Der Stickstoffgehalt (gelöste anorganische Stickstoffverbindungen ohne N2) in Meerwasser liegt bei bis zu 0,5 ppm und ist an der Oberfläche mit nur etwa 0,1 ppb wesentlich geringer als in der Tiefsee. Auch die Konzentration in Flusswasser variiert sehr stark, liegt aber im Allgemeinen bei circa 0,25 ppm.
Innerhalb der anorganischen Erscheinungsformen des Elements gibt es je nach Beschaffenheit des Wassers Unterschiede. So ist Stickstoff in aeroben Gewässern vor allem als in Form von N2 und NO3- zu finden und tritt je nach Umweltbedingungen eventuell auch als N2O, NH3, NH4+, HNO2, NO2- und HNO3 auf.
In Küstengebieten ist vor allem das elementare Stickstoffgas (N2) zu finden, was nicht wirklich überrascht, wenn man überlegt, das die Luft zu 78% aus Stickstoff besteht und der Luftkontakt an der Küste durch Wellenbewegungen und die geringe Tiefe des Wassers recht hoch ist.
Die größte Rolle in biochemischen Prozessen spielt vor allem das Auftreten von Ammonium, Nitrat und Nitrit, aber auch organischen Stickstoffverbindungen in Gewässern. Der Gesamtstickstoff gibt die Summe von organischen und anorganischen Stickstoffverbindungen an. In Rohabwasser wird meist der Kjeldahl-Stickstoff als Maß verwendet. Der TKN-Wert (Total Kjeldahl Nitrogen) gibt die Konzentration an Gesamtstickstoff an, der in diesem Fall die Summe von organisch gebundenem Stickstoff und Ammonium-Stickstoff ist (TKN = org.N + NH4-N [mg/L]). Stickstoff kommt im Rohabwasser fast nur in dieser Form vor. Nach einer biologischen Abwasserbehandlung ist vor allem die oxidierte Form Nitrit zu finden.
Stickstoffgas reagiert nicht mit Wasser, sondern löst sich in diesem.
Die Löslichkeit von Stickstoff in der Form N2 in Wasser bei 20oC und 1 bar liegt bei circa 20 mg/L. Die Löslichkeit von Stickstoffverbindungen kann sehr unterschiedlich sein. So ist beispielsweise Stickstoff(I)oxid zu 1,12 g/L und Nitriloacetat (Salz) zu sogar 640 g/L löslich, wohingegen Stickstofftrichlorid in Wasser unlöslich ist. Auch Nitrate und Ammoniak gelten als gut wasserlöslich.
Löslichkeit und wie diese beeinflusst werden kann Stickstoff gelangt überwiegend durch Landwirtschaftliche Prozesse in die Umwelt und somit auch ins Wasser. Einen sehr großen Anteil hieran haben Stickstoffdünger, die das Element vor allem in Form von Nitrat, aber auch Ammoniak, Ammonium, Urea und Amiden beinhalten. Als wichtigste Stickstoffdünger gelten NaNO3 (Chilesalpeter) und NH4NO3 (Ammoniumnitrat). Nach der Düngung wird nur ein relativ kleiner Teil, nämlich 25-30%, des Stickstoffs von Pflanzen aufgenommen. Der Rest gelangt über den Boden in Grundwasser und Oberflächengewässer, da insbesondere Nitrate sehr gut wasserlöslich sind. Auch in der Viehzucht wird viel Stickstoff freigesetzt, oft in übermäßig großen Mengen. In organischen Düngern kommt er zum Großteil in Form von Eiweißverbindungen, Harnstoff oder Amiden vor, die unterschiedlich gut aufgenommen werden. Guano gilt als ein sehr guter natürlicher Dünger. Schließlich ist Stickstoff auch in verschiedenen Pestiziden enthalten und wird so auf agrarisch genutztes Land aufgebracht.
