Exkurs physikalische & chemische Eigenschaften – Seite 2

Chemische Eigenschaften zur Beurteilung der Gewässergüte

ph-Wert

Der pH-Wert ist ein wichtiger Messwert, um zu beschreiben, ob eine wässrige Lösung neutral, sauer oder basisch reagiert. Reines Wasser besitzt einen pH-Wert von 7 und gilt damit als neutral. Werte unter 7 zeigen eine saure, Werte über 7 eine basische Reaktion an. Die pH-Skala reicht insgesamt von 0 bis 14.

Natürliche Gewässer weichen vom Neutralwert ab, weil sie von verschiedenen Einflüssen geprägt sind. Dazu gehören Stoffe wie Kohlensäure oder organische Bestandteile, die beim Abbau von abgestorbenen Tier- und Pflanzenresten entstehen. Gelöste mineralische Stoffe aus dem Untergrund können den pH-Wert genauso verändern wie die Temperatur und der Salzgehalt. Menschliche Einflüsse wie Abwassereinleitungen, biologische Abbauprozesse oder der Eintrag von saurem Regen führen ebenfalls zu Schwankungen.

Meist liegt der pH-Wert natürlicher Gewässer zwischen 6,5 und 8,5.

Für Lebewesen im Wasser hat der pH-Wert eine große Bedeutung. Wird er dauerhaft zu niedrig oder zu hoch, können viele Organismen geschädigt werden. Unter einem pH-Wert von 5,5 sterben viele Kleintiere im Wasser ab. Auch Fische reagieren empfindlich: Zu saure oder zu basische Bedingungen führen zu Erkrankungen und können bei extremen Werten unter pH 4 oder über pH 10,8 tödlich sein.

Sowohl starke kurzfristige Schwankungen als auch länger anhaltende Abweichungen vom Normalbereich können den Stoffwechsel von Pflanzen und Tieren beeinträchtigen und bis zum Sterben dieser führen. Sie bedingen somit die Verringerung der Artenzahl und schwächen die Selbstreinigungskraft eines Gewässers.

pH < 7	sauer
pH 7	neutral
pH > 7	basisch (alkalisch)

Phosphat(-Ion)

Phosphor ist ein lebenswichtiger Nährstoff für alle Organismen. Er wird in Zellen benötigt und spielt eine zentrale Rolle im Energiehaushalt der Lebewesen. In der Natur kommt Phosphor wegen seiner hohen Reaktionsfähigkeit nicht in elementarer Form vor, sondern nur gebunden – entweder in anorganischen oder organischen Verbindungen.

Besonders wichtig sind dabei die Phosphate, die in Gewässern eine zentrale Rolle spielen. Zwischen den verschiedenen Phosphorformen findet ein ständiger Austausch statt, gesteuert durch chemische, physikalische und biologische Prozesse.

Phosphor gelangt aus vielen Quellen in Oberflächengewässer. Natürliche Einträge spielen eine Rolle, doch vor allem menschliche Aktivitäten sind bedeutend. Phosphor ist ein Bestandteil von Exkrementen und wird in Düngemitteln sowie in phosphorhaltigen Schädlingsbekämpfungsmitteln verwendet. Dadurch tragen landwirtschaftliche, häusliche und industrielle Abwässer wesentlich zur Phosphorbelastung bei. Zusätzlich gelangen durch Erosion, also das Abschwemmen von Boden, große Mengen an Phosphorverbindungen in Bäche und Flüsse. Auch Niederschläge können Phosphor eintragen.

In natürlichen, wenig belasteten Gewässern kommt Phosphor nur in sehr geringen Mengen vor. Er ist dort oft der begrenzende Faktor für das Wachstum von Pflanzen und Algen. Wird jedoch durch menschliche Einflüsse zu viel Phosphor eingetragen, führt dies zu Eutrophierung und beschreibt die starke Verkrautung und ein übermäßiges Wachstum von Wasserpflanzen. Als Folge schwanken der Sauerstoffgehalt und pH-Wert des Wassers häufig. Absterbende Pflanzenmassen verursachen zusätzliche Belastungen, weil ihr Abbau viel Sauerstoff verbraucht und zu Schlammbildung führt.

Natürliche Phosphorverbindungen sind im Allgemeinen nicht giftig. Einige künstlich hergestellte phosphorhaltige Stoffe, wie bestimmte Pflanzenschutzmittel, können jedoch stark toxisch wirken.

Nitrat(-Ion)

Nitrat ist ein gut wasserlösliches Ion, das in natürlichen Gewässern häufig vorkommt. Es entsteht unter anderem als Endprodukt der Nitrifikation, eines Umwandlungsprozesses, bei dem Mikroorganismen Ammonium und Nitrit zu Nitrat oxidieren. In Fließgewässern ist Nitrat daher meist in mäßigen Konzentrationen vorhanden.

Nitrat gehört zusammen mit Phosphor zu den wichtigen Nährstoffen für Wasserpflanzen und Algen. Da es in vielen Gewässern reichlich vorhanden ist, führt es häufig zu einer starken Vermehrung der Pflanzen und Algen, was man Eutrophierung nennt. Die von den Pflanzen aufgenommene Nitratmenge ist im Verhältnis zur gesamten Wassermenge eher gering, sodass der Nitratgehalt normalerweise nur während der Vegetationszeit etwas abnimmt. Dabei spielen Prozesse wie die Denitrifikation im Sediment eine Rolle, bei denen Nitrat durch Bakterien wieder abgebaut wird.

