Warum mit Kohlendioxid gedüngt wird

Kohlendioxid spielt eine wichtige Rolle bei der Düngung von Aquarienpflanzen und damit in der gesamten Ökologie eines Aquariums. Viele Aquarianer bringen mit mehr oder weniger viel Aufwand Kohlendioxid in das Aquarium, andere Aquarianer kommen ohne diesen Aufwand aus.

Die Düngung mit Kohlendioxid soll verhindern, dass durch den Verbrauch der Pflanzen und Tiere weniger Kohlendioxid im Wasser ist als von den Pflanzen benötigt wird. Die Pflanzen holen das benötigte CO₂ sonst aus der Karbonathärte. Das führt zu steigenden pH-Werten und zu einer Kalkablagerung auf den Pflanzen, der so genannten biogenen Entkalkung. Durch die hohen pH-Werte können die Kiemen der Fische verätzt werden.

Wo kommt das Kohlendioxid (CO₂) her?

Pflanzen verbrauchen bei der Photosysnthese Kohlendioxid und geben Sauerstoff ab. Pflanzen und Tiere verbrauchen bei der Atmung Sauerstoff und geben Kohlendioxid ab. Pflanzen brauchen tagsüber mehr Kohlendioxid als sie erzeugen und erzeugen mehr Sauerstoff als sie verbrauchen. Das zusätzliche Kohlendioxid, das Pflanzen verbrauchen, wird durch die Atmung der Tiere erzeugt. Nachts verbrauchen auch Pflanzen Sauerstoff und erzeugen Kohlendioxid.
Kohlendioxid entsteht also bei der Atmung. Kohlendioxid und Sauerstoff bilden einen Kreislauf, der aus Photosynthse und Atmung besteht.

Die Menge an Kohlendioxid und Sauerstoff im Aquarium hängt von der Anzahl an Pflanzen und Tieren ab. Deshalb benötigen manche Aquarien mit vielen Fischen und wenigen Pflanzen häufig Luftpumpen, mit denen Sauerstoff in das Aquarium gebracht wird. In Aquarien mit wenig Fischen und vielen Pflanzen kann es notwendig sein, Kohlendioxid von außen zuzuführen. Es wird dann oft von CO₂-Düngung gesprochen. Auch die Pflanzenart spielt eine Rolle. Cryptocorynen verbrauchen z. B. relativ wenig Kohlendioxid.

Zwischen dem Kohlendioxid in der Luft und dem Kohlendioxid im Wasser stellt sich ein bestimmtes Gleichgewicht ein. Dieses Gleichgewicht liegt bei ca. 5 mg/Liter Wasser. Pflanzen benötigen einen Gehalt zwischen 10 und 20 mg/Liter Wasser. In diesem Bereich wird ständig Kohlendioxid aus dem Wasser an die Luft abgegeben. Außerdem verbrauchen die Pflanzen Kohlendioxid schneller als es über die Wasseroberfläche in das Wasser aufgenommen werden kann, selbst wenn die Wasseroberfläche stark bewegt wird. Aufgrund des schnellen Verbrauchs und der langsamen Einstellung eines Gleichgewichts zwischen Wasser und Luft besteht in vielen Aquarien ein ständiger Mangel an Kohlendioxid. Nur in Aquarien, in denen viel Kohlendioxid erzeugt wird, steht genug Kohlendioxid für die Pflanzen zur Verfügung.

Licht und Kohlendioxid

Durch Licht kann der Bedarf an Kohlendioxid teilweise gesteuert werden. Wird das Aquarium stärker beleuchtet, findet eine intensivere Photosynthese statt und die Pflanzen verbrauchen entsprechend mehr Kohlendioxid. Auch die Pflanzen spielen bei dieser Regulation eine wesentliche Rolle. Durch die intensive Photosynthese wachsen sie entsprechend schnell. Dadurch entsteht viel neue Pflanzenmasse, die sich wieder zersetzt und zusätzlich CO₂ erzeugt. Unter günstigen Umständen pegelt sich der Verbrauch so ein, dass CO₂-Gehalt nach der Erhöhung der Beleuchtungsstärke genauso hoch ist wie vorher. In vielen Fällen muss aber bei stärkerer Beleuchtung mehr CO₂ zugeführt werden.

