Zum Verständnis des Begriffs „osmotischer Druck“ unter Aquarianern

Wird der Begriff osmotischer Druck in der Aquaristik – insbesondere in Beiträgen in Internetforen – benutzt, ist meist unklar, was überhaupt mit dem Begriff gemeint ist. Versucht man, die Begriffsbedeutung aus dem Kontext heraus zu rekonstruieren und gleicht diese Bedeutung mit der lexikalischen Bedeutung ab, stellt man Ungereimtheiten fest.
Unter osmotischem Druck wird also regelmäßig etwas anderes verstanden, als der Begriff tatsächlich meint.

Der osmotische Druck wird regelmäßig als eine Kraft verstanden, die auf den Fisch einwirkt. Dabei soll der osmotische Druck mit steigender Wasserhärte ansteigen.

Da sich der osmotische Druck aber proportional zum osmotischen Gradienten oder Konzentrationsunterschied verhält, sinkt der osmotische Druck mit zunehmender Wasserhärte. Der Konzentrationsunterschied zwischen Fisch und Wasser nimmt schließlich mit steigender Wasserhärte ab, weil sich der osmotische Wert im Wasser dem im Fisch annähert. Folgerichtig sinkt auch der osmotische Druck.

Kritische Erörterung zum Artikel „Warum weiches Wasser?“ von Norbert Dörre

Wiederholt wird in Diskussionen über die chemischen Wasserprameter zur artgerechten Haltung von Süßwasserfischen im Aquarium auf den Artikel Wassereigenschaften – Eigenschaften von weichem Wasser von Norbert Dörre verwiesen oder dessen Kernthesen wiedergegeben. Dies gilt insbesondere, wenn es um die Haltung von sogenannten „Weichwasserfischen“ in hartem Wasser geht. Der Artikel entstammt dem Dunstkreis der Ende der 1990er bis Anfang der 2000er im deutschsprachigen aquaristischen Internet meinungsführenden Newsgroup de.rec.tiere.aquaristik (drta). Von besonderem Interesse ist dabei der Abschnitt „Warum weiches Wasser?“. Mittlerweile ist der Artikel nur noch in seiner archivierten Fassung abrufbar.

Für Laien erscheint der Artikel nachvollziehbar und plausibel. Das ehere Ziel, seine Pfleglinge durch Nachahmung des natürlichen Wasserchemismus artgerecht unterzubringen, findet in den Ausführugen von Dörre eine scheinbar handfeste Bestätigung. Dörre unterliegt in seiner Argumentation aber mehreren irrigen Grundannahmen und daraus folgenden irrigen Schlüssen, auf die ich im folgenden Artikel näher eingehen werde.

Weichwasserfische nehmen in hartem Wasser zu viele Salze auf!?

Ich muss vorweg nehmen, dass ich vor dem Problem stehe, Dörres Formulierungen und Begriffe mit den tatsächlichen osmoregulatorischen Vorgängen im Fisch und den entsprechenden Fachtermini in Einklang zu bringen. Belegstellen oder empirische Daten, welche die Kernaussagen seiner Argumentation untermauern, nennt der Autor nicht. Weiterhin gibt der Autor keine Definitionen für die zentralen Begriffe, Weichwasser, Hartwasser und Weichwasserfische.

Wenn ich es richtig verstehe, ist die Kernaussage des Textes, dass Weichwasserfische wegen einer genetisch bedingten Fixierung ihrer Iono- und Osmoregulation an die osmotischen Bedingungen in Weichwasser in hartem Wasser zu viele Salze aufnähmen und zu wenig Wasser umsetzen.

Weichwasserfische seien laut Dörre in Hartwasser nicht imstande […] das Überangebot an Salzen, die [in hartem Wasser] gelöst sind und […] in ihren Körper gelangen, abzuwehren.

Dörre beschreibt die Funktionsweise der Iono- und Osmoregulation von Süßwasserknochenfischen („Weichwasserfischen“) als Wasserumsatz über Kiemen und Haut, mit dem die Fische mit ihrer Osmosefunktion Salze aus dem Wasser herausfiltern. Der Autor nimmt an, dass Kiemen und Haut Eigenschaften besitzen, die ähnlich der einer Osmose-Membrane sind, die mit einer Transformatorfunktion […] aus viel weichem Wasser wenig härteres Wasser macht. Laut Dörre verfügten Süßwasserfische über eine Osmosefunktion und meint damit vermutlich und dann korrekt, die Fähigkeit, Salze auch bei sehr geringer Konzenttration aus dem Wasser filtern zu können.

Wenn ich Dörre hier richtig verstehe, ist er entweder der Ansicht, die in hartem Wasser gelösten Salze würden passiv in den Fisch eindringen. Oder aber, Süßwasserfische würden das umgebende Wasser mitsamt der darin gelösten Salze aufnehmen und diese herausfiltern. Er geht aber weiter davon aus, dass diese Osmosefunktion in Hartwasser zu einer Umkehrosmosefunktion umgekehrt werden müsse, damit der Fisch aus dem Medium mit höherer Ionendichte also wohl dem Wasser, den Austausch– vermutlich von Salzen – in Richtung niedrigerer Dichte – mutmaßlich dem Fisch – vonstatten gehen können. Mit dieser Fähigkeit sei aber der Fisch genetisch nicht ausgestattet.

Ich interpretiere die Ausführungen zusammenfassend so, dass Dörre sich die Funktionsweise der Osmo- und Ionoregulation von Süßwasserfischen, insbesondere die Ionenaufnahme aus dem Wasser, nach folgendem Prinzip vorstellt, das mit dem der Umkehrosmose vergleichbar ist:

  • Der Fisch nimmt umgebendes Wasser mitsamt der darin enthaltenen Salze aktiv auf
  • die im Wasser enthaltenen Salze werden vom Fisch aus dem aufgenommen Wasser herausgefiltert
  • anschließend wird das gefilterte Wasser wieder ausscheiden
  • Weichwasserfische nehmen in hartem Wasser genausoviel Wasser samt der darin gelösten Salze auf wie in Weichwasser
  • durch den höheren Salzgehalt in hartem Wasser kommt es zu einer Überversorgung mit Salzen

Das entspricht aber nicht annähernd den Stand der physiologischen Erkenntnisse über die Vorgängen bei der Ionoregulation von Süßwasserknochenfischen, auch nicht zum Zeitpunkt der Veröffentlichung von Dörres Text.

Die Argumentation Dörres

Dörre beschreibt die osmoregulatorische Situation von Weichwasserfischen in Hartwasser folgendermaßen:

„Wird so ein Weichwasserfisch nun in eine europäische Salzlake gesetzt, nimmt sein Körper zunächst genausoviel Wasser auf wie im Weichwasser.“

Hier irrt Dörre, wie weiter oben beschrieben. Zum einen in der Annahme, dass der Fisch aktiv Wasser aufnäme. Zum anderen auch in der Behauptung, der Fisch würde in hartem Wasser zunächst genau so viel Wasser aufnehmen und ausscheiden, wie in weichem und umgekehrt. Denn zum einen wird die in den Fisch eindringende Wassermenge allein vom Konzentrationsunterschied zwischen Körperflüssigkeit und Wasser bestimmt. Härteres Wasser hat einen höheren osmotischen Wert als Weichwasser, der Konzentrationunterschied zwischen Wasser und Fisch nimmt also mit steigender Wasserhärte ab. Folglich strömt automatisch weniger Wasser in den Fisch, der Fisch nimmt weniger Wasser (das heißt konkret H2O) auf. Im umgekehrten Fall kehren sich die Verhältnisse um.

Damit ist auch Dörres Annahme, durch den hohen Salzgehalt in ionenreicherem Wasser würde bei den Fischen latent ein ähnlicher Zustand erzeugt wie beim Menschen auf hoher See durch Trinken von Meerwasser irrig. Zwar kann dieser Zustand eintreten, allerdings erst, wenn der der osmotische Wert des Wassers die Osmoregulation überfordert und der Fisch somit sein inneres Wasser- und Elektrolyt-Gleichgewicht nicht mehr aufrecht erhalten kann. In der Folge steigt die Elektrolytkonzentration in den Körperflüssigkeiten, wie im Blutplasma, an. Der osmotische Wert von Hartwasser und Weichwasser ist zwar ein wenig unterschiedlich, der Unterschied aber zu gering für den vom Autor postulierten Effekt. In hartem Wasser strömt weniger Wasser in den Fisch als in weichem, von Verdursten oder Austrocken kann hier aber keine Rede sein.

