Suivi des sources de nutriments – Nitrates de l’eau

Le nitrate est un ion naturel qui contient 3 atomes d’oxygène entourant un atome d’azote central. Le nitrate est formé naturellement par la fixation bactérienne d’azote et se trouve donc dans les sols, les effluents et les eaux de surface. Le nitrate est également produit artificiellement à l’échelle commerciale, utilisé comme agent de conservation dans les viandes séchées et, en raison de sa solubilité et de sa biodégradabilité élevées, comme support pour d’autres éléments nutritifs dans les engrais.

Services d’analyse des nitrates de Beta Analytic

Beta Analytic, laboratoire accrédité ISO 17025, fournit des mesures de concentration en nitrates et des mesures isotopiques qui peuvent être utilisées pour déchiffrer la ou les sources, les altérations de l’environnement et le devenir des nitrates dans l’environnement.

Les échantillons sont analysés par réduction chimique du nitrate en oxyde nitreux puis par spectrométrie de masse à rapport isotopique (IRMS) à flux continu (CF) (Casciotti et al., 2002; Foreman et al., 2016; et Altabet et Wassenaar, 2017). Les données relatives au rapport isotopique sont présentées sous forme de valeurs delta (δ) en unités de parties par millier (pour mille) (‰) (Coplen, 2011).

Les rapports isotopiques de l’azote sont reportés par rapport au N2 dans l’air (Mariotti, 1983) et les rapports isotopiques de l’oxygène par rapport à l’eau océanique moyenne normalisée de Vienne VSMOW et normalisés sur une échelle selon laquelle δ18OSLAP = -55,5 ‰ (Coplen, 1994; IAEA, 2017).

Les résultats sont également présentés sur un graphique qui reprend des zones représentatives de la composition isotopique (δ18O et δ15N) de diverses sources de nitrates (Kendall et al, 2007; Hastings et al., 2013)

nitrogen isotopes plot

Source

Un ion nitrate contient naturellement différents isotopes d’oxygène et d’azote, les plus courants étant l’oxygène 16 et l’azote 14 et les plus rares étant l’oxygène 18 et l’azote 15. Lorsque le nitrate est formé et utilisé naturellement ou artificiellement, la masse d’ion nitrate varie.

Ces différences sont exprimées en valeurs delta et sont comparées aux normes internationalement reconnues.
Par exemple :

Altérations

Un ion nitrate dans la nature sera probablement modifiée notamment par la dénitrification, processus par lequel une bactérie utilise le NO3 . Au cours de la dénitrification, les microbes ciblent préférentiellement les ions nitrate portant de l’azote 14 et de l’oxygène 16, laissant le nitrate résiduel enrichi en isotopes d’oxygène 18 et d’azote 15. La nitrification a l’effet inverse.

Impact

La source, la disponibilité en oxygène, le pH et l’utilisation des terres jouent tous un rôle dans les valeurs isotopiques du nitrate et doivent être pris en compte lors de l’analyse des données isotopiques. Les isotopes du nitrate sont un outil utile pour comprendre l’origine du nitrate et les processus que l’ion a subis avant de se retrouver dans votre flacon d’échantillon.

Beta Analytic effectue rapidement des mesures isotopiques de l’oxygène et de l’azote accréditées ISO 17025 à l’aide d’un spectromètre de masse à rapport isotopique (IRMS). Résultats d’analyse en 14 jours ouvrés.

Pourquoi un excès de nitrates est-il inquiétant?

La sur-utilisation d’engrais à base de nitrates, naturels et artificiels, au cours du siècle dernier a entraîné une quantité abondante de nitrates dans les sols supérieurs, qui sont ensuite transportés dans la nappe phréatique par infiltration. De fortes concentrations de nitrates dans l’eau de boisson peuvent être toxiques (10 mg / L ou plus, EPA, 2018), privant le sang d’oxygène par la méthémoglobinémie.

En outre, des niveaux élevés de nitrates dans les eaux de surface peuvent entraîner une stimulation excessive de la croissance des algues. Ces proliférations d’algues bloquent la lumière du soleil et créent des zones anoxiques (qui ont de très faibles concentrations en oxygène dissous), ce qui crée un environnement inhabitable pour la vie marine. L’eutrophisation peut avoir des effets négatifs importants sur les industries de la mer et de la pêche.


Références:

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