Ugrás a tartalomhoz

Talaj- és talajvízvédelem

Dr. Horváth Erzsébet (2011)

A vízi környezetben előforduló nitrogénformák

A vízi környezetben előforduló nitrogénformák

A vízi környezetben a nitrogén szerves anyagokban, ammónia, nitrit, nitrát és molekuláris nitrogén formájában fordulhat elő. A levegőből könnyen beoldódik a nitrogén a vizes rendszerekbe. A molekuláris nitrogén biológiailag többnyire inert, mivel a NºN kötés felhasítása nagy energiát igényel. Ezért kevés mikroorganizmus képes a molekuláris nitrogént közvetlenül hasznosítani. Közvetlen nitrogén megkötők/nitrogén fixálók a baktériumok és a kékalgák. Amíg azonban a legtöbb nitrogénkötő baktérium heterotróf (vagyis szerves energiaforrást igénylő szervezet), addig a kékalgák a fixáláshoz külső szerves táplálékot nem igényelnek.

A biológiai nitrogénciklus (1.1. ábra) első lépéseként a levegőben lévő nitrogén beépül az őt megkötő élőlények szervezetébe, majd az anyagcseretermékek és az elpusztult élőlények lebomlása során ammónia keletkezik (ammonifikáció). A szerves nitrogénvegyületek ammóniává történő lebontása anaerob körülmények között is végbemegy. A vizek ammóniatartalma tehát a szerves anyagok biológiai lebomlását jelzi, ezért a szerves szennyezések egyik legfontosabb mutatója, bár természetes redukciós folyamatokban is keletkezik ammónia (nitrát redukció).

1.1. ábra - A biológiai nitrogénciklus

A biológiai nitrogénciklus


Az ammónia a vízben képes protont felvenni és leadni, az NH3/NH4+ ion koncentráció aránya a pH-tól függ. Savas pH értékeken protonfelvétel következtében az NH4+, míg lúgos pH értékeknél a protonleadás miatt az NH3 forma stabilisabb.

A szabad ammónia (ellentétben az ammónium ionnal) a sejtmembránon áthatol és sejtméregként viselkedik. Az ammónia mérgező hatása függ az oldott oxigén, szabad szén-dioxid, a keménység és a pH értékétől is. A halakra toxikus tartomány (halfajtától függően) 0,2–2 mg szabad ammónia/l. A felszíni vizek ammónia szennyezettsége tág határok között változik. Nem tekinthető szennyezett víznek az ammóniát 0–0,2 mg/l közötti koncentrációban tartalmazó vízfolyások, míg a 3–5 mg/l közötti koncentráció értékek már erősen szennyezett vizeket jelentenek. A téli időszakban a vízfolyások NH4+ koncentrációja mindig magasabb a nitrifikációs folyamatok visszaszorulása miatt.

Míg az elemi és a molekuláris nitrogén többnyire kémiailag inert, addig az egyéb nitrogénformák (nitrit, nitrát és a szerves vegyületekben lévő N-t tartalmazó funkciós csoportok) reakcióképesek és a legtöbb életfolyamatban részt vesznek.

A nitrogénciklus első lépéseként az elemi nitrogén élő szervezetekben fixálódik, majd a N tartalmú szerves anyagok bomlásából ammónia keletkezik. Az élővizekbe került szennyvízből, vagy növényi/állati bomlástermékekből származó ammónia oxigén jelenlétében nitritté és nitráttá oxidálódik az alábbi folyamatok szerint:

Nitrosomonas

Nitrobakter

Az egyenletek alapján a nitrifikáció igen jelentős oxigénfogyasztással jár: 1 mól (18 g) NH4+ oxidálásához 2 mól (64 g) O2 szükséges. Mind a Nitrosomonas, mind a Nitrobakter szénforrásként kizárólag szervetlen szenet használ, nagy mennyiségű szerves szén jelenlétében nem is szaporodik. Ezért a tisztulás során először a szerves széntartalom (arányosan a BOI) csökken és csak ezt követően indul el a nitrifikációs folyamat.

Az ammónia-nitrát képződési folyamat folyamat pH függő. Az ammónia nitritté való oxidációja pH 8–9,5 pH között a leggyorsabb. A nitritképző Nitrosomonas működése 10 °C alatt lelassul. Mivel a szerves-nitrogén ammonifikációja (ammóniáig történő bomlása) 10 °C alatt is végbemegy, hideg időben a víz ammónia tartalma relatíve növekszik. Ez az oka annak, hogy azonos terhelés mellett a vizek ammónia koncentrációja télen mindig magasabb, mint nyáron. (A Dunában mért nyári átlagértékek 0,5 mg/l, míg a téli értékek elérhetik a 3 mg/l koncentrációt is!)

Az előző fejezetben már leírtuk, hogy az ammónia nitráttá való oxidációs folyamatának sebességét a Nitrosomonas populációja és működése szabja meg. Ezért az ammónia-nitrit folyamat szabja meg az ammónia nitráttá alakulásának sebességét.

A nitrogénciklus befejező részeként a növények felveszik a nitrátot vagy közvetlenül az ammóniát. Az egyedfejlődés során az oxidált nitrogénforma szerves nitrogénvegyületekké redukálódik, majd az anyagcserével illetve a növények elhalásával visszajut a környezetbe. A nitrogénciklus befejező része denitrifikációs folyamat is lehet. Ebben a folyamatban a nitrát nitriten keresztül nitrogén gázzá redukálódik anaerob körülmények között.

Mivel természetes körülmények között sokféle redox rendszer van jelen (pl. Fe2+/Fe3+, humátok szemikinoidális csoportjai), a környezet redoxi potenciáljától függően is végbemehet a nitrogén oxidációja illetve redukciója. 0,45–0,40 V között a nitrát-nitrit; míg 0,40–0,35 V között a nitrit-ammónia redukció történik. Ezek a folyamatok főleg a felszín alatti vizek minőségében játszanak fontos szerepet.

Az emberi beavatkozás a természetes nitrogénciklust megzavarja, bármilyen nitrogénforma kibocsájtása környezeti zavart jelent egyrész az oxigénfogyasztás növekedése miatt (nitráttá történő oxidáció), másrészt az eutrofizáció miatt. Kedvezőtlen hatásokat és környezeti zavart jelent a mezőgazdaságban nem kellően hasznosított műtrágyák kimosódása is. Tekintettel arra, hogy a műtrágyák közül legkevésbé a nitrátokat köti meg a talaj (v.ö. Talajkémia, talajtan: a talajok felületén az ammónium, a kálium és a foszfát lényegesen nagyobb a töltéssűrűség miatt), a növényzet által fel nem vett nitrát a vizekbe mosódik. A bemosódás a felszíni, a csapadékvízzel való beszivárgás pedig a felszín alatti vizek nitráttartalmát növeli.

A nitrogénformák egymáshoz viszonyított aránya igen fontos információt ad a vízminőség meghatározásához, mivel segítségével a tisztulási folyamat különböző szakaszai jól elkülöníthetők.