Dörre sieht den Blut-pH-Wert von Süßwasserfischen anscheinend als ursächlich für ihre iono- und osmoregulatorische Situation:

„Alle Fische, sowohl die Meeresfische, als auch die Süßwasserfische, besitzen einen Blut-pH von rund 7,4. Dies ist genetisch deswegen so verankert, weil auch die Süßwasserfische ursprünglich Meeresbewohner waren. Sie haben sich zwar mit einer energieaufwendigen Osmosetechnik im Laufe der Millionen von Jahren Entwicklungsgeschichte an die Umweltverhältnisse in extrem weichem Wasser im Amazonasgebiet angepaßt, jedoch geschah diese Anpassung nicht durch Veränderung des Blut-pH-Werts […]“

Dörre stellt hier allerdings einen Zusammenhang zwischen Osmoregulation und Blut-pH-Wert her, dem ich weder anhand seiner Ausführungen noch anhand physiologischer Tatsachen folgen kann. Naheliegend wäre dagegen der Verweis auf den osmotischen Wert des Blutes beziehungsweise der Körperflüssigkeiten generell.

Im Zusammenhang mit der Osmoregulationsleistung des Fischorganismus ist nämlich nicht auf den pH-Wert des Blutes, sondern auf den osmotischen Wert der Körperflüssigkeiten im Fisch und den osmotischen Gradienten vom Fisch zum umgebenden Wasser abzustellen. Am Säure-Base-Haushalt sind zwar ebenfalls Ionen beteiligt, die zum osmotischen Wert beitragen und es gibt Wechselbeziehungen zwischen Osmo-, Iono- und Säure-Base-Haushalt. Der Blut-pH-Wert von Süßwasserfischen ansich hat aber wenig mit den osmotischen Verhältnissen zwischen Fisch und Wasser zu tun.

Die zentrale Annahme von Dörre ist, dass der Fischorganismus die Ionenaufnahme genetisch bedingt nicht oder nur in sehr engen Grenzen an die osmotische Situatin im Wasser anpassen könne. Er geht deshab irrigerweise davon aus, der Fischorganismus könne seinen Elektrolythaushalt, seine Homöostase, nur in Wässern aufrecht erhalten, die im osmotischen Charakter mit den Wässern im natürlichen Verbreitungsgebiet vergleichbar sind. Dörre äußert sich dazu wie folgend:

„Man ist geneigt, zu glauben, der Fisch würde [in Hartwasser] automatisch die Menge des Wasseraustauschs zwischen seinem Körper und seiner Umwelt erheblich vermindern. Denn er muß ja verhindern, daß durch die genetisch vorgegebene Transformatorfunktion, die aus viel weichem Wasser wenig härteres Wasser macht, mehr Salze ins Blut überführt werden, als er vertragen kann. Folglich müßte theoretisch aus der ursprünglichen Osmosefunktion eine Umkehrosmosefunktion entstehen, bei der aus dem Medium mit höherer Ionendichte der Austausch in Richtung niedrigerer Dichte geschieht. Mit dieser Fähigkeit ist aber der Fisch genetisch nicht ausgestattet. Das wiederum führt dazu, daß er zwangsweise mehr Salze aufnimmt, als er vertragen kann und daß die Organe wie Kiemen und Haut, die den direkten Kontakt mit dem Wasser haben, auf Dauer geschädigt werden können.“

Dörre stößt hier in seinem Gedankenexperiment zwar zuerst in die sachlich zutreffende Richtung (der Fisch nimmt durch die Gesetze der Osmose automatisch weniger Wasser). Auch die Annahme, dass in salzreichem Wasser aus der ursprünglichen Osmosefunktion eine Umkehrosmosefunktion werden müsste, ist nicht völlig abwegig. Bei marinen Knochenfischen ist es tatsächlich so, dass sie Meerwasser samt der darin gelösten Salze trinken und überschüssige Salze wieder ausscheiden. Allerdings ist auch die osmotische Situation umgekehrt, da Meerwasser einen erheblich höheren osmotischen Wert (Salzgehalt) hat, als der Fischkörper. Der Salzgehalt der Körperflüssigkeiten unterschiedet sich bei Süßwasserknochenfischen und marinen Knochenfischen kaum.

Dörre kommt jedoch vom rechten Pfad davon ab, weil dies im Widerspruch zu seiner denknotwenidgen Grundannahmen steht, der Fisch nehme Wasser samt der darin gelösten Salze aktiv auf und könnte weder Wasserumsatz noch Salzaufnahme als Reaktion auf geänderte Umweltbedingungen aktiv steuern.

Süßwasserfische können sowohl ihren Wasser- als auch Elektrolythaushalt an wechselnde äußere osmotische Bedingungen anpassen, was mitterweile mit verschiedenen Fischarten als Versuchsorganismus experimentell belegt. Bei den populären Artikeln sei hier insbesondere auf Hetz (2003, 2005) verwiesen.

Dörres Text als Vorlage für Dritte

Dörres Text beziehungsweise die Kernaussagen Dörres wurden und werden auch von Dritten inhaltlich wiedergegeben. So findet sich im Archiv der Newsgroup de.rec.tiere.aquaristik (drta) im Artikel folgende Passage:

„Wird ein Weichwasserfisch aus weichem in hartes Wasser gesetzt, befördert die Osmoseregulation zunächst die gewohnte Menge Körperflüssigkeit heraus, während gleichzeitig weniger Wasser als gewohnt in den Fisch hinein strömt. Der Fisch trocknet aus (dehydriert). […] Weil weniger Wasser aus dem Fisch ausgeschieden wird, werden die Nieren mit weniger Wasser durchspült. Der langfristig verringerte Durchfluss der Nieren wiederum kann zur Bildung von Nierensteinen führen, die schließlich zur Fehlfunktion der Nieren führen.“

[DRTA-Archiv: Osmoregulation]

Auch für das bei AquaRichtig propagierte mentale Modell der osmoregulatorischen Situation von Süßwasserfischen scheint Dörres Text Pate zu stehen, wie die folgende Passage nahelegt:

„Unsere exotischen Zierfische und auch Wasserpflanzen brauchen ein Wasser wie dieses auch in den natürlichen Biotopen gegeben ist um artgerecht gepflegt und gehalten zu werden. In der Genetik der Tiere und Pflanzen ist der Anspruch an die jeweilige Wasserqualität seit Millionen Jahren fest gelegt.
Diese Genetik kann auch durch Nachzuchten nicht verändert werden und Fische, auch viele Pflanzen, im falschen Wasser vegetieren dahin ohne sich wirklich so prächtig wie in der Natur entwickeln zu können“.

[ o. V., in AquaRichtig (Hrsg.) (2014): Trinkwasser, eine Gefahr für das Aquarium und die Fische]

Selbiges gilt für diese Passage, die bei Wolfgang Engel zu finden ist:

„Hartes Wasser übt auf die Zellen des Fisches einen geringeren osmotischen Druck aus. Es dringt dadurch weniger Wasser in den Fisch ein. Folgerichtig muss auch weniger wieder rausgepumpt werden. Was sich erst mal wie ein Vorteil anhört, hat unangenehme Folgen. Die Pumpmechanismen laufen nämlich unvermindert weiter. Dabei versuchen sie mehr Wasser aus den Zellen herauszupumpen, als eingedrungen ist. Im Extremfall kann das die Salzkonzentration in den Zellen erhöhen, ähnlich wie bei einer Dehydratation, was einen schwer einzuschätzenden Einfluss auf die Stoffwechselprozesse haben kann“.

[ Wolfgang Engel (2014): Was geschieht mit einem Fisch in zu hartem Wasser?]

Ob diese Passagen tatsächlich unmittelbar von Dörres Text inspiriert sind, lässt sich nicht mit letzter Sicherheit belegen, die Übereinstimmung der jeweiligen Kernaussagen ist meiner Ansicht nach aber eklatant.

Fazit und Schlusskommentar

Wir halten also fest:

  • Süßwasserfische sind gegnüber dem umgebenden Wasser hyperosmotisch ; Der Salzgehalt ihres Körpers ist um ein vielfaches höher als der von Süßwasser.
  • Wasser dringt ständig passiv durch Osmose in den Fisch ein
  • überschüssiges Wasser wird vom Fisch als wässriger Harn über die Niere ausgeschieden
  • der Fisch nimmt Ionen aktiv unter Energieaufwand gegen einen großen Konzentrationsunterschied aus dem Wasser auf
  • Süßwasserknochenfische können ihr inneres osmotisches Milleau gegenüber einer weiten osmotische Spanne des umgebenden Wassers konstant halten
  • Die Osmoregulation wird zeitnah an sich ändernde osmotische Umweltbedingungen angepasst (Akklimatisierung)
  • je ionenärmer ein Wasser ist, desto mehr physiologischen Aufwand muss der Fisch betreiben, um Wasser auszuscheiden und Salze aufzunehmen
  • Fische, die in extrem ionenarmem (weichem) Wasser leben, sind besonders gut darin, Salze aus dem Wasser zu gewinnen und im Körper zurückzubehalten. Daraus ergibt sich in ionenreicherem (härterem) Wasser aber kein Nachteil für sie.

