اندازه گیری نیترات در آب

نیترات یکی از آنیون‌های معدنی است و فرمول آن No-3 است. این عنصر در اثر اکسیداسیون عنصر نیتروژن به وجود می‌آید. نیترات یکی از عناصر ضروری برای سنتز پروتئین در گیاهان است و از آنجا که در اثر یک فرآیند طبیعی تولید می‌شود، در تمام طبیعت یافت می‌شود.

نیترات ماده‌ای است که آب‌های زیرزمینی و سطحی را به طور گسترده‌ای آلوده می‌کند. تجمع نیترات در محیط می‌تواند ناشی از هرزآب‌‌های کشاورزی که به علت مصرف بیش از حد کودهای نیتراتی حاوی این ماده هستند، که به طور منتشر آب را آلوده می‌کنند یا آلودگی‌های نقطه‌ای از فاضلاب‌های انسانی به درستی دفع و فراوری نشده است.

علاوه بر این پسماندهای حاوی نیترات در بسیاری از فرآیندهای صنعتی مانند کاغذسازی و مهمات‌سازی تولید می‌شوند. سوزاندن سوخت‌های فسیلی مانند نفت و گاز در نیروگاه‌ها و ماشین‌ها و همه موتورهای با احتراق درون‌سوز به ایجاد اسید نیتریک و آمونیاک می‌انجامد که هوا را آلوده می‌کند. این مواد ممکن است به صورت باران‌های اسیدی به زمین بازگردند و باعث آلودگی سطح زمین هم بشوند.

اندازه گیری نیترات در آب آشامیدنی شایع‌ترین آزمایشی است که افراد، آزمایشگاه‌های تجاری و آزمایشگاه‌های ناظر دولتی مثلاً در  ادارات بهداشت انجام می‌دهند، چرا که آلودگی با نیترات   خطر بهداشتی عمده‌ای برای انسان‌‌ها و حیوانات به حساب می‌‌آید.

اهمیت اندازه گیری نیترات در آب

فاضلاب‌های شهری، صنعتی، مواد دفعی حیوانی و گیاهی در شهرهای بزرگ که دارای نیتروژن آلی هستند به خاک دفع می‌شوند. دراثر فعالیت میکروارگانیزم‌های خاک، نیتروژن آلی به یون آمونیوم {NH} تبدیل شده که به این پدیده Ammonifcation گفته می‌شود. خاک توانایی نگهداری این ترکیب را در خود دارد اما به مرور طی پدیده دیگری به نام Nitrification بخشی از یون آمونیوم ابتدا به نیتریت{No} و سپس به نیترات تبدیل می‌شود. لایه سطحی خاک قادر به حفظ و نگهداری این دو ترکیب نبوده و در نتیجه نیتریت و نیترات به آبهای زیرزمینی راه می‌یابند.

از آن جایی که نیترات در آب به صورت محلول وجود دارد، روش های معمول تصفیه آب قادر به حذف آن نیستند از این‌ رو نیاز به آن دسته از روش‌های تصفیه پیشرفته می‌باشد که قادر به کاهش آلاینده‌های محلول هستند. از سوی دیگر چرخه نیترات سازی در شهرهایی که دفع نادرست فاضلاب از طریق چاه‌های جذبی انجام می‌شود همچنان ادامه دارد و مشکل تولید پیوسته نیترات و انتشار آن به آب‌های زیرزمینی را سبب می‌گردد.

تأثیر نیترات بر سلامتی انسان

نیتریت حاصل از احیای نیترات معدنی و آلی پس از ورود به سیستم گردش خون، آهن هموگلوبین را اکسید نموده و از ظرفیت II به ظرفیت III تبدیل می‌نماید که در نتیجه هموگلوبین به متهموگلوبین تبدیل شده و  ظرفیت اکسیژن رسانی بسیار کمتری نسبت به هموگلوبین دارد و در نتیجه به بافت‌ها اکسیژن کافی نمی‌رسد بعداز مدتی رنگ پوست (در نا حیه دور چشم ودهان) به تیرگی می‌گراید و از این رو به آن سندرم BIueBaby می‌گویند.

