Die Qualität von Grundwasser – insbesondere von Trinkwasserressourcen – wird regelmäßig anhand zahlreicher Parameter überwacht. In Hessen erfolgt dies über ein Messnetz mit mehr als 500 Grundwassermessstellen. Ein besonders wichtiger Parameter ist Nitrat (NO₃⁻). Da erhöhte Nitratkonzentrationen gesundheitsschädlich sein können, gilt für Trinkwasser ein gesetzlicher Grenzwert von 50 Milligramm pro Liter (mg/L). Nach Angaben des Umweltbundesamtes wird dieser Wert bundesweit bereits bei knapp einem Fünftel der Messstellen überschritten.
Nitrat entsteht im Boden hauptsächlich aus sich zersetzender Biomasse und stickstoffhaltigem Dünger und ist ein wichtiger Pflanzennährstoff. Wird es nicht von Pflanzen aufgenommen, versickert es mit dem Regenwasser, bis es schließlich im Grundwasser zu finden ist.
Unter bestimmten geochemischen Bedingungen kann Nitrat im Untergrund mikrobiell zu elementarem Stickstoff (N₂) reduziert werden. Dieser Prozess, die sogenannte Denitrifikation, wirkt wie eine natürliche Schutzfunktion des Bodens: Das Nitrat wird abgebaut, bevor es ins Grundwasser gelangt. Der entstehende Stickstoff ist ungefährlich und natürlicher Bestandteil der Atmosphäre.
Die Kapazität solcher Schutzschichten ist jedoch begrenzt. Mit der Zeit werden die notwendigen chemischen Reaktionspartner aufgebraucht. Ist diese natürliche Pufferwirkung erschöpft, kann Nitrat innerhalb kurzer Zeit „durchbrechen“ und die Belastung des Grundwassers steigt in relativ kurzer Zeit stark an.
Um diese Entwicklung frühzeitig zu erkennen, setzt das Hessische Landeslabor am Standort Bad Hersfeld seit mehreren Jahren die sogenannte N₂-Exzess-Untersuchung ein. Mit dieser Analytik lässt sich bestimmen, welcher Anteil des im Grundwasser gelösten Stickstoffs natürlichen Ursprungs ist und welcher aus dem mikrobiellen Nitratabbau stammt. Die Ergebnisse ermöglichen es abzuschätzen, welcher Anteil des vorgefundenen N2 aus dem natürlichen Eintrag stammt und welcher Anteil aus abgebautem Nitrat herrührt. Dies erlaubt es die mögliche Belastung durch das Einzugsgebiet und die mögliche zukünftige Gefährdung einer steigenden Nitratbelastung des Grundwassers einzuschätzen.
Für die Analyse greift das Labor zu einem „Trick“: Es bestimmt mit einem Membraneinlass-Massenspektrometer (MIMS) neben dem im Wasser gelösten N2 auch das gelöste Gas Argon (Ar). Dieses Edelgas ist chemisch inert und kommt immer in einem festen Verhältnis zum Stickstoff in unbelastetem Grundwasser vor. Ein erhöhter Stickstoffanteil weist auf zusätzlich gebildeten Stickstoff aus der Denitrifikation hin. Dieser sogenannte „N₂-Exzess“ kann rechnerisch ermittelt und als indirekter Nachweis für bereits abgebautes Nitrat genutzt werden.
Die Methode ermöglicht es, viel früher als bislang die Gefahr einer drohenden Nitratbelastung von Grundwasser vorherzusehen. Die Methode wird bereits seit Jahren für die Überwachung von hessischen Grundwasser-Messstellen verwendet und mittlerweile bundesweit standardisiert im Rahmen der Grundwasserüberwachung eingesetzt.