Die Grundprinzipien der Osmoregulation von Süßwasserknochenfischen sind seit den 1930er Jahren durch die Arbeiten von Krogh und anderen bekannt, also auch bereits zum Zeitpunkt, als Dörres seinen Artikel verfasst und veröffentlicht hat. Es gibt zudem keine Daten, welche Dörres Kernthesen untermauern können. Vielmehr sprechen die bekannten Erkenntnisse eine gegenteilige Sprache.
Dieser Artikel hier beantwortet zwar die Frage, ob Weichwasserfische weiches Wasser benötigen oder nicht, nicht endgültig. Er entkräftet aber die wichtigsten der immer wieder vorgetragenen Argumente, mit denen untermauert werden soll, dass Weichwasserfische – also Fischarten, die in ihrem natürlichen Verbreitungsgebiet in weichem Wasser leben – im Aquarium unbedingt in weichem Wasser gehalten werden müssen.

Belegstellen, weiterführende Literatur und externe Links

weiterführende Literatur:

externe Verweise auf Diskussionsfäden in Foren, Blogs und Newsgroups:

Osmose, osmotischer Wert und osmotischer Druck

Wie bei vielen anderen naturwissenschaftlichen Begriffen geistert auch zum Thema Osmose und besonders osmotischer Druck sehr viel Halbwissen durch die aquaristische Ecke des Internet. Viele Aquarianer wiegen sich in der Gewissheit, dass ihre Weltanschauung der Fischhaltung sich sogar wissenschaftlich untermauern lässt. Das erfordert allerdings ein Modell der Zusammenhänge, das in diametralem Widerspruch zu den tatsächlichen Gegebenheinten steht. Diese Artikelserie soll über die tatsächlichen Gegebenheiten und ihre Zusammenhänge rund um das Thema Osmose aufklären. Beginnen möchte ich mit den Grundlagen der Osmose und den damit eng verknüpften Begriffen osmotischer Wert und osmotischer Druck.

Osmose

Osmose ist ein Sonderfall des passiven Transports. Der Prozess der Osmose ist der Konzentrationsausgleich zwischen zwei Lösungen, die durch eine halbdurchlässige, selektiv permeable oder semipermeable Membran getrennt sind. Halbdurchlässig, selektiv permeabel oder semipermeabel bedeutet, dass nur bestimmte Substanzen durch die Membran gelangen können, andere dagegen nicht.

Meist kann nur das Lösemittel, nicht aber die darin gelösten Substanzen durch die Membran passieren. Ein Konzentrationsausgleich zwischen den beiden Lösungen kann also nur durch Diffusion von Lösungsmittel durch die Membran stattfinden. Dabei wandert das Lösemittel von der geringer konzentrierten zur stärker konzentrierten Lösung. Ein wichtiges Beispiel sind das Lösemittel Wasser und wässrige Lösungen von Salzen.

Ist eine Lösung geringer konzentriert als die andere, so ist sie gegenüber dieser hypotonisch (von griechisch hypo- = weniger, unter, niedriger), ist sie höher konzentriert, bezeichnet man sie als hypertonisch (von griechisch hyper- = größer, über, höher) und sind beide gleich stark konzentriert, so sind sie isotonisch (von griechisch iso- = gleich). Bei Systemen, in denen eine der beiden Lösungen zur anderen jeweils hypoton beziehungsweise hyperton ist, liegt zwischen beiden Lösungen also auch ein Konzentrationsgradient oder Konzentrationsgefälle vor, die Konzentration ändert sich von Lösung A zu Lösung B. Die Größe des Konzentrationsgradienten bestimmt Richtung und Größenordnung der Lösemittelbewegung.

So ein System von zwei durch eine semipermeablen Membran getrennten, unterschiedlich konzentrierten Lösungen, ist auch (Aquarien)wasser und die Körperflüssigkeit von Fischen. Das Lösungsmittel ist Wasser. Im Aquarienwasser sind dabei verschiedene Salze (Ionen), in der Körperflüssigkeit (Blut, Lymphe, interstitielle Flüssigkeit) der Fische sind daneben noch Aminosäuren und Saccharide (Zucker) gelöst.

osmotischer Wert

Der osmotische Wert ist die für die Osmose bedeutende Eigenschaft einer Lösung. Der osmotische Wert einer Lösung wird vornehmlich durch die Stoffmengenkonzentration osmotisch wirksamer Teilchen nosm bestimmt. Osmotisch wirksame Teilchen beeinflussen die osmotischen Eigenschaften einer Lösung, sie werden auch Osmolyte genannt. Der osmotische Wert einer Lösung wird in zwei unterschiedlichen Einheiten gemessen und angegeben, Osmolalität und Osmolarität.

Neben den kleinen Ionen anorganischer Salze, Säuren und Laugen tragen auch komplexere Moleküle wie organische Ionen und ungeladene Moleküle wie Amonisäuren und Zucker zum osmostischen Wert einer Lösung bei. Da Salze, Laugen und Säuren im Wasser in Ionen zerfallen, wirken sich auch die einzelnen Ionen auf den osmotischen Wert aus. Aus zehn Teilchen kristallinem Kochsalz (Natriumchlorid) werden beim Auflösen in Wasser zehn Natrium-Ionen und zehn Chlorid-Ionen. Es enststehen 20 osmotisch aktive Teilchen im Wasser.

Osmolarität

Die Osmolarität oder osmotische Konzentration beschreibt die Konzentration osmotisch wirksamer Teilchen pro Volumeneinheit einer Lösung, meist pro Liter. Die Osmolarität einer Lösung wird daher meist als Osmol pro Liter (Osmol/l) angegeben.

Osmolalität

Neben der Osmolarität gibt es noch den sehr ähnlichen Begriff der Osmolalität, welcher ebenfalls die Menge osmotisch aktiver Teilchen beschreibt, allerdings pro Masseneinheit statt Volumeneinheit. Meist wird die Osmolalität in Osmol pro Kilogramm (Osmol/kg) angeben.

osmotischer Druck und osmotische Saugkraft

Der osmotische Druck ist die Kraft, die durch die in einer Lösung gelösten Teilchen gegenüber reinem Lösemittel hinter einer semipermeablen Membran verursacht wird. Es ist die Kraft, die den Prozess der Osmose antreibt. Der osmotische Druck entspricht der Kraft, die aufgewendet werden muss, um den Prozess der Osmose zu stoppen. Der osmotische Druck ensteht macht sich auch als Ausdehnungsdruck durch den Einstrom von Lösemittel (z. B. Wasser) und der damit verbundenen Volumenzunahme in einen von einer Membran umschlossenen Raum (z. B. eine Zelle) bemerkbar.

Eine weitere Möglichkeit, die osmotischen Eigenschaften einer Lösung zu beschreiben, ist die osmotische Saugkraft, auch osmotisches Potential genannt. Sie entspricht dem osmotischen Druck mit negativem Vorzeichen.

Der osmotische Druck ist eine physikalische Größe, eine Kraft. Die Einheit dieser Kraft ist Pascal (Pa). Der osmotische Druck (P oder Pi / Π) ist in erster Näherung vornehmenlich von der Konzentration an osmotisch wirksamen Teilchen (c = n ⁄ V) in der Lösung bestimmt, also dem osmotischen Wert. Der osmotische Druck einer Lösung ist umso höher, je mehr Teilchen darin gelöst sind. Daneben bestimmt auch die Temperatur (K; Kelvin) den osmotischen Druck. Er verhält sich proportional dazu, steigt also mit zunehmender Temperatur und nimmt mit sinkender Temperatur ab. R steht für die allgemeine Gaskonstante (R ≈ 8,31). In verdünnten Lösungen mit Konzentrationen unter 0,1 mol/l oder 1000 mmol/l lässt sich der osmotische Druck mit der folgenden Formel berechnen:

    Π = c × R × K

Bei gleicher Temperatur dominiert daher der osmotische Wert oder die Osmolyt-Konzentration den osmotischen Druck einer Lösung.

Wie beim osmotischen Wert lassen sich Lösungen auch anhand ihres osmotische Drucks beschreiben. Weist eine Lösung enen höheren osmotischen Druck auf als die andere, ist sie gegenüber dieser hyperosmotisch. Die andere Lösung ist also folgerichtig gegenüber ersterer Lösung hypoosmotisch. Ist der osmotische Druck in beiden Lösungen gleich hoch, so sind sie zueinander isoosmotisch.

den osmotischen Druck messen

Einer der ersten, die sich eingehend wissenschaftlich mit dem Phänomen des osmotischen Drucks befassten, war der deutsche Botaniker Wilhelm Pfeffer. Pfeffer benutze für seine Untersuchungen ein nach ihm Pfeffersche Zelle genanntes Gerät, mit dem der osmotische Druck wässriger Lösungen bestimmt wird. Die Pfeffersche Zelle ist also ein Osmometer. Ein Osmometer ist ein Gerät, mit dem der osmotische Druck direkt gemessen wird.

Weitere Verfahren zur Ermittlung des omostischen Drucks sind indirekte Methoden. Hier wird der omotische Wert einer Lösung beispielsweise durch Gefrierpunkterniedrigung oder Siedepunkterhöhung bestimmt und der osmotische Druck berechnet.