این عارضه اولین نشانه مسمومیت با نیترات است و نوزادان زیر شش ماه آسیب‌پذیرترین گروه سنی دراین مورد هستند. زیرا نوزادان برخلاف بزرگسالان علا وه بر PH بالای معده و زیادی با کتری‌های طبیعی احیاء کننده نیترات فاقد آنزیم برگشت‌دهنده متهموگلوبین به هموگلوبین هستند. از دیگر علائم افزایش متهموگلوبین می‌توان به سردرد خواب آلودگی و اشکال در تنفس اشاره نمود.
نیترات باعث سرطان می شود

احتمال این که نیترات معدنی و یا آلی به عنوان یک عامل سرطان‌زا عمل نمایند بستگی به احیای نیترات به نیترت و واکنش‌های بعدی نیترت با سایر مولکول‌ها به خصوص آمین‌های نوع دوم، آمیدها و کاربامات‌ها دارد که منجر به تشکیل ترکیبات nitroso-Nمی‌گردد.

مطالعات انجام شده در کلمبیا نشان داده که رابطه معنی داری بین شیوع سرطان معده و غلظت نیترات در آب آشامیدنی برداشت شده از چاه ها وجود دارد.

اما بررسی‌های اپیدمیولوژیکی در دیگر نقاط دنیا رابطه مطمئنی را در این زمینه نشان نداده است. در کشور آلمان تحقیقاتی بر روی جمعیت در معرض نیترات بالا در آب آشامیدنی انجام گرفت که رابطه معنی داری بین غلظت نیترات و افزایش تومورهای سرطان مغز به دست نیامد. مطا لعات دیگر در دانشگاه نبراسکان نشان داد که رابطه معنی داری بین غلظت نیترات آب و افزایش شیوع یک نوع سرطان به میزان دو برابر گردیده است.

با توجه به این که تعداد متغیرها در این مطالعات زیاد بوده است رابطه منطقی بین افزایش داده‌های موجود برای اظهار نظر قطعی کافی نیستند.اما ثابت شده است که ترکیبات N-nitroso در حیوانات آزمایشگاهی سرطان زا می باشند.

استاندارد نیترات در آب

با توجه به مطالعات به عمل آمده توسط سازمان بهداشت جهانی در مورد نیترات، این سازمان حداکثر مجاز ۵۰ میلیگرم درلیتر (برحسب نیترات)را اعلام نموده است.استاندارد ملی ایران نیز برای نیترات همین مقدار می باشدسازمان حفاظت محیط زیست ایالات متحده حداکثر مجاز نیترات را۱۰ میلی گرم در لیتر (برحسب نیتروژن ) قرار داده که معادل با /۸۲۴۴میلی گرم در لیتر برحسب نیترات است.

تأثیرات نیترات بر سلامتی انسان

ترکیبات نیترات به تنهایی برای بدن انسان مضرر نیست. نیترات تنها زمانی که به نیتریت تبدیل می‌شود برای بدن انسان مضر است. نیتریت جذب شده از طریق آب آشامیدنی با هموگلوبین (Hb) ترکیب شده و به متاهموگلوبامین(metHb) تبدیل شده و سبب اختلال در فرایند اکسیژن رسانی به بافتهای بدن می‌شود. واکنش نیتریت با هموگلوبین نیز می‌تواند به طور خاص برای کودکان زیر ۳ سال بسیار خطرناک باشد. زیرا این واکنش در سنین پایین نسبت به بزرگسالان بسیار بیشتر رخ می‌دهد. اختلال در اکسیژن رسانی به بافت‌های بدن کودک بسیار خطرناک بوده و منجر به بیماری Blue baby در کودکان می‌شود.(البته این عارضه در صورت مصرف مقادیر بالای نیترات در کودکان به وجود می‌آید.) شایان ذکر است که رژیم غذایی غنی از ویتامین C اثرات مضر وجود نیترات در بدن را کاهش می‌دهد.

