영양분 소재 추적 – 물의 질산염

질산염이란 자연적으로 생기는 이온로서 중앙에 한개의 질소 원자와 3개의 산소 원자가 결합한 상태입니다. 자연적으로 박테리아의 질소 고정을 통해 형성되며, 토양, 폐수, 지표수에 많이 존재합니다. 또한 사업용으로 육류의 보존제, 또한 쉽게 녹고, 생분해되는 성질 때문에 비료에서 다른 영양분의 이동 수단으로서 사용되기 위해 인공적으로 만들어집니다.

Beta 연구소의 질산염 실험 서비스

ISO 17025-인증업체인 Beta 연구소는 질산염 농축, 안정 동위원소 측정 서비스를 제공합니다. 이를 통해 이들의 기원, 질산염 퇴치에 대한 해법을 제시해줍니다.

시료들은 연속 진행 동위원소 질량분석기 (Isotope Ratio Mass Spectrometry (IRMS))를 사용해 질산염을 아산화질소 (nitrous oxide)로 화학적 환원 작업을 통해 분석됩니다. (Casciotti et al., 2002; Foreman et al., 2016; and Altabet and Wassenaar, 2017). 측정 동위원소 비 데이터는 델타(δ) 값으로 단위표시는 parts per thousand (per mill) (‰)입니다 (Coplen, 2011).

질소 동위원소 비는 공기 중 N2 상대값으로 표기되며 (Mariotti, 1983), 산소 동위원소 비는 VSMOW reference water 상대값으로 표기되며, δ18OSLAP = -55.5‰ 스케일로 정상화됩니다. (Coplen, 1994; IAEA, 2017).

결과 값들은 또한 여러 질산염 소재의 동위원소 (δ18O 와 δ15N) 구성 지역 표기를 포함한 도표화된 도식의 형태를 보여드립니다 (Kendall et al, 2007; Hastings et al., 2013). nitrogen isotopes plot

기원

질산염 이온 한개는 자연적으로 서로 다른 동위원소를 가진 산소와 질소를 가지고 있습니다. 가장 흔하게 산소-16 과 질소-14 을 가지며, 아주 드물게 산소-18 과 질소-15을 가지고 있습니다. 질산염은 천연적으로 형성되어 사용되지만, 인공적으로도 형성되어 사용됩니다. 따라서 이온의 질량은 다양합니다.

이런 차이점은 델타 값으로 표현되며, 국제적으로 공인된 표준방법입니다.
예: 

변경

자연상태에서 질산염 이온는 수시로 변경됩니다. 예를 들자면 박테리아가 NO3 을 이용하는 과정인 탈질소화 작용. 이 과정에서 박테리아는 질산염 이온가 가지고 있는 질소-14와 산소-16을 선호하여 남은 질산염에는 산소-18과 질소-15 동위원소만 남게 됩니다. 질소화 작용은 그 반대입니다.

영향

기원, 산소 유무, pH, 토지 사용 모두 질산염 동위원소 값에 중요한 역할을 하며, 데이터 분석 시 유념해야 합니다. 질산염의 동위원소 값은 질산염이 어디서 왔으며, 그들 이온들이 어떤 과정을 거쳤는지 이해할 수 있는 유용한 도구입니다.

Beta 연구소는 안정 동위원소 질량분석기 (IRMS) 이용해 신속하고, ISO 17025-인증된 산소와 질소 동위원소 측정 서비스를 제공합니다.

왜 과도한 질산염이 문제가 될까?

지난 세기 질산염 기반의 비료제 과다 사용으로 땅 표면에 상당히 많은 량의 질산염이 존재했으며, 이것들이 물로 많이 흘러 들어갔습니다. 식용수에서 고농도의 질산염은 독이 될 수 있으며 (10mg/L 이상 EPA, 2018), 메트헤모글로빈혈증 (methemoglobinemia)과 같이 피 속에 산소 부족을 야기합니다.

더군다나 지표수의 고농도 질산염은 조류 성장을 과하게 일으키며, 이 녹조들은 햇빛을 찬단하고, 무산소 지역 (용존 산소 저농도 상태) 을 만들어 해상 생물들이 살 수 없는 환경을 만듭니다. 부영양화는 해양 산업 및 수산업에 치명적인 타격을 입힙니다.


References:

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. 

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US EPA National Primary Drinking Water Regulations