Fazit

Die Regulation des inneren Milleaus von Wasser- und Salzhaushalt ist alle Lebewesen überlebensnotwendig. So scheiden Süßwasserfische täglich bis zu etwa einem Drittel ihres Körpergewichts an durch Osmose in ihren Körper eingedrungenem Wasser aus. Diese biologischen Vorgänge werden maßgeblich von den physikalischen Gesetzen der Osmose bestimmt.

Da Osmose nur in einem System aus zwei von einer semipermiablen Membran getrennten Lösungen stattfindet, ist die bloße Betrachtung der osmotischen Eigenschaften einer der beiden Lösungen wenig aufschlussreich und sinnvoll.

Ich hoffe, der Text ist verständlich und hat eure Fragen beantwortet. Wenn ihr Fragen habt oder Anregungen und Kritik loswerden wollt, schreibt mir einen Kommentar im Blog. Im nächsten Artikel werde ich die Grundlagen der Iono- und Osmoregulation bei Fischen erläutern und auf die Bedeutung des Prinzips der Osmose für unsere Aquarienpfleglinge eingehen.

Belegstellen, weiterführende Literatur und externe Links

  1. Moore, W. J. (1983): Grundlagen der physikalischen Chemie. Übersetzt von Wolfgang Paterno. deGruyter, Berlin; New York. ISBN 3-11-009941-1
    1. S. 215 f.

weiterführende Literatur:

Die Gesamthärte im Süßwasseraquarium erhöhen

Auf den Begriff der Wasserhärte stößt jeder Aquarianer früher oder später. Gerade dann, wenn es darum geht, den Fischbesatz auszuwählen, wird der speziell der Gesamthärte eine besondere Bedeutung zugerechnet. Was ist aber die Gesamthärte? Wie kann man sie senken oder erhöhen? Welche Rolle spielt sie im Aquarium? Diese und weitere Fragen soll diese Artikelreihe beantworten.

In anderen Artikeln haben wir uns bereits damit befasst, was die Gesamthärte ist, wie die Gesamthärte gemessen wird und man sie im senken kann. Hier soll es nun darum gehen, die Gesamthärte zu erhöhen.

Gesamthärte erhöhen

Wie bei jeder Wasseraufbereitung und Veränderung der Wasserchemie muss zuerst die Frage gestellt werden, ob dies überhaupt notwendig ist.

Die Gesamthärte (GH) wird durch Zugabe von Calciumsalzen und/oder Magnesiumsalzen wie Gips (Calciumsulphat CaSO4), Calcium- CaCl2 oder Magnesiumclorid (MgCl2) und Kalkstein (Calciumcarbonat CaCO3) erhöt. Alternativ eignen auch handelsübliche Aufhärtesalzemischungen, die auch die GH anheben.
Auch kalkhaltige Dekoration wie Lochgestein, Marmor und andere kalkhaltige Gesteine, Korallensand, Korallenskellete oder Muschelschalen geben Härtebildner ab. In einem Aquarium mit weich-saurem Wasser sollte sie daher nicht eingesetzt werden.
In mittlahartem bis hartem Wasser und alkalischem pH-Wert ist der Anstieg der Wasserhärte durch kalkhaltige Einrichtungsgegenstände bei regelmäßiger Wasserpflege vernachlässigbar.
Nachgwiesen wird Kalk und damit Calcium- beziehungsweise Magnesiumcarbonat, indem man das betreffende Stück GEstein mit Säure beträufelt. Hierzu ist bei hohem Kalkanteil bereits Essigessenz geeignet, ansonsten auch Mineralsäure haltige Präparate (pH-Minus beziehungsweise Eichenextrakt). Ist Kalk vorhanden, so reagiert die Säure mit diesem unter Bildung von CO2, welches sich durch Bläschenbildung oder Aufschäumen bemerkbar macht.
Allerdings gibt es auch andere Gesteine, die zwar die Härte erhöhen können, sich beim Säuretest aber unauffällig verhalten, da es sich nicht um Carbonate handelt. Verdächtige Stücke sollte man in vollentsalztes (destilliertes) Wasser legen und einge Tage darin belassen. Lässt sich danach eine meßbare Gesamthärte im Wasser feststellen, ist der „Übeltäter“ gefunden.

Gesamthärte mit Gips anheben

Gips (Calciumsulfat CaSO4) ist das Calcium-Salz der Schwefelsäure. Es kommt vielerorts als Gestein mit unterschiedlich hohen Anteilen verschiedener Beimengungen vor. Von Gips geprägte Wässer stechen durch ihre hohe Gesamthärte bei gleichsam verhältnismäßig geringer Karbonathärte hervor. Ein Beispiel für stark Calciumsulfat geprägte Gewässer sind einige der Quelltöpfe im Tal von Cuatro Cienegas, Bundesstaat Coahuila, Mexiko.
Calciumsulfat ist zu etwa 2 Gramm pro Liter bei Raumtemperatur in Wasser löslich. Es ist also ein nur schlecht lösliches Salz. Es erscheint als weißes bis hellgraues Pulver. Eine gesättigte Gipslösung enthält damit etwa 0,015 mol/l oder 15 mmol/l Calicum-Ionen (Ca2+).Das etspricht knapp 82° dGH in einem Liter. Ein Liter gesättige Gipslösung erhöht die Gesamthärte in 100 Liter Wasser also um knapp 1°d. Zur Herstellung der Lösung kann ganz simpler Gips herangezogen werden, wie er in kleinen Gebinden als schnellabbindende Spachtelmasse im Baumarkt oder im Modellbauhandel zu bekommen ist.Weiterhin benötigt man destilliertes beziehungsweise vollentsalztes Wasser.
Die zum Anheben der Gesamthärte in einem bestimmten Wasservolumen um den gewünschten Wert benötigte Menge Gips sollte auf jeden Fall vorher ausfgelöst werden.
Um 100 Liter Wasser die Härte um 10°dGH anzuheben, werden beispielsweise knapp 25 Gramm Gips benötigt. Diese lassen sich in 15 Litern Leitungswasser gut lösen, das dauert durch die schlechte Löslichkeit von Calciumsulfat allerdings. Die Lösung trübt zudem stark ein. Man kann den Lösevorgang durch Umwälzung mittels Membranpumpe und Ausströmerstein oder Kreiselpumpe beschleunigen oder von Hand mit einem Stab rühren oder was einem sonst einfällt.
Die fertige Lösung kann dann langsam beim Wasserwechsel zugegeben werden. Wie immer sollte jede größere Veränderung des Wasserchemismus in mehreren Etappen erfolgen.

Gesamthärte erhöhen mit Bittersalz

Ein weiteres Salz, welches leicht im Handel zu beziehen ist und sich zum Anheben der Gesamthärte eignet, ist Bittersalz oder Magnesiumsulfat MgSO4. Man findet es in Plastikbeutel verpackt in der Gartenabteilung von Baumärkten, in Gärtnereien, oder im landwirtschaftlichen Handel (Raiffeisenmärkte). Es sind grobe, milchig-weiße Kristalle. Magnesiumsulfat löst sich deutlich besser in Wasser als Gips.

Referenzen, weiterführende Literatur und externe Links

weiterführende Literatur:

  • Krause, H.-J. (2007) Handbuch Aquarienwasser – Diagnose, Kontrolle und Aufbereitung. 6. Aufl., bede Verlag, Kollnburg, ISBN 978-3800198771

Die Gesamthärte im Süßwasseraquarium senken

Auf den Begriff der Wasserhärte stößt jeder Aquarianer früher oder später. Gerade dann, wenn es darum geht, den Fischbesatz auszuwählen, wird der speziell der Gesamthärte eine besondere Bedeutung zugerechnet. Was ist aber die Gesamthärte? Wie kann man sie senken oder erhöhen? Welche Rolle spielt sie im Aquarium? Diese und weitere Fragen soll diese Artikelreihe beantworten.

In anderen Artikeln haben wir uns bereits damit befasst, was die Gesamthärte ist, wie die Gesamthärte gemessen wird und wie man sie im Süßwasseraquarium erhöhen kann. Hier soll es nun darum gehen, die Gesamthärte gesenkt wird.

Gesamthärte senken durch Verschneiden

Die Gesamthärte senken wir zuverlässig, indem wir Leitungswasser mit Wasser mit weniger gelösten Salzen mischen (verschneiden). Dazu geeignet sind vollentsalztes Wasser, welches man auch zum Beispiel im Supermarkt als „destilliertes Wasser“ kaufen kann, RO-Permeat („Osmosewasser“) und bei guter Qualität auch Regenwasser.
Das Mischungsverhältnis für das gewüschte Ergebnis kann man in einem einfachen Dreisatz errechnen.

