Kohlendioxid und submerse Pflanzen

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Kohlenstoffdioxid (CO2) ist ein farbloses Gas, das zu  0,039 Vol% (390 ppm) Bestandteil unserer Erdatmosphäere ist. Es entsteht bei der Verbrennung von Kohlenstoff haltigen Materialien (Holz, Kohle, Benzin etc.) und bei der Zellatmung aus der Umwandlung von Zucker.  Kohlendioxid ist wichtig für das Leben auf der Erde. Es dient allen Pflanzen als Kohlenstoffquelle.  Mit Hilfe der Sonnenenergie gewinnen sie aus Kohlenstoffdioxid und Wasser energiehaltige organische Verbindungen (Zucker und Stärke). Diese sind die Grundlage der meisten biologischen Stoffwechselprozesse und werden von fast allen Lebewesen als Lebensgrundlage genutzt. Weil die Pflanzen in der Lage sind die ersten chemischen Substanzen für Nahrungsketten quasi aus dem Nichts zu produzieren, werden sie als Primärproduzenten bezeichnet.
In der Atmosphäre sammelt sich Kohlendioxid durch die Verbrennung fossiler Rohstoffe (Kohle und Öl) immer stärker an. Seit Jahrmillionen gespeichertes Kohlendioxid wurde in wenigen Jahrzehnten freigesetzt. Mehr als die Pflanzen auf der Erde, die zeitgleich durch Abholzung der Wälder und Desertifikation (Ausbreitung von Wüsten) in ihrer Masse abnahmen wieder aufnehmen konnten. Dadurch ist die Kohlendioxidkonzentration in der Atmosphäre sangestiegen. Eine Folge davon ist die globale Erwärmung.
Im Aquarium haben wir oft das gegenteilige Problem. Kohlendioxid ist nicht immer im ausreichenden Maße vorhanden. Das Gas löst sich recht gut in Wasser.  In den abgeschlossenen Becken ist der Verbrauch aber manchmal höher als die Produktion durch die Atmung von Fischen, Krebsen, Garnelen, Schnecken und Bakterien. Dann muss man es manchmal künstlich zuführen. Pflanzen nutzen Kohlendioxid als Quelle für Kohlenstoff und benötigen es zum Wachsen. Tiere können aber nur begrenzte Mengen an CO2 vertragen. Es ist also wichtig das richtige Maß im Aquarium zu finden.

Kohlendioxid und Fische


Fische atmen Sauerstoff ein und Kohlendioxid aus. Pro Gramm Lebendgewicht gibt ein Fisch etwa 15 bis 40 mg CO2 täglich ab (Krause 1998). Der Austausch der Gase zwischen Blut und Wasser erfolgt an den Kiemen. Durch Diffusion bewegen sich die Gasmoleküle jeweils in das Medium, dass die geringere Konzentration aufweist. Das Fischblut in den Kiemen enthält wenig Sauerstoff und viel Kohlendioxid, das Wasser im Vergleich dazu viel Sauerstoff und wenig Kohlendioxid. So wird Sauerstoff aufgenommen und CO2 abgegeben. Im Kiemenblut wird der Sauerstoff an die roten Blutkörperchen gebunden. Im Gegenzug löst sich das Kohlendioxid davon und diffundiert aus dem Blut ins Wasser. Der Sauerstoffgehalt im Aquarium darf also an sich nicht zu niedrig sein und ein zu hoher Kohlendioxidgehalt im Aquarienwasser behindert die Abgabe von CO2 über die Kiemen und macht eine Sauerstoffaufnahme unmöglich. Wie viel CO2 für Fische kritisch ist, hängt vor allem von der Fischart ab. Fische aus schnell strömenden, sauerstoffreichen, kühleren Bächen sind weniger tolerant als solche aus stehenden oder langsam fließenden Gewässern. Bei einer guten Sauerstoffversorgung wird auch mehr Kohlendioxid vertragen. Verlässliche Messungen oder Studien zur CO2-Toleranz von tropischen Zierfischen gibt es kaum. Es ist also schwierig Grenzwerte für Kohlendioxid im Aquarium anzugeben. Die errechneten CO2-Gehalte natürlicher Gewässern liegen in etwa 85 % der Fälle unter 20 mg/l. Diese Schätzung basiert auf den von Kasselmann (2010) angegebenen CO2-Werten in der Tabelle mit den Wasserwerten verschiedener Wasserpflanzenbiotope (S. 566-573). Die Hartwasserflüsse in Thailand mit > 40 mg CO2 /l sind dabei nicht berücksichtigt. Etwa 25 bis 30 mg/l CO2sind bei ausreichendem Sauerstoffangebot für Aquarienfische und Wirbellose unproblematisch.  Pflanzen erreichen bei deisen werten bereits ihren Sättigungspunkt. Eine steigerung über diesen Wert hinaus, fÖrdert ihr Wachstum also nicht mehr.

