Wasser - so viel Mehr als H2O TEIL I

  • Ein wenig Lektüre zum Thema Aquarienchemie
    Vorwort

    Als Aquarianer hat man scheinbar die Qual der Wahl, wenn es darum geht sich einen neuen Fischbesatz auszusuchen. Doch oftmals genügt ein Blick in die Fachliteratur, um festzustellen, dass der ausgewählte Besatz unterschiedliche Ansprüche an das Wasser stellt. Viele ignorieren diese Ansprüche und pflegen die Fische trotz suboptimaler Bedingungen. Andere achten sehr genau auf die Qualität ihres Aquarienwassers. Doch welche Philosophie ist die richtige? Was genau sagen die ganzen Wasserparameter aus? Und vor allem; wofür braucht man sie? Welchen Einfluss haben diese ganzen Stoffe auf die Organismen, die in unseren Aquarien leben? Es ist schwierig sich jeden einzelnen Parameter vorzuknüpfen und eine kleine Definition für jeden von ihnen aufzustellen. Alles wirkt ineinander. Auch ein Aquarium ist ein Ökosystem. Es ist zwar vielleicht ein instabiles Ökosystem, welches auf das Eingreifen des Menschen angewiesen ist, aber es ist ein Ökosystem, in dem bestimmte biochemische Prozesse stattfinden. Und genau so muss man das Thema auch behandeln. Komplexe Vorgänge müssen tiefgründig erläutert werden.

    Säure-Base Haushalt

    Autoprotolyse des Wassers

    Als Protolyse bezeichnet man Reaktionen, bei denen ein Wasserstoff-Proton zwischen zwei Stoffen übertragen wird. Als Autoprotolyse bezeichnet man eine Reaktion, wenn ein Wasserstoff-Proton zwischen zwei gleichen Molekülen, also dem selben Stoff, übertragen wird.Wasser reagiert also mit Wasser und das sieht wie folgt aus:

    H2O + H2O <----> H3O+ + OH-

    Wenn zwei Wassermoleküle miteinander reagieren, entsteht ein positiv geladenes Molekül und ein negativ geladenes Molekül. Das Oxonium-Ion (H3O+) ist positiv geladen, während das Hydroxid-Ion (OH-) negativ geladen ist.
    Die Autoprotolyse des Wassers ist eine Säure-Base Reaktion. Ein Wassermolekül reagiert als Base während das andere Wassermolekül als Säure reagiert. Das Wassermolekül, welches als Säure Dient, gibt eines seiner Wasserstoff-Protonen ab und ist somit der Protonendonator.

    Das andere Wassermolekül nimmt dieses Wasserstoff-Proton auf und reagiert als Base, genauer gesagt als Protonenakzeptor.Wasser kann also sowohl als Säure, als auch als Base reagieren. Stoffe, die Protonendonator und Protonenakzeptor zugleich sind, nennt man Ampholyte.Selbst destilliertes Wasser, also „reines H2O“, besteht neben H2O auch noch aus H3O+ und OH-.

    Der pH Wert

    Der pH Wert ist der negative dekadische Logarithmus der Oxonium-Ionen Konzentration. Mathematisch ausgedrückt sieht das ganze so aus:-log10(c(H3O+))Die Konzentration an H3O+ in Gewässern ist ziemlich gering. Wenn man eine H3O+ Konzentration von 0,000000045 mol/L hat, kann man den pH Wert ganz einfach mit der obigen Formel ausrechnen.

    -log10(0,000000045) = 7,35

    Es ist natürlich sehr viel einfacher und praktischer mit einer Zahl wie 7,35 zu arbeiten, als mit einer Zahl, die nach dem Komma sieben Nullen hat. Der pH Wert ist also nichts anderes als eine vereinfachte Schreibweise der Oxoniumionen Konzentration.Die Konzentration der H3O+ Moleküle gibt an, wie sauer eine Lösung oder ein Stoff ist. Je höher die Konzentration, desto geringer der pH Wert.



    Der pOH Wert

    Der Gegenspieler vom pH Wert ist der pOH Wert. Der pOH Wert gibt die Konzentration der Hydroxid-Ionen an (OH-).