Torffilterung

Beim Einsatz von Torf ist immer auch dessen ökologische Brisanz zu berücksichtgn.Zur Gewinnung von Hochmoortorf müssen Moore trockengelegt werden, was die Zerstörung dieser Lebensräume bedingt.
Hochmoortorf ist ein er, schwach-saurer Kationentauscher. Je nach Qualität hat ein Liter Torf eine Kapazität um 250 Härteliter, wobei Schwankungen zwischen 200 und 300 Härteliter normal sind.
Mit einem Liter Torf kann man also die Gesamthärte von 200 bis 300 Liter Wasser um 1°d senken. Äquivalent dazu gilt, dass man ebenso die Härte von 20 bis 30 Liter Wasser um 10° d senken kann. Die als Ionentauscher aktiven Komponeten dabei sind Polygalacturonsäuren in der Zellwand. Sie ermöglicht es den Torfmoosen der Gattung Sphagnum durch Ionentausch auch aus den, nur durch Regen gespeisten und somit extrem nährstoffarmen, Hochmooren Nährstoffe aufzunehmen. Im Tausch gegen, beispielsweise, NH4+ Ca2+, K+, Na+ und Mg2+-Ionen werden äquivalent, also der Ladung entsprechend, Protonen (H+, Wasserstoffionen) an das Wasser abgegeben. Die Torfmoose schaffen so ein sehr saures Milleau, in dem sie, im Gegensatz zu vielen konkurrierenden Arten, überlebenen können.
Diese Eigenschaft des Torfmooses macht man sich in der Wasseraufbereitung zunutze.
Die freigegebene Wasserstoffionen reagieren mit Carbonat- und Hydrogencarbonat-ionen, also der „Karbonathärte“, die dadurch gesenkt wird. Die Gesamthärte kann maximal um den Anteil der Karbonathärte (im eigentlichen Sinne) gesenkt werden.
Torfwasser wirkt nicht nur durch seinen niedrigen pH-Wert, sondern auch durch die enthaltene Fulvosäure sowie Tanninen bakteriozid, also bakterientötend. Ausgeschwemmte, aber unlösliche Huminstoffe wirken des Weiteren als Puffer im Mulm. Auch bereits sehr weiches Regenwasser wurde und wird so aufbereitet, damit es trotz fehlendem Carbonatpuffers einen stabilen pH-Wert im sauren Bereich, um etwa pH 5, erhält.
Ein effektiver Weg, um größere Wassermengen innerhalb eins kurzen Zeitraums mit Torf aufzubereiten ist die Torfkanone. Dabei handelt es sich im Grunde um langes Rohr mit Siebeinsatz und Bohrungen am Ende, welches mit Torf gefüllt wird.
Das in das senkrecht stehende Rohr von oben eingefällte, aufzubereitende Wasser durchläuft eine lange Strecke durch den Torf und wird so aufbereitet. Das aufbereite Wasser fließt am unteren Ende wieder heraus und kann aufgefangen werden. Für einen solch großen Bedarf an Torf sind die üblichen Kleinpackungen im Zoohandel ungeeignet beziehungsweise würden immense Kosten bedeuten und diese Methode unwirtschaftlich machen. Für solche Zwecke eignet sich ungedüngter Torf, beispielsweise Floragard Torfboy.

Gesamthärte durch Kochen senken

Die Gesamthärte lässt sich durch Kochen um den Teil der echten Karbonathärte senken. Beim Erhitzen wird das CO2 ausgetrieben, welches notwendig ist, um die Carbonate in Lösung zu halten. Infolge fallen sie als Kesselstein (Calcium- und Magnesiumcarbonat) aus, was durch einen grälichen Belag erkennbar ist. Kesselstein ist das, was Wasserkocher, Kaffeemaschinen und Durchlauferhitzer verkalken lässt.
Dieses Verfahren ist jedoch zu energieintensiv und für die Aquaristik unpraktisch in der Anwendung.

Die Gesamthärte im Süßwasseraquarium messen

Auf den Begriff der Wasserhärte stößt jeder Aquarianer früher oder später. Gerade dann, wenn es darum geht, den Fischbesatz auszuwählen, wird speziell der Gesamthärte eine besondere Bedeutung zugerechnet. Was ist aber die Gesamthärte? Wie kann man sie senken oder erhöhen? Welche Rolle spielt sie im Aquarium? Diese und weitere Fragen soll diese Artikelreihe beantworten.

In anderen Artikeln haben wir uns bereits damit befasst, was die Gesamthärte ist und wie man sie im Süßwasseraquarium erhöhen und senken kann. Hier soll es nun darum gehen, wie die Gesamthärte gemessen wird.

Nachweisverfahren

Zur Bestimmung der Wasserhärte, sowohl der Gesamthärte als auch der „Karbonathärte“ verwendet der Aquarianer entweder Streifen- oder Tropfentests. Bei den Streifentests sind solche, welche explizit zur Bestimmung einzelner Werte gedacht sind (z. B. Merckoquant Gesamthärte-Test) Multiteststreifen vorzuziehen. Zu genaueren Bestimmung sind Tropfentests besser geeignet. In der Praxis reicht es aber meist aus, sich mit Hilfe der Analyse des Wasserversorgers einen überblick zu verschaffen und durch regelmäßige, ausreichend groß bemessene Teilwasserwechsel die Wasserqualität konstant zu halten.
Will oder muss man sein Wasser aufbereiten, zum Beispiel mit RO-Permeat oder vollentsalztem Wasser verschneiden, ist die Messung der elektrischen Leifähigkeit die praktischte Methode zur Überprüfung.

Wasserhärtebestimmung nach Boutron & Boudet

Dieses Nachweisverfahren für die Gesamthärte macht sich die Eigenschaft von Erdalkalimetall-Ionen zunutze, mit Seife schwerlösliche Kalkseifen zu bilden.
Erst wenn alle Härtebildner zu Kalkseifen gebunden sind, kann sich Seifenschaum bilden. Die Härtebestimmung nach Boutron & Boudet macht sich dieses Phänomen mit einer definierten Seifenlösung zunutze.
Die zu verwendende Seifenlösung nach Boutron-Boudet ist folgendermaßen anzusetzen: 10 Gramm Schmierseife (Kaliseife) werden in einem Gemisch aus 190 ml 90%igem Ethanol und 100 ml destilliertem Wasser gelöst.
Für die Durchführung zitiere ich Frey (1975; S.661):

„Zur Feststellung der Gesamthärte bediente man sich, auch in der Aquaristik, lange Zeit der Schüttelmethode mit einer Seifenlösung nach Boutron-Boudet. Da dieses Seifenverfahren aber verhältnismäßig aufwendig ist und oft auch ungenaue Ergebnisse liefert, geht man mehr und mehr zu anderen Systemen über (Messung mit Tabletten und Farbindikatoren).
Dennoch wird das Verfahren hier ausführlich geschildert, weil es noch immer angewandt wird. Man benötigt dazu eine Schüttelflasche mit Gradeinteilung bis 40 ccm Wasser, eine Pürette mit einer Skala für deutsche Härte, sowie eine einwandfrei eingestellte Seifenlösung nach Boutron-Boudet.
Von dem zu untersuchenden Wasser werden 40 ccm (ml) in die Schüttelflasche gefüllt. Sodenn setzt man zunächst 2 Tropfen Phenolphthalein zu und gibt bis zur Rotfärbung verdünnte Natronlauge nach. Diesem vorbereitetem Wasser wird aus der Bürette unter jedesmaligem Schütteln tropfenweise Seifenlösung zugefügt, bis ein bleibender, kleinblasiger Schaum entsteht, der bei Anhalten an das Ohr nicht mehr knistert. An der Bürette kann man dann die Menge der verbrauchten Seifenlösung ablesen, die zugleich der deutschen Härte (dGH = deutsche Gesamthärte) entspricht. Bei Wässern unter 2° deutscher Härte ist mit 10%, bei Wässern von 2-15° mit 5% Fehlern zu rechnen. Zu Erreichung größerer Genauigkeit ist es zu empfehlen, Wasser mit voraussichtlich über 10° dGH mit destilliertem Wasser zu verdünnen. Bis zu 15° Härte wird die Schüttelflasche nur bis 20 ccm, bei noch größerer Härte bis zu 10 ccm gefüllt, während der verbleibende Rest mit bis 40 ccm mit destilliertem Wasser aufgefüllt wird.
Das Ergebnis ist dann im ersten Fall mit 2, im zweiten Fall mit 4 zu multiplizieren.“