Kohlendioxid und Pflanzen

Pflanzen atmen ebenfalls und benötigen dazu Sauerstoff. Sie atmen Kohlendioxid aus. Tagsüber betreiben sie aber Fotosynthese und ihr Verbrauch an CO2 ist dann größer als ihr CO2-Ausstoß, wenn sie ausreichend Licht zur Verfügung haben.
Die CO2-Kompensationspunkte sind bei den Pflanzenarten unterschiedlich und ändern sich in Abhängigkeit von den Umweltbedingungen. Bei allen Wasserpflanzenpflanzen liegen sie jedoch weit unter den normalen CO2-Mengen in Aquarien. Der minimale Bedarf an Kohlendioxid ist also immer gedeckt. CO2-Sättigungspunkte oder die Konstanten der halbmaximalen Fotosyntheserate (Km) sind ebenfalls sehr variabel und werden stark vom Lichtangebot, dem pH-Wert und der Temperatur beeinflusst.


CO2-Kompensationspunkte verschiedener submerser Pflanzen in Abhängigkeit von der Temperatur und der Tageslänge
(nach Salvucci & Bowes 1981 und Hough & Wetzel 19781)
 

 

30 °C/14-h

12 ° C/ 10-h

CO2-KP in mg/l

 

µl CO2 /l

µl CO2 /l

30 °C/14-h / 12 ° C/ 10-h

Höhere Pflanzen

 

 

 

C. caroliniana

10

82

0,0198 / 0,1621 *

C. demersum

26

82

0,0514 / 0,1621 *

E. densa

17

43

0,0336 / 0,0850 *

H. verticillata

10

84

0,0198 / 0,1661 *

M. brasiliense

11

62

0,0218 / 0,1226 *

M. heterophyllum

10

-

0,0198 / - *

M. spicatum

12

83

0,0237 / 0,1640 *

Najas flexilis 1

 

 

0,08 – 0,5

P. palustris

24

58

0,0474 / 0,1147 *

Moose

 

 

 

F cf manateensis

16

50

0,0316 / 0,0988 *

Algen

 

 

 

Nitella sp.

6

110

 

0,0119 / 0,2175 *

* Die Werte dienen zur besseren Vergleichbarkeit mit der aquaristisch üblichen Messgröße. Sie sind umgerechnet mit einer CO2-Masse von 1,977 mg/ml.  


CO2-Konstante der Halbmaximalen Fotosyntheserate und CO2-Sättigungswerte nach Van et al. 1976, umgerechnet in mg/l CO2.  Die Werte wurden bei Lichtsättigung (ca. 35 klux) 25 °C und einer Tageslänge von 12 Stunden bestimmt.

 

 

Halbmaximale Fotosyntheseleistung

[mg CO2 /l ]

Sättigungswert

 

[mg CO2 /l ]

 

pH 4

pH 8

pH 4

pH 8

Ceratophyllum demersum

7,26

4,16

~ 26,4

~ 11,88

Hydrilla verticillata

7,48

3,96

~ 25,5

~ 18,5

Myriophyllum spicatum

6,6

3,3

~ 26,0

~ 15,4

 

 

