CO₂, Alkalinität und Carbonatgleichgewicht im Meerwasseraquarium

Die Zusammenhänge rund um das gasförmige Kohlendioxid, seine gelöste Form im Meerwasser und die weitere Reaktion in Hydrogencarbonat (HCO₃⁻) sowie Carbonat CO₃⁻) ist wahrlich keine ganz einfache chemische Kost. Und doch müssen wir uns als Aquarianer daran machen, diese Zusammenhänge zu verstehen um konstante und gute Lebensbedingungen für unsere Beckenbewohner zu schaffen. Also: los geht’s mal wieder mit ein bisschen Meerwasserchemie!

Was hat CO₂ mit dem pH-Wert im Meerwasseraquarium zu tun?

Kohlendioxid (CO₂) ist der wesentliche pH-bestimmende Faktor im Meerwasseraquarium. Eine erhöhte CO₂-Konzentration geht nach der Gleichung CO₂ + H₂O ⇄ HCO₃⁻ + H⁺ mit einem Anstieg der H⁺-Konzentration und daher einem Abfall des pH-Wertes einher. CO₂ wird während der Beleuchtungsphasen durch die Zooxanthellen (Symbiosealgen der Korallen) und andere Algen im Rahmen der Photosynthese verbraucht. Während der Dunkelphasen wird es durch Fische und andere heterotrophe Organismen gebildet. Entsprechend ist der pH-Wert am Ende der Beleuchtungsperiode (i.d.R. am Abend) am höchsten, da hier am wenigsten CO₂ vorliegt. Umgekehrt ist er morgens am niedrigsten. Sind diese tageszeitlichen pH-Schwankungen zu extrem, kann man sehr gut mit einem Algenrefugium entgegenwirken, das antizyklisch zum Hauptbecken (also i.d.R. nachts) beleuchtet wird. Die Algen verwerten in der Nacht dann das CO₂, sodass ein relevanter pH-Abfall über Nacht verhindert wird. Die zahlreichen Vor- und (wenigen) Nachteile eines Algenrefugiums werden hier demnächst in einem weiteren Blogartikel von mir beschrieben.

Die CO₂-Gleichgewichte im Meerwasseraquarium

Gelöstes CO₂(aq) steht an den Grenzflächen (Beckenoberfläche, Abschäumer) im Gleichgewicht mit dem gasförmigen CO₂ der Umgebungsluft. Gelöstes CO₂ steht im Beckenwasser mit den Carbonaten im Reaktionsgleichgewicht und bildet das wichtigste Puffersystem im Meerwasser:

CO₂ + H₂O ⇄ HCO₃⁻ + H⁺ ⇄ CO₃²⁻ + 2H⁺

Die Lage dieses Gleichgewichts ist pH-abhängig. Bei einem pH von 8,2 liegen knapp 90% des CO2 in Form von HCO₃⁻ vor, ca. 9% in Form von CO₃²⁻ und nur ca. 1 % in Form von CO₂. Je höher der pH-Wert, desto mehr CO₃²⁻ ist vorhanden, je niedriger der pH, desto mehr ist das Gleichgewicht auf Seite des CO₂ verschoben. HCO₃⁻ liegt im pH-Bereich zwischen 6 und 9 als vorherrschende Carbonatspezies (stets > 50%) vor. Die Reaktionen des Carbonatgleichgewichts laufen kinetisch betrachtet sehr schnell ab. Zuführung von CO₂ senkt den pH ab, das Carbonatgleichgewicht verschiebt sich in Richtung von CO₂. Als Folge kommt es zur CO₂-Übersättigung (s.u.), sodass das eingeleitete CO₂ über Grenzflächen das Beckenwasser in Richtung Umgebungsluft verlässt (langsame Reaktion). Zuführen von Laugen (z.B. Kalkwasser, Ca(OH)₂) erhöht den pH und verschiebt das Carbonatgleichgewicht des Beckenwassers in Richtung CO₃²⁻. Das Wasser ist jetzt CO₂-untersättigt, sodass sich zusätzliches CO₂ der Umgebungsluft im Beckenwasser löst.