komplexometrische Bestimmung der Gesamthärte

Die Bestimmung der Gesamthärte erfolgt bei komplexometrischen Verfahren mit Titriplexlösung. Titriplex III (auch Komplexon III oder Indranal III bei anderen Herstellern) ist eine wässrige Lösung von des Chelators Ethylendiamin-tetraacetat-dinatrium (EDTA-diNa). Hinzu kommt noch ein Indikator, Eriochromschwarz T. Die im Wasser befindlichen Erdalkalimetall-Ionen, welche die Gesamthärte ausmachen, bilden nun jeweils 1:1 mit dem EDTA einen Komplex. Die Ionen werden dabei praktisch von einem ETDA-Molekül umhüllt. Auch der Indikator ist ein Erdalkalimetall-Ion-Komplex. EDTA ist jedoch ein deutlich stärker Komplexbildner und verdrängt die Metall-Ionen aus dem Indikator-Komplex. Das komplexierte Eriochromschwarz T ist dabei von blauer Farbe, der metallfreie Indikator rot. Gibt man nun EDTA-Lösung bekannter Konzentration langsam in die Probe, deren Gesamthärte bestimmt werden soll, werden die Erdalkalimetall-Ionen nach und nach komplexiert. Wenn alle Erdalkalimetall-Ionen einschließlich derer, welche zuvor am Eriochromschwarz gebunden waren, durch EDTA komplexiert sind, liegt nur noch der metallfreie Indikator vor. Es erfolgt ein deutlicher Farbumschlag von blau nach rot.
Aus dem Verbracuh an EDTA lässt sich die Gesamthärte errechnen. Ein Verbrauch von 0,36 mmol/l EDTA entspricht 1° dGH. Es können auch dere Metall-Komplex-Farbindikatoren mit anderen Farbumschlägen eingesetzt werden (vergl. Follmann & Grahn, 1999, S. 254 ff.).
Die in der Aquaristik üblichen Reagenzien zur Gesamthärtebestimmung im Aquarium enthalten bereits alle Komponenten in einer Lösung, so dass man lediglich eine einzige Reagenz benötigt. Ein Tropfen der Reagenz entspricht dabei bei vorgegebenem Probenvolumen 1°dGH. Calcium- und Magnesium-Ionen lassen sich mit anderen komplexometrischen Verfahren auch selektiv nachweisen.

Belegstellen, weiterführende Literatur und externe Links

  1. Frey, H. (1975). Das Aquarium von A bis Z. 13. Aufl., Verlag J. Neumann-Neudamm, Melsungen, ISBN 978-3788800130
    1. S. 661
  2. Follmann, H. & Grahn, (1999). Chemie für Biologen: Praktikum und Theorie. 2. Aufl., Teubner Verlag, ISBN 978-3519135142
    1. S. 254 ff.

Die Gesamthärte im Süßwasseraquarium verstehen

Auf den Begriff der Wasserhärte stößt jeder Aquarianer früher oder später. Gerade dann, wenn es darum geht, den Fischbesatz auszuwählen, wird speziell der Gesamthärte eine besondere Bedeutung zugerechnet. Was ist aber die Gesamthärte? Wie kann man sie senken oder erhöhen? Welche Rolle spielt sie im Aquarium? Diese und weitere Fragen soll diese Artikelreihe beantworten.

In anderen Artikeln haben wir uns bereits damit befasst, wie die Gesamthärte gemessen wird, wie man sie im Süßwasseraquarium erhöhen und senken kann. Hier soll es nun darum gehen, was die Gesamthärte ist.

Definition der Gesamthärte

Der Begriff Gesamthärte bezeichnet nach DIN 19640 die Summe aller im Wasser gelösten Erdalkalimetall-Salze. Die Erdalkalimetalle, das sind die Elemente der zweiten Hauptgruppe des Periodensystems der ElementeBeryllium, Calcium, Magnesium, Barium, Strontium und Radium. Im Süßwasser spielen dabei nur Calcium und Magnesium eine Rolle, die drei anderen Metalle sind nur in Spuren im Wasser gelöst. Alle Erdalkalimetalle liegen im Wasser gelöst als zweiwertige Kationen vor, tragen also zwei positive Ladungen.

hartes und weiches Wasser

Je mehr Erdalkalimetall-Salze und damit Erdalkalimetall-Ionen oder Härtebildner in einem Wasser gelöst sind, desto härter ist es. Wässer, in denen wenig Härtebildner gelöst sind, werden folgerichtig als weich bezeichnet.
Traditionell wird die Gesamthärte in Graden (°) angegeben. Dafür gibt es in verschiedenen Ländern verschiedene Skalen, wie sie die folgende Tabelle zeigt:

°dH °e °fH ppm mval/l mmol/l
Deutsche Grad 1 °dH = 1 1,253 1,78 17,8 0,357 0,1783
Englische Grad 1 °e = 0,798 1 1,43 14,3 0,285 0,142
Französische Grad 1 °fH = 0,560 0,702 1 10 0,2 0,1
ppm CaCO3 (USA) 1 ppm = 0,056 0,07 0,1 1 0,02 0,01
mval/l Erdalkali-Ionen 1 mval/l = 2,8 3,51 5 50 1 0,50
mmol/l Erdalkali-Ionen 1 mmol/l = 5,6 7,02 10,00 100,0 2,00 1

Im deutschsprachigen Raum findet vor allem die deutsche Härteskala in °dGH,°dH oder einfach °d, oder die stöchometrische Angabe der Stoffmenge in mmol/l (Millimol pro Liter) Anwendung. Je nach Härtegrad wird Wasser als „weich“ oder „hart“ bezeichnet. Je mehr Erdalkalimetall-Ionen geläst sind, desto „härter“ ist das Wasser. Für die Bestimmung der zu verwendenden Menge Waschmittel wurde, bis zu dessen Novellierung 2007, im Wasch- und Reinigungsmittelgesetz die folgende Abstufung definiert:

  • Härtebereich I: < 3°d = sehr weich
  • Hürtebereich II: 3-7°d = weich
  • Härtebereich III: 7-14°d = mittelhart
  • Härtebereich IV: 14-21°d = hart

Frey (1975) gibt folgende Abstufung an:

  • 0-4°d = sehr weich
  • 4-8°d = weich
  • 8-12°d = mittelhart
  • 12-18°d = hart
  • 18-30°d = sehr hart
  • 30 °d und mehr = außerordentlich hartes Wasser

Baensch & Riehl (1996) teilen die Gesamthärte in diese Stufen ein:

  • < 3°d = sehr weich
  • 3-7°d = weich
  • 7-12°d = mittelhart
  • 12-17°d = hart

Moderne Laboranalysen geben die Konzentrationen von Calcium und Magnesium in mmol/l an. Da man °dGH Angaben nicht anteilig für Calcium und Magnesium umrechnen kann, entspricht 1&⪚dGH 0,18 mmol/l Erdalkaliionen. Durchschnittlich liegt das Verhältnis von Calcium zu Magnesium bei etwa 4:1. Die gemessene Gesamthärte ist auch ein Indiz für den Gesamtsalzgehalt im Wasser.
Man rechnet etwa 35 µS/cm pro 1°dGH. Allerdings kann man so meist nur Näherungen erreichen, da die elektrische Leitfähigkeit, als Indikator für den Gesamtsalzgehalt, durch alle anderen im Wasser befindlichen Ionen ebenfalls beeinflusst wird. Die Relation kann daher je nach tatsächlichem Ionensprektrum eines Wassers zwischen etwa 30 und 60 µS/cm pro 1°dGH schwanken.
Seit der ab dem 01.02.2007 geltenden Neufassung des Wasch- und Reinigungsmittelgesetzes, zur Angleichung an europäische Standards, werden die Härtebereiche wie folgend aufgelistet eingeteilt:

  • Härtebereich „weich“: weniger als 1,5 Millimol Calciumcarbonat je Liter (entspricht 8,4 °dH)
  • Härtebereich „mittel“: 1,5 bis 2,5 Millimol Calciumcarbonat je Liter (entspricht 8,4 bis 14 °dH)
  • Härtebereich „hart“: mehr als 2, 5 Millimol Calciumcarbonat je Liter (entspricht mehr als 14 °dH)

Gesamthärte im Trinkwasser

In der deutschen Trinkwasserverordung (TWO, Stand: 2014) sind weder für die Gesamthärte noch die Konzentration der Härtebildner Calcium und Magnesium Grenzwerte festgelegt.
Die Masse der Trinkwässer in Deutschland dürfte eine Gesamthärte zwischen 5 und 25°dGH aufweisen. Ausreißer nach unten sind beispielsweise die Trinkwässer im Versorgungsgebiet des Zweckverband Wasserversorgung Kleine Kinzig mit 3,2°dGH, Ausreißer nach oben findet man beispielsweise in großen Teilen Würzburgs im Versorgungsgebiet des Hochbehälters Versbach mit 32° dGH.
Die Zusammensetzung Ihres jeweiligen Leitungswassers einschließlich der Gesamthärte können Sie generell vom zuständigen Versorger erfahren. Viele Versorger haben bereits eine Internetpräsenz, auf der auch die Trinkwasseranalyse veröffentlicht wird. Unter suche.wasser.de findet sich eine Versorgersuchmaschine, mit der man die Internetpräsenz seines Versorgers und damit die Trinkwasseranalyse oftmals schnell finden kann. Betreiber von Privatbrunnen zur Trinkwasserversorgung erhalten die Analyse ihres Trinkwassers durch die vorgeschriebene Überprüfung durch das Gesundheitsamt.

