Correlation of δ¹⁵N and δ¹⁸O in NO₃^- during denitrification in groundwater

Authors: Chen, David J.Z.; MacQuarrie, Kerry T.B.

Source: Journal of Environmental Engineering and Science, Volume 4, Number 3, May 2005 , pp. 221-226(6)

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Abstract:

Stable isotopes of nitrogen and oxygen are important tools for investigating the occurrence of denitrification in groundwater. Previous investigators have noted a linear relationship between δ¹⁵N and δ¹⁸O field data collected from shallow groundwater systems, but the reason for such a linear correlation is not clear. In this study, we represent denitrification reactions using parallel, first-order kinetics, and reaction rate constants that depend on the nitrogen or oxygen isotope present in nitrate. The derived mathematical relationship between δ¹⁵N and δ¹⁸O indicates that nitrogen and oxygen isotopes should fractionate at a constant ratio. Using the laboratory reaction rate constants obtained by Olleros (1983), our equations give a theoretical fractionation ratio value of b = 0.51. A review of published field studies in which denitrification in groundwater has been confirmed, and δ¹⁵N and δ¹⁸O data has been collected, shows that the mean fractionation ratio value is 0.55 (standard deviation = 0.08, n = 6). The field values therefore agree well with the predicted fractionation ratio value of b = 0.51. It is concluded that a linear relationship between δ¹⁵N and δ¹⁸O values, with a slope (b) close to 0.51, provides additional, unambiguous evidence that denitrification is responsible for nitrate concentration decline and enrichment in nitrogen isotope values in shallow groundwater. Key words: nitrate, groundwater, denitrification, isotopes, enrichment factor, fractionation ratio.

Les isotopes stables de l'azote et de l'oxygène sont des outils importants pour l'étude de l'apparition de la dénitrification dans l'eau souterraine. D'autres chercheurs avaient auparavant noté une relation linéaire entre les données de δ¹⁵N et δ¹⁸O collectées sur le terrain en provenance de systèmes d'eau souterraine peu profonds, mais la raison pour une telle relation linéaire n'est pas claire. Dans la présente étude, nous présentons les réactions de dénitrification en utilisant la cinétique parallèle de premier ordre ainsi que les constantes de vitesse de réaction qui dépendent de l'isotope de l'azote ou de l'oxygène présent dans le nitrate. Une relation mathématique dérivée entre δ¹⁵N et δ¹⁸O indique que les isotopes de l'azote et de l'oxygène devraient se fractionner selon un rapport constant. En utilisant les constantes de la vitesse de réaction en laboratoire obtenues par Olleros (1983), nos équations donnent un rapport de fractionnement théorique de b = 0,51. Une revue des études de terrain publiées dans lesquelles la dénitrification de l'eau souterraine avait été confirmée, et des données δ¹⁵N et δ¹⁸O collectées, montre que le rapport de fractionnement moyen est de 0,55 (écart type = 0,08, n = 6). Les valeurs sur le terrain correspondent donc bien au rapport de fractionnement prévu de b = 0,51. Il est conclu qu'une relation linéaire entre les valeurs δ¹⁵N et δ¹⁸O, avec une pente (b) près de 0,51, fournit une preuve additionnelle et claire que la dénitrification est responsable de la diminution de la concentration en nitrates et de l'enrichissement en isotope de l'azote dans l'eau souterraine peu profonde. Mots clés : nitrate, eau souterraine, dénitrification, isotopes, facteur d'enrichissement, rapport de fractionnement. [Traduit par la rédaction]

Document Type: Research article

Publication date: 2005-05-01

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