منابع رایج نیترات 

نیترات‌ها از طریق پساب کشاورزی، زباله‌های صنعتی، استفاده از کودها و علف کش‌ها و نشت مخازن سپتیک و ترکیدن سیستم‌های فاضلاب وارد آب می‌شوند. باکتری‌های طبیعی موجود در خاک نیز می‌توانند نیتروژن را به رسوبات زمین متابولیزه کنند. آب باران نیز می‌تواند کود را از زمین‌های کشاورزی به نهرها و دریاچه‌ها منتقل  کنند. زباله‌های حیوانی یکی دیگر از روش‌های رایج ورود نیترات به منابع آبی هستند. آبیاری محصول نیز می‌تواند نیتراتی که در اعماق خاک وجود دارد را به سفره‌های زیرزمینی وارد کند. با دفع طبیعی نیترات، افزایش غلظت آن می‌تواند در سیستم‌های آب زیر زمینی که برای آب چاه استفاده می‌شوند، ظاهر شود.
نیترات‌ها، در بیشتر جوامع روستایی و کشاورزی وابسته به آب چاه، یافت می‌شوند. از آن جا که مقررات روشنی از طرف EPA برای میزان نیترات در منابع آب شهری وجود دارد، یافتن مقادیر افزایشی سطح نیترات در آب شهری بسیار غیر معمول است. اما در بخش کشاورزی که کود، سموم دفع آفات و حیوانات زیادی هستند، یافتن مقادیر غیر مجاز نیترات در آب غیر معمول نیست. از آن جایی که بسیاری از جوامع روستایی برای تأمین آب آشامیدنی خود به چاه متکی هستند، این امر مشکل ساز می‌باشد. در صورتی که چاه‌ها در سطح پایین دست زمین‌های کشاورزی حفر شوند، با احتمال بیشتری با افزایش سطح نیترات آلوده می‌شوند. 
علاوه بر این در مکان‌هایی که در مجاورت مناطق صنعتی می‌باشند نیز چاه‌ها به نیترات آلوده می‌شوند. نیترات‌ها معمولاً به عنوان عامل اکسید کننده در تولید سرامیک، برای حذف حباب‌های هوا از شیشه و به عنوان عامل سخت کننده فلزات استفاده می شود. 

چطور می توان نیترات آب آشامیدنی را کاهش داد

یکی از بهترین روش ها برای حذف سموم محلول در آب ، خصوصاً نیترات، تصفیه آب با استفاده از فناوری فیلترهای اسمز معکوس است. این فیلترها در دستگاه‌های تصفیه آب خانگی استفاده شده است و درست در لحظه مصرف، آب آشامیدنی را تا ۹۰ درصد تصفیه کرده و آبی گوارا و عاری از هرگونه آلاینده مضر را در اختیار خانواده و فرزندان شما قرار می‌دهد.

حذف کامل نیترات از آب آشامیدنی از الزامات سازمان بهداشت جهانی و هیچ یک از استانداردهای معتبر در دنیا نیست. بلکه هدف از فرایند تصفیه، کاهش غلظت نیترات به مقادیر پایین‌تر از استاندارد(به عنوان مثال ۴۵ میلیگرم بر لیتر) در آب آشامیدنی است. آب شیرین کن اسمز معکوس(RO)، الکترودیالیز (ED)، تبادل یونی (IX) و تکنولوژی‌های بیولوژیکی برای حذف نیترات از آب مناسب هستند. هر کدام از این تکنولوژی‌ها مزایا و معایب مختص به خود را دارند. انتخاب فناوری بهینه وابسته به کیفیت آب مورد نیاز، ظرفیت واحد تصفیه، اتوماسیون فرآیند یا دسترسی به مهارت‌های انسانی می‎‌باشد. جدول زیر بازده حذف نیترات در فرایندهای مختلف را نشان می دهد.

بازده حذف نیترات (%) فرایندهای حذف نیترات
۷۰-۹۵ حذف بیولوژیکی نیتروژن
۵۰-۹۰ برداشت جلبک
۸۰-۹۹ تبادل یونی
۳۰-۵۰ الکترودیالیز
۳۳-۹۰ کاهش شیمیایی
۵۰-۹۶ اسمز معکوس
۹۰-۹۸ تقطیر
۵-۱۵ روش های زمینی

معمولاً حذف نیترات توسط فرآیند بیولوژیکی در واحدهای بزرگ حذف نیترات ترجیح داده می‌شود. در واحدهای بزرگ، هزینه‌های مربوط به حذف ترکیبات نیترات در مقایسه با دیگر روش‌ها کمتر است.

