Vad händer med nitrat i grundvattenmagasin?

Av: Kenneth M Persson

Den vackra och torra sommaren 2018 har ökat intresset bland många vattentekniker och resursplanerare att nyttiggöra grundvatten i Sverige i större omfattning för allmän, industriell och agrar vattenförsörjning. När inte ytvattnen och regnet är att lita på, går det att böja sig ned och titta i brunnar hur mycket vatten som finns att tillgå.

Grundvattnet påverkas av det som infiltrerar i marken. Ju fler ämnen som följder med vattnet ned och ju fortare det rör sig nedåt, desto fler ämnen och högre halter kan vi förvänta oss finna i det. Ammonium och nitrat är två varianter av kväve som sprids med avlopp och gödsel. Ammonium oxideras snabbt av markbakterier till nitrat, eller avgår som ammoniak till atmosfären. Nitrat finns kvar länge, men kan reduceras mikrobiellt till kvävgas om det finns elektrongivare i grundvattenmagasinet, ämnen som organiskt kol, sulfid, järn, som kan tillföra elektroner och själva oxideras i de redoxreaktioner som sker i bakterier. Saknas dessa stannar nitrat kvar i grundvattenmagasinet. Men hur länge finns nitrat kvar i grundvattenmagasinet? Går det att tolka hur ett grundvattenmagasin ser ut och hur vatten rör sig däri av uppmätta nitrathalter från olika nivåer? Kanske det.

Artikeln

Forskarna i ett stort projekt finansierat av EU redovisar delar av sina resultat i en ny artikel i PNAS, Proceedings of the National Academy of Sciences (2019). Tamara Kolbe och medarbetare skriver om hur de mätt nitrat i grundvatten från 16 brunnar i en sprickakvifer i Bretagne från olika nivåer och åldersbestämt vattnet med hjälp av halten av olika freoner och svavelhexafluorid i vattnet. Med kännedom om ålder och nitrathalt har de tagit fram en första ordningens kemisk nedbrytningsmodell för hur nitrat reduceras på olika djup och på olika platser horisontellt från infiltrationsområden till brunnsområden. Varken geologin eller grundvattnet är homogent horisontellt eller vertikalt. Tvärtom är geokemi och grundvattenkemi en funktion av plats, djup och för vattnet del dess uppehållstid i magasinet. 

Grundvatten rör sig förhållandevis långsamt i magasinet och det tar många månader och ofta flera eller många år från vattnet infiltrerat till dess det når fram till en brunn. De biologiska reaktionerna som bland annat leder till att nitrat reduceras till kvävgas typiskt är snabba jämfört med grundvattnets rörelser. Då kommer reaktionstider främst att bestämmas av transport och tillgång till elektrongivare. Det går att specialstudera hur syre (O2) och nitrat (NO3) samvarierar på olika nivåer i magasinet. Skillnader i reaktionstider visar den rumsliga spridningen av elektrongivare. När de förekommer först på djupet i magasinet finns syre kvar länge i vattnet och omsättningen av nitrat är låg och den börjar sent. I artikeln kallar de detta förhållande som en sen start av nitratreduktionen. I vatten med sen start ökar ofta halten sulfat med djupet. Om nitrat inte längre omsätts utan halten är konstant på djupet genom magasinet kallar författarna det istället för ett tidigt stopp. Saknas elektrongivare i marken kan inte bakterierna reducera nitrat  och då upphör nitratminskningen i ett tidigt skede. Nitrat kan då detekteras också i djupa brunnar.

Forskarna använde sin nitratomsättningsmodell och kalibrerade den mot en allmän grundvattenmodell. Därefter tillämpade de nitratomsättningsmodellen i USA på olika grundvattenmagasin i Kalifornien, Nordcarolina, Michigan och Minnesota. Vissa magasin var öppna, andra slutna, somliga var sprickakviferer, andra låg i jordlagret och åter andra i sedimentär berggrund. I 5% av alla magasin såg den en mer eller mindre linjär omsättning av nitrat som funktion av ålder/djup. I nära 80% av brunnarna såg de vad de kallade sen start, dvs att omsättningen av nitrat inleddes på djupet men fortsatte länge nedåt i magasinet. De bedömer att den sammanlagda tillgången av elektrongivande material globalt sett är betydande i grundvattenmagasinen runtom på jorden. Den totala nitratreduktionskapaciteten i grundvattenmagasin är därför mycket större än vad enkla modeller för koloxidation i ytliga magasin antyder. Deras uppskattningar säger att denitrifikation sker länge, under många år, om det finns sulfid eller järn närvarande. Den totala globala kvävereningen i mark har uppskattats till mellan 44 Tg och 138 Tg per år. Baserat på vad de mätt av grundvattnets ålder och nitrathalt i magasinen i Frankrike och USA menar de att kvävereningen i dessa är närmare 138 Tg än 44 Tg per år. (T = 10¹², 1 ton = 10⁶ g).

Men samtidigt visar deras data och modeller att det finns många grundvattenmagasin med tidigt stopp, där nitrat omsätts ytterst långsamt på grund av brist på elektrongivande material i marken. Det är tyvärr överdrivet optimistiskt att tro att den mikrobiella reduktionen av nitrat till kvävgas kommer att ta bort problemet med nitrat i grundvatten. Kortare uppehållstid, dvs större uttag av grundvatten, leder också till kortare tid för nitrat att nå geologiska formationer där det finns elektrongivande material. Övergödningen av mark behöver fortsatt minska för att minska nitrathalten i grundvatten. Men artikeln är tankeväckande och deras modell baseras på en ganska enkel första ordningens reaktion som kan användas för att förstå omsättningen av nitrat i ett grundvattenmagasin nära dig.

Läs hela artikeln i PNAS gratis här.