Dem Kohlendioxidgehalt des Wassers müssen immer auch eine ausreichende Lichtmenge und genug Nährstoffe gegenüber stehen, damit die Pflanzen das Angebot voll nutzen können. Auch die Temperatur spielt eine wichtige Rolle. Die Temperatur für die maximale CO2-Fixierung beträgt bei Hydrilla verticillata 36,5 °C, bei Myriophyllum spicatum 35 °C und bei Ceratophyllum demersum 28,5 °C.  Es ist also kaum möglich, dass die Pflanzen ihre Möglichkeiten im Aquarium voll ausschÖpfen.
Für die meisten Aquarienpflanzen gibt es keine Untersuchungen zum CO2-Bedarf. Bei  Amano´s  „Pflanzenparadiese unter Wasser“ (1994) sind die CO2-Werte bei den einzelnen Layouts mit > 10 bis 23 mg/l angegeben. Bei den meisten seiner Aquarien sind es etwa 15 mg CO2 pro Liter. Bei diesem Wert lassen sich die meisten Pflanzen einschließlich Mayaca fluviatilis, Rotala wallichi, Hemianthus micranthemoides, Glossostigma elatinoides, Eleocharis-Arten und Riccia fluitans gut kultivieren. Cryptocorynen, Wasserfreund-Arten und Farne benötigen weniger. Je nach Lichtangebot, Düngung und Pflanzenbesatz braucht man im Aquarium für ein optimales Pflanzenwachstum zwischen 10 und 25 mg CO2 pro Liter Wasser. Diese Werte sind für Fische unbedenklich.

Herkunft des Kohlendioxids

Kohlendioxid gelangt durch die Atmung der Aquarienbewohner ins Wasser. Krause (1998) gibt an, dass ein Fisch pro Gramm Lebendgewicht etwa 15 bis 40 mg CO2 täglich ab gibt.  Besonders viel Kohlendioxid entsteht bei der Zersetzung von organischem Material. Aus einem 1 Kubikzentimeter Flockenfutter (ca. 0,25 g) werden 700 mg CO2 freigesetzt. Es wird durch die zersetzenden Würmer, Pilze und Bakterien ausgeatmet. Im Bodengrund und im Filter ist der Kohlendioxidgehalt darum höher als im freien Wasser.
 

 

Hydrogenkarbonat als Kohlenstoffquelle

Bereits zu Beginn des 20. Jahrhunderts wurde vermutet, dass Wasserpflanzen neben gelöstem Kohlendioxid auch Kohlenstoff aus Bicarbonaten nutzen können. Dabei spalten die Pflanzen Bikarbonate auf und es bildet sich eine Schicht aus Hydrogenkarbonat auf den Blättern. Dieser Vorgang wird als Biogene Entkalkung bezeichnet.
1910 versuchte Udo Angelstein das in seiner Dissertation nachzuweisen. Er benutzte dazu als Maß von den Pflanzen produzierte Sauerstoffbläschen. Da diese Bestimmungsmethode sehr ungenau ist, wurde das Ergebnis noch in den 70er Jahren angezweifelt.  Eine amerikanische Studie von 1988 hat diese Ergebnisse jedoch bestätigt. Beispielsweise konnte keine Wachstumssteigerung bei Hydrilla erzielt werden, wenn zusätzlich zu Bicarbonaten Kohlendioxid zugeführt wurde. Bei niedrigem Carbonatgehalt wirkte sich das CO2 stark aus. Bei Elodea und Potamogeton zeigte Kohlendioxidzugabe bei geringem Carbonat-Gehalt keine Wirkung. Bei erhöhter Fotosyntheserate gab es Verschiebungen im Reaktionsgleichgewicht zwischen Calciumcarbonat und freiem CO2. Offenbar ist es für die Pflanze von Vorteil auf die Carbonate im Wasser zurück zu greifen, da der Kohlendioxid-Anteil in Abhängigkeit von Wasserbewegung und Temperatur schwankt, der Carbonat-Gehalt sich aber kaum ändert. Die Lösung des Carbonats erfolgt durch die Aussscheidung von Wasserstoffionen, die den pH-Wert absenken.

Man kann den CO2-Gehalt aus dem pH-Wert und der Carbonathärte ableiten. Diese Zahlen stellen aber nur Richtwerte dar. Bei Nitratwerten über 50 mg/l und durch Zusatz von pH-Senkern oder Torffiltern wird der ph-Wert gesenkt ohne, dass entsprechend CO2 vorliegt. Die markierten Felder markieren den optimalen CO2-Gehalt von 10 bis 30 mg/l. Die meisten Aquarienpflanzen lassen sich bei diesen Härtegraden und pH-Werten problemlos kultivieren.


