Typpipitoisuus (limnologia)
Typpipitoisuus on vesistöjen tutkimuksessa yksi luonnonveden ominaisuutta ilmaiseva suure, jolla pyritään selvittämään vesistön eliöiden ravintotilannetta. Typpi on yleinen alkuaine ilmakehässä, missä se esiintyy kaksiatomisena kaasumolekyylinä (N). Useimmat eliöt eivät kykene hyödyntämään typpeä kaasuna, vaan ne käyttävät ravintonaan muita typen yhdisteitä. Yleisempiä vesistössä esiintyviä yhdistetä ovat nitraatit (NO), nitriitit (NO), ammoniakki (NH) ja sen ioniyhdisteet ammoniumit (NH). Monet eliöiden kudoksien aminohapot ja proteiinit sisältävät myös typpeä. Typen määrää luonnossa seurataan ihmisen luontoa voimakkaasti kuormittavan toiminnan vuoksi. Typpipitoisuudella tarkoitetaan eri tyypeä sisältävien yhdisteiden liuennutta määrää litrassa vettä.
Kokonaistyppi ilmoittaa veteen liuenneen typen kaikkien esiintymismuotojen kokonaispitoisuuden. Sen määrä ilmoitetaan yksiköllä "mikrogrammaa litrassa vettä" eli µg/l. Jos samassa tekstissä on muitakin typpiyhdisteiden pitoisuuksia, voidaan tämän arvot erottaa muista merkinnällä µg kok.N/l tai µgN/l. Jätevesien pitoisuudet ovat suuremmat, joten niiden pitoisuudet ilmoitetaan "milligrammoina litrassa vettä" eli mg/l. Näiden vastaavuudet ovat 1 mg/l = 1000 µg/l = 1000 mg/m³.
Kokonaistypen pitoisuus mitataan yleisesti Kjeldahl–menetelmällä, joka on tarkka ja hieman hidas suorittaa. Menetelmän keksi Johan Kjeldahl vuonna 1883. Aluksi vesinäytteen hiilipitoinen aines poltetaan rikkihapolla hiilidioksidiksi, joka haihtuu pois liuoksesta. Samalla orgaanisen aineksen typpi muuttuu ammoniumsulfaatiksi. Myös nitriitit ja nitraatit pelkistetään Dewardin reagenssillä ammoniumyhdisteeksi. Tämän jälkeen seos höyrytislataan ja typpi mitataan titraamalla. Määrityt tulokset muunnetaan yksiköiksi µg/l.
Nitraattia voi joutua vesistöön lannoitteista, typpeä sisältävien aineiden hajoamisesta tai niiden hapettumisen johdosta. Se on ihmiselle haitallista, koska ruuansulatuksessa siitä muodostuu nitriittejä ja muita nitroyhdisteitä.
Nitraattipitoisuus voidaan mitata sitomalla se sulfosalisyylihapon avulla alkalisissa oloissa keltaiseksi yhdisteeksi. Seoksen väri mitataan spektrometrillä ja sen pitoisuus ilmoitetaan yksikössä µg/l tai mg/l. Jos analyysissä on muitakin pitoisuusmäärityksiä, voidaan se ilmoittaa N- tai NO3-lisämääreellä µgN/l tai µgNO3-N/l.
Nitriitti ei ole pysyvä yhdiste, koska se hapettuu lopulta nitraatiksi, eikä sitä kannata yleensä mitata. Sen pitoisuudet ilmoitetaan yksikössä µgNO2-N/l.
Ammonium on ammoniakin suola. Luonnonvesistöihin on ammoniumia liuennut vain vähän, joten kohonneet pitoisuudet ovat peräisin orgaanisten aineiden hajoamistuotteista, maatalouden lannoitteista sekä teollisuuden ja asutuksen jätevesistä. Luonnossa ammonium hajoaa happea kuluttaen nitraatiksi, jolloin veden happamuudentaso samalla alenee eli se happamoituu.
Yleensä ammoniumtypen määrittämiseen käytetään muunneltua Kjeldahl-menetelmää (SFS 5505). Näytteen ammonium muutetaan lipeällä ammoniakiksi, joka tislataan boorihappoliuokseen ammoniumiksi. Siitä ammonium titrataan rikkihapolla neutraaliksi indikaattorin avulla. Määritetty ammoniumin määrä muutetaan pitoisuudeksi yksiköllä μgNH4-N/l tai mgNH4-N/l.
