Von John Sawyer, Abteilung für Agronomie
Ein kürzlich erschienener Artikel in der Zeitung The Des Moines Register“ hat zu erheblichen Kontroversen über Stickstoff in den Bächen und Flüssen von Iowa geführt. Der Artikel (Hohe Ammoniakwerte bedrohen das Wasser in Des Moines, 6. April 2008) enthielt Informationen über die Ammoniakwerte in bestimmten Oberflächengewässern in Iowa während des letzten Winters.
Die Implikationen waren, dass die Ausbringung von Dung und Düngemitteln auf Ackerland und die anschließende Schneeschmelze und der Abfluss zu höheren als den normalen Ammoniakwerten in Oberflächengewässern geführt hatten. In dem Artikel wurden die gemeldeten Werte mit einem Ammoniakwert von 0,10 Teilen pro Million verglichen, der als schädlich für das Leben im Wasser gilt. Leider handelt es sich bei den gemessenen Oberflächenwasserkonzentrationen (und wie im Artikel berichtet) nicht um Ammoniak-N. Stattdessen handelt es sich um Ammonium-N plus Ammoniak-N. Daher ist ein Vergleich der gemeldeten Werte mit einer für Wasserlebewesen giftigen Ammoniakkonzentration ungenau.
Ammoniak ist nicht ionisiert und hat die Formel NH3. Ammonium ist ionisiert und hat die Formel NH4+. Der wichtigste Faktor, der den Anteil von Ammoniak oder Ammonium im Wasser bestimmt, ist der pH-Wert des Wassers. Die Aktivität von Ammoniak wird auch von der Temperatur und der Ionenstärke beeinflusst. Dies ist wichtig, da das ionisierte NH3 die Form ist, die für Wasserorganismen giftig sein kann. Das ionisierte NH4 ist für Wasserorganismen im Grunde harmlos.
Die chemische Gleichung, die die Beziehung zwischen Ammoniak und Ammonium steuert, lautet:
NH3 + H2O ↔ NH4+ + OH-
Wenn der pH-Wert niedrig ist, wird die Reaktion nach rechts getrieben, und wenn der pH-Wert hoch ist, wird die Reaktion nach links getrieben. Im Allgemeinen ist bei einer Temperatur um die Raumtemperatur bei einem pH-Wert unter 6,0 der Anteil von Ammonium-N plus Ammoniak-N als NH3 sehr gering und als NH4+ sehr hoch. Bei einem pH-Wert von etwa 8,0 liegt der Anteil als NH3 bei 10 % oder weniger, und bei einem pH-Wert von etwas über 9,0 beträgt der Anteil etwa 50 %. Die Aktivität von wässrigem Ammoniak ist auch bei niedrigen Temperaturen viel geringer und bei warmen Temperaturen höher. Das bedeutet, dass bei niedrigen Temperaturen und niedrigem pH-Wert die Aktivität als NH3 noch geringer und als NH4+ noch höher ist. Daher können empfindliche Wasserorganismen bei niedrigen Temperaturen eine höhere Gesamtmenge an „Ammonium-N plus Ammoniak-N“ tolerieren als bei hohen Temperaturen, da viel weniger wässriges NH3 im Wasser vorhanden ist.
Die Labormethode, die für die Analyse von Wasser verwendet wird, misst Ammonium-N plus Ammoniak-N. Es ist sehr schwierig, die Aktivität von wässrigem Ammoniak direkt zu bestimmen, daher wird stattdessen das Surrogat Ammonium-N plus Ammoniak-N verwendet, und dann werden Tabellenwerte von Ammonium-N plus Ammoniak-N verwendet, um zu bestimmen, ob eine gemessene Konzentration Ammoniak in einer Höhe liefert, die für Wasserorganismen unter akuten und chronischen Bedingungen schädlich ist. Diese Tabellenwerte sind ein Surrogat, da die gemessene Konzentration eine Summe aus Ammonium-N und Ammoniak-N ist, und die Konzentrationen in den Tabellen für chronische oder akute Werte werden so festgelegt, dass sie die wahrscheinlichen Konzentrationen von Ammoniak-N für einen bestimmten pH-Wert und eine bestimmte Temperatur des Wassers widerspiegeln.
Die akuten und chronischen Kriterien für „Ammoniak“ wurden für Fließgewässer in Iowa festgelegt, die für die Nutzung von Wasserlebewesen bestimmt sind (Kapitel 61, Iowa Administrative Code; Tabellen 3a, 3b und 3c). Die Tabellen sind mit Vorsicht zu genießen, da die aufgeführten Konzentrationen für Ammonium-N plus Ammoniak-N und nicht für Ammoniak-N gelten (in der Kopfzeile der Tabellen steht „Ammoniak“). Erwartungsgemäß sind die chronischen Kriterien (Ammonium-N- plus Ammoniak-N-Konzentration) bei niedrigem pH-Wert und niedriger Wassertemperatur höher (z. B. pH 6,5 bei 0 °C ist 6,67 mg N/l, frühe Lebensstadien vorhanden) und bei hohem pH-Wert und hoher Wassertemperatur niedriger (z. B. pH 8,0 und 26 °C ist 1,16 mg N/l). Ebenso sind die akuten Kriterien für Wasser mit niedrigem pH-Wert höher (z.B. bei einem pH-Wert von 6,5 beträgt das Kriterium für Klasse B (WW1-3) und B(LW) 48,8 mg N/l) und niedriger für Wasser mit hohem pH-Wert (z.B. bei einem pH-Wert von 8,0 beträgt 8,4 mg N/l).
Die Anfang Februar 2008 von der Storet-Datenbank des Iowa Department of Natural Resources für die im Artikel des Des Moines Register genannten Flüsse ermittelten Werte lagen zwischen 0,13 und 1,00 mg N/l (Ammonium-N plus Ammoniak-N). Bei dem pH-Wert und der Temperatur des Wassers in diesem Zeitraum (7,6 bis 8,1 pH und 0 bis 1,0 Grad Celsius) liegen die gemessenen Werte weit unter den akuten und chronischen Kriterien für diese Bedingungen (akute Kriterien 17,0 bis 6,95 mg N/l und chronische 3,98 bis 2,10 mg/l). Die gemessenen Ammonium-N- und Ammoniak-N-Werte neigen dazu, in den Wintermonaten zu schwanken, aber die Schwankungen und Werte sind in diesem Jahr nicht höher als in der jüngeren Vergangenheit.
Unterm Strich ist wässriger Stickstoff komplex, ebenso wie die Auswirkungen auf das Leben im Wasser. Für die Auswertung von Daten zur Überwachung der Wasserqualität ist es wichtig zu wissen, was gemessen wird, und vorsichtig zu sein und nicht Äpfel mit Birnen zu vergleichen.