Stickstoffverbindungen werden auch in verschiedenen anderen Industriezweigen verwendet. So wird der meiste Stickstoff dafür genutzt, Ammoniak mit dem Haber-Bosch-Verfahren herzustellen. Hieraus können wiederum Stickstoffoxide produziert werden, wie etwa N2O bzw. Lachgas, das in der Anästhesie verwendet wird. Auch Salpetersäure, Harnstoff, Hydrazin und Amine sind Produkte aus der Stickstoffindustrie, sowie die oben genannten Dünger. Stickstoffverbindungen kommen zudem als Zwischenprodukte bei der Herstellung von Farbstoffen und Kunststoffen frei.
Flüssiger Stickstoff wird in großem Umfang benutzt um Nahrungsmittel einzufrieren. Vom gleichen Prinzip macht man auch Gebrauch beim tiefgefrieren von biologischen Proben und Präparaten. Außerdem ist das flüssige Element interessant für die Entwicklung von Supraleitern aus Spezialkeramik.
Als Schutzgas dient Stickstoff beispielsweise beim Schweißen und in der Halbleiterproduktion, und als Treibgas wird es in Sprühdosen und Feuerlöschern eingesetzt. N2O4 ist ein Oxidator in Raketentreibstoff. Das Element ist auch in Sprengstoff enthalten und wird als solcher unter anderem im Bergbau benötigt.
Eine nicht unbeträchtliche Menge Stickstoff ist zudem in Abwasser aus Haushalten zu finden. Die Menge ist hierbei abhängig vom Eiweißverbrauch der Bevölkerung. Meist besteht etwa ein Drittel der Stickstofffracht aus organischen Stickstoffverbindungen, wobei es sich vor allem um Harnstoff handelt. Der Rest sind Ammoniumsalze. Der Anteil an Nitraten und Nitriten im Abwasser liegt normalerweise nicht über 3%. Die Abbauprodukte nach den üblichen ersten Reinigungsstufen kommunaler Abwässer sind vor allem Ammonium und Nitrat.
Nitrate und Nitrite werden auch als Lebensmittelzusatzstoffe verwendet um etwa die rote Farbe von Fleisch zu konservieren und Toxinbildung zu verhindern.
In Form von NTA (Nitrilotriacetat) wird das Element Waschmitteln als Phosphatersatzstoff zugefügt. Schließlich kann über das Sickerwasser Stickstoff aus Mülldeponien in Boden und Wasser gelangen.
Selbstverständlich gibt es auch einen natürlichen Stickstoffkreislauf, der Erklärungen für das Vorkommen eines nicht unbeträchtlichen Teils des Stickstoffs in Boden, Wasser und Luft gibt.
Stickstoff ist ein essentielles Element für alle Organismen, da er Bestandteil aller Proteine und Nukleinsäuren ist. So bestehen Pflanzen zu etwa 7,5% (trockenmassebezogen) aus dem Element. Stickstoff ist für Pflanzen sehr wichtig und in der Luft zu Genüge vorhanden, kann jedoch in elementarer Form nicht aufgenommen werden. Er muss erst in anderer Form, hauptsächlich als Nitrat, gebunden werden. Bei der sogenannten Nitrifikation wandeln Bakterien Ammoniak zu Nitrit und Nitrit zu Nitrat um. Hierbei kommt Energie frei, und das Endprodukt ist eine der wichtigsten Quellen für den üblichen Nitratgehalt des Bodens, auf dem schließlich auch höhere Pflanzen wachsen können.
Bei einer zusätzlichen Nitratdüngung ist sofort ein höherer Nitratgehalt in der Bepflanzung zu messen. Manche Pflanzen, wie etwa Spinat, akkumulieren diesen Stoff sogar. Werden Stickstoffdünger außerhalb der Wachstumsphase angewandt, ist dies völlig nutzlos und hat sogar negative Auswirkungen auf die Umwelt. Der Stoff kann weder aufgenommen noch immobilisiert werden und gelangt daher leicht in Grund- und Trinkwasser. Sein Ausbreitungspotential gilt als hoch.