روش متداول اندازه‌گیری  یون نیترات در آب، روش اسپکتروفتومتری فرابنفش می‌باشد که بدلیل محدودیت حد تشخیص و همچنین تأثیرپذیری روش، توسط عوامل مداخله‌گر در تعدادی از اندازه گیری‌ها نیاز به بازنگری دارد.

روش و نحوه اندازه‌گیری نیترات در آب

تاکنون روش‌های مختلفی برای اندازه گیری نیترات در آب معرفی شده است که با توجه به ماتریس نمونه و دامنه غلظت مد نظر می‌توان یکی از آنها را برای آزمایش اندازه گیری نیترات  آب انتخاب کرد.

اندازه گیری نیترات آب به روش اسپکتروفتومتری

از روش اندازه گیری اسپکتروفتومتری نیترات در آب، فقط برای شناسایی نیترات در نمونه‌های حاوی غلظت بسیار کم مواد آلی، مثل آب‌های طبیعی غیرآلوده و آب‌های آشامیدنی می‌توان استفاده کرد. برای اندازه گیری نیترات آب به روش جذب فرابنفش، در طول موج 220 نانومتر اندازه گیری می‌شود. با توجه به این‌که مواد آلی نیز در این طول موج جذب دارند به منظور حذف تداخل مواد آلی لازم است. اندازه گیری دوم در 275 نانومتر برای اصلاح مقدار نیترات انجام می شود. چون نیترات در این طول موج جذب ندارد اما مواد آلی در 275 نانومتر نیز جذب دارند.

با توجه به اینکه مواد آلی و دیگر مواد محلول در نمونه نیز نور ماوراء بنفش را به شدت جذب می کنند در صورت وجود این گونه مواد در نمونه اندازه گیری نیترات با روش ذکر شده در بالا درصد خطای بالایی دارد. یکی از روش های حل این مشکل استفاده از مشتق دوم طیف بدست آمده است. با توجه به اینکه طیف نیترات متفاوت از طیف مواد آلی طبیعی است طیف نیترات جذب به صورت سریع از 230 تا 210افزایش پیدا می کند در حالیکه برای مواد آلی طبیعی جذب بصورت تدریجی افزایش پیدا می کند بنابراین محاسبه مشتق دوم طیف می تواند تا حد قابل توجهی اثر تداخلی مواد آلی طبیعی را حذف کند.

اندازه گیری نیترات به روش الکترود نیترات:

الکترود یون نیترات یک سنسور انتخابی است که بر اساس ایجاد پتانسیل بین دو طرف یک غشا نازک بی اثر که با مکانیسم تبادل یونی کار میکند ، نیترات را اندازه گیری می کند.

اندازه گیری نیترات به روش رنگ سنجی :

در این روش نیترات در حضور کادمیوم به نیتریت کاهش پیدا می کند سپس نیتریت با کمک sulfanilamide جفت شده با NED به فرم یک رنگ در می آیدو به روش رنگ سنجی اندازه گیری می شود . البته برای تصحیح میزان نیتریت اولیه باید اندازه گیری نیتریت قبل و بعد از کاهش با کادمیوم انجام شود.

اندازه گیری نیترات به روش یون کروماتوگرافی :

در این روش اندازه‌گیری، نیترات آب نمونه آبی به یک دستگاه کروماتوگراف یونی متشکل از سیستم تزریق کننده ، ستون جدا کننده و دتکتور هدایت سنجی تزریق می شود . نمونه همراه با حلال شوینده از درون ستون تجزیه ای عبور می کند و در ستون آنیونها بر اساس تمایل آنها نسبت به ستون جداسازی می شوند و با دتکتور ( با اندازه گیری مداوم هدایت ) تعیین غلظت می شوند.

اندازه گیری نیترات به روش الکتروفورز موئین یونی :

در این روش، نحوه اندازه‌گیری نیترات آب به گونه‌ای است که از یک محلول بافر الکترولیت که شامل نمکی با آنیون جاذب نور UV  است به همراه جریان الکترواسمزی برای پرکردن یک لوله موئین از جنس سیلیکا با قطر 75 میکرون استفاده می‌شود .