya (Suwanto, 2006).

GMO (Genetic Modified Organism) atau biasa disebut dengan produk rekayasa genetika adalah organisme yang  telah mengalami perubahan pada DNA-nya dengan menggunakan suatu teknologi yang disebut dengan bioteknologi modern sehingga menghasilkan suatu organisme atau produk yang berbeda dengan produk alamiahnya sehingga memiliki beberapa kelebihan jika dibandingkan dengan produk alamiahnya. Pada saat ini penggunaan GMO’s atau Genetically Modified Organism telah meluas dikarenakan adanya beberapa kelebihan yang didapatkan pada produk ini. Beberapa produk pertanian yang merupakan GMO’s bisa tahan terhadap hama, tahan terhadap berbagai penyakit, penggunaan pestisida yang lebih sedikit, mempunyai penampilan yang menarik, mempunyai nutrisi yang lebih banyak jika dibandingkan dengan produk yang asli, dan lain sebagainya. Beberapa kelebihan dari GMO’s tersebut diklaim dapat mengatasi masalah populasi dan pangan yang dihadapi oleh dunia. Namun dibalik kelebihan tersebut terdapat kekurangan pada produk GMO’s yaitu salah satunya dapat menganggu keseimbangan lingkungan. Sehingga masih ada pro dan kontra dalam permasalahan mengenai GMO di Indonesia.


Transaksi gen itu sendiri mungkin sudah berlangsung sejak adanya sel (unit kehidupan) awal dan merupakan bagian dari evolusi biosfer planet bumi ini. Sebagai contoh, bumi kita yang kaya oksigen dan berlapis ozon ini adalah akibat revolusi biologi besar yang terjadi saat sianobakter (ganggang hijau biru) menemukan cara untuk menguraikan molekul air menjadi hidrogen dan oksigen sekitar 3 biliun tahun yang lalu. Mekanisme yang menjadi dasar utama pemanenan energi cahaya, yang dikenal sebagai Fotosintesis Oksigenik ini, merupakan hallmark kemampuan genetik sianobakter untuk melakukan mekanisme monumental yang secara drastis mengubah kondisi bumi yang tadinya tidak beroksigen (anaerobik) menjadi aerobik. Nenek moyang sel yang menjadi calon sel tanaman memanfaatkan kemampuan luar biasa dari proses fotosintesis melalui akuisisi bahan genetik sianobakter (Battacharya and Medlin, 1998). Akibatnya terbentuklah “organisme transgenik” yang kita kenal sebagai tanaman, yang merupakan salah satu produsen utama oksigen di bumi. Tanaman modern, dengan kloroplas dan mitokondrianya, merupakan contoh mahkluk transgenik hasil transaksi gen inter-Domain (Woese et al., 1990) yang mungkin telah berlangsung sejak adanya sel eukariot awal di planet bumi ini.

Transaksi gen merupakan kegiatan rutin yang berlangsung sinambung sepanjang sejarah evolusi kehidupan dan dapat memberikan dampak perubahan besar bahkan pada kondisi atmosfer bumi. Dengan demikian organisme hasil modifikasi genetik ((Genetically Modified Organisms = GMOs)) bukanlah hal yang baru. Lalu, apanya yang baru dan menjadi perhatian orang adalah cara melakukan modifikasi bahan genetiknya. Saat ini pengertian GMO atau organisme transgenik telah direduksi menjadi: Organisme hasil modifikasi bahan genetik melalui Teknologi DNA. Yang melalui persilangan, mutasi kimia, atau fisika tidak dikategorikan sebagai GMO (Suwanto, 2006).

Permasalahan mengenai produk GMO bisa mengganggu keseimbangan lingkungan bisa diatasi dengan cara mencampur antara produk yang non GMO dengan produk GMO pada saat ditanam dalam satu lahan. Sehingga hal tersebut dapat mencegah resistensi yang bisa ditimbulkan pada beberapa makhluk hidup dan keseimbangan lingkungan masih tetap terjaga.


Sebagian besar aspek bioteknologi untuk produk yang bernilai strategis bahkan tidak mudah ditransfer, baik itu karena alasan teknis, ketersediaan sumberdaya manusia, atau karena alasan ekonomis atau politis. Sayangnya, penelitian dasar yang strategis dan berkelanjutan (sustainable) di Indonesia masih sangat sedikit. Selain itu, keberhasilan komersialisasi produk bioteknologi modern juga sangat tergantung pada persepsi masyarakat, dan dukungan pemerintah (Suwanto, 2006). Oleh karena itu, pemerintah dan swasta perlu bersinergi dalam memberikan dukungan terhadap penelitian dasar yang strategis, serta implementasi kepastian hukum untuk produk Bioteknologi Modern. Melek sains (scientific literacy), khususnya tentang Bioteknologi Modern, perlu dipaparkan sejak dini secara obyektif sehingga masyarakat dapat menentukan pilihannya dari paparan informasi yang memadai. Selain itu, perlu adanya kegiatan seperti penyuluhan yang dilakukan oleh beberapa instansi khususnya dari pemerintah mengenai produk GMO kepada masyarakat.
Untuk kepastian hukum dan dukungan pemerintah terhadap produk Bioteknologi Modern, khususnya produk transgenik, perlu dibuat peraturan berdasarkan data ilmiah yang memadai, atau pertimbangan rasional yang secara ilmiah dapat dipertanggungjawabkan, sehingga peraturan tersebut tidak hanya melindungi konsumen dari bahaya nyata, tetapi juga memungkinkan konsumen untuk memanfaatkan produk transgenik dan teknologi yang mendasarinya secara maksimal.


Mahasiswa Pasca Sarjana Institut Pertanian Bogor