Stikstof (N) en water

Het stikstofgehalte (opgeloste anorganische stikstofverbindingen zonder N₂) in zeewater ligt bij tot 0,5 ppm en is aan het oppervlak met slechts ongeveer 0,1 ppb duidelijk lager dan in de diepzee. Ook de concentratie in rivierwater varieert heel sterk, maar ligt over het algemeen bij circa 0,25 ppm.
Binnen de anorganische vormen van het element zijn er afhankelijk van de eigenschappen van het water verschillen te vinden. Zo is stikstof in aërobe wateren vooral in vorm van N₂ en NO₃^- aanwezig en komt afhankelijk van de milieucondities eventueel ook als N₂O, NH₃, NH₄⁺, HNO₂, NO₂^- en HNO₃ voor.
In kustgebieden is vooral het elementaire stikstofgas (N₂) te vinden. Dit is ook geen verrassing, als men erover nadenkt dat de lucht tot 78% uit stikstof bestaat en het luchtcontact aan de kust door golfbewegingen en de geringe diepte van het water redelijk hoog is.
De grootste rol in biochemische processen speelt vooral de aanwezigheid van ammonium, nitraat en nitriet, maar ook van organische stikstofverbindingen in wateren. Het totale stikstof geeft de som van organische en anorganisch stikstofverbindingen aan. Bij afvalwater wordt meestal het kjeldahl-stikstof als meetgegeven gebruikt. De TKN-waarde (Total Kjeldahl Nitrogen) geeft de concentratie aan totale stikstof aan die in dit geval de som van organisch gebonden stikstof en ammoniumstikstof is (TKN = org.N + NH₄-N [mg/L]). Stikstof komt in het afvalwater bijna alleen in deze vorm voor. Na een biologische afvalwaterbehandeling is vooral de geoxideerde vorm nitriet te vinden.
 

Hoe en in welke verbindingen reageert stikstof met water?

Stikstofgas reageert niet met water, maar lost erin op.
 

Oplosbaarheid van stikstof en/of zijn verbindingen in water

De oplosbaarheid van stikstof in vorm van N₂ in water bij 20^oC en 1 bar ligt bij circa 20 mg/L. De oplosbaarheid van stikstofverbindingen kan heel verschillend zijn. Zo is bijvoorbeeld stikstof(I)oxide tot 1,12 g/L en nitriloacetaat (zout) tot zelfs 640 g/L oplosbaar, terwijl stikstofchloride in water onoplosbaar is. Ook nitraten en ammoniak zijn goed in water oplosbaar.

Oplosbaarheid en waardoor deze beïnvloed kan worden

Hoe kan stikstof in water terechtkomen?