Bei den normalerweise verwendeten Doppelleuchten ist bei normalem Fischbesatz in der Regel keine CO₂-Düngung notwendig. Bei stärkerer Beleuchtung, bei geringem Besatz etc. kann eine Düngung mit CO₂ erforderlich sein.

In schwach beleuchteten Aquarien wachsen die Pflanzen langsamer. Deshalb kann der mit dem Futter indirekt eingebrachte Dünger ausreichen.

Wann die Düngung mit Kohlendioxid notwendig ist

Ob eine CO₂-Düngung notwendig ist, hängt von dem Verhältnis von CO₂-Produzenten und CO₂-Konsumenten ab. Die CO₂-Produktion wird durch die Stärke des Besatzes bzw. die Futtermenge bestimmt.

CO₂-Konsumenten sind hauptsächlich die Pflanzen, die bei der Assimilation (Photosyntese) Kohlendioxid verbrauchen.

Wenn im Aquarium genug Kohlendioxid erzeugt wird, so dass die Pflanzen nicht unter CO₂-Mangel leiden, ist eine CO₂-Düngung nicht erforderlich.

In gut beleuchteten Aquarien mit vielen Pflanzen und wenigen Fischen ist dagegen oft eine zusätzliche CO₂-Düngung notwendig. Wird im Aquarium nicht genug Kohlendioxid erzeugt, entziehen die Pflanzen der Karbonatärte Kohlendioxid. Bei dieser so genannten biogenen Entkalkung wird Kalk ausgefällt. Der pH-Wert steigt stark an auf Werte zwischen 8,5 und 9. In extremen Fällen kann der pH-Wert noch höher steigen.

Richtwert für einen sinnvollen CO₂-Gehalt im Aquarium ist ein Wert zwischen 10 und 20 mg/Liter Wasser. Liegt der CO₂-Gehalt in diesen Grenzen, muss kein zusätzliches Kohlendioxid eingebracht werden. Liegt der CO₂-Gehalt unter 10 mg/Liter Wasser kann CO₂ zugeführt werden.
Alternativ können Pflanzenarten eingesetzt werden, die nur wenig CO₂ benötigen. Das sind in der Regel Pflanzen, die mit wenig Licht auskommen.

Warum überbesetzte Aquarien trotzdem nicht gut sind

In überbesetzten Becken wird durch die vielen Fische viel Kohlendioxid erzeugt. Am Tag kann dieses Kohlendioxid möglicherweise von den Pflanzen noch verarbeitet werden. Nachts können die Pflanzen aber wegen des fehlenden Lichts keine Photosynthese mehr betreiben. Nachts produzieren die Pflanzen zusätzliches Kohlendioxid und verbrauchen Sauerstoff. Deshalb kann in solchen Aquarien der Sauerstoffgehalt am Morgen so niedrig sein, dass die Fische unter Sauerstoffmangel leiden und im Extremfall sterben.

