Wasser - so viel Mehr als H2O TEIL III

  • Ein wenig Lektüre zum Thema Aquarienchemie
    Der Stickstoffkreislauf



    Auch der Stickstoffkreislauf besteht aus verschiedenen Stoffpools, da die Stickstoffverbindungen in unterschiedlicher Form auftreten.

    PON:

    Der PON Pool gibt den partikulären organischen Stickstoff an. Hierzu gehören Lebewesen, die unter anderem aus Stickstoff bestehen. Aminosäuren enthalten eine Aminogruppe und sind somit stickstoffhaltig.

    DON:

    Durch Exkretion von Konsumenten und dem Tod von Produzenten und Konsumenten fällt gelöster organischer Stickstoff an.

    DIN:

    Ammonium, Nitrit und Nitrat gehören zum gelösten anorganischen Stickstoff Pool.

    Das Zusammenspiel

    Produzenten werden von Konsumenten gefressen und verdaut. Das verdaute Material scheiden die Konsumenten in Form von Kot aus. Dies erzeugt gelösten organischen Stickstoff, welcher auch durch tote Konsumenten und Produzenten anfallen kann. Die gelösten organischen Stickstoffverbindungen durchlaufen nun die Ammonifikation und Nitrifikation. Die Denitrifikation findet im Aquarium nur selten statt. Das Endprodukt der Nitrifikation, das Nitrat, dient den Pflanzen als Mineralstoff, der wichtig für die Assimilation ist.

    Ammonifikation

    Die gelösten organischen Stickstoffverbindungen können beispielsweise Aminosäuren sein, welche in Proteinen vorkommen.



    R-NH2 + H2O --> NH3 + R-OH




    Ammoniak ist eine schwache Base und reagiert deshalb basisch.

    R-NH2 + H3O+ --> NH4+ + R-OH

    Es entsteht nun Ammonium, welches ein Mineralstoff für Pflanzen ist. Es ist wichtig, dass kein Ammoniak entsteht, denn Ammoniak ist ein Zellgift und kann schon in geringen Mengen einen großen Fischverlust verursachen.
    Ab pH 7 sind nur noch wenige Oxonium-Ionen vorhanden. Ammoniak reagiert dann auch mit Wasser.

    R-NH2 + 2H2O <----> NH4+ + R-OH + OH-

    Ammoniak ist eine schwache Base. Wenn ein pH-Wert von etwa 9 erreicht wird, tritt das Massenwirkungsgesetz ein und die Reaktion verläuft in die andere Richtung (von links nach rechts).



    Die Umwandlung von DON zu Ammonium übernehmen Destruenten (Zersetzer), also Pilze und Bakterien.

    Nitrifikation

    Die Nitrifikation kann in zwei Schritte unterteilt werden.
    Der erste Schritt besteht darin, dass Ammonium zu Nitrit oxidiert wird. Dies geschieht durch Bakterien der Gattungen Nitrosomonas, Nitrospira und Nitrosococcus.

    2NH4+ + 3O2 --> 2NO2- + 2H2O + 4H+

    Die H+ Ionen binden sich an Wasser, sodass Oxonium-Ionen (H3O+) entstehen, welche nun den pH Wert senken. Damit der pH Wert durch die Nitrifikation nicht immer weiter gesenkt wird, sodass es zu einem Säuresturz kommt, reagiert an dieser Stelle das Karbonatpuffersystem.
    Hierbei reagiert entweder die gelöste Kohlensäure oder Hydrogencarbonat-Ionen als Puffersäure (je nach pH Wert). Die Nitrifikation kann somit langzeitig zu einem Säuresturz führen.

    Nitrit ist hochgiftig für Fische. Es blockiert die roten Blutkörperchen, indem es an das Hämoglobin bindet, welches aus zwei Alpha- und zwei Betaketten besteht. Die Sauerstoffaufnahme und die Kohlendioxidabgabe sind nun nicht mehr möglich. Der Gasaustausch in den Kiemen funktioniert nicht mehr und der Fisch erstickt.

