5.7 Нитраты

Нитраты представляют собой форму азота, которая встречается в нескольких различных формах в наземных и водных экосистемах. Эти формы азота включают аммиак (NH3), нитраты (NO3) и нитриты (NO2). Нитраты являются важными питательными веществами для растений, но в избыточных количествах они могут вызвать серьезные проблемы с качеством воды. Вместе с фосфором нитраты в избыточных количествах могут ускорить эвтрофикацию, вызывая резкое увеличение роста водных растений и изменение типов растений и животных, обитающих в ручье. Это, в свою очередь, влияет на растворенный кислород, температуру и другие показатели.Избыток нитратов может вызвать гипоксию (низкий уровень растворенного кислорода) и может стать токсичным для теплокровных животных при более высоких концентрациях (10 мг/л) и выше) при определенных условиях. Естественный уровень аммиака или нитратов в поверхностных водах обычно низкий (менее 1 мг/л); в стоках очистных сооружений она может достигать 30 мг/л.

Источниками нитратов являются очистные сооружения, стоки с удобренных газонов и пахотных земель, вышедшие из строя местные септические системы, стоки из хранилищ навоза и промышленные стоки, содержащие ингибиторы коррозии.

Вопросы отбора проб и оборудования

Нитраты из наземных источников попадают в реки и ручьи быстрее, чем другие питательные вещества, такие как фосфор. Это связано с тем, что они легче растворяются в воде, чем фосфаты, которые притягивают частицы почвы. В результате нитраты служат лучшим индикатором возможности источника загрязнения сточными водами или навозом в сухую погоду.

Вода, загрязненная органическими веществами, богатыми азотом, может иметь низкий уровень нитратов. Разложение органического вещества снижает уровень растворенного кислорода, что, в свою очередь, снижает скорость окисления аммиака до нитрита (NO2), а затем до нитрата (NO3). В таких обстоятельствах может возникнуть необходимость также контролировать нитриты или аммиак, которые значительно более токсичны для водных организмов, чем нитраты. (См. раздел «Стандартные методы» 4500-NH3 и 4500-NO2 для соответствующих методов определения нитритов; APHA, 1992 г.)

Пробы воды для проверки на содержание нитратов должны быть собраны в стеклянные или полиэтиленовые контейнеры, подготовленные с использованием Метода В во введении.

Волонтерские программы мониторинга обычно используют два метода тестирования нитратов: метод восстановления кадмием и нитратный электрод. Более широко используемый метод восстановления кадмием дает цветовую реакцию, которую затем измеряют либо путем сравнения с цветовым кругом, либо с помощью спектрофотометра.В некоторых программах также используется нитратный электрод, который может измерять нитраты в диапазоне от 0 до 100 мг/л. В настоящее время также доступен более новый метод колориметрического иммуноанализа для скрининга нитратов, который может быть применим для добровольцев.

Метод восстановления кадмия

Метод восстановления кадмием — это колориметрический метод, который включает контакт нитрата в образце с частицами кадмия, в результате чего нитраты превращаются в нитриты. Затем нитриты реагируют с другим реагентом, образуя красный цвет, интенсивность которого пропорциональна исходному количеству нитрата. Красный цвет затем измеряется либо путем сравнения с цветовым кругом со шкалой в миллиграммах на литр, которая увеличивается с увеличением цветового оттенка, либо с помощью электронного спектрофотометра, который измеряет количество света, поглощенного обработанным образцом при 543°. -нанометровая длина волны. Затем значение абсорбции преобразуется в эквивалентную концентрацию нитрата с использованием стандартной кривой. Методы получения стандартных растворов и стандартных кривых представлены в конце этого раздела.

Эта кривая должна создаваться программным консультантом перед каждым отбором проб. Кривая строится путем создания набора стандартных концентраций нитрата, взаимодействия с ними и получения соответствующего цвета, а затем построения графика зависимости поглощения для каждой концентрации от концентрации. Стандартная кривая также может быть сгенерирована для цветового круга.

Использование цветового круга целесообразно только в том случае, если концентрация нитратов превышает 1 мг/л. Для концентраций ниже 1 мг/л следует использовать спектрофотометр. Сопоставление цвета обработанного образца при низких концентрациях с цветовым кругом (или кубами) может быть очень субъективным и может привести к различным результатам. Однако цветовые компараторы можно эффективно использовать для выявления участков с высоким содержанием нитратов.

Этот метод требует, чтобы обрабатываемые образцы были прозрачными. Если образец мутный, его следует профильтровать через фильтр 0,45 мкм.Обязательно проверьте, не содержит ли фильтр нитратов. Если медь, железо или другие металлы присутствуют в концентрациях выше нескольких мг/л, реакция с кадмием будет замедлена, и время реакции придется увеличить.

Реагенты, используемые для этого метода, часто расфасованы для разных диапазонов в зависимости от ожидаемой концентрации нитратов в потоке. Например, компания Hach предлагает реагенты для следующих диапазонов: низкий (от 0 до 0,40 мг/л), средний (от 0 до 4,5 мг/л) и высокий (от 0 до 30 мг/л). Вы должны определить соответствующий диапазон для отслеживаемого потока.

Метод нитратного электрода

Нитратный электрод (используемый с измерителем) аналогичен по функциям измерителю растворенного кислорода. Он состоит из зонда с датчиком, измеряющим активность нитратов в воде; эта активность влияет на электрический потенциал раствора в зонде. Затем это изменение передается на счетчик, который преобразует электрический сигнал в шкалу, считываемую в милливольтах. Затем милливольты переводятся в мг/л нитрата путем построения их по стандартной кривой (см. выше). На точность электрода может повлиять высокая концентрация ионов хлорида или бикарбоната в пробе воды. Колебания уровня pH также могут повлиять на показания прибора.

Нитратные электроды и измерители стоят дороже по сравнению с полевыми комплектами, в которых используется метод восстановления кадмием. (Однако расходы сопоставимы, если вместо цветового круга используется спектрофотометр.) Стоимость комбинации измерителя и зонда составляет от 700 до 1200 долларов США, включая длинный кабель для подключения зонда к измерителю. Если в программе есть рН-метр, отображающий показания в милливольтах, его можно использовать с датчиком нитратов, и отдельный нитратометр не требуется. Результаты считываются непосредственно как миллиграммы на литр.

Хотя нитратные электроды и спектрофотометры можно использовать в полевых условиях, они имеют определенные недостатки.Эти устройства более хрупкие, чем компараторы цветов, и поэтому больше подвержены риску поломки в полевых условиях. Их необходимо тщательно обслуживать и калибровать перед каждым анализом проб и, если вы проводите много тестов, между выборками. Это означает, что образцы лучше всего тестировать в лаборатории. Обратите внимание, что образцы, которые будут тестироваться нитратным электродом, должны иметь комнатную температуру, тогда как цветовые компараторы можно использовать в полевых условиях с образцами при любой температуре.

Как собирать и анализировать образцы

Процедуры сбора и анализа проб на нитраты состоят из следующих задач:

ЗАДАНИЕ 1 Подготовьте контейнеры для образцов

Если для отбора проб используются запечатанные на заводе одноразовые пакеты Whirl-pak®, никакой подготовки не требуется. Повторно используемые контейнеры для образцов (и вся стеклянная посуда, используемая в этой процедуре) должны быть очищены перед первым запуском и после каждого отбора проб, следуя методу, описанному на стр. 128 в разделе Метод B. Не забудьте надеть латексные перчатки.

ЗАДАНИЕ 2 Подготовьтесь перед выездом на место отбора проб

Обратитесь к разделу 2.3 — Вопросы безопасности для получения подробной информации о подтверждении даты и времени отбора проб, соображениях безопасности, проверке расходных материалов, а также проверке погоды и указаний. Помимо стандартного оборудования для отбора проб и одежды, при анализе нитратного азота в полевых условиях необходимо следующее оборудование:

• Цветовой компаратор или полевой спектрофотометр с пробирками для образцов (для определения оптической плотности образца)
• Реагентные порошковые подушки (реагенты для окраски воды в красный цвет)
• Деионизированная или дистиллированная вода для ополаскивания пробирок с образцами между использованиями.
• Промывочная бутылка для воды для полоскания
• Бутыль для отходов с надежной крышкой для хранения использованных частиц кадмия, которые должны быть четко маркированы и возвращены в лабораторию, где кадмий будет надлежащим образом утилизирован.
• Емкость для смешивания с отметкой объема образца (обычно 25 мл) для удержания и перемешивания образца.
• Чистые безворсовые салфетки для очистки и сушки пробирок для образцов.

ЗАДАНИЕ 3 Собрать образец

Обратитесь к Задаче 2 в Главе 5 «Условия качества воды» для получения подробной информации о сборе проб с использованием бутылок с завинчивающимися крышками или пакетов Whirl-pak®.

ЗАДАНИЕ 4 Проанализируйте пробу в полевых условиях

Метод восстановления кадмия с помощью спектрофотометра

Ниже приводится общая процедура анализа пробы методом восстановления кадмием на спектрофотометре. Однако это не должно заменять инструкции производителя, если они отличаются от приведенных ниже шагов:

1. Налейте первый полевой образец в пробирку с ячейкой для образцов и вставьте его в ячейку для образцов спектрофотометра.
2. Запишите номер флакона в лабораторном листе.
3. Наденьте крышку на кювету для образца. Прочтите абсорбцию или концентрацию этого образца и запишите ее в полевом листе данных.
4. Вылейте образец обратно в бутыль для отходов для утилизации в лаборатории.

Метод восстановления кадмия с компаратором цвета

Чтобы проанализировать образец с использованием метода восстановления кадмия с помощью цветного компаратора, следуйте указаниям производителя и запишите концентрацию в полевом листе данных.

ЗАДАНИЕ 5 Верните образцы и листы полевых данных в лабораторию/пункт выдачи для анализа.

Образцы, отправляемые в лабораторию для анализа, должны быть проверены на нитраты в течение 48 часов после сбора. Храните образцы в темноте и на льду или в холодильнике.

ЗАДАНИЕ 6 Определить результаты (для спектрофотометрической оптической плотности или нитратного электрода) в лаборатории

Приготовление стандартных концентраций

Метод восстановления кадмия с помощью спектрофотометра

Сначала определите диапазон, который вы будете тестировать (низкий, средний или высокий). Для каждого диапазона вам нужно будет определить нижний предел, который будет определяться пределом обнаружения вашего спектрофотометра. Верхняя граница диапазона будет конечной точкой диапазона, который вы используете. Используйте стандартный раствор нитратного азота с соответствующей концентрацией для диапазона, в котором вы работаете. Раствор нитратного азота (NO3-N) с концентрацией 1 мг/л подходит для испытаний в низком диапазоне (от 0 до 1,0 мг/л).Стандартный раствор с концентрацией 100 мг/л подходит для тестов среднего и высокого диапазона. В следующем примере предполагается, что готовится набор стандартов для диапазона от 0 до 5,0 мг/л.

1. Установите шесть мерных колб вместимостью 25 мл (по одной для каждого стандарта). Пометьте колбы 0,0, 1,0, 2,0, 3,0, 4,0 и 5,0.
2. Налейте 30 мл стандартного раствора азота с концентрацией 25 мг/л в химический стакан на 50 мл.
3. Используйте мерные пипетки класса А на 1, 2, 3, 4 и 5 мл для переноса соответствующих объемов стандартного раствора нитрата азота в каждую мерную колбу на 25 мл следующим образом:

Анализ стандартных концентраций метода восстановления кадмия

Используйте следующую процедуру для анализа стандартных концентраций.

1. Добавьте подушки с порошком реагента к стандартным концентрациям нитратного азота.
2. Энергично встряхивайте каждую пробирку в течение не менее 3 минут.
3. Для каждой пробирки подождите не менее 10 минут, но не более 20 минут, чтобы продолжить.
4. «Обнулите» спектрофотометр, используя стандартную концентрацию 0,0 и следуя указаниям производителя. Запишите абсорбцию как «0» в колонке абсорбции в лабораторном листе. Трижды промойте кювету для образца дистиллированной водой.
5. Считайте и запишите абсорбцию стандартной концентрации 1,0 мг/л.
6. Трижды промойте пробирку с кюветой для образцов дистиллированной или деионизированной водой. Не прикасайтесь к нижней части пробирки с кюветой. Протрите чистой безворсовой салфеткой. Убедитесь, что нижняя часть пробирки с кюветой для образцов чистая и на ней нет пятен или капель воды.
7. Повторите шаги 3 и 4 для каждого стандарта.
8. Подготовьте калибровочную кривую и переведите абсорбцию в мг/л следующим образом:
   • Начертите на миллиметровой бумаге график зависимости поглощения от концентрации: (а) Начертите вертикальную ось (у) и обозначьте ее как «поглощение». Отметьте эту ось с шагом 1,0 от 0 настолько высоко, насколько позволит миллиметровка.(b) Начертите горизонтальную ось (x) и обозначьте ее как «концентрация: мг/л в виде нитратного азота». Отметьте эту ось концентрациями стандартов: 0,0, 1,0, 2,0, 3,0, 4,0 и 5,0.
   • Нанесите на график абсорбцию стандартных концентраций.
   • Проведите наиболее подходящую прямую через эти точки. Линия должна касаться (или почти касаться) каждой из точек. Если это не так, результаты этой процедуры недействительны.
   • Для каждого образца найдите поглощение по оси «y», прочтите по горизонтали линию, а затем переместитесь вниз, чтобы прочитать концентрацию в мг/л в виде нитратного азота.
   • Запишите концентрацию в лабораторном листе в соответствующей колонке.

Для нитратного электрода

Стандарты готовят с использованием стандартных растворов нитратов с концентрацией 100 и 10 мг/л в качестве нитратного азота (NO3-N). Все ссылки на концентрации и результаты в этой процедуре будут выражены в мг/л как NO3-N. Будут приготовлены восемь стандартных концентраций:

Используйте следующую процедуру:

1. Установите восемь мерных колб вместимостью 25 мл (по одной для каждого стандарта). Пометьте колбы 100,0, 10,0, 1,0, 0,8, 0,4, 0,32, 0,2 и 0,12.
2. Чтобы приготовить стандарт 100,0 мг/л, налейте 25 мл стандартного раствора нитрата 100 мг/л в колбу с маркировкой 100,0.
3. Чтобы приготовить стандарт 10,0 мг/л, налейте 25 мл стандартного раствора нитрата 10 мг/л в колбу с маркировкой 10,0.
4. Для приготовления стандарта с концентрацией 1,0 мг/л используйте пипетку на 10 или 5 мл, чтобы отмерить 2,5 мл стандартного раствора нитрата с концентрацией 10 мг/л в колбу с маркировкой 1,0. Заполните колбу 22,5 мл дистиллированной деионизированной воды до линии заполнения. Промойте пипетку деионизированной водой.
5. Для приготовления стандарта с концентрацией 0,8 мг/л используйте пипетку на 10 или 5 мл или мерную пипетку на 2 мл и отмерьте 2 мл стандартного раствора нитрата с концентрацией 10 мг/л в колбу с маркировкой 0,8. Заполните колбу примерно 23 мл дистиллированной деионизированной воды до линии заполнения. Промойте пипетку деионизированной водой. 6.Для приготовления стандарта 0,4 мг/л используйте пипетку на 10 или 5 мл или мерную пипетку на 1 мл, чтобы отмерить 1 мл стандартного раствора нитрата с концентрацией 10 мг/л в колбу с маркировкой 0,4. Заполните колбу примерно 24 мл дистиллированной деионизированной воды до линии заполнения. Промойте пипетку деионизированной водой.
6. Чтобы приготовить стандарты с концентрацией 0,32, 0,2 и 0,12 мг/л, следуйте шагу 4, чтобы приготовить стандартный раствор объемом 25 мл с концентрацией 1,0 мг/л. Перенесите это в стакан. Перенесите пипеткой следующие объемы в мерные колбы с соответствующей маркировкой:

Анализ стандартных концентраций нитратного электрода

Используйте следующую процедуру для анализа стандартных концентраций.

1. Перечислите стандартные концентрации (100,0, 10,0, 1,0, 0,8, 0,4, 0,32, 0,2 и 0,12) в разделе «бутылка №» в лабораторном листе.
2. Подготовьте калибровочную кривую и переведите ее в мг/л следующим образом:
   • Нанесите показания поглощения или мВ для стандартов 100, 10 и 1 мг/л на полулогарифмической миллиметровой бумаге с концентрацией на логарифмической оси (x) и поглощением или милливольтами (мВ) на линейной (y) ось. Для кривой нитратного электрода должна получиться прямая линия с наклоном 58 – 3 мВ/декада при 25°С. То есть измерения стандартных растворов с концентрацией 10 и 100 мг/л должны отличаться друг от друга не более чем на 58 ± 3 мВ.
   • Нанесите показания поглощения или мВ для стандартов 1,0, 0,8, 0,4, 0,32, 0,2 и 0,12 мг/л на полулогарифмической миллиметровой бумаге с концентрацией на логарифмической оси (x) и милливольтами (мВ). ) на линейной (y) оси. Для нитратного электрода результатом здесь должна быть изогнутая линия, поскольку отклик электрода при этих низких концентрациях не является линейным.
   • Для нитратного электрода перекалибруйте электроды несколько раз в день, проверяя показание мВ стандартов 10 мг/л и 0,4 мг/л и регулируя контроль калибровки на измерителе до тех пор, пока снова не отобразится показание на калибровочной кривой.

использованная литература

АПХА. 1992. Стандартные методы исследования воды и сточных вод. 18-е изд. Американская ассоциация общественного здравоохранения, Вашингтон, округ Колумбия.