Nitrogén vizes környezetben Dr. Fórizs István

Nitrogénizotópok gyakorisága Dúsulási tényező ka = 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

Nitrogén körforgás

Átalakulási folyamatok N2 megkötés Természetes N2 megkötés 90-130 Tg/év. Mesterséges N2 megkötés 140 Tg/év. Rendszerint elhanyagolható a frakcionáció. Távlatok??

Átalakulási folyamatok Asszimiláció N-tartamú vegyületek (ammónium, nitrit, nitrát) beépülése szerves anyagba Biológiai folyamat Rendszerint elhanyagolható a frakcionáció.

Átalakulási folyamatok Mineralizáció (ammonifikáció) Szerves N-ből ammónium keletkezik Biológiai folyamat Rendszerint elhanyagolható a frakcionáció.

Átalakulási folyamatok Nitrifikáció 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 folyamatok Denitrifikáció Nitrát redukciója Biológiai folyamat (ált. Thiobacillus denitrificans) Reduktív környezet NO3- + 5/4CH2O → 1/2N2 + 5/4HCO3- + 1/4H+ + 1/2H2O (Egyidejűleg a d13CDIC 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 szikkasztóból Aravena et al. 1993 d15Nnitrát értékek

Savas eső hatása a talaj nitrát-forgalmára (Durka et al. 1994) Légköri nitrát d18O értéke: 60-73‰. Talajban képződött nitrát d18O 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 szennyezés Fukuda et al. 2004 A felszín alatti kemolitoautotróf nitrifikáció (NH4+ → NO3-) esetében (kísérlet alapján) 1 O atom légköri, 2 O atom vízmolekulából származik: d18Onitrát = 2/3d18Ovíz + 1/3d18Olégkör A valóságban a mért d18O mindig pozitívabb +5—+10‰-kel.

Az eltérés lehetséges okai A telítetlen zónában a talajnedvesség párolog (d18Ovíz növekszik). Kismértékű denitrifikáció. Mikrobiális légzés (O2-ből CO2 lesz, a maradék O2 d18O értéke növekszik). Csapadékkal leülepedő nitrát.

Fukuda et al. 2004

Fukuda et al. 2004

Fukuda et al. 2004

Keveredés keverék = (xcAA + (1-x)cBB)/(xcA + (1-x)cB) A komponens d15N = -1 ‰ cNO3 = 10% B komponens d15N = -22 ‰ cNO3 = 1% B A keveredés: x rész A víz (1-x) rész B víz keverék = (xcAA + (1-x)cBB)/(xcA + (1-x)cB)