    Im zweiten Schritt der Nitrifikation wird das Nitrit durch Bakterien Gattungen wie Nitrobacter, Nitrospira und Nitrospina zu Nitrat oxidiert.

    2NO2- + O2 --> 2NO3-

    Nitrat ist ungiftig für Fische und ist ein wichtiger Mineralstoff für Pflanzen.

    Denitrifikation

    Die Denitrifikation findet nur unter anaeroben Zuständen statt, da hier keine Oxidationen vorliegen, sondern Reduktionen.

    NO3- + 2H+ --> NO2- + H2O (Stickstoffdioxid)
    NO2- + 2H+ --> NO + H2O (Stickstoffmonoxid)
    2NO + 2H+ --> N2O + H2O (Distickstoffmonoxid)
    N2O + 2H+ --> N2 + H2O (Stickstoff)

    Stickstoffverbindungen werden dabei solange reduziert, bis elementarer Stickstoff entsteht, welcher nun über die Wasseroberfläche in die Atmosphäre gelangt.
    Die Wasserstoffprotonen sind nötig, damit ein Sauerstoffmolekül von der Stickstoffverbindung abgespalten werden kann.
    Die H+ Ionen sind jedoch so nicht frei im Wasser vorhanden. Das Karbonatpuffersystem funktioniert hier als Säure. Die gelöste Kohlensäure gibt ein Wasserstoffproton ab und es entsteht Hydrogencarbonat.

    NO3- + 2H2O + 2CO2 --> NO2- + 2HCO3- + H2O

    Dies ist allerdings vom pH Wert abhängig. Wenn keine gelöste Kohlensäure mehr vorhanden ist, funktioniert das Hydrogencarbonat als Protonendonator.

    NO3- + 2HCO3- --> NO2- + CO32- + H2O

    Die Denitrifikation kann somit die Konzentrationsverhältnisse des Karbonatpuffersystems stark verändern.Eine weitere Stickstoffreduzierung geschieht durch die Nitratammonifikation. Bei der Nitratammonifikation verläuft die Nitrifikation quasi Rückwärts. Das entstehende Ammonium wird von den Pflanzen genutzt.



    Stickstofffixierung

    Gewässer produzieren nicht nur elementaren Stickstoff, der in die Atmosphäre entweicht, sondern nehmen auch elementaren Stickstoff aus der Atmosphäre auf. Dieser wird beispielsweise von Cyanobakterien, auch Blaualgen genannt, aufgenommen.

    Doch die Stickstofffixierung ist genauso wie Denitrifikation nur unter anaeroben Zuständen vorzufinden. Anaerobe Milieus hat man im Aquarium fast kaum. In der Sandschicht können zwar Bereiche entstehen, die so verdichtet wurden, dass dort kein Sauerstoff mehr vorhanden ist, aber dort wird keine Stickstofffixierung
    stattfinden.

    Bedeutung des Filters

    Die meisten Aquarianer haben überbesetzte Aquarien. Die Fische haben zwar vielleicht genügend Platz, um ihr Sozialverhalten auszuleben, aber dennoch sind
    in den meisten Aquarien zu viele Fische.

    Die nitrifizierenden Bakterien sind alle substratgebunden. Das heißt, dass im Freiwasser keine Bakterien vorkommen. Lediglich auf Oberflächen können sich Bakterien ansiedeln. Der uralte Brauch neue Aquarien mit altem Aquarienwasser zu befüllen, um eine Bakterienpopulation aufzubauen, ist damit überflüssig.

    Die meisten Aquarien bieten nicht genügend Oberfläche, um eine Bakterienpopulation zu beherbergen, welche die gelösten organischen Stickstoffverbindungen der Konsumenten und Produzenten zu verstoffwechseln. Steine, Pflanzen, Wurzeln, Bodengrund und andere Oberflächen im Aquarium reichen schlicht nicht aus.