Gesamthärte im Aquarium

Die meisten Aquarien werden ohne weitere Aufbereitung mit dem örtlichen Trinkwasser befüllt. Demnach sind die Vorgaben der deutschen Trinkwasserverordnung und die Qualität des örtlichen Trinkwassers entscheidende Anhaltspunkte um die Qualität des Aquarienwassers zu beurteilen.

Belegstellen, weiterführende Literatur und externe Links

  1. Baensch, H. A. & Riehl, R. (1996): Aquarienatlas. Mergus Verlag, Melle. ISBN
    1. S.
  2. Frey, H. (1975): Das Aquarium von A bis Z. 13. Auflage, Verlag J. Neudamm-Neudamm, Melsungen. ISBN 3788800135
    1. S.660-663
  3. Krause, H.-J. (1990): Handbuch Aquarienwasser. 2. Auflage, bede-Verlag. ISBN 3927997005
    1. S. 29-33
  4. Bundesministerium für Justiz – gesetze-im-internet.de: Gesetz über die Umweltverträglichkeit von Wasch- und Reinigungsmitteln (Wasch- und Reinigungsmittelgesetz – WRMG)
  5. Bundesministerium für Justiz – gesetze-im-internet.de: Verordnung über die Qualitüt von Wasser für den menschlichen Gebrauch (Trinkwasserverordnung -TrinkwV 2001)
  6. Bundesgesetzblatt 841, Teil II (1987) :Neufassung des Wasch- und Reinigungsmittelgesetzes.
  7. Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (2007): Gesetz über die Umweltverträglichkeit von Wasch- und Reinigungsmitteln.
  8. Würzburger Versorgungs- und Verkehrs GmbH (WVV): Trinkwasseranalyse für die Versorgungsbereiche des Hochbehälters Versbach.
  9. Zweckverband Wasserversorgung Kleine Kinzig (WKK): Trinkwasseranalyse (Jahresmittelwerte 2013) Wasserqualität des Trinkwassers aus der Trinkwassertalsperre Kleine Kinzig.

weiterführende Literatur:

  • Geisler, R.: Wasserkunde für die aquaristische Praxis. Alfred Kernen Verlag, Stuttgart.
  • Gonella, H. & Hironimus, H. (2003). Perfektes Aquarienwasser. bede-Verlag, Ruhmannsfelden. ISBN: 3-89860-044-0
  • Hohl, D. (1994). Aquarienchemie. Urania Verlag, Leipzig. ISBN 3-332-00471-9
  • Hückstedt, G.: Aquarienchemie. Frank’sche Verlagshandlung, Stuttgart.
  • Kassebeer, G. (1986): Ein Analytikkurs für Aquarianer von Dr. Gerd Kassebeer. III. Die Karbonathärte des Aquariumwassers. In: Aquarium Heute (AH) IV. (3). 33-35
  • Horst, K. & Kipper, H. (1981): Das perfekte Aquarium. 4. Auflage, Tetra Verlag, Melle. ISBN 978-3-88244-177-2
  • Wachtel, H. (1963). Aquarienhygiene. Frank’sche Verlagshandlung, Stuttgart.
  • Sigg, L. & Stumm, W. (1995): Aquatische Chemie: eine Einführung in die Chemie wässriger Lösungen und in die Chemie natürlicher Gewässer. 3. Auflage, B.G. Teubner GmbH, Leipzig. ISBN 978-3519136514
  • Wilhelm, S. (2003): Wasseraufbereitung: Chemie und chemische Verfahrenstechnik. 6. Auflage, Springer-Verlag GmbH, Heidelberg. ISBN 978-3540068488
  • Kassebeer, G. (1986): Ein Analytikkurs für Aquarianer von Dr. Gerd Kassebeer. I. Die Härte des Aquarienwassers. In: Aquarium Heute IV. (1), S.36-38

Diskussionsfäden in Foren und Newsgroups:

Die Karbonathärte im Süßwasseraquarium messen

Auf den Begriff der Wasserhärte stößt jeder Aquarianer früher oder später. Gerade im Zusammenhang mit dem pH-Wert spielt dabei die Karbonathärte eine wichtige Rolle. Was aber ist die Karbonathärte? Wie wird sie gemessen? Wie kann man sie im Aquarium senken oder erhöhen? Und welche Bedeutung hat sie eigentlich im Aquarium? Diese und andere Fragen soll diese Artikelreihe beantworten.

Nachdem ich die chemischen Grundlagen und die Bedeutung der Karbonathärte im Süßwasseraquarium erläutert habe und beschreiben habe wie die Karbonathärte gesenkt und erhöht wird, soll es hier nun darum gehen, die Karbonathärte Süßwasseraquarium zu messen.

Karbonathärte messen

Die Karbonathärte bestimmen wir titrimetrisch (altgr. titer=Tropfen).
In die Wasserprobe bekannten Volumens geben wir einen Indikator (Mischindikator nach Mortimer). Nun wird langsam 0,1 normale (= 0,1 mol/l) HCl (Salzsäure) zugetropft und das Probengefäß nach jedem Tropfen leicht geschwenkt, um eine gute Durchmischung zu erzielen. Ist sämtliche „Karbonathärte“ aufgebraucht, schlägt der Indikator von blau nach grün um. Der Verbrauch von 3,6 ml 0,1 n HCl pro Liter Probevolumen entspricht hier also 0,36 mmol/l Hydrogencarbonat oder 1°dKH. Bei der Messung werden in der Praxis kleinere Volumina (z.B. 100 ml) benutzt und das Messergebnis entsprechend auf den Liter umgerechnet.
Mit aquaristischen Tropftests wird die KH nach dem gleichen Prinzip gemessen. Die meisten handelsüblichen Messbestecke haben Indikator und Salzsäure in einer Reagenz vereint. Dabei wird nach Anleitung tropfenweise KH-Testreagenz zugegeben und vorsichtig durch Umschwenken durchmischt, bis ein beständiger Farbumschlag erfolgt. Ein Tropfen Reagenz entspricht in der Regel beim jeweils vorgegebene Probevolumen Aquarienwasser 1°dKH. Nachgewiesen wird dabei allerdings das Säurebindevermögen bis pH 4,3 (SBV).
Auch andere Wasserinhaltsstoffe beeinflussen das Messergebnis des SBV. So täuschen 0,36 mmol (35 mg/l) Dihydrogenphosphat H2PO4 oder etwa 6 mg/l Ammoniak 1°dKH vor. Messfehler der KH durch Phosphat und Ammoniak spielen im Normalfall in der Aquaristik aufgrund der zur Verfälschung nötigen Konzentration eine eher untergeordnete Rolle und beeinflussen das Meßergebnis nicht in bedeutendem, meist sogar nicht einmal merklichem Maße. Unter üblichen Rahmenbedingungen im Aquarium spielen diese Queranfälligkeiten daher keine Rolle.

Kann die Karbonathärte höher als die Gesamthärte sein?

Manchmal wird eine höhere Karbonat- als Gesamthärte gemessen. Dies erscheint zunächst widersprüchlich, da definitonsgemäß die Karbonathärte Teil der Gesamthärte ist und ein Teil nie größer als das Ganze sein kann.
Da die „Karbonathärtetests“ aber nicht die Karbonathärte sondern das Säurebindevermögen bestimmen, löst sich dieser Widerspruch schnell auf. Es werden nicht nur die Carbonat- und Hydrogancarbonat-Ionen erfasst, welche Erdalkalimetall-Ionen gegenüberstehen und so zur Karbonathärte im eigentlichen Sinn gehören, sondern alle, egal aus welchen Salzen sie stammen. Prinzipiell ist es daher sinnvoll, den Wortbestandteil Härte herauszusteichen. Der Test misst einfach (Hydrogen)Carbonat.

Die Karbonathärte im Süßwasseraquarium erhöhen

Die Karbonathärte im Süßwasseraquarium erhöhen

Die Karbonathärte lässt sich im Süßwasseraquarium nicht nur senken, sondern auch erhöhen oder anheben. Dazu gibt es verschiedene Möglichkeiten. Die einfachste Methode ist das Verschneiden mit härterem Wasser, das in der Regel auch besser carbonatgepuffert ist. Die Karbonathärte lässt sich auch durch Zugabe von handelüblichen Aufhärtesalzen (z. B. KH/PH Plus-Produkte) anheben. Außerdem wird die Karbonathärte durch Zugabe haushaltsüblicher Salze wie Speisenatron, Waschsoda oder Pottasche gezielt angehoben, welche auch in handelsüblichen pH/KH Plus-Produkten enthalten sind.