Warum unterbesetzte Aquarien auch instabil sein können

Einige Aquarianer haben die Erfahrung gemacht, dass in Aquarien ohne Fischbesatz oder mit nur sehr wenigen Fischen auch Probleme auftauchen können. Wurden aus eingefahrenen Aquarien die Fische entfernt, stagnierte nach einiger Zeit der Pflanzenwuchs und Algen machten sich breit, auch wenn regelmäßig Wasser gewechselt wurde. Umgekehrt konnte in einigen Aquarien mit schlechtem Pflanzenwuchs der Wuchs verbessert werden, indem mehr Fische eingesetzt wurden. Möglicherweise fehlen in solchen Aquarien die organischen Stoffe, wie Fischkot und Futterreste, bei deren Zersetzung durch Bakterien CO₂ erzeugt wird. Es entsteht also zu wenig CO₂, die Pflanzen kümmern und gehen ein. Die organische Belastung steigt wieder. Die beim Absterben der Pflanzen freiwerdenden Spurenelemente und das nun zusätzlich durch Bakterien beim Abbau der organischen Stoffe erzeugte Kohlendioxid kommt Algen zu gute, die sich daraufhin stark vermehren.
Dem stehen aber auch gegenteilige Erfahrungen gegenüber. Dabei wuchsen die Pflanzen mindestens genauso gut wie vorher, nachdem die Fische in einem vorher moderat besetzten Aquarium gestorben waren und keine neuen Fische eingesetzt wurden. In anderen Fällen wuchsen bestimmte Pflanzenarten gerade in sehr gering besetzten Aquarien besonders gut. Auch ohne zusätzlich Düngung durch Pflanzendünger oder Kohlendioxid. In solchen Fällen stellen sich die Stoffwechselvorgänge im Gesamtsystem Aquarium vielleicht auf ein insgesamt niedrigeres Niveau ein. Vielleicht spielen auch die Pflanzenarten eine besondere Rolle. In zwei konkreten Beispielen waren Cryptocorynen betroffen.

Eine genaue Vorhersage, wie sich ein Aquarium bei Veränderungen im Kreislauf zwischen Kohlendioxid und Sauerstoff verhält, kann nicht gemacht werden. Ein Aquarium ist kein in sich abgeschlossenes System. Durch Gasaustausch an der Wasseroberfläche, durch Schnecken und andere Organismen in Kahmhaut, Pflanzen usw. werden der Gehalt an Kohlendioxid und Sauerstoff ebenfalls beeinflusst.

Wie aus Sicht des Kohlendioxid ein stabiles Aquarium aussieht

In einem stabilen Aquarium befinden sich nicht zu viele und nicht zu wenige Pflanzen und nicht zu viele und nicht zu wenige Tiere. Das System ist so im Gleichgewicht, dass soviel Kohlendioxid erzeugt wird, wie auf der anderen Seite verbraucht wird.

Den Besatz an Fischen und Pflanzen am natürlichen CO₂-Gleichgewicht ausrichten?

Im Prinzip wäre es sinnvoll, den Besatz am CO₂-Gleichgewicht auszurichten. Dazu müsste zumindest die Beleuchtung, die Bepflanzung und der Fischbesatz genau an das Wasservolumen und an Erzeugung und Verbrauch von Kohlendioxid und Sauerstoff angepasst werden. Dabei spielen neben Pflanzen und Fischen auch Wirbellose, Algen, Bakterien usw. eine Rolle. Es ist kaum möglich in einem Aquarium einen funktionierenden Kreislauf zu erzeugen. Allerdings existieren noch eine ganze Reihe anderer Faktoren, die ebenfalls berücksichtigt werden müssen. In der Natur ist die CO₂-Erzeugung durch Fische verhältnismäßig gering. Der weitaus größte Anteil an CO₂ wird durch Bakterien erzeugt. In Gewässern wird das meiste CO₂ im Schlamm erzeugt. Dort werden Blätter und anderes organisches Material von Bakterien zersetzt, die dabei Kohlendioxid freisetzen. Eine Schlammschicht von 20 bis 30 cm Höhe ist in Aquarien aber unerwünscht.

In natürlichen Gewässern gibt es relativ zur Wassermenge nur sehr wenige Fische und Pflanzen. Danach dürften in einem Aquarium nur ein bis zwei Fische und einige wenige Pflanzen sein. In der Regel sind in natürlichen Gewässern im Verhältnis zur Fischmenge weniger Pflanzen als in Aquarien zu finden sind. Der Pflanzenwuchs in Aquarien ist in der Regel unnatürlich stark. Im Vergleich zur Natur wird wesentlich mehr Kohlendioxid benötigt. Auch der im Vergleich zur Natur hohe Fischbesatz reicht oft nicht aus, um genug CO₂ für die Pflanzen zu erzeugen. Damit die Pflanzen gut wachsen, müssten also sehr viele Fische eingesetzt werden. Das wieder macht extrem große Filter notwendig, um die Ausscheidungen der Fische abzubauen. Vor allem hätten die Fische nicht genug Schwimmraum zur Verfügung.