    Abhilfe verschafft hier der Filter. Der Filter bietet mit seinen vielen Materialien wie Watte, Schaumstoffmatten und Steinchen eine riesengroße Oberfläche. Durch die ständige Zirkulation ist genügend Sauerstoff und Nahrung vorhanden. Die Filtergröße muss dabei auf den Besatz angepasst sein.

    Außenfilter können eine Gefahr sein. Fällt der Filter für einen etwas längeren Zeitpunkt aus, werden die Bakterien nicht mehr mit Sauerstoff versorgt und die Bakterien sterben ab. Ein Stromausfall kann also dazu führen, dass nicht nur die Fische durch Sauerstoffmangel sterben, sondern auch die Bakterienpopulation vernichten.

    Die Einlaufphase

    Vielen Anfängern wird geraten erst nach ein paar Wochen Fische einzusetzen, damit das Aquarium „einfahren“ kann und sich Bakterien bilden. Sinn und Zweck der
    Einlaufphase soll sein den anfänglichen Nitrit-Peak zu vermeiden.

    Doch diese Rechnung geht nicht auf. Nitrifizierende Bakterien bilden sich nur, wenn Nahrung vorhanden ist. Ein leeres Aquarium, welches nur mit Pflanzen bestückt ist, liefert nur eine geringe Menge an gelösten organischen Stickstoffverbindungen. Dadurch bildet sich nur eine geringe Bakterienpopulation.

    Sobald der DON Pool im Aquarium gespeist wird, siedeln sich Destruenten an, Ammonium produzieren. Ammonium ist wiederrum eine Nahrungsquelle für Nitrosomonas, welche Ammonium zu Nitrit oxidieren. Nitrit wird von Nitrobactern oxidiert, die sich daraufhin bilden.

    Wenn der DON Pool durch eine ruckartig erhöhte Populationsdichte der Konsumenten plötzlich ansteigt, dauert es einige Zeit, bis sich genügend Destruenten gebildet haben, die Ammonium produzieren. Die anfallende Menge Ammonium ist ebenfalls sehr hoch. Es dauert auch hier wieder, bis sich genügend Bakterien gebildet haben, um das Ammonium zu Nitrit zu oxidieren. Nun erfolgt der sogenannte Nitrit-Peak. Die Menge an Nitrit steigt stetig, bis sich irgendwann genügend Nitrobacter angesiedelt haben, um Nitrit zu Nitrat zu oxidieren.

    Damit die Menge an Nitrit nicht plötzlich in die Höhe schießt, sollte man den Besatz schrittweise vergrößern. Man sollte nur wenig neue Fische einsetzen und erst nach ein paar Tagen Abstand weitere Fische. Damit verhindert man den Nitritanstau im Aquarium.

    Sollte es dennoch dazu kommen, kann man dies leicht am Verhalten der Fische feststellen. Wenn die Tiere an der Wasseroberfläche nach Luft japsen, ist dies ein Anzeichen für eine Nitritvergiftung. Hiergegen hilft ein sofortiger großer Wasserwechsel, um die Konzentration des Nitrits zu verringern.

    Ein Filterschwamm aus einem bereits laufendem Aquarium beinhaltet genügend Bakterien, um ein neu aufgesetztes Aquarium damit an zu impfen.

    Bedeutung des Wasserwechsels

    Der Wasserwechsel entfernt überflüssige Mineralstoffe wie Nitrat und Ammonium, damit sich keine Algen bilden. Die meisten Aquarien weisen ein ungleiches Verhältnis zwischen Konsumenten und Produzenten auf.

    Infolgedessen fällt so viel Nitrat an, durch Exkretion der Konsumenten, dass die Pflanzen dies gar nicht alles zur Assimilation nutzen können. Der Kreislauf schließt sich also nicht.

    Die überschüssigen Mineralsalze sorgen dann dafür, dass sich Algen bilden, welche nur von den wenigsten Aquarianern erwünscht werden.