°dKH \   pH
6,4
6,6
6,8
7,0
7,2
7,4
7,6
7,8
2
25
16
10
7
4
3
2
1
4
50
32
20
13
8
5
3
2
6
75
50
30
20
12
8
5
3
8
100
65
40
25
16
10
6
4
10
130
80
50
32
20
13
8
6
12
150
100
60
40
24
15
10
6
14 180 115 70 45 28 18
11
7
16
200
130
80
50
32
20
12
8
18
230
145
90
58
36
23
14
9
20
250
160
100
60
40
25
16
10


Kohlendioxiddüngung

Durch die künstliche Zufuhr von Kohlendioxid, kann die biogene Entkalkung vermeiden und die Karbonathärte erhalten werden. Versuche haben aber gezeigt, dass etwa 90% des CO2 sofort aus dem Wasser entweicht, wenn es direkt eingeleitet wird. Es steigt als Blasen an die Wasseroberfläche. Der Einsatz einer Auffangschale oder Auffangrinne ist darum sinnvoll. Das Kohlendioxid sammelt sich in der Schale und bleibt so on Kontakt mit dem Wasser. Es wird mehr im Wasser gelöst und die Ausnutzung des zugeführten Gases ist effektiver (siehe Paffrath 1979, S. 145).
Den pH-Wert mit Hilfe von Kohlendioxid zu senken ist nur in begrenztem Maße möglich. MÖchte man beispielweise den pH-Wert bei einer Karbonathärte von 4 von 7,2 auf 6,8 senken, braucht man den Kohlendioxidgehalt nur um 12 mg/l zu erhöhen. Bei einer Karbonathärte von 8 braucht man dazu bereits eine ErhÖhung zm 34 mg/l und überschreitet 30 mg/l im Wasser, so dass es zur Schädigung von Tieren im Aquarium kommen kann.

Oft fragen Aquarianer nach der notwendigen "Blasenzahl" als Maß für die Kohlendioxidzufuhr. Diese Frage ist ganz einfach zu beantworten: Es wird soviel CO2 eingeleitet wie im Wasser in der gleichen Zeit gelöst werden kann. Die Auffangschale über dem Flipper soll Gas enthalten, aber nicht so voll sein, dass es in Blasen daraus aufsteigt. CO2, das an die Oberfläche steigt, geht ungenutzt verloren.

Flipper und Auffangrinne

 

Die Auffangschale befindet sich immer unter Wasser. Der Wasserdruck trägt zur besseren Lösung des Gases bei.

Wie wirken sich Kohlendioxid und Licht auf das Pflanzenwachstum aus?

Jedesmal, wenn jemand davon spricht sein Pflanzenwachstum zu "verbessern", stellt sich die Frage, wie man gutes Pflanzenwachstum definiert. Für manch einen Aquarianer ist es ein tolles Erlebnis vor seinem Aquarium zu sitzen und sich schöne, artgerecht gefärbte Pflanzen mit unbeschädigten Blättern anzusehen. Er mag es einmal die Woche ein Paar Blätter abzuzupfen. Andere Aquarianer mögen "Leistung" und messen ihren Kulturerfolg daran, wieviel Pflanzenmasse ihr Aquarium in der Woche produzieren kann. Die Aquarianer aus der ersten Gruppe haben meist ein Licht limitiertes Aquarium, dass ohne viel zusätzlichen Dünger und ohne Kohlendioxiddüngung auskommt. Sie pflegen, die Pflanzen deren Lichtansprüche gering bis Mittel sind. In der zweiten Gruppe muss ständig die Nährstoffzufuhr reguliert werden, da immer irgendein Nährstoff oder Kohlendioxid das Wachstum begrenzt oder zu Mangelsymptomen führt.


