Detección de la fuente de nutrientes – Nitratos en el agua

El nitrato es un ion presente en la naturaleza que contiene 3 átomos de oxígeno que rodean a un átomo central de nitrógeno. El nitrato se forma de manera natural por la fijación bacteriana del nitrógeno, y por lo tanto se encuentra en suelos, efluentes y aguas superficiales. El nitrato también se produce artificialmente a escala comercial, utilizándose como conservante en carnes curadas, y como portador de otros nutrientes en fertilizantes gracias a su alta solubilidad y biodegradabilidad.

Servicios de análisis de nitratos de Beta Analytic

Beta Analytic, laboratorio acreditado por la norma ISO 17025, ofrece mediciones de concentración y registro isotópico de nitratos, las cuales pueden usarse para descifrar la(s) fuente(s), las alteraciones ambientales y el destino del nitrato en el ambiente.

El análisis de las muestras se realiza a partir de la reducción química del nitrato a óxido nitroso, seguido de la aplicación de espectrometría de masas de relaciones isotópicas (IRMS) de flujo continuo (CF) Casciotti et al., 2002; Foreman et al., 2016; and Altabet and Wassenaar, 2017). Las relaciones isotópicas se expresan como valores delta (δ) en unidades de partes por mil (per mill) (‰) (Coplen, 2011).

Las relaciones de los isótopos de nitrógeno se determinan en relación al N2 del aire (Mariotti, 1983), mientras que las relaciones de los isótopos de oxígeno se determinan en relación al estándar de agua VSMOW y son normalizadas en una escala donde δ18OSLAP = -55.5‰ (Coplen, 1994; IAEA, 2017).

Los resultados también se presentan gráficamente en un diagrama que incluye áreas representativas de la composición isotópica (δ18O and δ15N) de varias fuentes del nitrato (Kendall et al, 2007; Hastings et al., 2013).

nitrogen isotopes plot

Fuente

Un ion de nitrato contiene, naturalmente, diferentes isótopos de oxígeno y nitrógeno, siendo los más comunes el oxígeno-16 y el nitrógeno-14, y los raros el oxígeno-18 y el nitrógeno-15. Dado que el nitrato se forma y se utiliza en forma natural o artificial, la masa del ion de nitrato varía. Estas diferencias se expresan como valores delta y son comparadas con estándares internacionalmente aceptados.

Por ejemplo:

Alteraciones

Un ion de nitrato en la naturaleza probablemente será alterado por procesos como la desnitrificación, en el cual las bacterias utilizan NO3. Durante la desnitrificación, los microbios atacan principalmente a los iones de nitrato portadores de nitrógeno-14 y oxígeno-16, dejando el nitrato residual enriquecido con los isótopos de oxígeno-18 y nitrógeno-15. La nitrificación tiene el efecto opuesto.

Impacto

La fuente, la disponibilidad de oxígeno, el pH y el uso del suelo inciden en los valores isotópicos del nitrato, y deberían ser considerados al analizar los datos isotópicos. Los isótopos de nitrato son una herramienta útil para entender de dónde proviene el nitrato y cuáles son los procesos por los que ha atravesado el ion antes de llegar al vial de muestreo.

Beta Analytic realiza mediciones de isótopos de oxígeno y deuterio rápidas y acreditadas por la norma ISO 17025, utilizando un espectrómetro de masas de relaciones isotópicas (IRMS).

¿Por qué un exceso de nitrato es motivo de preocupación?

El uso excesivo de fertilizantes a base de nitrato, ya se natural o artificial, en el siglo pasado, ha generado una cantidad abundante de nitrato en las capas superiores del suelo, llegando a la capa freática por filtración. Las altas concentraciones de nitrato en agua potable pueden ser tóxicas (10mg/L o más de acuerdo con EPA, 2018), provocando una descompensación de oxígeno en la sangre debido a metahemoglobinemia.

Los altos niveles de nitrato en aguas superficiales también ocasionan una estimulación excesiva del crecimiento de algas. La floración de algas bloquea la luz solar y crea zonas anóxicas (con muy bajas concentraciones de oxígeno disuelto) que generan un ambiente inhabitable para la vida marina. La eutrofización puede tener impactos negativos considerables en las industrias marina y pesquera.


Referencias:

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.

Aravena, R., Evans, M. L., & Cherry, J. A. (1993). Stable isotopes of oxygen and nitrogen in source identification of nitrate from septic systems. Groundwater, 31(2), 180-186.

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.

Coplen, T. B., 1994. Reporting of Stable Hydrogen, Carbon, and Oxygen Isotopic Abundances, Pure and Applied Chemistry, v. 66, p. 273-276.

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. 

Florida Department of Health Fact Sheet – Chemicals in Private Drinking Water Wells

Foreman, R. K., Segura-Noguera, M., & Karl, D. M. (2016). Validation of Ti (III) as a reducing agent in the chemiluminescent determination of nitrate and nitrite in seawater. Marine Chemistry, 186, 83- 89.

Hastings, et al., 2013 “Stable Isotopes as Tracers of Anthropogenic Nitrogen Sources, Deposition, and Impacts”, Elements, 9(5), 339-344.

Hosono, T., Tokunaga, T., Kagabu, M., Nakata, H., Orishikida, T., Lin, I. T., & Shimada, J. (2013). The use of δ15N and δ18O tracers with an understanding of groundwater flow dynamics for evaluating the origins and attenuation mechanisms of nitrate pollution. Water Research, 47(8), 2661-2675.

International Atomic Energy Agency (IAEA), Reference Sheet for International Measurement Standards, 2017

Isotope Tracers in Catchment Hydrology (1998), C. Kendall and J. J. McDonnell (Eds.). Elsevier Science B.V., Amsterdam. pp. 519-576.

Kendall, C., Elliott, E.M., and Wankel, S.D. (2007), “Tracing anthropogenic inputs of nitrogen to ecosystems.” In Stable Isotopes in Ecology and Environmental Science, 2nd ed., Ch. 12.

Li, S. L., Liu, C. Q., Li, J., Xue, Z., Guan, J., Lang, Y., … & Li, L. (2013). Evaluation of nitrate source in surface water of southwestern China based on stable isotopes. Environmental Earth Sciences, 68(1), 219-228.

Mariotti, A., 1983, Atmospheric nitrogen is a reliable standard for natural 15N abundance measurements: Nature, v. 303, p. 685-687.

US EPA Fact Sheet – Preventing Eutrophication: Scientific Support for Dual Nutrient Criteria

US EPA National Primary Drinking Water Regulations