    Das Ionenprodukt des Wassers

    Kommen wir noch einmal auf die Autoprotolyse des Wassers zurück. Hier reagieren zwei Wassermoleküle zu einem Oxoniumion (H3O+) und einem Hydroxid-Ion (OH-).

    H2O + H2O --> H3O+ + OH-

    Die beiden Pfeile zwischen den Edukten (links) und den Produkten (rechts) zeigen, dass die Reaktion in beide Richtungen verlaufen kann.

    H3O+ ist eine Säure, kann also ein H+ abgeben. OH- ist eine Base und somit ein Protonenakzeptor.

    H3O+ + OH- --> H2O + H2O

    Das Ionenprodukt des Wassers ist das Produkt aller im Wasser gelösten Ionen. Ionen sind positiv oder negativ geladene Teilchen.

    KW = c(H3O+) x c(OH-)

    Der KW ist die Konstante des Wassers. Die Menge an Wasser bleibt nämlich mehr oder weniger konstant. Die Konzentrationen von OH- und H3O+ im Wasser sind so gering, dass die Konzentration des Wassers nur minimal verändert wird. Der KW ist deshalb immer 14.

    Nun kann man die Formel umschreiben: 14 = pH + pOH

    Hat man also einen pH Wert von 9, so hat man einen pOH Wert von 5. Bei einem pOH Wert von 3, hat man folglich einen pH Wert von 11. Man kann also mit einem Wert beide Konzentrationen gleichzeitig angeben. Man hat sich darauf geeinigt hauptsächlich den pH Wert zu nutzen. Der pOH Wert rückt daher in den Hintergrund, auch wenn er von großer Bedeutung ist.



    Bei einem pH Wert <7 sind mehr H3O+ vorhanden. Es sind also mehr Teilchen vorhanden, die als Säure reagieren. Eine Lösung ist deswegen sauer, wenn der pH Wert kleiner als 7 ist.
    Bei einem pH Wert 7< sind überwiegend Hydroxidionen vorhanden, die als Base reagieren. Ein solches Milieu ist daher basisch, beziehungsweise alkalisch.
    Bei einem pH Wert von 7 ergibt sich folgende Gleichung:

    14 = 7 + 7
    Oder:
    10-14 = 10-7 x 10-7

    Es gilt: c(H3O+) = c(OH-)Bei einem pH Wert von 7 hat man also genau so viel Säure wie Base, diesen Zustand nennt man neutral.
    Destilliertes Wasser ist also neutral, auch wenn durch die Autoprotolyse des Wassers H3O+ und OH- entsteht. Die Konzentrationen bleiben im Verhältnis 1:1.

    Das Karbonat-Puffersystem des Wassers

    In der Natur kommen viele Säuren und auch Basen vor. Auch in Gewässer gelangen Säuren und Basen. Der tropische Regenwald in Südamerika ist ziemlich dicht bewachsen mit einer Vielzahl von Pflanzen. Abgestorbene Blätter fallen auf den Waldboden, oder in ein Gewässer. Dort wird das tote organische Material abgebaut. Dabei entstehen Humin- und Fulvosäuren. Dies sind langkettige Moleküle, die aus Wasserstoffatomen, Sauerstoffatomen, Kohlenstoffatomen, Schwefelatomen, Stickstoffatomen und Phosphoratomen bestehen.

    Reagieren diese organischen Säuren mit Wasser, entstehen Oxonium-Ionen (H3O+), sodass der pH Wert rapide ansteigen würde. Um starke Schwankungen des pH-Wertes zu vermeiden, gibt es ein Puffersystem.

    Zum Karbonat-Puffersystem gehören die gelöste Kohlensäure, die Hydrogencarbonat-Ionen und die Carbonat-Ionen.

    Kohlensäure ist eine instabile Molekularverbindung und dissoziiert deswegen zu Kohlendioxid und Wasser.

    H2CO3 --> H2O + CO2

    Es entsteht die gelöste Kohlensäure, also Wasser und Kohlendioxid.
    Wasser kann mit dieser gelösten Kohlensäure reagieren:

    2H2O + CO2 <----> H3O+ + HCO3-

    Das Hydrogencarbonat (HCO3-) welches dabei entsteht, kann ebenfalls mit Wasser reagieren:

    H2O + HCO3- <----> H3O+ + CO32-

    Auch hier zeigen die Reaktionspfeile wieder in beide Richtungen. Steigt der pH Wert, sinkt die Konzentration der H3O+ und es werden H3O+ abgegeben. Sinkt der pH Wert, steigt die Konzentration der H3O+ und es werden welche aufgenommen.