    Der Sauerstoffgehalt

    Für ein Aquarium ist besonders eins wichtig: Der Sauerstoffgehalt! Ohne Sauerstoff werden Fische, Bakterien und Pflanzen nicht lange leben können. Nur wenige anaerob lebende Mikroorganismen werden in einem Aquarium ohne O2 überleben können.

    Sauerstoff ist wichtig für die Zellatmung der Fische, aber auch nitrifizierende Bakterien benötigen ihn.

    Der BSB5 gibt den biochemischen Sauerstoffbedarf innerhalb von 5 Tagen an. Je höher der BSB5 , desto mehr Bakterien sind vorhanden, welche den Abbau von organischem Material übernehmen.

    Ein gut besetztes Becken braucht also nicht nur eine höhere Menge wegen der höheren Besatzdichte der Tiere, sondern auch wegen der großen Bakterienpopulation, die mit der Exkretionsmenge wächst.

    Der CSB, chemischer Sauerstoffbedarf, kann die Menge an organischem Material bestimmen. Der CSB gibt an wie viel Sauerstoff nötig wäre, um alle organischen Substanzen zu oxidieren. Dieser Wert ist somit höher als der BSB, denn nicht alle organischen Substanzen werden auch abgebaut.

    Der CSB kann den TOM Stoffpool angeben. TOM steht für Total organic matter, zu Deutsch; gesamte organische Substanz.

    Kahmhaut

    Eine Kahmhaut wird von den meisten Aquarianern als unschön empfunden. Viele entfernen diese durch eine stärkere Wasserbewegung oder spezielle Filtersysteme. Doch nützt dies was? Was ist eine Kahmhaut eigentlich und wie entsteht sie?

    Die Wasseroberfläche ist eine relativ kleine ökologische Nische und dennoch bietet sie für viele Organismen optimale Lebensbedingungen.

    Auf der Wasseroberfläche schwimmen kleine Partikel, die nicht ins Wasser gelangen und unter der Wasseroberfläche befinden sich Stoffe, die leichter sind als Wasser. Für Mikroorganismen sind dies gute Nährstoffquellen. Zudem ist die Lichtintensität an der Wasseroberfläche am stärksten. Ein direkter Gasaustausch mit der Atmosphäre kann ebenfalls ein Vorteil für manche Organismen sein.

    Algen, Bakterien und Pilze, die auf der Wasseroberfläche sitzen gehören zum Epineuston und die, die unter der Wasseroberfläche sitzen nennt man Hyponeuston. Die Gesamtheit des Epineuston und des Hyponeuston, also aller auf oder unter der Wasseroberfläche lebenden Mikroorganismen zählt man zum Neuston.

    Das Neuston bildet also die Kahmhaut, einen Biofilm. Diese Mikroorganismen bilden sich jedoch nur, wenn genügend Nährstoffe und Mineralstoffe vorhanden sind. Bei einem Nährstoffüberschuss bildet sich also schnell eine Kahmhaut.

    Um überzählige Nähr- und Mineralstoffe aus dem Aquarium zu entfernen hilft ein Wasserwechsel, wodurch auch die Kahmhaut verschwindet.

    Eine Kahmhaut bildet allerdings eine gute Nahrungsquelle für manche Tiere. Tiere und Pflanzen, die die Wasseroberfläche besiedeln gehören dem Pleuston an.

    Schnecken und kleine Fische nutzen den Biofilm an der Wasseroberfläche als Nahrungsquelle und entfernen die Kahmhaut somit.

    Der Phosphorkreislauf



    Phosphor kommt in Gewässern vor allem als gelöster anorganischer Phosphor (DIP) und als partikulärer organischer Phosphor vor (POP), beispielsweise in der DNA.
    Der gelöste anorganische Phosphor besteht aus H2PO4-, HPO42- und PO43-. Diese Phosphatverbindungen bilden ein Puffersystem, wie der Carbonatpuffer. Allerdings ist die Menge an Phosphatverbindungen deutlich geringer.