Wie entsteht eine Über- oder Untersättigung von CO₂?

CO₂ steht nur bei guter Oberflächenbewegung des Wassers und guter Abschäumung in einem Gleichgewicht zur Umgebungsluft. Zur Konstanthaltung des pH-Wertes sowie dem Austragen von CO₂ und gleichzeitigem Oxygenieren des Wassers ist daher eine gute Lüftung des Raumes, eine gute Abschäumung und eine gute Oberflächenbewegung des Aquarienwassers elementar. Die Umgebungsluft enthält in einem gut gelüfteten Raum etwa 0,036% CO₂. Gute Lüftung ist wichtig, da die Ausatemluft des Menschen etwa 4,5 % CO₂ enthält. Da der Gastaustausch im Meerwasseraquarium häufig nicht optimal ist und dann sehr langsam (über Tage) abläuft, kann eine CO₂-Über- oder Untersättigung entstehen. Die Menge von gelöstem CO₂ im Meerwasser (CO₂(aq)) ist abhängig vom pH-Wert und der Alkalinität. Sie kann einem Löslichkeitsdiagramm entnommen werden:

CO2 Sättigung

So kann man von einer vollständigen CO2-Sättigung ausgehen bei einem pH-Wert von 8,2 und einer Alkalinität von etwa 5,5. Da wir bei pH 8,2 meist eine Alkalinität von 7-8 im Becken vorliegen haben erkennt man, dass das Wasser fast immer CO₂-übersättigt ist (Bereich unterhalb der CO₂-Sättigungskurve). Liegt im Becken eine deutliche CO₂-Übersättigung vor, kann das folgende Ursachen haben:

  • schlechter Gasaustausch -> Gasaustausch verbessern
  • schlechte Raumlüftung -> Lüftung verbessern, Luftzufuhr in Abschäumer optimieren, Vorschalten von Atemkalk in die Luftzufuhr des Abschäumers (bindet CO₂ der Umgebungsluft)
  • zu hohe CO₂-Zufuhr im Kalkreaktor -> Zufuhr reduzieren
  • zu hoher Tierbesatz -> Besatz reduzieren

Liegt im Becken eine CO₂-Untersättigung vor, ist meist eine zu starke Photosynthese verantwortlich. Hier muss man manchmal ebenfalls entgegenwirken:

  • Kalkreaktor verwenden bzw. CO₂-Zufuhr erhöhen
  • besserer Gasaustausch

Ein guter Gasaustausch wirkt also sowohl einer CO₂-Über-, als auch einer CO₂-Untersättigung entgegen. Zudem verbessert er die Oxygenierung im Becken. Dies ist insbesondere nachts sehr wichtig, da hier keine Photosynthese stattfindet.

Was ist ein „Puffer“ und wie funktioniert der (Bi-)Carbonat-Puffer?

pH-Wert, CO₂-Konzentration und Alkalinität hängen im Riffbecken eng zusammen: Die CO₂-Konzentration bestimmt im Wesentlichen den pH-Wert, gleichzeitig bildet das Carbonatgleichgewicht das wichtigste Puffersystem im Meerwassers (ca. 97% der Pufferwirkung). Es verhindert, dass der Ein- oder Austrag von Säuren (H⁺) oder Laugen (OH⁻) zu extrem auf den pH-Wert auswirken. So wird z.B. entstehendes H⁺ gebunden: H⁺ + HCO₃⁻ ⇄ H₂CO₃ ⇄ H₂O + CO₂. Das Wassermolekül geht in Lösung, CO₂ verlässt über den Gasaustausch das Becken. Man erkennt, wie wichtig ein guter Gasaustausch für die Aufrechterhaltung des pH-Wertes ist. Andererseits entsteht bei Pufferung von Hydroxidionen nach OH⁻ + HCO₃⁻ ⇄ H₂O + CO₃²⁻. Beide Reaktionen führen zur Entstehung von Stoffen, die den pH-Wert nicht beeinflussen. Da bei der Zellatmung von lebenden Organismen v.a. Säuren anfallen, die den pH-Wert verringern würden, ist im Aquarium vor allem das Säurebindungsvermögen („Säurekapazität“ oder „Alkalinität“) von Bedeutung. Weitere, deutlich unwichtigere Puffersysteme im Meerwasseraquarium sind der Borsäure-Borat-Puffer, der Kieselsäure-Silicat-Puffer, der Phosphatpuffer und der Magnesiumpuffer. Sie machen zusammen aber nur ca. 3% der Pufferkapazität des Wassers aus.