    Hydrogencarbonat ist, wie auch beispielsweise Wasser, ein Ampholyt. Wenn es ein Wasserstoffproton aufnimmt, reagiert es zu gelöster Kohlensäure und wenn es ein Wasserstoffproton abgibt, reagiert es zu Carbonat.
    In Gewässern mit niedrigem pH Wert, ist vor allem die gelöste Kohlensäure enthalten. Carbonat ist in sauren Gewässern fast kaum vorhanden, da dieses bereits zu Hydrogencarbonat reagierte. Das Hydrogencarbonat hat ebenfalls schon einige Wasserstoffprotonen aufgenommen.
    In Gewässern, die einen pH Wert um 7 haben, also mehr oder weniger neutral sind, ist die Konzentration an Hydrogencarbonat am größten. Es können Wasserstoffprotonen aufgenommen, aber auch abgegeben werden.In alkalischen Gewässern ist vor allem Carbonat enthalten. Die vielen OH- Ionen reagieren mit den wenigen H3O+ Ionen.



    Die Menge der Hydrogencarbonat-Ionen gibt die Karbonathärte an. Hydrogencarbonat-Ionen benötigen jedoch einen Partner. Doch dazu später mehr im Kapitel „Gesamthärte“.


    Der Kohlenstoffkreislauf

    Das Puffersystem des Wassers besteht aus kohlenstoffhaltigen Molekülen. Und diese kohlenstoffhaltigen Moleküle spielen im Kohlenstoffkreislauf eine wichtige Rolle.



    Der Kohlenstoffkreislauf besteht aus verschiedenen Stoffpools. Die Kohlenstoffverbindungen werden dabei in verschiedene Gruppen unterteilt, nach zwei Kriterien. Ein Kriterium ist, ob die Kohlenstoffverbindung organisch oder anorganisch ist. Das zweite Kriterium unterteilt gelöste und partikuläre Kohlenstoffverbindungen.

    DIC:

    Der DIC Stoffpool gibt die Gesamtmenge aller gelösten anorganischen Kohlenstoffverbindungen an (DIC= „dissolved inorganic carbon). Hierzu gehören Kohlendioxid (CO2), Hydrogencarbonat (HCO3-), Carbonat (CO32-), Methan (CH4) und weitere.

    POC:

    POC steht für „particular organic carbon“, und gibt somit die Gesamtmenge des partikulären organischen Kohlenstoffs an. Hierzu gehören die Kohlenstoffverbindungen in den einzelnen Organismen. Proteine beispielsweise besitzen eine Carboxylgruppe (COOH).

    DOC:

    Gelöster organischer Kohlenstoff besteht vor allem aus gelösten Kohlenstoffverbindungen, die an einen Organismus gebunden sind. Vor allem an Bakterien gebundene Kohlenstoffverbindungen, welche von Destruenten abgebaut werden, gehören hierzu.

    Das Zusammenspiel

    Wie bereits in dem Schema zu erkennen ist, interagieren die jeweiligen Arten der Kohlenstoffverbindungen miteinander.
    Zwischen Der Wasseroberfläche und der Luft findet ein Gasaustausch statt. CO2 wird über die Wasseroberfläche sowohl aufgenommen, als auch abgegeben. Das im Wasser befindliche CO2 wird von Produzenten (Pflanzen) aufgenommen, damit diese Fotosynthese betreiben und Kohlenhydrate produzieren können. Das CO2 aus dem DIC Stoffpool gelangt somit in den POC Stoffpool. Nachts produzieren Pflanzen allerdings selbst CO2 und speisen den DIC Stoffpool somit wieder. Pflanzen dienen den Konsumenten (Tieren) als Nahrung. Durch Nahrungsketten werden Kohlenstoffverbindungen unter den einzelnen Organismen ausgetauscht. Konsumenten betreiben Atmung und produzieren dabei Kohlendioxid.
    Lebende Organismen sterben irgendwann. Totes Pflanzenmaterial zerfällt zu Detritus. Detritus sind kleine nicht lebende Partikel. Detritus wird von Destruenten (Zersetzern wie Pilze, Bakterien, etc.) aufgenommen und verstoffwechselt. Im Sediment können Mikroorganismen Kohlenstoffverbindung unter anaeroben Zuständen zu Methan umwandeln.