Einige Pflanzen sind relativ empfindlich für NO2. In der Form von HNO3 ist der Stickstoff ein wesentlicher Bestandteil von Niederschlagswasser. Zusammen mit H2SO4 verursacht er den sogenannten sauren Regen, der negative Auswirkungen auf Boden und Pflanzen hat.
Da Stickstoff wie erwähnt ein essentieller Bestandteil von Proteinen ist, ist er auch in tierischem Gewebe in großen Mengen vorhanden. In elementarer Form hat er keine direkte Wirkung auf Warmblüter. Dass höhere Stickstoffkonzentrationen in der Atemluft zu Erstickungen führen können, liegt wohl eher daran, dass der Sauerstoffgehalt der Luft in diesem Fall geringer ist.
Stickstoff selbst gilt auch nicht als wassergefährdender Stoff und verursacht somit allgemein keine Umweltschäden. In den Meeren fungieren Nitrate, Nitrite und Ammoniumverbindungen als Nährsalze für Plankton, weswegen an der Oberfläche des Wassers deutlich weniger Stickstoffverbindungen vorhanden sind, als in der Tiefe. Bei steigendem Stickstoffgehalt in den obersten Wasserschichten, steigt auch die Produktion des Planktons und es kann zur sogenannten Algenblüte kommen. Dies gilt auch für andere Gewässer. Große Mengen an Stickstoff, der unter neutralen und aeroben Bedingungen vor allem als Nitrat vorkommt, könnten so also Eutrophierung verursachen, dass heißt eine übermäßige Versorgung mit Nährstoffen, die oft in Sauerstoffmangel und somit Fischsterben resultiert (siehe auch Sauerstoff und Wasser). Oft ist dies aber weniger von Belang, da normalerweise Phosphor als Minimumfaktor fungiert. So limitiert zwar der Stickstoffgehalt nicht das Algenwachstum, diese können sich aber dennoch nicht ausbreiten, da ihr Wachstum vom Phosphorvorkommen eingeschränkt wird. Dieser natürliche Zustand ist jedoch nicht mehr in allen Gewässern anzutreffen.
Ist zu wenig Sauerstoff im Wasser vorhanden, wird Nitrat oft zu elementarem Stickstoff oder N2O reduziert. Diese sogenannte Denitrifikation kann somit gebundene Sauerstoffreserven freisetzen, wenn der Sauerstoffgehalt auf null absinkt. In einigen Fällen kann Nitrat durch Nitratammonifikation biologisch sogar bis zum Ammonium reduziert werden. Andererseits können Ammoniumverbindungen den Sauerstoffgehalt von Gewässern verringern, da sie über Nitrit zu Nitrat aufoxidiert werden. Schon kleine Konzentrationen an freiem Ammoniak oder Nitrit können fischtoxisch sein.
Auch die von Bakterien ausgeführte Nitrifikation kann in Gewässern auftreten und eine wichtige Rolle spielen. Bei ihr wird Ammoniak zu Nitrit und Nitrit zu Nitrat oxidiert. So wird der Nitritgehalt gesenkt, was positiv für höhere Pflanzen ist, da Nitrit auf diese bei niedrigem pH-Wert giftig wirkt.
NOx-Verbindungen reagieren mit Wasser zu gut löslichem HNO3. Auf diese Weise können Ozeane als Senke für Stickstoffoxide dienen. PAN-Verbindungen (PeroxyAcetylNitrate) entstehen durch Umweltverschmutzungen auf dem Festland, können jedoch in der Troposphäre über große Abstände auch über die Ozeane transportiert werden und zu NOx, das wie beschrieben mit Wasser reagiert, abgebaut werden.