Licht limitiert (0,5 W/l) 1
Starklichtbecken 2
Erntemenge an Pflanzenfrischmasse pro Liter im Monat
2 g
etwa 6,7 g
Nährstoffentzüge durch die Pflanzenmasse
= notwendige Düngermenge*



Stickstoff (N):  1,5 - 2 % in der Trockenmasse
3 - 4 mg N = 9 - 12 mg Nitrat
10,05 - 13,4 mg N = 31,5 - 40,2 mg Nitrat
Phosphor (P) : 0,2 - 0,5 % in der Trockenmasse
0,4 - 1 mg P = 1,27 - 3,17 mg Phosphat
1,34 - 3,35 mg P = 4,25 - 10,62 mg Phosphat
Kalium (K): 1 - 3 % in der Trockenmasse
2 - 6 mg K+
6,7 - 20,1 mg K
Calcium (Ca): 0,5 - 1 % in der Trockenmasse
1 - 2 mg  Ca+
3,35 - 6,7 mg Ca+
Magnesium (Mg): 0,2 - 0,4 % in der Trockenmasse
0,4 - 0,8 mg Mg 2+
1,34 - 2,64 mg Mg 2+
Eisen (Fe): 0,01 - 0,03 % in der Trockenmasse
0,02 - 0,06 mg Fe
0,067 - 0,20 mg Fe


Quellen:
1 G. Kassebeer (2009): Leserbrief.- Aqua Planta 2-2009, 75
2  H.-G. Kramer (2009): Pflanzenaquaristik á la Kramer, Tetra Verlag GmbH

* Ausgehend von einem durchschnittlichem Wassergehalt von 90% (entspricht dem von Elodea)


Die durchschnittlichen Gehalte der verschiedenen Nährstoffe sind in den verschiedenen Pflanzenorganen (Blätter, Wurzeln, Rhizome) nicht gleich und unterscheiden sich auch zwischen den Pflanzenarten und bei unterschiedlicher Nährstoffversorgung bei Pflanzen der selben Art. Sie sind also nur Richtwerte. Die Quellen sind bei den einzelnen Nährstoffen auf der Seite über die Pflanzenernährung angegeben.

Die pflanzliche Trockenmasse besteht zu etwa 45 % aus Kohlenstoff (ca. 42 % sind Wasserstoff, der Rest die Makro- und Mikronährstoffe).  Im Schwachlistbecken werden im Monat 0,81 g Kohlenstoff (nicht Kohlendioxid!) mit den Pflanzen aus dem Becken entfernt. Im Starklichtbecken sind es 2,7 g.  Um ein starkes Wachstum zu ermöglichen muss also eine entsprechende Menge Kohlendioxid zugeführt werden.

In dem Diagramm sind beispielhafte Verläufe von Sauerstoff- und Kohlendixidgehalten in Aquarien mit "starkem" und "schwachem" Licht dargestellt.
Die beiden gestrichelten Linien markieren den CO2-Sättigungspunkt bzw. das notwenigen Kohlendioxidangebot für die halbmaximale Fotosyntheseleistung von Hydrilla verticillata bei einem pH-Wert von 8.  Alle Werte sind in mg/l angegeben.

Diagramm

Ohne die zusätzliche Zufuhr sinkt der Gehalt von CO2 im Starklichtbecken bis zum Mittag auf null ab. Die von den Tieren produzierten Mengen werden sofort aufgenommen. Kohlendioxid ist hier ein begrenzender Faktor für das Wachstum.

Was starkes bzw. schwaches Licht ist, hängt von den Pflanzenarten und der Wassertemperatur ab. Ob das Angebot an Kohlendioxid ausreicht ist also bei jedem Aquarium individuell festzustellen. Dichte des Tierbesatzes, der pH-Wert, die Temperatur, die Menge der Pflanzen
, die Beleuchtungsdauer und die Lichtstärke beeinflussen den Bedarf.

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Literatur:

R. A. Hough, R. G. Wetzel (1978): Photorespiration and CO2 compensation point in Najas flexilis.- Limnol. Oceanogr., 23(4), 719-724

C. Kasselmann (2010): Aquarienpflanzen.- 3. Auflage, Ulmer Verlag


H.-J- Krause (1998): Handbuch Aquarienwasser.- 4. Auflage,Bede-Verlag

K. Paffrath (1979): Bestimmung und Pflege von Aquarienpflanzen.- Landbuch-Verlag GmbH, Hannover

M. E. Salvucci, G. Bowes (1981): Induction of Reduced Photorespiratory Activity in Submersed and Amphibious Aquatic Macrophytes.-
Plant Physiol. 67, 335-340


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© Maike Wilstermann-Hildebrand 2011 - 2013