Nitrogén vizes környezetben

Dr. Fórizs István

Nitrogénizotópok gyakorisága14N=99,6%15N=0,36%

Dúsulási tényezőka = kiindulási anyag, t = termék

εt-ka = (Rt/Rka-1)1000 [‰]Ha kicsi a ‘ka’ koncentrációja, vagy kicsi a

frakcionáció, akkor

εt-ka ≈ δt - δka

Biológiai közbenjárás (baktériumok)

• Az élőlények mindig a kisebb energiájú kémiai kötéseket bontják szívesebben (14N).

• Következmény: a produktum izotóposan minding könnyebb, mint a visszamaradó anyag.

• NH4+ → NO3

+ (δ15NNH4> δ15NNO3)

• NO3+ → NH4

+ (δ15NNO3> δ15NNH4)

A 15N eloszlása

Talaj szervesanyag

Növény N

NH4

+ NO3

-Mineralizáció

Asszimiláció

Asszimiláció

Nitrfikációi

Felvtel

é

Felv

tel

é

Elhalá

s

N2

megkötésNH4

+ -, NOkiülepedés

3

NOkilúgzás

3

-

NO2 2, Ndenitrifikáció

Nitrogén körforgás

Átalakulási folyamatokN2 megkötés

• Természetes N2 megkötés 90-130 Tg/év.• Mesterséges N2 megkötés 140 Tg/év.

• Rendszerint elhanyagolható a frakcionáció.

• Távlatok??

Átalakulási folyamatokAsszimiláció

N-tartamú vegyületek (ammónium, nitrit, nitrát) beépülése szerves anyagba

• Biológiai folyamat

• Rendszerint elhanyagolható a frakcionáció.

Átalakulási folyamatokMineralizáció (ammonifikáció)

Szerves N-ből ammónium keletkezik

• Biológiai folyamat

• Rendszerint elhanyagolható a frakcionáció.

Átalakulási folyamatokNitrifikáció

Ammónium átalakulása nitráttá

• Több lépéses biológiai folyamat• Oxidatív (aerób) környezet (pl. talaj)• (Vegyérték -III → +V)• Jó közelítésben: 1 O atom légköri, 2 O atom

vízmolekulából.• Frakcionáció: εNO3-NH4 = -12 — -29‰.• !!Ammónia-szökésnél előfordulhat:

δ15NNO3> δ15NNH4 kezdeti

Átalakulási folyamatokDenitrifikáció

Nitrát redukciója

• Biológiai folyamat (ált. Thiobacillus denitrificans)

• Reduktív környezetNO3

- + 5/4CH2O → 1/2N2 + 5/4HCO3- + 1/4H+ + 1/2H2O

(Egyidejűleg a 13CDIC csökken)

Szerves anyag helyett a Mn2+, Fe2+, szulfid és CH4 is lehet elektron donor.

Nitrát ivóvízben

• Csecsemőknél a „kék halál” okozója lehet.

• Szabvány határozza meg a megengedett maximális mennyiséget.

• Max: 40 mg/L nitrát.

• Vagy 10 mg/L Nnitrát (≈44 mg/L nitrát).

A nitrát izotópos összetétele

Bio-alma

• A helyi zöldséges azt állítja, hogy ő olyan almát árul, ahol a gyümölcsöst csak szerves trágyával kezelték, műtrágyával nem.

• Próbaképpen megmérjük az egyik alma δ15N értékét, +19‰?

• Igazat mondott?

Denitrifikáció

• δR = δR0 + ε ln(C/C0) (ε < 0)

• A δ érték lineáris a koncentráció logaritmusával.

• A vízben N2 többlet keletkezik.

• A δ15N és a δ18O értékek együtt változnak (lineáris kapcsolat, ahol a meredekség 0,5).

• ε15N ≈ -16‰, ε18O ≈ -8‰

Denitrifikáció a δ15N-δ18O diagramon

Denitrifikáció

Szennyezés szikkasztóbólAravena et al. 1993

15Nnitrát értékek

Savas eső hatása a talaj nitrát-forgalmára (Durka et al. 1994)

• Légköri nitrát 18O értéke: 60-73‰.

• Talajban képződött nitrát 18O értéke: 0,8-5,8‰ (mikrobiális nitrát, 1 O atom légkörből, 2 O atom a vízből származik)

Légköri és forrásvíz nitrát

Savas esők hatása

• Az egészséges fenyőerdőben a légköri eredetű nitrát 16-30%-a került a területről távozó forrásvízbe.

• A savasodás következtében pusztuló fenyőerdőben a légköri eredetű nitrát 59-114%-a került a területről távozó forrásvízbe.

C. Kendall 1998

Lakott területen nitrát szennyezésFukuda et al. 2004

• A felszín alatti kemolitoautotróf nitrifikáció (NH4

+ → NO3-) esetében (kísérlet alapján)

1 O atom légköri, 2 O atom vízmolekulából származik:

18Onitrát = 2/318Ovíz + 1/318Olégkör

A valóságban a mért 18O mindig pozitívabb +5—+10‰-kel.

Az eltérés lehetséges okai

• A telítetlen zónában a talajnedvesség párolog (18Ovíz növekszik).

• Kismértékű denitrifikáció.

• Mikrobiális légzés (O2-ből CO2 lesz, a maradék O2 18O értéke növekszik).

• Csapadékkal leülepedő nitrát.

Fukuda et al. 2004

Fukuda et al. 2004

Fukuda et al. 2004

KeveredésKeveredés

-5

0

5

10

15

20

25

0 2 4 6 8 10 12

NO3 konc.

15 N

A

B

A komponens

15N = -1 ‰

cNO3 = 10%

B komponens15N = -22 ‰cNO3 = 1%

keveredés: x rész A víz (1-x) rész B víz

keverék = (xcAA + (1-x)cBB)/(xcA + (1-x)cB)