Natriumhydrogencarbonat oder Speisenatron

Um die Karbonathärte zu erhöhen eignet sich einfaches Speisenatron (Natriumhydrogencarbonat, doppeltkohlensaures Natron, Natriumbicarbonat, NaHCO3) sehr gut. Die Zugabe von 3 Gramm Speisenatron auf 100 Liter Wasser erhöht die „Karbonathärte“ dabei um 1°d. Es ist empfehlenswert, die benötigte Menge Speisenatron zuvor in Wasser aufzulösen und diese Lösung langsam ins Aquarium oder Wechselwasser zu geben.


Chemikalien zum Anheben der Karbonathärte aus dem Supermarkt - Vorschau


Chemikalien zum Anheben der Karbonathärte aus dem Supermarkt

Eine andere Art der Anwendung von Natron ist die gesättigte Lösung. Sie stellt man durch Zugabe von 100 Gramm (zwei Tütchen à 50g) NaHCO3 auf einen Liter Wasser her. Dazu wird erst das Natron in den Behälter (z. B. skalierter Messbecher) gegeben, in etwa einem halben Liter destilliertem Wasser vorgelöst und dann bis zum 1l-Strich mit destilliertem Wasser aufgefüllt. Es bleibt ein wenig Speisenatron als weißer Bodensatz zurück, welcher sich nicht löst.
100 ml dieser Lösung enthalten etwa 0,1143 Mol Natriumhydrogencarbonat oder 317,5°dKH. 1 ml der Lösung erhöht die „Karbonathärte“ in einem Liter Wasser also um gut 3 °d. Mit 100 ml der Lösung erhöht man somit äquivalent die „Karbonathärte“ in 100 Liter Wasser um 3 ° dKH, mit 30 ml um 1° dKH

  • M NaHCO3 = 84 g/mol
  • Löslichkeit = 96 g/l @ 20°C
  • 96g NaHCO3 = 1,143 Mol = 1143 mmol
  • 0,36 mmol HCO3 = 1°dKH
  • 1143 / 0,36 = 3175° dKH
  • 3175 ° KH in 1000 ml ∝ 3,175 ° KH in 1 ml

Diese Lösung kann auch als kostengünstige Kalibrierlösung für die pH-Elektrode verwendet werden.

Natriumcarbonat oder Soda

Eine alternative Möglichkeit bietet die Verwendung von Natriumcarbonat Na2CO3. Dieses Salz der Kohlensäure ist beispielsweise als „Waschsoda“ im Supermarkt erhältlich. Hier kann man wiederum entweder die benötigte Menge in Wasser auflösen oder aber eine gesättigte Lösung verwenden. Auch hier empfielt es sich, die benötigte Menge in Wasser zu lösen und über einen längeren Zeitraum langsam dem Aquarienwasser zugzugeben oder aber auf das Wecheslwasser zu verteilen.220 Gramm Natriumcarbonat auf einen Liter vollentsalztes Wasser ergeben eine gesättigte (2,05 mol/l = 2050 mmol/l) Lösung. Dies entspricht fast 5700°dKH (2050 : 0,36 = 5694,4). Ein Milliliter der Lösung erhöht die Karbonathärte in einem Liter Wasser also um knapp 6°dKH. Um in 100 Litern Wasser die Karbonathärte um gut 10°dKH anzuheben, werden also 175 ml der gesättigten Lösung zugegeben. Das kann bedingt durch die gute Löslichkeit von Natriumcarbonat in einem kleineren, handlichen Volumen erfolgen. Mit einem Liter dieser Sodalösung kann man also gut einen Kubikmeter Wasser um 5,7°kH „aufhärten“. Ein 500g Paket Waschsoda kostet im Supermarkt um € 1,50.

Xn - Reizend
Schutzbrille ist anzuraten.
Soda ist besonders gut für Aquarien geeignet, in denen ein alkalischer pH-Wert oherhalb pH 8 erwünscht ist, beispielsweise bei einem Aquarium mit Tanganjikasee-Cichliden.
In beiden Fällen kann es, abhängig von der Höhe der Gesamthärte, zu einer geringfügigen Absenkung der Gesamthärte durch Ausfällung von Härtebildnern, insbesondere Calcium, in Form schwer löslicher Carbonate kommen:

  • Ca2+ + 2 HCO3 CaCO3 + H2O + CO2

Im Aquarium erfolgt jedoch wieder eine allmähliche Rücklösung.

Kaliumcarbonat oder Pottasche

Eine weitere Möglichkeit zur Anhebung der Pufferkapazität im Aquarium bietet Kaliumcarbonat, K2CO3. Dieses Kaliumsalz der Kohlensäure wird besonders zur Adventszeit auch in vielen Supermärkten als traditionelles Treibmittel für Lebkuchen angeboten. Zusätzlich zum Anheben der Karbonathärte eignet sich Kaliumcarbonat als Kaliumdünger für die Aquarienpflanzen.

  • M K2CO3 = 138,2 g/mol
  • Löslichkeit = 1120 g/l @ 20°C
  • 112g (in 100ml) K2CO3 = 0,81 mol = 810 mmol
  • 0,36 mmol HCO3 = 1°dKH
  • 810 / 0,36 = 2250° dKH in 100 ml

Xn - Reizend
Wegen ihres hohen pH-Wertes ist auch diese Lösung reizend – beim Umgang ist Vorsicht geboten.
Es ist anzuraten, eine Schutzbrille zu tragen.
Pottasche oder Kaliumcarbonat wird im Supermarkt (Gewürzregal oder Backwaren) in Tütchen zu 50g angeboten. Man erhält die Chemikalie aber auch in der Apotheke. Mit den Tütchen lässt sich sehr gut eine gesättigte Lösung ansetzen. Als Gefäß nehmen wir einen skalierten Behälter, die Genauigkeit eines Küchenmessbechers reicht völlig aus für unsere Zwecke. Etwa 80 ml destilliertes Wasser darin vorlegen, zwei Tütchen Pottasche lösen. Ein gehäufter Teelöffel zusätzlich ergibt nach umrühren mit einem Löffel sicher eine gesättigte Kaliumcarbonat-Lösung. Dann auf 100 ml mit destilliertem Wasser auffüllen und nochmals umrühren. Eventueller Bodensatz kann verbleiben oder auch mit einem Kaffeefilter abfiltriert werden. Die Lösung kann jetzt in eine Vorratsflasche gefüllt werden.
Mit einem Milliliter dieser Lösung kann die KH in einem Liter Wasser um etwas mehr als 3 °dKH anheben. 100 Milliliter genügen also, um die KH in 100 Litern Wasser um gut 3 °dKH anheben.

Natriumhydrogensulfat im Süßwasseraquarium

Natriumhydrogensulfat (NaHSO4), Natriumbisulfat oder saures Natriumsulfat ist ein saures Natriumsalz der Schwefelsäure (H2SO4). Es kann auch als eine „abgespeckte“ Form der Schwefelsäure betrachtet werden, da hier eines der beiden Protonen gegen ein Natrium-Ion ausgetauscht ist.
Natriumhydrogensulfat bildet weißliche kristalle, die durch die starke Hygroskopizität verklumpen. In wässriger Lösung stellt sich das Salz als gelblich-orange Flüssigkeit dar.
In der Süßwasseraquaristik wird Natriumhydrogensulfat angewandt, um die Karbonathärte (genauer: die Hydrogencarbonat-Konzentration) und sukzessive den ph-Wert im Aquariumwasser zu senken. Natriumhydrogensulfat ist deshalb als Wirkstoff in einigen pH-Minus-Produkten (z. B. ehemals „pH-Minus“ von „Bioplast“) enthalten. Analog wird es in Produkten für Gartenteiche und die Poolpflege eingesetzt. Auch diese Produkte sind grundsätzlich für die Anwendung im Süßwasseraquarium geeignet.
Pro Mol Natriumhydrogensulfat wird ein Mol Hydrogencarbonat zu Wasser und CO2 umgesetzt. 1° dKH entsprechen 0,36 mmol/l Hydrogencarbonat. Demnach senken 0,36 Millimol Natriumhydrogensulfat pro Liter Wasser die Karbonathärte um 1° dKH. Bei einer molaren Masse von etwa 120 Gramm pro Mol sind daher pro Liter Wasser knapp 43 Milligramm Natriumhydrogensulphat notwendig, um die KH um 1° dKH zu senken.
Durch den Sulphat- und Natriumanteil kommt es neben der Senkung von Karbonathärte und pH-Wert zu einem Anstieg der Natrium- und Sulfatkonzentration im Aquariumwasser. Folglich steigt auch die elektrische Leitfähigkeit leicht an.

Belegstellen, weiterführende Literatur und externe Links

  1. Wiberg, N. (1995): Lehrbuch der anorganischen Chemie. 101. Aufl., deGruyter, Berlin, S.67f.
  2. Sicherheitsdatenblatt
  3. GESTIS Stoffdatenbank:Natriumhydrogensulfat (abgerufen am 30.04.2013)

weiterführende Literatur:

  • Krause, H.-J.: Handbuch Aquarienwasser. bede-Verlag

externe Verweise auf Diskussionsfäden in Foren und Newsgroups: