Nutrient Source Tracking – Analisi dei nitrati in acqua

Un nitrato è uno ione presente in natura, formato da 3 atomi di ossigeno che circondano un atomo di azoto centrale. Il nitrato è un prodotto naturale della fissazione dell’azoto effettuata dai batteri e si trova quindi nel suolo, nelle acque di scarico e nelle acque superficiali. Il nitrato viene anche prodotto artificialmente su scala commerciale per essere utilizzato come conservante nei salumi e, grazie alla sua elevata solubilità e biodegradabilità, come vettore di altri nutrienti nei fertilizzanti.

I servizi di analisi dei nitrati di Beta Analytic

Beta Analytic, un laboratorio accreditato ISO 17025, effettua analisi della concentrazione dei nitrati e altre misurazioni isotopiche che possono essere utilizzate per studiare le fonti, le alterazioni ambientali e il percorso dei nitrati nell’ambiente.

I campioni vengono analizzati attraverso il metodo di riduzione del nitrato a ossido nitroso seguita da spettrometria di massa isotopica (IRMS) a flusso continuo (CF) (Casciotti et al., 2002; Foreman et al., 2016; e Altabet and Wassenaar, 2017). I rapporti tra gli isotopi vengono indicati sotto forma di valori delta (δ) in unità di parti per mille (‰) (Coplen, 2011).

I rapporti isotopici dell’azoto vengono determinati in relazione all’N2 presente nell’aria (Mariotti, 1983), mentre quelli dell’ossigeno in relazione ai valori dell’acqua di riferimento denominata Vienna Standard Mean Ocean Water (VSMOW). I rapporti sono poi normalizzati su una scala dove δ18OSLAP = -55.5‰ (Coplen, 1994; IAEA, 2017).

I risultati vengono inoltre presentati sotto forma di un grafico che include le aree rappresentative della composizione isotopica (δ18O e δ15N) di diverse fonti di nitrati (Kendall et al, 2007; Hastings et al., 2013).

nitrogen isotopes plot

Fonte

Uno ione di nitrato contiene naturalmente diversi isotopi dell’ossigeno e dell’azoto; i più comuni sono l’ossigeno-16 e l’azoto-14, mentre i più rari sono l’ossigeno-18 e l’azoto-15. Quando il nitrato si forma o viene utilizzato in ambiente naturale o artificiale, la massa dello ione si modifica.

Queste differenze vengono espresse sotto forma di valori delta e vengono confrontate con standard accettati a livello internazionale.

Per esempio: 

Alterazioni

Uno ione nitrato in natura subisce delle alterazioni, ad esempio tramite denitrificazione, un processo mediante il quale i batteri utilizzano NO3-. Durante la denitrificazione, i batteri utilizzano principalmente gli ioni nitrato contenenti azoto-14 e ossigeno-16, cosicché il nitrato residuo presenta alte concentrazioni di ossigeno-18 e azoto-15. La nitrificazione ha invece l’effetto opposto.

Impatto

L’origine, la disponibilità di ossigeno, il pH e l’uso del territorio giocano un ruolo nei valori isotopici dei nitrati e devono essere tenuti in considerazione quando si analizzano dati isotopici. I valori isotopici sono uno strumento utile per capire da dove proviene il nitrato e quali processi ha subito lo ione prima di essere campionato.

Beta Analytic analizza gli isotopi stabili di ossigeno e azoto con servizio rapido e certificato ISO 17025, utilizzando il metodo della spettrometria di massa con acceleratore.

Perché un eccesso di nitrati rappresenta un problema?

L’uso eccessivo, nel secolo scorso, di fertilizzanti a base di nitrati naturali e artificiali ha comportato un accumulo di grandi quantità di nitrati negli strati superficiali del suolo. Con il tempo, questi depositi raggiungono la falda acquifera tramite infiltrazione. Alte concentrazioni di nitrati nell’acqua potabile possono risultare tossiche (10 mg/L o superiore, EPA 2018), privando il sangue di ossigeno tramite metaemoglobinemia.

Inoltre, alti livelli di nitrati nelle acque superficiali provocano una crescita algale eccessiva. Le fioriture algali bloccano la luce del sole e creano zone anossiche (con bassissime concentrazioni di ossigeno disciolto), ambienti non abitabili dagli organismi acquatici. L’eutrofizzazione può dunque avere un forte impatto negativo sull’industria della pesca.


Riferimenti:

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