    CO2 + 4H+ --> CH4 + 2H2O

    Der PIC Stoffpool wird von der biogenen Entkalkung beeinflusst. Bei der biogenen Kalkfällung nutzen die Pflanzen Calciumhydrogencarbonat, da kein CO2 mehr zur Verfügung steht.

    Ca(HCO3)2 --> CaCO3 + H2O + CO2

    Das dabei entstehende Kohlendioxid nutzt die Pflanze nun zur Fotosynthese. Das Calciumcarbonat lagert sich als Kalkkruste auf den Blättern der Pflanze ab. Der Kalk ist also partikulär vorhanden, ist aber nicht organisch.
    Zum PIC Stoffpool („particular inorganic carbon“) gehören auch Schneckenhäuser und andere Kalkaufbauten, die Organismen zum Schutz nutzen. Stirbt das Tier, beispielsweise eine Schnecke, so bleibt lediglich das anorganische Schneckenhaus zurück und sedimentiert.Durch Exkretion und den Zerfall organischen Materials wird der DOC Stoffpool gespeist. Bakterien nehmen dieses organische Material auf und bauen es ab.

    Auswirkungen auf Organismen

    Nachdem nun die trockene Theorie durchgekaut wurde, kommen wir nun zum Praxisbezug.
    Viele biochemische Reaktionen in unserem Körper und im Fischkörper werden vom pH Wert beeinflusst. Fische betreiben, wie wir auch, Zellatmung. Die Zellatmung besteht aus drei Stufen. Glykolyse, Citratcyclus und die Atmungskette sorgen für Energie. Energie wird in Form von Adenosintriphosphat (ATP) gespeichert. Bei der Atmungskette wird besonders viel ATP gewonnen. Die Coenzyme NAD und FADH nehmen Wasserstoffprotonen und Elektronen auf, die bei der Glykolyse und dem Citratcyclus abgegeben werden.Bei der Atmungskette werden die Elektronen und die Wasserstoffprotonen von den Coenzymen wieder abgegeben. Die Elektronen wandern durch die innere Mitochondrienmembran und befördern die Wasserstoffprotonen aus der Mitochondrienmatrix in den Intermembranraum. Dadurch entsteht ein Protonengradient, da die Konzentration der H+ in der Mitochondrienmatrix hypotonisch ist und im Intermembranraum hypertonisch ist. Durch die Chemieosmose erfolgt nun eine „Ausgleichsreaktion“. Die H+ aus dem Intermembranraum diffundieren durch die Membran in die Mitochondrienmatrix. Die dabei entstehende Energie lässt Adenosindiphosphat (ADP) und Phosphor (P) zum Energieträger ATP reagieren.



    Steigt der pH Wert im Wasser, so steigt auch der pH Wert im Körper des Fisches. Wenn in der Mitochondrienmatrix zu viele Wasserstoffprotonen vorhanden sind, dann funktioniert die Chemiosmose nicht mehr und die Gewinnung von ATP bleibt aus. Auch die Enzymaktivität wird durch den pH Wert beeinflusst. Enzyme sind Proteine und Proteine bestehen aus Aminosäuren. Enzyme sind substratspezifisch. Das heißt, dass jedes Enzym einen bestimmten Stoff produziert oder umwandelt. Enzyme setzen die benötigte Energie für eine endergonische Reaktion herab und dienen somit als Biokatalysator.
    Der Teil des Enzyms, an dem das Substrat gebunden wird, welches umgesetzt werden soll, nennt man aktives Zentrum. Das Substrat bleibt im aktiven Zentrum, denn zwischen den Wasserstoffatomen der im Enzym befindlichen Aminosäuren und den Wasserstoffatomen des Substrates bilden sich Wasserstoffbrückenbindungen. Verändert sich der pH Wert werden die Wasserstoffbrückenbindungen unterbrochen. Bei einem zu hohen pH Wert binden sich die Hydroxidionen (OH-) an die Wasserstoffatome der Aminosäuren und an die Wasserstoffatome des Substrates.Enzyme übernehmen beispielsweise eine wichtige Rolle bei der Vervielfältigung der DNA eine Rolle, die während der Mitose (Zellteilung) stattfindet.