Stikstof komt voor een groot deel door agrarische processen in het milieu en dus ook in water terecht. Een heel grote rol spelen hierbij meststoffen die het element vooral in vorm van nitraat, maar ook van ammoniak, ammonium, ureum en amiden bevatten. De belangrijkste stikstofmeststoffen zijn waarschijnlijk NaNO₃ (chilisalpeter) en NH₄NO₃ (ammoniumnitraat). Na de bemesting wordt slechts een relatief klein deel, namelijk 25-30%, van het stikstof door planten opgenomen. De rest komt via de bodem in grond- en oppervlaktewater terecht, omdat vooral nitraten heel goed oplosbaar zijn. Ook door de bio-industrie wordt erg veel stikstof geëmitteerd. In organisch mest komt het voor een groot deel in vorm van eiwitverbindingen, ureum of amiden voor, die verschillend goed opgenomen kunnen worden. Guano geldt als heel goede natuurlijke meststof. Ten slotte is stikstof bestanddeel van verschillende pesticiden en wordt op deze manier op landbouwgrond verdeeld.
Stikstofverbindingen worden ook in verschillende andere industrieën gebruikt. Zo wordt het meeste stikstof ervoor benut om ammoniak met behulp van het Haber-Bosch-proces te synthetiseren. Hiervan kunnen dan weer stikstofoxiden, zoals N₂O, het in de anesthesie gebruikte lachgas, geproduceerd worden. Ook salpeterzuur, ureum, hydrazine en aminen zijn producten uit de stikstofindustrie, zoals de boven genoemde meststoffen. Stikstofverbindingen komen bovendien als tussenproducten bij de productie van kleurstoffen en kunststoffen vrij.
Vloeibaar stikstof wordt in grote hoeveelheden gebruikt om voedingsmiddelen in te vriezen. Hetzelfde principe wordt bij het diepvriezen van biologische monsters en preparaten toegepast. Bovendien is het vloeibare element interessant voor de ontwikkeling van supergeleiders van specialkeramiek.
Als beschermend gas dient stikstof bijvoorbeeld bij het lassen en in de halfgeleiderproductie. Als drijfgas wordt het in spuitbussen en brandblussers ingezet. N₂O₄ is een oxidator in rakettenbrandstof. Ook is het element bestanddeel van springstoffen en wordt het bijvoorbeeld in de mijnbouw benodigd.
Een niet te onderschattende hoeveelheid stikstof is ook in huishoudelijk afvalwater te vinden. De hoeveelheid is hierbij afhankelijk van het eiwitverbruik van de bevolking. Meestal bestaat ongeveer een derde van de stikstofvracht uit organische stikstofverbindingen, waarbij het vooral om ureum gaat. De rest zijn ammoniumzouten. Het aandeel aan nitraten en nitrieten in huishoudelijk afvalwater ligt normaal niet boven de 3%. De afbraakproducten na de gebruikelijke eerste twee trappen van de rioolwaterzuiveringsinstallatie zijn vooral ammonium en nitraat.
Nitraten en nitrieten worden ook als voedingsmiddeladditieven gebruikt om bijvoorbeeld de rode kleur van vlees te conserveren en toxinevorming te voorkomen.
In vorm van NTA (nitrilotriacetaat) wordt het element als fosfaatvervanger toegevoegd aan wasmiddel. Ten slotte kan stikstof uit afvalstortplaatsen in water en bodem terechtkomen.
Natuurlijk is er ook een natuurlijke stikstofcyclus die de aanwezigheid van een groot deel van stikstof in bodem, water en lucht kan verklaren.

Welke milieuproblemen kunnen door waterverontreiniging met stikstof ontstaan?

