Warum der pH-Wert im Aquarium anders ist als im Leitungswasser

Im Wasser sind Kohlendioxid und andere Gase gelöst. Das Kohlendioxid ergibt zusammen mit der Karbonathärte einen ganz bestimmten pH-Wert.
Im Aquarium diffundiert Kohlendioxid langsam aus dem Wasser in die Luft. Zwischen den Gasen im Wasser und in der Luft stellt sich an der Wasseroberfläche ein Gleichgewicht ein, das Absorptionsgleichgewicht. Für Kohlendioxid ist das Gleichgewicht bei einer Wassertemperatur von 20° C erreicht, wenn sich in einem Liter Wasser 0,51 mg Kohlendioxid befinden.

Entsteht in einem Aquarium weniger neues Kohlendioxid als durch die Diffusion in die Luft und durch den Verbrauch der Pflanzen verschwindet, sinkt der Gehalt an Kohlendioxid im Wasser. Aufgrund der Wechselwirkungen zwischen Kohlendioxid, Karbonathärte und pH-Wert steigt der pH-Wert, wenn sich der CO₂-Gehalt verringert und die Karbonathärtegleich bleibt. Entsprechend sinkt der pH-Wert, wenn mehr CO₂ erzeugt als verbraucht wird.

Der Gehalt an Kohlendioxid im Aquarium wird wie der Sauerstoffgehalt durch ein so genanntes Fließgleichgewicht bestimmt. Das Fließgleichgewicht ist das Verhältnis von CO₂-Verbrauch zu CO₂-Produktion. In jedem Aquarium stellt sich deshalb ein spezieller pH-Wert ein. Dieser Wert ist unabhängig vom pH-Wert im Leitungswasser. Gleiches gilt auch für den Gehalt an Kohlendioxid und Sauerstoff.

Zusätzliche Details

Der größte Teil des Kohlendioxids im Wasser ist physikalisch gelöst. Ein geringer Teil von etwa 0,1 % reagiert mit Wasser in einer Kette von Gleichgewichtsreaktionen chemisch stufenweise zu Kohlensäure (H₂C0₃). Die Kohlensäure bildet in geringem Maße Hydrogenkarbonat und Karbonationen. Insgesamt liegt das Gleichgewicht auf der linken Seite, d. h. das physikalisch gelöste Kohlendioxid überwiegt.

Aus gelösten Salzen der Kohlensäure stammt der größere Teil der im Wasser enthaltenen Hydrogenkarbonat- und Karbonationen. Demgegenüber löst sich Kalziumkarbonat aus Kalkgestein im Wasser schlecht. Kalziumkarbonat wiederum reagiert mit Kohlendioxid und Wasser zu Kalziumhydrogenkarbonat, das sich in Wasser leicht löst.

Grünpflanzen benötigen zum Aufbau von Kohlehydraten Wasser und Kohlendioxid. Sie sind CO₂-Produzenten. Licht liefert die zur Photosysnthese benötigte Energie. Kohlendioxid entnehmen die Pflanzen aus dem direkt im Wasser gelösten Kohlendioxid oder aus den Ionen des Hydrogenkarbonats. Bestimmte Wassermoosarten und der Wasserstern verwenden nur Kohlendioxid. Wasserpest, Krauses Laichkraut und Wasserhahnenfuß verwerten Kohlendioxid und Hydrogenkarbonationen.

Bei der Assimilation unter Verwendung von Hydrogenkarbonationen werden Hydroxidionen freigesetzt. Als Folge kann der pH-Wert stark ansteigen.

Bestimmte Bakterien verwerten Kohlendioxid bei der Oxidation anorganischer Ionen wie Ammonium-, Nitrit- und Sulfidionen. Fische verbrauchen Kohlendioxid bei der Atmung. Durch den Verbrauch von Kohlendioxid wird die Konzentration der Ionen auf der rechten Seite der Gleichgewichtskette durch eine Gleichgewichtsverschiebung nach links erniedrigt. Die Konzentration an Hydroxoniumionen (H₃0+) nimmt ab, der pH-Wert steigt.

Hydrogenkarbonationen wirken im Neutralbereich als Puffer. Damit spielen sie eine ökochemisch besonders wichtige Rolle. Sie binden überschüssige Hydroxoniumionen (H₃0+) und überschüssige Hydroxidionen (OH-). So gewährleisten sie einen weitgehend konstanten pH-Wert in Gewässern. Hydroxoniumionen reagieren mit Hydrogenkarbonat- bzw. Karbonationen. Als Folge verschiebt sich das Gleichgewicht in Richtung des freien Kohlendioxids.