Was ist die „KH“ und welchen Einfluss hat sie auf den pH-Wert?

Die Karbonathärte (KH) ist ursprünglich ein Begriff der Trinkwasseranalytik und definiert als der Teil der Erdalkalimetalle (Ca, Mg, Sr, Ba, etc.), der durch Erhitzen unter Bildung von Carbonaten ausgefällt werden kann. In der Meerwasserchemie sollte man eher von Alkalinität sprechen. Sie wird in Grad deutscher Härte (°dH) gemessen und entspricht im Wesentlichen der Menge an HCO₃⁻-, CO₃²⁻- und OH⁻-Ionen weniger der Menge an H⁺-Ionen. Ca. 97% der KH werden durch HCO₃⁻ und CO₃²⁻ (=Carbonatalkalinität) ausgemacht. Aufgrund der Tatsache, dass das Carbonatgleichgewicht im Meerwasseraquarium das wichtigste Puffersystem zur Bindung saurer oder basischer Valenzen darstellt, ist die KH direkt korreliert mit der Pufferkapazität des Wassers. Je höher die KH, desto stabiler also der pH-Wert des Wassers. Die KH kann man chemisch auf unterschiedlichem Wege erhöhen. Es kann durch Zugabe von Kalkwasser (Ca(OH)), Natriumcarbonat (beide eher bei niedrigem pH-Wert empfohlen) oder durch Zugabe des Ballingsalzes Natriumhydrogencarbonat (bei normalem pH-Wert) erfolgen. Auch ein Kalkreaktor kann insbesondere in großen Aquarien sinnvoll zum Anheben von KH (und Ca) eingesetzt werden.

Wie beeinflussen sich Calcifikation und pH-Wert?

Die Bildung von Kalk (Calcifikation) im Rahmen des Wachstums von Steinkorallen führt entsprechend der Reaktionsgleichung Ca²⁺ + HCO₃²⁻ ⇄ CaCO₃ + H⁺ zu einem Abfall des pH-Wertes (Bildung von H⁺). Löst sich Kalk im Meerwasser auf, dann steigt der pH-Wert entsprechend der Reaktionsgleichung CaCO₃ + H₂O ⇄ Ca²⁺ + HCO₃⁻ + OH⁻. Da Carbonate bei höherem pH-Wert weniger löslich sind als bei niedrigem pH, wirkt die Fällung und Lösung der Carbonate pH-Änderungen entgegen, sie puffert (s.u.). In der Süßwasseraquaristik ist Ca²⁺ das häufigste Kation und HCO₃⁻ das häufigste Anion. Das Gleichgewicht zwischen Kalkbildung und -Lösung ist ausgeglichen. Im Meerwasseraquarium ist das Löslichkeitsprodukt von Ca²⁺ und CO₃²⁻ fast immer überschritten. Lediglich Phosphate und andere vorhandene Ionen hemmen die Kalkausfällung kinetisch.

Advertisements

Kommentar verfassen

Trage deine Daten unten ein oder klicke ein Icon um dich einzuloggen:

WordPress.com-Logo

Du kommentierst mit Deinem WordPress.com-Konto. Abmelden / Ändern )

Twitter-Bild

Du kommentierst mit Deinem Twitter-Konto. Abmelden / Ändern )

Facebook-Foto

Du kommentierst mit Deinem Facebook-Konto. Abmelden / Ändern )

Google+ Foto

Du kommentierst mit Deinem Google+-Konto. Abmelden / Ändern )

Verbinde mit %s