🔬 Gesamtstickstoff im Wasser
Bestimmung des Gesamtstickstoffs im Wasser nach oxidativem Aufschluss mit Peroxodisulfaten. Summe aus organischem Stickstoff, Ammonium-, Nitrit- und Nitratstickstoff.
Übersicht
Gesamtstickstoff (TN — Total Nitrogen) ist einer der Schlüsselparameter zur Beurteilung der Wasser- und Abwasserqualität. Er umfasst die Summe aller in der Probe vorhandenen Stickstoffformen: organischer Stickstoff (Proteine, Aminosäuren, Harnstoff), Ammoniumstickstoff (NH₄⁺), Nitritstickstoff (NO₂⁻) und Nitratstickstoff (NO₃⁻). Ein übermäßiger Stickstoffgehalt in Oberflächengewässern führt zur Eutrophierung — einer massiven Entwicklung von Algen und Cyanobakterien, die aquatische Ökosysteme beeinträchtigt.
Die Methode nach PN-EN ISO 11905-1 besteht aus der oxidativen Mineralisierung der Wasserprobe mit Peroxodisulfaten (Persulfaten) in alkalischer Umgebung. Als Ergebnis dieses Prozesses werden alle in der Probe vorhandenen Stickstoffformen zu Nitraten (NO₃⁻) oxidiert. Die Nitratkonzentration wird anschließend spektrophotometrisch nach Reduktion zu Nitriten bestimmt — direkt oder mittels Durchflussanalyse (CFA/FIA).
Die Bestimmung des Gesamtstickstoffs ist gemäß polnischen Vorschriften zur Überwachung von Oberflächengewässern, kommunalem und industriellem Abwasser sowie Grundwasser vorgeschrieben. Dieser Parameter ist in Wasserrechtserlaubnissen und WIOŚ-Berichten (Inspektion für Umweltschutz) obligatorisch. Der zulässige Wert des Gesamtstickstoffs in Abwasser, das in Gewässer eingeleitet wird, beträgt 10–30 mg N/L, abhängig von der Größe der Kläranlage.
Die Peroxodisulfat-Methode wird aufgrund ihrer geringeren Toxizität gegenüber der klassischen Kjeldahl-Methode bevorzugt — sie erfordert keinen Einsatz von Schwefelsäure, Selenkatalysatoren oder toxischen Reagenzien. Sie liefert genaue Ergebnisse für natürliche Gewässer, Trinkwasser, Meerwasser und Abwasser mit einem Gehalt an organischer Substanz unter 40 mg C/L.
Prinzip der Methode
Die Wasserprobe wird einer oxidativen Mineralisierung mit Kaliumperoxodisulfat (K₂S₂O₈) in alkalischer, mit Natriumhydroxid gepufferter Umgebung unterzogen. Bei einer Temperatur von 120°C (Autoklav) oder 100°C (Kochen) zersetzen sich Peroxodisulfate unter Bildung hochreaktiver Sulfatradikale (SO₄⁻•), die alle Formen des organischen und anorganischen Stickstoffs zu Nitraten (NO₃⁻) oxidieren. Anschließend werden Nitrate an einer Cadmiumsäule oder enzymatisch (Nitratreduktase) zu Nitriten (NO₂⁻) reduziert, und Nitrite werden spektrophotometrisch in einer Diazotierungsreaktion mit Griess-Reagenz (Sulfanilamid + N-(1-Naphthyl)ethylendiamin) bei einer Wellenlänge von 540 nm bestimmt.
Anwendungen
- Überwachung der Oberflächenwasserqualität (Flüsse, Seen, Stauseen)
- Kontrolle von kommunalem und industriellem Abwasser (Wasserrechtserlaubnisse)
- Bewertung des Eutrophierungsrisikos in Gewässern
- Trinkwasseruntersuchung (Gesundheitsministerium-Verordnung — Grenzwert NO₃: 50 mg/L)
- Überwachung von Grundwasser und Wasserentnahmestellen
- Kontrolle biologischer Stickstoff-Entfernungsprozesse in Kläranlagen
- Umweltstudien — Bewertung der Auswirkungen der Landwirtschaft auf Gewässer
Schlüsselparameter
| Parameter | Wert |
|---|---|
| Messbereich | 1–100 mg N/L (ohne Verdünnung) |
| Nachweisgrenze | 0,1 mg N/L |
| Genauigkeit | ±5–10 % des Messwerts |
| Wellenlänge | 540 nm (nach Reduktion zu Nitriten) |
| Mineralisierungstemperatur | 120°C (Autoklav, 30 min) |
| Analysenzeit | 1–2 Stunden (mit Mineralisierung) |
Norm
- Normnummer
- PN-EN ISO 11905-1:1998
- Titel (PL)
- Jakość wody — Oznaczanie azotu — Część 1: Metoda z zastosowaniem utleniania nadsiarczynami
- Title (EN)
- Water quality — Determination of nitrogen — Part 1: Method using oxidative digestion with peroxodisulfate
Schritt-für-Schritt-Verfahren
1. Probenvorbereitung
Die Wasserprobe durch einen 0,45-µm-Filter filtrieren (für gelösten Stickstoff) oder unfiltriert belassen (Gesamtstickstoff). Probe bei 4°C lagern, Analyse innerhalb von 28 Tagen.
2. Herstellung der Mineralisierungslösung
10 g K₂S₂O₈ und 6 g NaOH in 200 mL entionisiertem Wasser lösen. 30 g H₃BO₃ hinzufügen. Am Tag der Analyse frisch herstellen.