    H2PO4- <----> HPO42- <----> PO43-

    Je nach pH Wert werden Wasserstoffprotonen abgegeben oder aufgenommen.
    Diese Phosphatverbindungen dienen Pflanzen als wichtige Mineralsalze. Somit gelangt der Phosphor in die Nahrungskette und wird dort übertragen.
    Durch die Exkretion und das Sterben von Konsumenten/Produzenten entsteht gelöster organischer Phosphor. Bakterien nutzen diesen zur Chemosynthese und speisen mit den Endprodukten wieder den DIP Stoffpool.

    Phosphat kann jedoch auch sedimentieren. Unter aeroben Zuständen entsteht zweiwertiges Eisenphosphat, welches löslich ist und somit den DIP Stoffpool speisen kann. Im anaeroben Milieu entsteht dreiwertiges Eisenphosphat, welches unlöslich ist. Allerdings kann Schwefelwasserstoff (H2S) mit dem Eisen zu Eisensulfid (FeS) reagieren, sodass das Phosphat sich wieder löst.
    Das Eisenvorkommen im Sediment ist allerdings sehr gering. Besonders durch die Adsorption/Desorption an Sedimentpartikel gelangt Phosphat in/aus das/dem Sediment.

    Der Schwefelkreislauf



    Es gibt nur zwei Schwefel Stoffpools. Der partikuläre organische Schwefel Stoffpool besteht aus den lebenden Organismen, also Produzenten und Konsumenten. Der DIS (dissolved inorganic S) Stoffpool besteht aus Sulfat, Schwefelwasserstoff und Eisensulfid.
    Produzenten und Konsumenten sterben ab, es entsteht dabei Detritus, welches absinkt. Schließlich sedimentiert das partikuläre organische Detritus und Bakterien wandeln die organischen Verbindungen zu Schwefelwasserstoff um. Dieses Schwefelwasserstoff liegt im Sediment. Schwefelwasserstoff kann nun zu Eisensulfid umgewandelt werden, welches im Sediment verbleibt, oder es wird im aeroben Milieu durch die Sulfurikation zu Sulfat umgewandelt, welches dann von den Produzenten als Mineralsalz zur Assimilation genutzt wird. Sulfat kann unter anaeroben Bedingungen allerdings auch zu Schwefelwasserstoff umgewandelt werden. Hierbei spricht man von der Desulfurikation.

    Algen im Aquarium

    Algen sind den meisten Aquarianern ein Dorn im Auge. Entweder siedeln sie sich auf den Scheiben an und versperren somit die Sicht, oder sie bilden hässliche Büschel an Pflanzen, Steinen und Wurzeln.
    Algen bilden sich, wenn zu viele Mineralstoffe vorhanden sind. Oftmals sind Aquarien mit zu vielen Fischen besetzt und zu wenig Pflanzen. Pflanzen sind jedoch sehr wichtig, da sie die Stoffwechselprodukte der Konsumenten verbrauchen und wichtige Nährstoffe für sie produzieren. Zudem sind Pflanzen dafür zuständig den für die Konsumenten und Destruenten essentiellen Sauerstoff herzustellen. Pflanzen sind also wichtige Produzenten.
    Bei einem Ungleichgewicht kommt es zur Eutrophierung, also einer Anreicherung von Nährstoffen, bzw. Mineralstoffen wie Phosphat und Nitrat. Dieser Überschuss wird von Algen genutzt.Algen bringen somit das Verhältnis zwischen Produzenten und Konsumenten wieder in Ordnung.
    Algen haben noch weitere Vorteile. Sie betreiben Photosynthese und produzieren dadurch auch Sauerstoff. Algen sind in natürlichen Gewässern eine wichtige Nahrungsquelle für viele herbivore und omnivore Konsumenten.
    Jungfische nutzen dichte Algenbewüchse auch als Unterschlupf vor größeren Fressfeinden. Somit können Algen auch als ökologische Nische dienen. Wer sich dennoch nicht mit den Algen anfreunden kann, muss dafür sorgen, dass keine Eutrophierung stattfindet. Schnellwachsende Wasserpflanzen nutzen überschüssige Mineralstoffe und verhindern dadurch das Algenwachstum. Regelmäßige Wasserwechsel dienen auch dazu, um den Überschuss zu dezimieren.