Stikstof is een essentieel element voor alle organismen, omdat het bestanddeel van alle proteïnen en nucleïnezuren is. Zo bestaan planten tot ongeveer 7,5% (drogestofgehalte) uit dit element. Stikstof is voor planten heel belangrijk en komt in de lucht in grote hoeveelheden voor. Toch kan het in deze elementaire vorm niet worden opgenomen. Het moet eerst in een andere vorm, vooral als nitraat, worden gebonden. Bij de zogenoemde nitrificatie kunnen bacteriën ammoniak in nitriet en nitriet in nitraat omwandelen. Hierbij komt energie vrij en het eindproduct is een van de belangrijkste bronnen voor het normale nitraatgehalte van de grond, waarop ten slotte ook hogere planten kunnen groeien.
Bij een bijkomende nitraatbemesting is meteen een hoger nitraatgehalte in de beplanting te meten. Een aantal planten, zoals bijvoorbeeld spinazie, accumuleren deze verbinding zelfs. Worden stikstofhoudende meststoffen buiten de groeiperiode gebruikt, is dit compleet nutteloos en heeft het zelfs negatieve effecten op het milieu. De meststof kan niet opgenomen en ook niet geïmmobiliseerd worden. Daarom komt hij snel in grond- en drinkwater terecht. Het verspreidingspotentiaal van nitraat geldt als hoog.
Een aantal planten zijn redelijk gevoelig voor NO₂. In de vorm van HNO₃ is stikstof een belangrijk bestanddeel van neerslagwater. Samen met H₂SO₄ veroorzaakt hij de zogenoemde zure regen die negatieve gevolgen voor bodem en planten heeft.
Omdat stikstof dus een essentieel bestanddeel van proteïnen is, is het ook in dierlijk weefsel in grote hoeveelheden aanwezig. In elementaire vorm heeft het geen directe werking op warmbloedige organismen. Dat hogere stikstofconcentraties in de ademlucht tot verstikking kunnen leiden, ligt waarschijnlijk eerder eraan dat het zuurstofgehalte in de ademlucht in dit geval lager is.
Stikstof zelf geldt ook niet als waterbedreigend stof en veroorzaakt dus algemeen geen milieuschade. In de zee functioneren nitraten, nitrieten en ammoniumverbindingen als voedingszouten voor plankton, waardoor aan het oppervlak van het water duidelijk minder stikstofverbindingen aanwezig zijn dan in de diepte. Bij een stijgend stikstofgehalte in de bovenste waterlagen, stijgt ook de productie van het plankton en de zogenoemde algenbloei kan ontstaan. Dit geldt ook voor andere wateren. Grote hoeveelheden aan stikstof die onder neutrale en aërobe omstandigheden vooral als nitraat voorkomt, kunnen zo dus eutrofiering veroorzaken, dat betekent een te grote verzorging met voedingsstoffen die vaak in zuurstoftekort en vissterfte resulteert (zie ook Zuurstof en water). Vaak is dit van minder groot belang, omdat normaal fosfor de rol van de minimumfactor inneemt. Op die manier limiteert het stikstofgehalte niet de algengroei, maar deze kunnen zich vaak toch niet verspreiden, omdat hun groei door het fosforvoorkomen wordt beperkt. Deze natuurlijke toestand komt inmiddels niet meer in alle wateren voor (zie ook Fosfor en water).
Als er te weinig zuurstof in het water beschikbaar is, wordt nitraat vaak gereduceerd tot elementair stikstof of N₂O. Door deze zogenoemde denitrificatie kunnen dus gebonden zuurstofreserves vrijkomen, als het zuurstofgehalte op nul daalt. In sommige gevallen kan nitraat biologisch zelfs tot ammonium gereduceerd worden. Aan de andere kant kunnen ammoniumverbindingen het zuurstofgehalte van oppervlaktewateren verminderen, omdat zij via nitriet tot nitraat geoxideerd worden. Al kleine concentraties aan vrij ammoniak of nitriet kunnen vistoxisch zijn.
Ook de door bacteriën uitgevoerde nitrificatie kan in wateren optreden en een belangrijke rol spelen. Hierbij wordt ammoniak tot nitriet en nitriet tot nitraat geoxideerd. Zo wordt het nitrietgehalte verminderd, wat positief voor hogere planten is, omdat nitriet voor deze bij lage pH-waardes giftig is.
NO_x-verbindingen reageren met water tot goed oplosbaar HNO₃. Op deze manier kunnen oceanen het gehalte aan stikstofoxiden in de atmosfeer reduceren. PAN-verbindingen (PeroxyAcetylNitraat) ontstaan door milieuverontreinigingen op het land, maar kunnen in de troposfeer over grote afstanden ook over de oceanen worden getransporteerd en tot NO_x afgebroken worden. Dit reageert wederom zoals boven beschreven.
Er zijn ook voorbeelden voor stikstofverbindingen die door hun toxiciteit opvallen. Zo kan het meestal in complexen met zware metalen gebonden NTA de elektrolytstofwisseling verstoren en bijvoorbeeld bij de rat vanaf een dosering van 14 mg/kg beschadigingen van de nieren veroorzaken. De LD₅₀-waarde die de dosering aangeeft, waarbij 50% van een populatie sterft, ligt voor NTA bij de rat bij 1,5 g/kg en bij de resusaap bij 0,75 g/kg. Ook kan het tot chromosoomaberraties in de in vitro systemen leiden. Voor nitrioaniline ligt de LD₅₀ bij knaagdieren bij 1-3,6 mg/kg. De LC₀-waarde voor dit stof, dat betekent de concentratie in water, waarbij nog geen toxische effecten te verwachten zijn, ligt voor de goudwinde bij 10 mg/L binnen 48 uur.
Stikstof heeft van nature twee stabiele isotopen. Inmiddels zijn er ook zes instabiele isotopen.
 