    Bohr-/Root Effekt

    Der Bohr Effekt wurde nach dem Sohn des berühmten Physikers Nils Bohr benannt. Der Bohr Effekt beschreibt das Phänomen, dass bei steigender CO2 Konzentration die Affinität von Hämoglobin zu O2 sinkt.
    Hämoglobin besteht aus zwei alpha-Ketten und zwei beta-Ketten. Zwischen diesen Ketten wird entweder O2 oder CO2 gebunden.
    Der Partialdruck gibt einen Teildruck an (lat. Pars/Partis=Teil). Das Gasgemisch im Blut bzw. in den Kiemen besteht aus Sauerstoff und Kohlendioxid. Folglich gibt es den Partialdruck des Kohlendioxids und den Partialdruck des Sauerstoffs. Die beiden Partialdrücke bilden somit den Gesamtdruck.
    Bei niedrigem pH Wert ist mehr gelöste Kohlensäure vorhanden. Das CO2 der gelösten Kohlensäure gelangt in den Körper und bindet an das Hämoglobin. Dadurch kann weniger Sauerstoff aufgenommen werden, weil der Partialdruck des Kohlendioxids steigt.
    Bei einem hohen pH Wert diffundiert das CO2 jedoch sogar aus dem Körper heraus, um als gelöste Kohlensäure mit Wasser zu reagieren. Dadurch kann das Hämoglobin mehr Sauerstoff aufnehmen.



    Kalkbildende Organismen

    Schnecken benötigen ein Schneckenhaus, in welches sie sich zurückziehen können. Kalkbildende Organismen, wie Schnecken, Krebstiere oder Korallen, erhöhen den PIC Stoffpool. Den kalk nutzen sie entweder als Schutz (Schneckenhaus) oder als Untergrund (Steinkorallen).
    Kalk ist Calciumcarbonat (CaCO3) und ist somit ein Teil des Puffersystems des Wassers. Ist der pH Wert zu hoch, reagiert die gelöste Kohlensäure mit dem Calciumcarbonat.

    CaCO3 + H2O + CO2 --> Ca(HCO3)2

    Das Kalkskelett wird dadurch aufgelöst. Die Schnecke kann nun kein neues Gehäuse mehr bilden, da zu wenig Carbonat im Wasser vorhanden ist.
    Auch die Gesamthärte spielt hierbei eine Rolle. Denn neben den Carbontationen (CO32-) werden auch Calciumionen (Ca2+) benötigt. Dazu später mehr im Kapitel „Salinität“.

    Schleimhäute

    Fische haben eine Schleimhaut über den Schuppen. In dieser Schleimhaut befinden sich Makrophagen. Makrophagen sind Fresszellen, welche ein Teil des Immunsystems sind, da sie Viren und Bakterien fressen und somit vernichten.
    Ein erhöhter pH Wert kann die Schleimhautproduktion erhöhen. Es wird mehr Sekret produziert als sonst. Durch die höhere Menge an Schleimhaut wird das Verhältnis zwischen Schleimhaut und Makrophagen gestört. Auf die Gesamtmenge der Schleimhaut kommen nun weniger Makrophagen. Das Immunsystem des Fisches wird geschwächt und er wird anfälliger gegenüber Krankheiten.
    In den Kiemen des Fisches wird ebenfalls ein schleimiges Sekret gebildet. Wenn die Schleimhautproduktion hier zu sehr stimuliert wird, befindet sich zu viel Schleim in den Kiemen, wodurch die Atmung negativ beeinflusst wird.

    Krankheitserreger

    Krankheitserreger sind Viren, Pilze, Bakterien, etc. Sie können durch Parasiten übertragen werden, oder durch die Verbreitung im Freiwasser.
    Die Keimdichte gibt an, wie stark ein Gewässer von Krankheitserregern befallen ist. Oft hört man, dass die Keimdichte in sauren Gewässern niedriger ist, als in neutralen/leicht alkalischen Gewässern. Bei Krankheiten empfehlen viele Aquarianer die Verwendung von Seemandelbaumblättern, oder Erlenzäpfchen.
    Seemandelbaumblätter und Erlenzäpfchen sind nichts anderes als totes pflanzliches Material, welches im Wasser zersetzt wird. Dabei entstehen schwache organische Säuren, Humin- und Fulvosäuren.