    Die Temperatur


    Fische sind wechselwarme Tiere, da ihre Körpertemperatur von der Umgebungstemperatur abhängt. Man spricht von ektothermen oder poikilothermen Tieren. Fische betreiben, im Gegensatz zum Menschen, keine Wärmeregulation. Für den Aquarianer ist es deshalb wichtig für die richtige Temperatur zu sorgen.
    Besonders die Enzymaktivität wird von der Temperatur beeinflusst. Enzyme sind Biokatalysatoren, welche die benötigte Energie für gewisse chemische Reaktionen herabsetzen. Enzyme machen bestimmte chemische Reaktionen im Körper erst möglich, da viele Reaktionen ohne diese Biokatalysatoren nicht von selbst ablaufen würden.
    Die Reaktionsgeschwindigkeits-Temperatur-Regel (kurz: RGT), welche auch als van`t Hoff-Regel bekannt ist, besagt, dass sich die Reaktionsgeschwindigkeit verdoppelt, wenn die Temperatur um 10 Grad Celsius ansteigt. Es handelt sich also um ein exponentielles Wachstum.
    Sinkt die Temperatur um 10 Grad Celsius halbiert sich folglich die Reaktionsgeschwindigkeit eines Enzyms.
    Die Reaktionsgeschwindigkeit nimmt exponentiell so lange zu, bis ein bestimmtes Optimum erreicht wird. Danach sinkt die Reaktionsgeschwindigkeit rapide. Enzyme sind Proteine und werden daher irgendwann thermisch denaturiert. Ihre Struktur wird durch die thermische Energie so verändert, dass sie ihre Wirkung verlieren. Die Van-der-Waals Kräfte, die zwischen den Kohlenstoffketten innerhalb eines Moleküls vorhanden sind, sind relativ gering. Bei einer Temperaturerhöhung werden die zwischenmolekularen Kräfte verringert und die Struktur ändert sich. Diese Form der Denaturierung ist meistens irreversibel.

    Die Temperatur beeinflusst damit auch die Nahrungsaufnahme und die damit verbundene Wachstumsgeschwindigkeit. Bei erhöhter Temperatur sind die Enzyme aktiver und Stoffwechselvorgänge passieren deutlich schneller. Das Tier kann mehr Nahrung verstoffwechseln und hat dadurch einen größeren Appetit. Dies machen sich auch Diskushalter zu Nutzen, welche ihre Tiere mit Rinderherz füttern.
    Bei Jungfischen sorgt der erhöhte Appetit dadurch für ein schnelleres Wachstum.
    Subtropische Arten wie beispielsweise die der Gattung Gymnogeophagus haben in den kalten Wintermonaten auch eine sehr geringe Körpertemperatur. Die Enzymaktivität ist deutlich geringer, weshalb der Fisch während dieser Zeit auch nur wenig Nahrung zu sich nimmt.Durch die geringere Energiegewinnung wird der Fisch träge und fällt in eine Winterstarre, da er nicht genügend Energie produzieren kann, um seine Muskeln zu bewegen.

    Von der Temperatur hängt auch die Biodiversität der Krankheitserreger ab. Bakterien, Viren und andere Parasiten haben, wie Fische auch, einen bestimmten Toleranzbereich gegenüber der Temperatur. Die Wassertemperatur kann also auch ein krankheitsfördender, oder krankheitshemmender Faktor sein. Viele Aquarianer empfehlen bei gewissen Krankheitsbildern eine Temperaturerhöhung. Dies kann die Krankheitserreger entweder töten, oder deren Reproduktionsrate beeinflussen.


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