Door John Sawyer, Departement van Landbouwkunde
Een recent artikel in de krant The Des Moines Register heeft voor heel wat controverse gezorgd over stikstof in beken en rivieren in Iowa. Het artikel (High ammonia levels threaten D.M.’s water, April 6, 2008) bevatte informatie over “ammonia” niveaus in bepaalde Iowa oppervlaktewatersystemen gedurende de recente winterperiode.
De implicaties waren dat het uitrijden van mest en kunstmest op akkerland, en het daaropvolgende smelten van de sneeuw en afspoeling, had geresulteerd in hoger dan normale “ammonia” niveaus in oppervlaktewateren. In het artikel werden de gerapporteerde niveaus vergeleken met een ammoniakconcentratie van 0,10 deeltjes per miljoen die schadelijk wordt geacht voor het aquatisch leven. Helaas zijn de gemeten oppervlaktewaterconcentraties (en zoals vermeld in het artikel) niet ammonium-N. In plaats daarvan gaat het om ammonium-N plus ammoniak-N. Daarom is een vergelijking van de gerapporteerde waarden met een concentratie ammoniak die giftig is voor in het water levende organismen, onnauwkeurig.
Ammoniak is niet-geïoniseerd, en heeft de formule NH3. Ammonium is geïoniseerd, en heeft de formule NH4+. De belangrijkste factor die de verhouding van ammoniak of ammonium in water bepaalt, is de pH van het water. De activiteit van ammoniak wordt ook beïnvloed door de temperatuur en de ionische sterkte. Dit is belangrijk omdat het gebonden NH3 de vorm is die giftig kan zijn voor in het water levende organismen. Het geïoniseerde NH4 is in principe onschadelijk voor in het water levende organismen.
De chemische vergelijking die de relatie tussen ammoniak en ammonium stuurt is:
NH3 + H2O ↔ NH4+ + OH-
Wanneer de pH laag is, wordt de reactie naar rechts gestuurd, en wanneer de pH hoog is, wordt de reactie naar links gestuurd. In het algemeen is bij een temperatuur van rond kamertemperatuur, bij een pH kleiner dan 6,0, het aandeel ammonium-N plus ammoniak-N als NH3 zeer gering en als NH4+ zeer groot. Bij een pH rond 8,0 is het aandeel als NH3 10 procent of minder, en bij een pH iets boven 9,0 is het aandeel ongeveer 50 procent. De activiteit van waterige ammoniak is ook veel lager bij lage temperaturen en hoger bij warme temperaturen. Dit betekent dat bij lage temperaturen en een lage pH de activiteit als NH3 nog lager is, en als NH4+ nog hoger. Gevoelige aquatische organismen kunnen daarom bij lage temperaturen een hoger totaal “ammonium-N plus ammoniak-N” verdragen dan bij hoge temperaturen, omdat er veel minder waterig NH3 in het water aanwezig is.
De laboratoriummethode die voor de analyse van water wordt gebruikt, meet ammonium-N plus ammoniak-N. Het is zeer moeilijk om de activiteit van waterige ammoniak rechtstreeks te bepalen, dus in plaats daarvan wordt het surrogaat van ammonium-N plus ammoniak-N gebruikt, en vervolgens worden tabellarische waarden van ammonium-N plus ammoniak-N gebruikt om te bepalen of een gemeten concentratie ammoniak oplevert op een niveau dat schadelijk is voor in het water levende organismen, voor acute en chronische omstandigheden. Deze getabelleerde waarden zijn een surrogaat aangezien de gemeten concentratie een totaal is van het ammonium-N plus ammoniak-N, en de concentraties in de tabellen voor chronische of acute niveaus zijn ingesteld om terug te koppelen naar waarschijnlijke concentraties van ammoniak-N voor specifieke water pH en temperatuur.
De acute en chronische criteria voor “ammoniak” zijn vastgesteld voor Iowa stromen die zijn aangewezen voor gebruik in aquatisch leven (Hoofdstuk 61, Iowa Administrative Code; tabellen 3a, 3b en 3c). De tabellen moeten zorgvuldig worden gebruikt, aangezien de vermelde concentraties betrekking hebben op ammonium-N plus ammoniak-N, en niet op ammoniak-N (in de titel van de tabellen staat “ammonia”). Zoals verwacht zijn de chronische criteria (ammonium-N plus ammoniak-N-concentratie) hoger voor water met een lage pH en lage temperatuur (bv. pH 6,5 bij 0 graden C is 6,67 mg N/l, vroege levensstadia aanwezig) en lager voor water met een hoge pH en hoge temperatuur (bv. pH 8,0 en 26 graden C is 1,16 mg N/l). Evenzo zijn de acute criteria hoger voor water met een lage pH (bv. bij een pH van 6,5 is het criterium voor klasse B (WW1-3) en B(LW) 48,8 mg N/l) en lager voor water met een hoge pH (bv. bij een pH van 8,0 is 8,4 mg N/l).
De begin februari 2008 gemeten omgevingsniveaus uit de Storet-database van het Iowa Department of Natural Resources voor de rivieren die in het artikel in het Des Moines Register worden genoemd, varieerden van 0,13 tot 1,00 mg N/l (ammonium-N plus ammoniak-N). Bij de pH-waarde en de temperatuur van het water in die periode (7,6 tot 8,1 pH en 0 tot 1,0 graden C) liggen de gemeten waarden ver beneden zowel de acute als de chronische criteria voor die omstandigheden (acute criteria 17,0 tot 6,95 mg N/l en chronische 3,98 tot 2,10 mg/l). De gemeten ammonium-N plus ammoniak-N neigt ertoe variabel te zijn tijdens de wintermaanden, maar de variatie en de niveaus zijn dit jaar niet hoger dan in de recente geschiedenis.
Bottom line, waterstikstof is complex, net als het effect op het aquatische leven. Voor de evaluatie van de gegevens van de waterkwaliteitsmonitoring is het belangrijk te weten wat er wordt gemeten en voorzichtig te zijn en geen appels met peren te vergelijken.