3. Probenmineralisierung
10 mL Probe in ein Reagenzglas abmessen und 5 mL Mineralisierungslösung hinzufügen. Fest verschließen und in den Autoklav stellen.
4. Autoklav — Oxidation
Mineralisierung im Autoklav bei 120°C unter 1,1 atm Druck für 30 Minuten durchführen. Auf Raumtemperatur abkühlen lassen.
5. Ansäuerung
Nach der Mineralisierung die Probe mit Salzsäure auf pH 2–3 ansäuern. Mit entionisiertem Wasser auf 25 mL auffüllen.
6. Reduktion von Nitraten zu Nitriten
Die Probe durch eine aktivierte Cd/Cu-Reduktionssäule leiten oder Nitratreduktase-Enzymlösung mit NADH hinzufügen. 15–30 min warten.
7. Farbreaktion — Griess-Reagenz
0,5 mL Sulfanilamid-Lösung (1 % in 3 mol/L HCl) hinzufügen. Mischen. Nach 2 min 0,5 mL NED (0,02 %) hinzufügen. Mischen und 10 min zur Farbentwicklung warten.
8. Spektrophotometrische Messung
Absorbanz bei 540 nm in 1-cm- oder 5-cm-Küvette messen. Konzentration aus Kalibrierkurve ablesen (6–8 Punkte, Bereich 0–10 mg N/L).
9. Erstellung der Kalibrierkurve
Eine Reihe von KNO₃-Standardlösungen herstellen: 0; 0,5; 1; 2; 5; 10 mg N/L. Dem identischen Mineralisierungs- und Reduktionsverfahren unterziehen.
10. Qualitätskontrolle (QK)
Blindprobe (entionisiertes Wasser) analysieren, Doppelbestimmung alle 10 Proben, CRM-Kontrollprobe. Wiederfindung 90–110 %.
11. Berechnung und Berichterstattung
Gesamtstickstoffkonzentration aus der Kalibrierkurve berechnen. Ergebnis in mg N/L auf 0,1 mg/L angeben. Verdünnungen berücksichtigen.
Erforderliche Geräte und Apparatur
| Gerät | Beispiel | Richtpreis |
|---|---|---|
| UV-VIS-Spektrophotometer | Hach DR6000, Shimadzu UV-1900i, Thermo Scientific GENESYS 150 | 15 000–45 000 PLN |
| Laborautoklav | Tuttnauer ELV 2540, Systec VX-65 | 20 000–45 000 PLN |
| Blockaufschlussgerät | Gerhardt Kjeldatherm, Büchi SpeedDigester K-439 | 25 000–55 000 PLN |
| Durchflussanalysesystem CFA/FIA | SEAL Analytical AA500, Skalar San++ | 80 000–200 000 PLN |
| Cadmium-Reduktionssäule | Individuell gepackte Cd/Cu-Säule | 500–1 500 PLN |
| Analysenwaage | Mettler Toledo ME204, Sartorius Quintix 224 | 5 000–12 000 PLN |
| Automatische Pipetten | Eppendorf Research Plus, Gilson Pipetman L | 800–2 500 PLN/Stk. |
Reagenzien, Nährmedien und Verbrauchsmaterialien
| Reagenz | CAS | Details |
|---|---|---|
| Kaliumperoxodisulfat (K₂S₂O₈) | 7727-21-1 | ACS-Qualität, Oxidationsmittel für die Mineralisierung, Arbeitskonzentration 0,045 mol/L |
| Natriumhydroxid (NaOH) | 1310-73-2 | ACS-Qualität, zur Pufferung der alkalischen Mineralisierungsumgebung |
| Borsäure (H₃BO₃) | 10043-35-3 | ACS-Qualität, alkalischer Puffer zur Vermeidung von Ammoniumstickstoffverlusten |
| Sulfanilamid | 63-74-1 | ACS-Qualität, Reagenz für die Diazotierungsreaktion (Griess-Reagenz I) |
| N-(1-Naphthyl)ethylendiamin (NED) | 1465-25-4 | Dihydrochlorid, Griess-Reagenz II, zur Bildung des farbigen Azokomplexes |
| Kaliumnitrat (KNO₃) | 7757-79-1 | Nitrat-Standard CRM für die Kalibrierkurve, 1000 mg N/L |
| Salzsäure (HCl) | 7647-01-0 | 3 mol/L, zur Ansäuerung der Probe nach der Mineralisierung |
| Metallisches Cadmium (Cd) | 7440-43-9 | Granulat 0,3–1,0 mm für die Reduktionssäule (Reduktion NO₃⁻ → NO₂⁻) |
Arbeitsschutz und Sicherheit
- Kaliumperoxodisulfat — starkes Oxidationsmittel, kann Haut- und Augenreizungen verursachen. Handschuhe und Schutzbrille verwenden
- Natriumhydroxid — stark ätzend (H314). Handschuhe, Schutzbrille, Laborkittel verwenden. Bei Hautkontakt sofort mit Wasser abspülen
- Cadmium — toxisch und krebserzeugend (Kat. 1B). Staubabsaugung verwenden, Nitrilhandschuhe, unter dem Abzug arbeiten
- Salzsäure — ätzend, reizend für die Atemwege. Unter dem Abzug arbeiten, persönliche Schutzausrüstung verwenden
- Autoklav — Verbrennungsgefahr durch heißen Dampf. Hitzebeständige Handschuhe verwenden, nicht vor Druckabfall öffnen