Beispiele für Stickstoffverbindungen, die wegen ihrer Toxizität auffallen, gibt es auch. So kann das meist in Schwermetallkomplexen auftretende NTA den Elektrolytstoffwechsel stören und etwa bei Ratten ab einer Dosierung von 14 mg/kg zu Nierenschäden führen. Der LD50-Wert, der die Dosierung angibt, bei der 50% einer Population sterben, liegt für NTA bei der Ratte bei 1,5 g/kg und beim Rhesusaffen bei 0,75 g/kg. Es kann zudem zu Chromosomenaberationen in den Invitrosystemen führen. Für Nitrioanilin liegt der LD50 bei Nagetieren bei 1-3,6 mg/kg. Der LC0-Wert für diesen Stoff, das heißt die Konzentration im Wasser, bei der noch keine toxischen Effekte zu erwarten sind, liegt bei der Goldorfe bei 10 mg/L innerhalb von 48 Stunden.
Stickstoff hat von Natur aus zwei stabile Isotope. Inzwischen gibt es auch sechs instabile Isotope.
Der menschliche Körper besteht zu etwa 2,6% aus Stickstoff, einem Bestandteil aller Proteine und Nukleinsäuren. Es ist daher deutlich, dass es sich um ein essentielles Element handelt. Stickstoff ist Hauptbestandteil der Luft, die wir einatmen, und ein erhöhter Stickstoffgehalt dieser, kann höchstens zu Erstickung führen, da der Sauerstoffgehalt in diesem Fall automatisch geringer wird.
Der Mensch nimmt Stickstoff vor allem in Form von Proteinen auf. Diese können nicht gespeichert werden und werden, wenn sie gerade nicht benötigt werden, umgesetzt in Energie. Der Stickstoffteil wird hierbei über die Nieren unter anderem als Harnstoff ausgeschieden. Einen weiteren Teil des aufgenommenen Stickstoffs verliert der Körper über die Haut und den Magendarmtrakt. Bei einer Störung der Nierenfunktion kann es zu einer zu großen Belastung mit Abbauprodukten der Eiweiße kommen. Der Umrechnungsfaktor von Stickstoff zu Eiweiß beträgt 6,25, ist jedoch unabhängig davon, ob es sich um gut oder schlecht verwertbares Eiweiß handelt.
In Trinkwasser sind häufig Nitrate enthalten, von denen in Konzentrationen von weniger als 1000 mg/L noch keine Gesundheitsfolgen erwartet werden. Nitrate gelten im Allgemeinen selbst als relativ ungiftig, können aber bei zu hohen Konzentrationen zu den gefährlicheren Nitriten umgewandelt werden. Nitrite sind die giftigen Salze der Salpetersäure, die den Sauerstofftransport des Blutes behindern, da sie Hämoglobin in Methämoglobin umwandeln. Dies führt beim erwachsenen Menschen normalerweise höchstens zu Übelkeit und Magenbeschwerden. Für Säuglinge kann dies jedoch relativ schnell gefährlich werden und die sogenannte Blausucht, einen mangelnden Sauerstoffgehalt im Blut, hervorrufen.
Nitrite bilden zudem mit Aminen aus eiweißhaltigen Lebensmitteln die sogenannten Nitrosamine, die als krebserregend gelten. Durch die reduzierenden und antioxidativen Eigenschaften von Vitamin C kann dieser Reaktion möglicherweise vorgebeugt werden.
Beispiele für giftige Stickstoffverbindungen sind PAN, Verbindungen, die hundertmal giftiger sein können, als die Stickstoffverbindungen, aus denen sie entstehen, einige Nitrile und Nitriloverbindungen. NTA ist meist in Schwermetallkomplexen gebunden und wird daher im Magen weniger gut resorbiert. Dennoch kann es den Elektrolytstoffwechsel stören.
Stickstoffoxide spielen eine deutlich größere Rolle in der Luft, als im Trinkwasser. So können sie zu Erkrankungen der Luftwege führen. Auch die Dämpfe der Stickstoffwasserstoffsäure verursachen starke Reizungen, aber auch Pulsbeschleunigung und Kreislaufkollaps.