    Huminsäure + Ca(HCO3)2 --> Ca-Humat + 2CO2 + 2H2O

    Der linke Pfeil ist größer, da nu rein geringer Teil der Huminsäure mit dem Puffer Calciumhydrogencarbonat reagiert. Es gibt schwache und starke Säuren. Starke Säuren geben all ihre Wasserstoffprotonen ab und dissoziieren damit fast vollständig. Schwache Säuren, wie die Huminsäure, dissoziieren nicht vollständig und nur ein geringer Teil der Säuremoleküle reagiert als Protonendonator.
    Die undissoziierten Huminsäuremoleküle können die lipidhaltigen (fetthaltigen) Membranen der Viren und Bakterien sehr gut durchdringen und im inneren der Viren und Bakterien Stoffwechselvorgänge zum erliegen bringen. Dadurch werden die Bakterien und Viren getötet und die Ausbreitung des Krankheitserregers wird verhindert.
    Es kommt also nicht auf den pH Wert an. Allerdings reagieren solche organischen Säuren sowohl als Säure (pH Wert wird gesenkt), wie auch als Gegenmaßnahme für Krankheitserreger (Keimdichte wird gesenkt). Dadurch, dass beides miteinander einhergeht, entsteht der Gedanke, dass ein niedriger pH Wert die Keimdichte verringert, was nur bedingt richtig ist.

    Azidose und Hyperkaliämie

    Bei einem zu niedrigem pH-Wert im Außenmedium sinkt auch der pH-Wert im Blut. Bei einem zu niedrigem pH-Wert des Blutes ist mehr CO2 vorhanden, da das Carbonat-Puffersystem Wasserstoffprotonen aufnimmt. Dies erschwert die O2 Aufnahme, weil der Partialdruck des CO2 höher ist.
    Es kann außerdem zu einer Hyperkaliämie kommen. Die H+ Ionen im Blut diffundieren in andere Zellen. Im Austausch dafür gelangen K+ Ionen in das Blut. Der Serumspiegel (Anteil eines Stoffes im Blut) von Kalium nimmt also zu.

    Alkalose und Hypokaliämie

    Bei einer Alkalose ist der pH-Wert des Blutes zu hoch. Es sind vor allem HCO3- vorhanden. Der CO2 Partialdruck ist geringer. Die O2 Aufnahme wird dadurch verbessert.
    Bei einer Hypokaliämie diffundieren K+ Ionen aus dem Blut in die anderen Körperzellen, während H+ Ionen in das Blut diffundieren, um dort mit HCO3- zu gelöster Kohlensäure zu reagieren. Der Serumspiegel an Kalium sinkt dadurch

    Biogene Entkalkung

    Pflanzen benötigen CO2, um Fotosynthese betreiben zu können. Wenn freies CO2 im Wasser vorhanden ist, wird dieses von den Pflanzen aufgenommen.
    Die CO2 Konzentration ist jedoch vom pH Wert abhängig, da es ein Teil des Karbonatpuffersystems ist. Ist der pH Wert sehr alkalisch, ist fast kein CO2 mehr vorhanden. Die Konzentration des Hydrogencarbonats steigt dabei.
    Die Pflanzen entziehen nun den Hydrogencarbonat-Ionen ein CO2 Molekül.

    Ca(HCO3)2 --> CaCO3 + H2O + CO2

    Das entstehende CO2 nimmt die Pflanze auf. Der Kalk (Calciumcarbonat) lagert sich auf den Blättern ab.Hydrogencarbonat ist eine wichtige Pufferbase. Sollte es nun zu einem Säureeintrag kommen, kann Hydrogencarbonat zwar nicht mehr als Pufferbase reagieren, allerdings ist immer noch das Calciumcarbonat vorhanden. Das Carbonat reagiert nun als Pufferbase.Obwohl durch die biogene Entkalkung die Karbonathärte gesenkt wird, kann es nicht zu einem plötzlichen Säuresturz kommen.

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