Welke gezondheidseffecten kan stikstof in water veroorzaken?

Het menselijke lichaam bestaat tot ongeveer 2,6% uit stikstof, een bestanddeel van alle proteïnen en nucleïnezuren. Daarom is het ook duidelijk dat het hierbij om een essentieel element gaat. Stikstof is hoofdbestanddeel van de lucht die we inademen, en een verhoogd stikstofgehalte van deze kan hooguit verstikking als gevolg hebben, omdat het zuurstofgehalte in dit geval automatisch lager wordt, maar niet door stikstof zelf.
De mens neemt stikstof vooral in vorm van proteïnen op. Deze kunnen niet worden opgeslagen en worden daarom, als ze niet worden benodigd, in energie omgezet. Het stikstofgedeelte wordt hierbij  via de nieren onder andere als ureum uitgescheiden. Een ander deel van het opgenomen stikstof raken wij via de huid en het maagdarmstelsel kwijt. Bij een storing van de nierenfunctie kan een grote belasting met afbraakproducten van eiwitten ontstaan. De omrekeningsfactor van stikstof naar eiwit is 6,25. Deze waarde geeft echter niet aan of het om goed of slecht verteerbaar eiwit gaat.
In drinkwater zijn vaak nitraten aanwezig, waarvan in concentraties van minder dan 1000 mg/L nog geen gezondheidseffecten worden verwacht. Nitraten worden vaak sowieso als ongiftig beschouwd, maar kunnen bij te hoge concentraties in het lichaam in gevaarlijkere nitrieten omgewandeld worden. Nitrieten zijn de giftige zouten van het salpeterzuur die door de verandering van hemoglobine in methemoglobine het zuurstoftransport in het bloed verstoren. Dit leidt bij volwassenen normaal hooguit tot misselijkheid een maagklachten. Voor baby’s kan het echter vrij snel gevaarlijk worden en cyanose, een zuurstoftekort in het bloed, veroorzaken.
Ook vormen nitrieten samen met aminen afkomstig van eiwithoudende voedingsmiddelen de zogenoemde nitrosaminen die als kankerverwekkend gelden. Door de reducerende en antioxidatieve eigenschappen van vitamine C kan deze reactie eventueel voorkomen worden.
Voorbeelden voor giftige stikstofverbindingen zijn PAN-verbindingen, verbindingen die honderd keer giftiger kunnen zijn dan de stikstofverbindingen waaruit zij ontstaan, een aantal nitrilen en nitriloverbindingen. NTA is meestal in complexen met zware metalen gebonden en wordt daarom in de maag minder goed geresorbeerd. Toch kan het de elektrolytstofwisseling verstoren.
Stikstofoxiden spelen een duidelijk grotere rol in de lucht dan in het water. Zo kunnen zij ziektes van de ademhalingsorganen veroorzaken. Ook de dampen van het stikstofwaterstofzuur kunnen voor sterke irritaties zorgen evenals voor hartkloppingen en collaps.

Welke waterzuiveringstechnologieën kunnen gebruikt worden om stikstof te verwijderen?