In kommunalen Kläranlagen können mit der ersten und zweiten Reinigungsstufe nur etwa 50% des vorhandenen Stickstoffs entfernt werden. Zur weiteren Behandlung hat man Prozesse mit Kalk und unterchloriger Säure getestet, die sich jedoch nicht bewährt haben. Deswegen wird in der dritten Reinigungsstufe die biologische Stickstoffentfernung angewendet. Diese besteht aus Nitrifiaktion und Denitrifikation.
Bei der Nitrifikation oxidieren Bakterien Ammoniumverbindungen, die aus der Eiweißzersetzung stammen, zu Nitraten auf. Hierfür muss ihnen ausreichend Sauerstoff zur Verfügung gestellt werden. Dies geschieht in Belebungsanlagen, wobei darauf geachtet werden muss, dass die Aufenthaltszeit in diesen ausreichend ist.
Genauer gesagt wird das Ammonium erst in Nitrit umgewandelt und dieses anschließend in Nitrat umgesetzt. Die Reaktionsgleichungen dieser Prozesse lauten: 2NH4+ + 3O2 -> 2NO2- + 2H2O + 4H+ - durch Nitrosomonas
2NO2- + O2 -> 2NO3- - durch Nitrobacter
Ein weiterer biologischer Prozess ist die Denitrifikation, bei der Bakterien vereinfacht gesagt Nitrat zu Stickstoff und Sauerstoff abbauen. Den Sauerstoff benutzen sie selbst, während der Stickstoff in die Luft abgegeben wird. Dieser Vorgang läuft nur ab, wenn den Bakterien kein freier Sauerstoff zur Verfügung steht. Normalerweise wird ihnen zudem eine Kohlenstoffquelle angeboten. Die genaue Reaktionsgleichung der Denitrifikation lautet dann etwa:
6NO3- + 5CH3OH -> 3N2 + 5CO2 + 7H2O + 6OH-
Die beiden Prozesse schließen sich jedoch wegen der benötigten anaeroben bzw. aeroben Bedingen gegenseitig aus, weswegen in der Kläranlage sowohl Bereiche für den einen, als für den anderen Prozess eingerichtet werden müssen. Sind dieser dritten Reinigungsstufe, die üblichen ersten beiden Reinigungsstufen vorgeschaltet, so können über 90% des Stickstoffs entfernt werden.
In Ländern wie Brasilien wird beispielsweise die Wasserhyazinthe in einer dritten Reinigungsstufe eingesetzt. Sie kann sowohl Stickstoff, als auch Phosphor aus Wasser entfernen (siehe auch Phosphor und Wasser). Gute Erfahrungen bei der Reinigung kleinerer Gewässer hat man mit Helophytenfiltern, dem gezielten Einsatz von Sumpfpflanzen, gemacht.
Ammoniak kann mit dem sogenannten Strippverfahren entfernt werden. Hierbei wird in Füllköperkolonnen mit Hilfe von Luft oder Dampf Ammoniak aus dem Abwasser ausgetrieben und in die Gasphase überführt.
Andere Stickstoffverbindungen, die normalerweise in kleineren Mengen vorhanden sind, können unterschiedlich gut entfernt werden. So ist etwa NTA unter aeroben Bedingungen in der Kläranlage gut abbaubar, während einige Sorten von Nitroanilin weder aerob noch anaerob abgebaut werden können.
Die üblichen ionischen Formen des Stickstoffs, nämlich NO3-, NO2- und NH4+, aber auch andere Stickstoffverbindungen, wie etwa Amine, können zudem mit Hilfe von Ionenaustauschern entfernt werden. Die Trinkwassernormen von WHO, EU und Deutschland geben alle eine maximale Nitratkonzentration von 50 mg/L vor. Was Nitrit angeht, so gilt in der EU allgemein, sowie auch in Deutschland ein Wert von 0,5 mg/L. Die WHO empfiehlt sogar ein Maximum von nur 0,2 mg/L. Für Ammonium werden in der EU, also auch in Deutschland, ebenso 0,5 mg/L hantiert. Quellenangaben
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