Markkinoilla on myös erilaisia pikatestaustuotteita, joilla ammoniumin pitoisuus voidaan määrittää nopeasti. Niiden tarkkuus lähestyy jo analyyttisiä menetelmiä ja niistä tulee tulevaisuudessa tarkkoja menetelmiä.
Yleensä luonnossa ei esiinny ammoniakkia, mutta sitä voi joutua veteen navetoiden lannasta, lannotteista, teollisuuden jätteistä tai se on peräisin viljellyistä kaloista. Ammoniakki hajoaa luonnostaan ammoniumiksi, joka hajoaa sitten nitraatiksi. Ammoniakkia kuitenkin syntyy ammoniumista hapettomissa olosuhteissa. Jos järvessä on paljon ammoniumia tilanteessa, jossa siinä on samalla happikatoa, muodostuu veteen ammoniakkia. Myös happamuustaso vaikuttaa ammoniakin ja ammonium-liuoksen tasapainotilaan. Kun pH ylittää 7, alkaa ammoniumin rinnalle muodostua ammoniakkia. Ammoniakki on kaloille myrkyllistä ja aiheuttaa kalakuolemia tilanteessa, jossa ammoniumtyppeä on runsaasti ja veden happamuudentaso (pH) ylittää 8,5. Ammoniakkia muodostuu silloin tappavia pitoisuuksia 0,03–0,15 mgNH3-N/l eli 30–150 μgNH3-N/l. Tappava vaikutus perustuu kiduksien tuhoutumiseen.
Ammoniakin pitoisuuden mittauksessa käytetään Nesslerin reagenssia (K[HgI]), jonka keksi Julius Nessler. Se sisältää ongelmajätteeksi luokiteltua elohopea(II)jodidia. Vesinäyte saatetaan alkaaliseksi ja siihen lisätään reagenssia. Silloin liuokseen muodostuu vaikealiukoinen aminoelohopeajohdin, jonka sakan väri on kellanruskea. Liuoksen värivoimakkuus on verrannollinen ammoniakkipitoisuuteen, joka halutaan selvittää. Värin määrä tutkitaan spektroskopisesti valon 436 nm aallonpituudella. Tämän jälkeen saatu tulos ilmoitetaan yksiköissä mgNH3-N/l tai μgNH3-N/l. Menetelmän tarkkuus ei alita 0,1 mgNH3-N/l.
Luonnontilaisten ja kirkkaiden vesien kokonaistyppipitoisuus on yleensä 200–500 µgN/l. Humusta sisältävien dystrofisten vesistöjen pitoisuudet ovat niitä korkeampia eli 400–800 µgN/l. Kun vesi on erittäin ruskeaa, on kokonaistypen pitoisuus yli 1000 µg/l. Peltoalueiden ojissa ovat pitoisuudet yleensä 2000–4000 µgN/l ja sateella ne ovat jopa yli 5000 µgN/l. Järven eri syvyyksissä on kokonaistypen pitoisuuksilla luontaista vaihtelua. Pääsääntönä voidaan lausua, että kokonaistyppipitoisuudet kasvavat syvemmälle mentäessä. Mikäli veden happipitoisuus alenee, esiintyy typpi pääasiassa ammoniumina. Kun pohjalieju muuttuu hapettomaksi, muuttuu myös osa sedimenttien typpiyhdisteistä ammoniumiksi.
Tutkimuksissa on huomattu, että kokonaistypen pitoisuudet ovat lineaarisesti riippuvia humuksen määrästä ja että samanlainen riippuvuus on löytynyt vedenvärin ja humuksen välillä.
Nitraattipitoisuudet ovat kesällä yleensä niin pieniä kuin 5 µgNO3-N/l, sillä päällysvedessä levät ottavat sen omaan käyttöönsä. Talvella, kun levä ei enää ole aktiivista, on nitraatin osuus kokonaistypestä suuri ja pitoisuudet voivat nousta jopa 500–1000 µgNO3-N/l. Edellä oleva ei päde sinilevien tapauksessa, koska ne voivat ottaa typen suoraan ilmasta. Pohjavesien nitraattipitoisuudet ovat edellisiä korkeampia. Ne ilmoitetaankin yksikössä mgNO3-N/l. Hyvän talousveden pitoisuus ei pitäisi ylittää arvoa 25 mgNO3-N/l. Kaloille nitraatti on haitallista 20 mgNO3-N/l eli 20 000 µgNO3-N/l pitoisuuksilla.