In rioolwaterzuiveringsinstallaties kunnen met behulp van de eerste twee zuiveringstrappen slechts circa 50% van het aanwezige stikstof worden verwijderd. Voor een vervolgbehandeling heeft men processen met kalk en onderchlorig zuur (HOCl) getest. Deze bleken echter niet heel effectief te zijn. Daarom wordt tijdens de derde trap de biologische stikstofverwijdering toegepast. Deze bestaat uit nitrificatie en denitrificatie.
Bij de nitrificatie oxideren bacteriën ammoniumverbindingen die uit eiwitafbraakprocessen afkomstig zijn, tot nitraten. Hiervoor moet voldoende zuurstof beschikbaar zijn. Dit gebeurt met behulp van beluchtinginstallaties. Men moet erop letten dat zich het water lang genoeg in dit proces bevindt, de verblijftijd dus voldoende is.
Eigenlijk wordt ammonium eerst in nitriet en dit vervolgens in nitraat omgezet. De reactievergelijkingen van deze processen zien eruit als volgt:

2NH₄⁺ + 3O₂ -> 2NO₂^- + 2H₂O + 4H⁺       - door nitrosomonas
2NO₂^- + O₂ -> 2NO₃^-                           - door nitrobacter

Een ander biologisch proces is de denitrificatie, waarbij bacteriën, op een simpele manier beschouwd, nitraat tot stikstof en zuurstof afbreken. Het zuurstof gebruiken zij zelf, terwijl het stikstof in de lucht belandt. Dit proces vindt alleen plaats, als voor de bacteriën geen vrij zuurstof beschikbaar is. Normaal wordt bovendien een koolstofbron toegevoegd. De precieze reactievergelijking van de denitrificatie is dan bijvoorbeeld:

6NO₃^- + 5CH₃OH -> 3N₂ + 5CO₂ + 7H₂O + 6OH^-

Omdat een van de processen alleen onder anaërobe condities en het andere alleen onder aërobe omstandigheden plaatsvindt, sluiten zij elkaar uit. Daarom moeten in een rioolwaterzuiveringsinstallatie gebieden voor het ene en voor het andere proces worden ingericht. Als voor deze derde trap de eerste twee trappen hebben plaatsgevonden, kunnen meer dan 90% van de stikstof worden verwijderd.
In sommige landen zoals Brazilië worden bijvoorbeeld waterhyacinten in een derde tap ingezet. Zij kunnen zowel stikstof als fosfor uit water verwijderen. Goede ervaringen bij de zuivering van kleinere oppervlaktewateren heeft men met helofytenfilters gemaakt.
Ammoniak kan met het zogenoemde stripproces verwijderd worden. Hierbij wordt met behulp van lucht of stoom ammoniak uit het afvalwater gehaald, door het in een gasvormige toestand te brengen.
Andere stikstofverbindingen die normaal in kleinere hoeveelheden aanwezig zijn, kunnen verschillend goed verwijderd worden. Zo is bijvoorbeeld NTA onder aërobe omstandigheden in de rioolwaterzuiveringsinstallatie goed afbreekbaar, terwijl een aantal soorten van nitroaniline nog aëroob nog anaëroob afgebroken kunnen worden.
De normale ionische vormen van stikstof, namelijk NO₃^-, NO₂^- en NH₄⁺, maar ook andere stikstofverbindingen, zoals bijvoorbeeld aminen, kunnen bovendien met behulp van ionenwisselaars worden verwijderd.

De drinkwaternormen van WHO, EU en het Nederlandse Waterleidingbesluit komen overeen wat betreft de maximale nitraatconcentratie en noemen een maximale waarde van 50 mg/L. Wat betreft nitriet zo hanteert de WHO een maximumwaarde van 0,2 mg/L, terwijl de EU zelfs 0,5 mg/L toestaat. Het Nederlandse beleid is hier strenger en geeft een maximale nitrietconcentratie van slechts 0,1 mg/L voor. Ook bij de drinkwaternorm voor ammonium is Nederland strenger dan de EU. In plaats van 0,5 mg/L zijn slechts 0,2 mg/L toegestaan.

Vergelijking drinkwaternormen

Literatuurverwijzingen

Terug naar het periodiek systeem der elementen

Terug naar de overzicht van elementen en water