Die wichtigsten Quellen für erhöhte Nitratwerte sind Auswaschungen von Düngemitteln aus der Landwirtschaft sowie Einleitungen aus Kläranlagen. Auch Regen kann Nitrat aus der Luft in Bäche und Flüsse eintragen.

Für Wasserorganismen ist Nitrat selbst bei höheren Konzentrationen, wie etwa bis 10 mg/L, in der Regel nicht schädlich.

Nitrit(-Ion)

Nitrit (NO₂⁻) ist ein Zwischenprodukt im Stickstoffkreislauf und entsteht bei der Umwandlung von Ammonium zu Nitrat. Diese Umwandlung wird von speziellen Bakterien durchgeführt und läuft in mehreren Schritten ab. Nitrit entsteht dabei zunächst aus Ammonium und wird anschließend weiter zu Nitrat oxidiert.

Nitrit kann außerdem gebildet werden, wenn Nitrat in sauerstoffarmen Bereichen eines Gewässers von anderen Bakterien wieder zurückgewandelt wird. Dadurch kann es besonders in Schichten mit wenig Sauerstoff oder in verschmutzten Bereichen auftreten.

Durch Abschwemmungen von Ackerflächen nach starkem Regen, Einleitungen ammoniumhaltiger Abwässer, Abbauprozesse in Kläranlagen oder stark belasteten Sedimenten kann Nitrat aus externen Quellen in Gewässer gelangen.

Nitrit ist ein problematischer Stoff, weil er bereits in kleinen Mengen giftig wirken kann. Besonders gefährdet sind Säuglinge, da ihr Hämoglobin, der Bestandteil der roten Blutkörperchen der Sauerstoff transportiert, Nitrit leicht bindet. Dadurch werden die Plätze blockiert, an denen eigentlich Sauerstoffmoleküle binden würden. Die Körperzellen bekommen folglich zu wenig Sauerstoff, was zu einer sogenannten Blausucht führen kann und im schlimmsten Fall droht Erstickungsgefahr.

Auch Fische reagieren sehr empfindlich auf Nitrit, da es ihren Sauerstofftransport stört. Deshalb ist ein erhöhter Nitritwert ein wichtiger Hinweis auf eine schlechte Wasserqualität und ein gestörtes ökologisches Gleichgewicht.

Ammonium(-Ion)

Ammonium ist ein im Wasser gut lösliches Ion, das in natürlichen Gewässern meist in geringen Mengen vorkommt. Es entsteht, wenn stickstoffhaltige Stoffe, zum Beispiel Proteine, Aminosäuren oder Harnstoff von Mikroorganismen abgebaut werden. Auch natürlich abgestorbene Biomasse (Tiere, Pflanzen) trägt zur Bildung von Ammonium bei.

Erhöhte Ammoniumkonzentrationen weisen häufig auf menschliche Einflüsse hin. Landwirtschaftliche Düngemittel, Abwässer aus Haushalten, Kommunen und Industrie sowie Niederschläge, die Ammonium aus der Atmosphäre eintragen, können die Werte deutlich ansteigen lassen.

Im Gewässer wird Ammonium normalerweise durch spezielle Bakterien zu Nitrit und weiter zu Nitrat umgewandelt. Dieser Prozess verbraucht Sauerstoff und kann daher den Sauerstoffhaushalt spürbar belasten.

Wichtig ist außerdem das Verhältnis zwischen Ammonium und Ammoniak. Bei höherem pH-Wert und steigender Temperatur bildet sich mehr Ammoniak, eine Form, die für Fische bereits in sehr niedrigen Konzentrationen giftig sein kann. Schon 0,01 mg/L Ammoniak können empfindliche Fischarten und deren Brut schädigen und etwas höhere Konzentrationen wirken schnell tödlich.

In Fließgewässern kann der Ammoniumgehalt häufig stark schwanken, etwa wenn Kläranlagen oder Mischwasser bei Regen plötzlich größere Mengen einleiten. Die Werte können dabei von sehr geringen Konzentrationen (ca. 0,1 mg/L) bis zu hohen Belastungen von 20 mg/L reichen.(siehe Wasserkoffer)

Wasserhärte

Die Wasserhärte beschreibt, wie viele Calcium- und Magnesiumionen im Wasser gelöst sind. Diese Ionen nennt man auch Härtebildner. Je mehr davon enthalten sind, desto „härter“ ist das Wasser. Die Gesamthärte setzt sich aus zwei Anteilen zusammen: der permanenten Härte (gelöste Calcium- und Magnesiumsalze) und der temporären oder Karbonathärte, die durch Calciumhydrogencarbonat bestimmt wird.

Die Härte eines Wassers wird meist in °dH (Grad deutscher Härte) angegeben. Natürliche Süßgewässer liegen typischerweise zwischen 5 und 20 °dH, die Karbonathärte häufig zwischen 5 und 12 °dH. Man unterscheidet folgende Härtebereiche:

< 7 °dH	weiches Wasser
7–14 °dH	mittelhartes Wasser
14–21 °dH	hartes Wasser
> 21 °dH	sehr hartes Wasser

Die Wasserhärte hat einen Einfluss darauf, wie stabil ein Gewässer auf äußere Einflüsse reagiert und welche Lebensbedingungen für Pflanzen und Tiere herrschen. Weiches Wasser kann stärker auf Änderungen des pH-Wertes reagieren, während hartes Wasser besser gepuffert ist.

Für die Untersuchung der Wasserqualität im Rahmen des Versuchs ist die Bestimmung der Wasserhärte deshalb wichtig: Sie liefert Hinweise auf die mineralische Zusammensetzung, die Pufferkapazität und die ökologische Stabilität des Gewässers