Nitriitti on luonnossa pysymätön yhdiste ja se yleensä hapettuu nitraatiksi. Vesistössä sen pitoisuudet vaihtelevat 1–10 µgNO2-N/l. Kaloille nitriitti on haitallista jo 0,2 mgNO2-N/l eli 200 µgNO2-N/l pitoisuuksilla.
Luonnonvesissä ammoniumpitoisuudet vaihtelevat tavallisesti päällysvesissä 0–30 µgNH4-N/l ja alusvesissä näitä arvoja hieman suurempina. Jos oja, joki tai järvi kuuluu turvetuotantosoiden valuma-alueeseen, saattaa ammoniumpitoisuudet kohota arvoihin 100–300 µgNH4-N/l. Jos luonnonvesissä esiintyy ammoniumia pitoisuutena 1 mgNH4-N/l = 1000 μgNH4-N/l, on siihen sekoittunut jätevesien päästöjen ammoniumtyppeä. Hyväksyttävän talousveden ylärajaksi on määritetty 0,5 mgNH4-N/l eli 500 µgNH4-N/l.
Vesistön rehevöitymisen astetta kuvaavat kokonaistypen raja-arvot:
Ilmakehän typpikaasu on yleensä eliöille väärässä muodossa ja vain harvat eliöt osaavat valmistaa siitä niiden tarvitsemia typpiyhdisteitä. Tätä yhdisteiden syntytapaa kutsutaan biologiseksi typensidonnaksi. Toinen yhdisteiden syntytapa abioottinen typensidonta liittyy salamointiin. Ilman typpikaasu kuumenee salamaniskussa niin paljon, että se yhtyy ilman happeen ja että siitä muodostuu typen oksideja. Typen eri ravintoaineet ovatkin eräs eliöiden kasvua rajoittava tekijä eli minimitekijä. Ekosysteemien tapaa kierrättää typen yhdisteitä voidaan havainnollistaa typen kierrolla.
Ihmisen aiheuttama typpikuormitus tarkoittaa kaikkea ylimääräistä eli luonnon normaalia typen kiertoa lisäävien aineiden levittämistä luontoon. Typpikuormitus rasittaa eniten pieniä vesistöjä kuten ojia, jokia, lampia ja järviä. Suuremmat järvet, sisämeret ja merenlahdet selviävät näitä paremmin saapuvasta typpikuormasta. Valtameret nielaisevat koko typpikuorman kokonaan ja levittävät sen laajalle alueelle, jolloin sen vaikutukset jäävät pienemmäksi.
Typpikuormitus edesauttaa sisävesien rehevöitymistä, sillä typpi on yksi kasvien pääravintoaine ja typpi kasvattaa ekosysteemin perustuotantoa. Vesikasvillisuus lisääntyy eli rehevöityy ja samalla sen lajimäärä kasvaa. Lajien koostumus muuttuu rehevien elinympäristöjen lajeja suosivaksi samalla kun karujen elinympäristöjen lajit taantuvat. Kalastossa särkikalat lisääntyvät esimerkiksi lohikalojen kustannuksella. Eläinplanktonia syövien kalojen määrän kasvaessa, vähenee eläinplanktonien määrät ja silloin alkaa kasviplanktonien määrät silmiinnähden kasvaa. Kun rehevöityminen vieläkin etenee, samentavat levät veden ja estävät valon pääsyn syvälle veteen. Silloin levien ja kasvien yhteyttäminen vain pinnalla ja pohjakasvillisuus taantuu. Koko biomassan kasvu lisää veteen liuenneen hapen kulutusta ja voi aiheuttaa happipitoisuuden alenemisen. Pahimmillaan järven alusvesiä vaivaa happikato, happamoituminen ja syvänteet voivat jäädä täysin hapettomiksi ja ravinteikkaiksi.
Typen määrää luonnossa seurataan sen vuoksi jatkuvasti ja liiallisen typen haittavaikutuksia pyritään johdonmukaisesti vähentämään. Erään arvion mukaan typen kuormittavat päästöt ovat Suomessa peräisin maataloudesta (46,5%), ilman laskeumasta (19,8%), yhdyskunnasta (16,6%), metsäteollisuudesta (5,0%), haja-asutuksesta (4,2%), massa- ja paperiteollisuudesta (3,8%) ja loput (suuruusjärvestyksessä) muu teollisuudesta, kalankasvatuksesta, turvetuotannosta ja turkistarhauksesta. Muiden maiden kuormituksen rakennetta tämä ei kuvasta, mutta se on siihen suuntaa antava.