Das benötigte Kohlendioxid durch entsprechend hohen Fischbesatz zu erzeugen, würde zu extrem überbesetzten Aquarien führen. Es ist unmöglich, in einem Aquarium ein natürliches Gewässer nachzuahmen, das ohne äußeren Eingriff stabil läuft. Ein solches Aquarium mit praktisch nur Wasser, wird von den meisten Aquarianern auch nicht gewünscht.

Als Alternative bleibt nur notwendiges Kohlendioxid von außen zuzuführen. Die CO₂-Düngung kann abgeschaltet werden, wenn zuviel CO₂ im Aquarium ist. Ein zu hoher Besatz lässt sich nicht einfach verringern.

Wie viel Kohlendioxid ein Fisch erzeugt

Die CO₂-Erzeugung der Fische hängt ab von der Sauerstoffaufnahme, die ihrerseits von mehreren Faktoren abhängt. Dazu gehören die Fischgröße, die Aktivität des Fisches, die Ernährung bzw. Kotproduktion, die Wassertemperatur usw. Pflanzen- und Algenfresser erzeugen z. B. mehr Kot als Fleischfresser. Schnelle Schwimmer haben anders gebaute Kiemen als langsame Schwimmer. Sie verbrauchen mehr Sauerstoff und erzeugen mehr Kohlendioxid.
Schnellschwimmende Fische leben deshalb bevorzugt in kalten, sauerstoffreichen Gewässern, während langsame Schwimmer gerne in der Nähe des Bodengrunds oder in Brackwasser leben.
Bei unterschiedlichen Fischarten ist das Blut aus einer Mischung verschiedener Hämoglobine unterschiedlich zusammengesetzt. Sie nehmen unterschiedlich viel Sauerstoff auf und atmen HCO₃(-) ab, das an den Kiemen durch Enzyme wieder zu CO₂ umgewandelt wird. Manche Fische atmen nur über die Kiemen, andere zusätzlich über die Haut, die Schwimmblase usw.

Als Faustregel werden je Gramm eines Fisches etwa 15 bis 40 mg Kohlendioxid erzeugt. Die Verdauung der Fische und die Bakterienflora mineralisieren ungefähr 90 % des Futters. Aus 1 g Trockenfutter entsteht dabei ungefähr 1,2 g Kohlendioxid.

Fischbesatzregel und Kohlendioxid

Die bekannten Regeln nach denen der Fischbesatz ausgerichtet werden soll, haben mit der CO₂-Düngung und gutem Pflanzenwuchs nichts zu tun. Diese Regeln sind nicht darauf ausgerichtet, ein Gleichgewicht des Kohlendioxids herzustellen.

Die Löslichkeit von Kohlendioxid in Wasser

Die Löslichkeit von Gasen in Wasser hängt von der Temperatur ab. In kälterem Wasser kann mehr Gas gelöst sein als in wärmerem Wasser. Salze in geringen Mengen spielen für die Löslichkeit keine große Rolle. Der Aufsalzeffekt zeigt aber, dass gelöste Gase die Löslichkeit beeinflussen können. Von der Wasserhärte hängt die Löslichkeit von Kohlendioxid nicht ab. Umgekehrt hält Kohlendioxid das Kalziumhydrogenkarbonat, also die Karbonathärte, in Lösung. Je niedriger der Gehalt an Kohlendioxid ist, desto weiniger Kalziumhydrogenkarbonat ist in Lösung, d. h. Kalk fällt aus. Das ist eine Ursache für die biogene Entkalkung.

Warum früher nicht mit CO₂ gedüngt wurde

Früher wurden viele Aquarien schwächer beleuchtet als heute. Die Pflanzen wuchsen langsamer und benötigten weniger Kohlendioxid.