Методы определения количества нитратов и нитритов в питьевой воде

Образование, транспорт и аккумуляция  нитратов в компонентах биосферы является одним из этапов природного цикла азота, тесно связанного с совокупностью процессов, вовлекающих в круговорот и другие азотсодержащие соединения. Принципиальным механизмом образования и накопления нитратов в наземных и водных экосистемах служит процесс нитрификации. Интенсивность нитрификации отражает в определенной мере уровень плодородия почвы и может быть лимитирующим фактором продуктивности агроценозов. При благоприятных для нитрификации почвенно-экологических условиях возрастает вероятность потерь азота из почвы в результате вымывания и денитрификации, что ограничивает потенциальную продуктивность растений и несет угрозу эколого-санитарному состоянию природных вод, либо приводит к накоплению нитратов в урожае растений в количествах, опасных для здоровья человека и животных.

В свою очередь скорость образования  нитратов и уровень их содержания косвенно зависит от процессов фиксации молекулярного азота и аммонификации органических соединений, связывания нитратного азота высшими растениями или микроорганизмами и денитрификации.

Образование нитратов в атмосфере  происходит в ходе различных фотохимических и термических реакций, в которые вовлекаются молекулярный азот и его окислы природного и антропогенного происхождения.

В ходе биологической фиксации азота происходит восстановление молекулярного азота нитрогеназным комплексом растений до аммония, который включается в состав органических азотсодержащих соединений. Хотя этот процесс не приводит к прямому образованию нитратов, азотфиксация является основным источником пополнения азотного фонда наземных и водных экосистем, в результате чего поддерживается достаточно стабильный баланс азота в биосфере. Биологическую азотфиксацию осуществляют организмы, имеющие ферментный комплекс нитрогеназы [29].

Нитрогеназа – димер, состоящий из двух полипептидов:

- высокомолекулярный компонент,  который содержит железо-молибденовые  белки;

- низкомолекулярный компонент,  который содержит белок связанный  с железом.

Наличие молибдена будет определять интенсивность азотфиксации. Ежегодно путем фиксации 17·10¹⁰ кг молекулярного азота превращается в аммонийный азот.

Другим источником пополнения азотных соединений почвы является жизнедеятельность так называемых азотобактерий, способных усваивать  атмосферный азот. Фиксация атмосферного азота осуществляется клубеньковыми бактериями по схеме:

2N₂ + 6H₂O + 3C = 4NH₃ + 3CO₂

(C – углерод органических соединений) [36].

Формирование пула подвижных и  доступных растениям форм азота  осуществляется в ходе аммонификации и нитрификации (минерализации). Минерализация представляет собой процесс последовательного разложения органических азотсодержащих соединений аэробными и анаэробными микроорганизмами, грибами, актиномицетами при участии продуцируемых ими ферментов до CO₂, H₂O и NH₃ [29].

Трансформация (аммонификация) белковых компонентов гумуса, растительных остатков, отмерших тел микроорганизмов и животных, органических удобрений осуществляется посредством расщепления их протеазами до пептонов и полипептидов и дальнейшего гидролиза до аминокислот, из которых в ходе дезаминирования образуется аммиак:

           R                     R                      R                                                            R

H₂N–CH–CO–(NH–CH–CO)_n–NH–CH–COOH + (n+1)H₂O = (n+2) NH₂–CH–COOH

                                               R                    _{ферменты}

NH₂–CH–COOH        ^[2Н]        NH₃↑ + R–CH₂–COOH

В таком виде азот хорошо поглощается  почвой и может быть непосредственно усвоен корнями растений [24].

Микробиологическое окисление  аммония до нитритов и нитратов имеет огромное агроэкологическое значение. С одной стороны этот процесс обеспечивает переход азота в наиболее доступную растениям форму и тем самым определяет уровень плодородия почвы, а с другой – создает условия для распределения избыточных количеств нитратов в окружающей среде. Нитрификация является двухступенчатым процессом, обе стадии которого осуществляются аэробными облигатными микроорганизмами, которые получают необходимую энергию в ходе окисления восстановленных форм азота и строят вещества клетки из углекислоты. Нитрификация осуществляется в основном микробами видов Nitrosomonas и Nitrobachter, окисляющими аммиак соответственно до нитрита и нитрит до нитрата. Первая стадия процесса включает в себя окисление аммония до азотистой кислоты:               

NH₃ → NH₂OH → HO–N=N–OH → HO–NO

Гидроксиламин и азотноватистая кислота  являются промежуточными соединениями, в которых азот имеет формальное состояние окисления соответственно –1 и +1.

Проще процесс окисления аммиака можно  записать следующим образом:

2NH₃ + 3O₂ = 2HNO₂ + 2H₂O + Q

На первой стадии процесса, наряду с основным продуктом – нитритом, возможно образование газообразных соединений азота (NO и N₂O):

2HNO₂ = NO↑ + NO₂↑ + H₂O

На второй стадии процесса нитрификации происходит окисление HNO₂ в HNO₃:

2HNO₂ + O₂ = 2HNO₃ + Q

Вначале нитрит подвергается гидратации, а затем окисляется и  дегидратируется по схеме [24]:

                 OH     +1/2O₂

HO–N=O → HO–N=O     →    HO–N=O

                          OH    - H₂O         O

Азотная кислота, вступая в реакцию с находящимися в почве солями угольной кислоты, например, с углекислым кальцием, образует селитру:

2HNO₃ + CaCO₃ = Ca(NO₃)₂ + CO₂↑ + H₂O

Экологически важным звеном азотного цикла является процесс иммобилизации минерального азота, в ходе которого нитраты трансформируются в органические соединения, поглощаются растениями и тем самым удерживаются в пределах экосистемы. Иммобилизация в более узком смысле представляет собой ассимиляцию неорганического азота микроорганизмами и химическое его связывание органическим веществом.

С физиологической точки зрения усвоение азота растениями представляет собой систему последовательных стадий, включающих поглощение нитратов и аммония корнями, транспорт минеральных и органических соединений в надземные органы, где завершается процесс превращения минерального азота в органическую форму, и включения экзогенного азота в синтез высокомолекулярных соединений белковой природы. В результате биотрансформации нитратов образуются нитриты, оксиды азота, гидроксиламин и аммиак, которые в дальнейшем идут на синтез аминокислот:

NO₃^-   → NO₂^-  → NO^-  → NH₂OH  → NH₃

                           NH_{3                                               поликонденсация}

α-кетокислоты   →   α-аминокислоты        →      белки

            [2Н]

R–C–COOH  +  NH₃                   R–CH–COOH

                                  O                                 - Н₂О       NH₂

           R                              R                                                 R                     R                                                            

H₂N–CH–COOH  +  H₂N–CH–COOH                       NH₂–CH–CO–NH–CH–COOH + H₂O

  Усвоение азота растениями тесно связано с основными процессами, протекающими в растительном организме (дыхание, фотосинтез, синтез углеводов и белков и др.) и генетически закрепленными функциями отдельных органов [19].

В отличие от аммония  нитраты почти не адсорбируются  почвой и также не связываются  ею химически. Почти весь не потребленный растениями или микроорганизмами (биологическое поглощение) нитратный азот уносится водой из разделов пахотного слоя. На почвах легкого механического состава не исключена даже потеря селитры путем вымывания в грунтовые воды, реки и океан [11].

Основным процессом удаления нитратов из наземных и водных экосистем в виде газообразных соединений является денитрификация. Процесс осуществляется в анаэробных условиях в присутствии бактерий – денитрификаторов Pseudomonas и Microconus:

5[CH₂O] + 4NO₃^- + 4H⁺ → 2N₂↑ + 5CO₂↑ + 7H₂O,

где [CH₂O] обозначает органическое вещество [21].

Бактерии при недостаточном  доступе кислорода отнимают кислород от солей азотной кислоты, разрушая их с выделением свободного азота. Деятельность этих денитрифицирующих бактерий приводит к тому, что часть связанного азота из доступной для земных растений формы (нитраты) переходит в недоступную (свободный азот). Основным и конечным продуктом денитрификации является молекулярный азот. Оксиды азота представляют промежуточные продукты денитрификации:

HNO₃ → HNO₂ → H₂N₂O₂ → N₂O → N₂

NO₃^- → NO₂^- → NO → N₂O → N₂

Таким образом, восстановление нитратов до газообразных соединений в ходе денитрификации является природным  барьером на пути их передвижения в  окружающей среде и представляют собой естественно природное  уменьшение  концентрации нитратов в природных объектах.

Образование нитратов в атмосфере  происходит в ходе различных фотохимических и термических реакций, в которые вовлекаются молекулярный азот и его оксиды природного и антропогенного происхождения. Оксиды азота и аммиак поступают в атмосферу в результате естественных процессов – микробиологических превращений азота в почве водоемах, вулканических извержений, разряде молний, а также в ходе хозяйственной деятельности человека. Подвергаясь различным превращениям в атмосфере, оксиды азота и аммиак играют главную роль в образовании смога, вызывают разрушение озонового экрана и могут быть источниками для образования нитратов, которые выпадают с осадками и пылью на поверхность почвы или водоемов [29].

В атмосфере происходят следующие реакции образования NO и NO₂:

N₂ → N· + N·

N· + O₂ → NO + O·

O· + N· → NO

2NO + O₂ = 2NO₂

NO + O₃ = NO₂↑ + O₂↑

Оксиды азота поступают из атмосферы  в наземную и водную экосистемы путем  поглощения N₂O некоторыми видами микроорганизмов, адсорбции NO и NO₂ из воздуха растениями и, в основном, в связанном состоянии (NO₃^-) с осадками и пылью. Основной механизм образования нитратов заключается в образовании азотной кислоты при взаимодействии диоксида азота с гидроксильными радикалами, образующимися при фотолизе воды:

NO₂ + OH^- → HNO₃

Азотная кислота может находиться в парообразном либо в конденсированном виде. Нитраты могут образовываться при взаимодействии аммиака с парообразной азотной кислотой:

NH₃ + HNO₃ = NH₄NO₃,

Легкодиссоциирующий продукт реакции NH₄NO₃ адсорбируется на поверхности атмосферной пыли и в последующем смывается или вымывается атмосферными осадками. Не исключается возможность химического окисления аммиака до гидроксиламина и далее до окиси азота и азотной кислоты или в результате микробиологического превращения аммиака на поверхности пылевидных частиц до нитритов и нитратов [29, 36].

Таким образом, в природе  совершается непрерывный круговорот азота.

I.2.2. Химия нитратов и нитритов

Нитраты – соли азотной кислоты. Существуют как в виде безводных солей, так и в виде кристаллогидратов. Из водных растворов при температуре, близкой к комнатной, только нитраты щелочных металлов кристаллизуются безводными, остальные – в виде кристаллогидратов. Физико-химические свойства безводного и гидратированного нитрата одного и того же металла могут сильно отличаться. Безводные нитраты – кристаллические соединения. Нитраты d-элементов окрашены. Условно нитраты могут быть разделены на соединения с преимущественно ковалентным типом связи (соли Be, Cr, Zn, Fe и других переходных металлов) и с преимущественно с ионным типом связи (соли щелочных и щелочно-земельных металлов).

Свободный ион NO₃^- имеет форму плоского треугольника с атомом азота в центре, углы ONO ~ 120˚ и длины связей N–O 0,121 нм, что обусловлено sp²-гибридизацией валентных орбиталей атома N:

                                                     O¯                                          O      ¯         

                                   ¯O  - ⁺N                   или            O ― N

                                                     O                                            O 

Нитраты различных металлов (селитры), как правило, хорошо растворимы в воде и в разбавленных растворах практически полностью диссоциируют  на ионы. Они получаются нейтрализацией азотной кислоты соответствующими основаниями [34]:

HNO₃ + NaOH = NaNO₃ + H₂O

А также при взаимодействии металлов, основных оксидов, аммиака и некоторых солей с азотной кислотой:

Cu + 4HNO_3(конц.) = Cu(NO₃)₂ + 2NO₂­ + 2H₂O

CаО + 2HNO₃ = Cа(NO₃)₂ + H₂O

NH₃  + НNO₃ = NH₄NO₃

В технике нитраты (селитры) главным  образом получают в результате взаимодействия азотной кислоты или оксида азота (IV) с карбонатами щелочных и щелочноземельных металлов. Если растворять диоксид азота в щелочах, то образуется смесь солей азотной и азотистой кислот, например:

2NO₂ + 2NaOH = NaNO₃ + NaNO₂ + H₂O