Nährstoffquellen Ermitteln – Nitrate im Wasser

Nitrat ist ein natürlich vorkommendes Ion, das 3 Sauerstoffatome enthält, die ein zentrales Stickstoffatom umgeben. Nitrat wird auf natürliche Weise durch bakterielle Stickstofffixierung gebildet und kommt daher in Böden, Abwässern und Oberflächengewässern vor. Nitrat wird auch im kommerziellen Maßstab künstlich hergestellt, als Konservierungsmittel in Wurstwaren verwendet und aufgrund seiner hohen Löslichkeit und biologischen Abbaubarkeit als Träger für andere Nährstoffe in Düngemitteln.

Beta Analytics Prüfung auf Nitrate

Beta Analytic ist ISO 17025-zertifiziert und bietet Nitratkonzentrationen und Isotopenmessungen, mit denen die Quelle(n), Umgebungsveränderungen und der Verbleib von Nitrat in der Umgebung entschlüsselt werden können.

Die Proben werden durch chemische Reduktion von Nitrat zu Distickstoffmonoxid und anschließende Isotopenverhältnis-Massenspektrometrie (IRMS) mit kontinuierlichem Fluss (CF) analysiert (Casciotti et al., 2002; Foreman et al., 2016; Altabet und Wassenaar, 2017). Daten der Isotopenverhältnisse werden als Delta (δ) -Werte in Einheiten von Teilen pro Tausend (pro Mill) (‰) angegeben (Coplen, 2011).

Die Verhältnisse der Stickstoffisotope werden relativ zu N2 in der Luft (Mariotti, 1983) und die Verhältnisse der Sauerstoffisotope relativ zu VSMOW-Referenzwasser angegeben und auf einer Skala normalisiert, sodass δ18OSLAP = -55,5 ‰ (Coplen, 1994; IAEA, 2017).

Die Ergebnisse werden außerdem grafisch in einem Diagramm dargestellt, das repräsentative Bereiche der Isotopenzusammensetzung (δ18O und δ15N) verschiedener Nitratquellen enthält (Kendall et al., 2007; Hastings et al., 2013).

nitrogen isotopes plot

Quelle

Ein Nitrat-Ion enthält von Natur aus verschiedene Isotope von Sauerstoff und Stickstoff, wobei Sauerstoff-16 und Stickstoff-14 am häufigsten und Sauerstoff-18 und Stickstoff-15 die seltensten sind. Wenn Nitrat auf natürliche oder künstliche Weise gebildet und verwendet wird, variiert die Masse des Nitrat-Ion.

Diese Unterschiede werden als Delta-Werte ausgedrückt und mit international anerkannten Standards verglichen.
Zum Beispiel:

Abweichungen

Ein Nitrat-Ion in der Natur wird wahrscheinlich verändert, zum Beispiel durch Denitrifikation, ein Verfahren, bei dem Bakterien NO3 verwenden. Während der Denitrifikation zielen die Mikroben bevorzugt auf die Stickstoff-14- und Sauerstoff-16-tragenden Nitrat-Ionen ab, wobei das restliche Nitrat mit den Sauerstoff-18- und Stickstoff-15-Isotopen angereichert bleibt. Eine Nitrifikation hat den gegenteiligen Effekt.

Auswirkung

Quelle, Sauerstoffverfügbarkeit, pH-Wert und Landnutzung spielen alle eine Rolle bezüglich der Isotopenwerte von Nitrat und sollten bei der Analyse von Isotopendaten berücksichtigt werden. Die Nitrat-Isotope sind ein nützliches Werkzeug, um zu verstehen, woher das Nitrat stammt und welche Prozesse das Ion durchlaufen hat, bevor es in die Probenflasche gelangt.

Beta Analytic führt schnelle, ISO 17025-zertifizierte Sauerstoff- und Stickstoffisotopenmessungen mittels Isotopenverhältnis-Massenspektrometer (IRMS) durch.

Warum ist Nitratüberschuss ein Problem?

Die übermäßige Verwendung von natürlichen und künstlichen Düngemitteln auf Nitratbasis hat im letzten Jahrhundert zu einer erheblichen Menge an Nitrat in den oberen Böden geführt, die dann über die Infiltration in den Wasserspiegel gelangen. Hohe Nitratkonzentrationen im Trinkwasser können toxisch sein (10 mg/l oder höher EPA, 2018), Blut wird der Sauerstoff durch Methämoglobinämie entzogen.

Darüber hinaus führt ein hoher Nitratgehalt in Oberflächengewässern zu einer Überstimulierung des Algenwachstums. Diese Algenblüten blockieren das Sonnenlicht und bilden anoxische Zonen (sehr geringe Konzentrationen an gelöstem Sauerstoff), die eine unbewohnbare Umgebung für Meeresleben schaffen. Die Eutrophierung kann große negative Auswirkungen auf die Schifffahrts- und Fischereiindustrie haben.


Verweise:

Altabet, M.A. and L. I. Wassenaar. New Chemical methods for the precise determination of nitrate isotopic composition Presented at Chemical Oceanography at the 86th annual Gordon Research Conference; 2017 July, 23-28; Colby-Sawyer College, New London, NH.

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Casciotti, K. L., Sigman, D. M., Hastings, M. G., Böhlke, J. K., & Hilkert, A. (2002). Measurement of the oxygen isotopic composition of nitrate in seawater and freshwater using the denitrifier method. Anal. Chem, 74(19), 4905-4912.

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Coplen, T. B., 2011, Guidelines and recommended terms for expression of stable-isotope-ratio and gas-ratio measurement results. Rapid Communications in Mass Spectrometry, v. 25, 2538–2560. 

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US EPA National Primary Drinking Water Regulations