Chemische und physikalische Verhältnisse im Gewässer

Für das Verständnis der außerordentlich verschiedenartigen, mannigfaltigen Lebensvorgänge und -erscheinungen in unseren Binnengewässern ist eine, wenn auch nur kurze Skizzierung des Milieus, in dem dieses Leben abläuft, unerlässlich. Neben den chemischen verdienen gleichermaßen die physikalischen Verhältnisse im Gewässer Beachtung. Erinnern wir uns in dem Zusammenhang an die im Gegensatz zum See für Tümpel, Teich und Weiher charakteristische geringe Wassertiefe. Von ihr lassen sich, wie wir noch sehen werden, fast alle Besonderheiten dieser Flachgewässer ableiten.

Es gibt kein Gewässer in der Natur, das völlig rein ist. Bedingt durch die sehr guten Lösungseingenschaften des Wassers enthält es immer Stoffe verschiedenster Art, die aus der Luft, dem Boden und von Lebewesen bzw. aus deren Stoffwechselprozessen stammen. So sind im natürlichen Gewässer nahezu alle Elemente vertreten. Auch im Niederschlagswasser kommen, abgesehen von Stickstoff, Sauerstoff und Kohlendioxid, in Abhängigkeit von der Belastung der Atmosphäre die unterschiedlichsten Stoffe vor. Denken wir z.B. an die durch Kernwaffentests anfallenden Radionuklide und die vor allem in industriellen Ballungsgebieten im Niederschlagswasser gelösten oder an festen Oberflächen (Staub) adsorbierten Luftverunreinigungen (Ammoniak, Schwefeldioxid u.a.).

Von den gelösten Gasen sei zuerst der Sauerstoff genannt. Seine Zufuhr erfolgt durch die Atmosphäre und in Abhängigkeit von der Sonneneinstrahlung, Temperatur und dem Nährstoffgehalt durch die Photosynthese der Wasserpflanzen. Entsprechend der geringen Wassertiefe unterliegt der Sauerstoffgehalt in den Flachgewässern starken täglichen und jahreszeitlichen Schwankungen. Eine Sauerstoffsättigung wir vielfach nicht erreicht. Andererseits kann durch die Massenentwicklung von Algen innerhalb weniger Stunden eine Sauerstoffübersättigung entstehen. Die dadurch verursachten Störung des bisherigen chemischen Gleichgewichtes (PH-Wert-Anstieg) wirkt sich aber auf andere Organischen, z.B. Rädertiere negativ aus. Sauerstoffzehrende Prozesse können in flachen Teichen, im Gegensatz zum See, fast über Nacht eingeleitet werden. Je stärker die Zufuhr organischer Stoffe, wie man es heute leider bei vielen Dorfteichen sieht, anwächst, um so mehr herrschen Fäulnisprozesse vor, der Sauerstoffschwund ist dann äquivalent hoch.

PH-Wert von Wasser

Große Bedeutung für das Leben im Wasser hat auch das Kohlendioxid. Ein Teil liegt in gebundener Form, vor allem als Kalziumhydrogenkarbonat vor, von dem anderen, physikalische gelösten Teile sind etwa 0,1% zu Kohlensäure umgesetzt, die wesentliche den PH-Wert bestimmt, der ausdrückt ob das Wasser sauer, neutral oder alkalisch ist. Neutrales Wasser hat den PH-Wert 7. Je kleiner der Wert ist, umso saurer, je höher, desto alkalischer ist das Wasser. Wir wissen dass der Ablauf der meisten chemischen Reaktionen und biologischen Vorgänge wesentlich vom PH-Wert abhängt. Er beeinflusst auch die Stoffwechselprozesse im lebenden Organismus.

Die Ansprüche der Wasserorganismen an den PH-Wert ihres Lebensmilieus sind ganz unterschiedlich. Sehen wir uns nur einmal unter diesem Aspekt die Süßwasserfische an. Für sie liegt der Bereich, in dem sie ohne Schaden zu nehmen leben können, etwa durchschnittlich bei PH 5 bis PH 9,5. Von Art zu Art ergeben sich natürlich unterschiedliche Werte. So wird für den Hecht eine Spanne von 4,9 bis 10,7 PH-Wert, die Plötze von 6 bis 8 PH-Wert und beim Flussbarsch von 4,0 bis 9,2 PH-Wert angegeben. Beim Karpfen kommt es bei einem PH-Wert unter 5,5 zu starken Kiemenschädigungen (Säurekrankheit), im alkalischen Bereich treten beim Werten von 9 und 10 Veränderungen an Kiemen und Flossen (Laugenkrankheit) auf. Jeder Aquarienbesitzer weiß eigentlich aus eigener Erfahrung, dass der PH-Wert im Komplex mit anderen Faktoren auch entsprechende Bedeutung für die Eientwicklung hat. Hier stoßen wir gleichfalls auf verschiedene Opimalwerte bei den einzelnen Fischarten. 

Die erwähnte Belastung der Atmosphäre durch die fortschreitende Industrialisierung und Verstädterung (Urbanisierung) beeinflusst zwangsläufig den PH-Wert der Niederschläge. So ist nicht nur im Bereich der großen Industriegebiete, sondern im gesamten zentraleuropäischen Raum eine beachtliche PH-Wertabsenkung nachweisbar, ja man kann von einer weltweiten Verbreitung der sauren Komponenten sprechen. Mit großer Wahrscheinlichkeit geht die zunehmende Azidität der Niederschläge auf das von der Industrie und dem Hausbrand emittierte Schwefeldioxid zurück. Da auch weiterhin vorherrschend fossile Brennstoffe genutzt werden, ist mit einer Verringerung der Schwefeldioxidbelastung der Luft in nächster Zukunft nicht zu rechnen.

Welche Auswirkungen sich durch solche Niederschläge bei einer möglichen, wenn auch seltenen, Höchstbelastung für Oberflächengewässer ergeben können, zeigt der Rückgang der Fischbestände (vor allem von Salmoniden) in Seen der skandinavischen Länder. Durch teilweise sehr stark saure Niederschläge (niedrigster Wert bei PH 3,3) war der Säuregrad in diesen stehenden Gewässern in den letzten Jahren unter die besonders für Lachs und Forelle zutreffende Toleranzgrenze abgesunken. Ähnliche Folgen sind für den Fischbesatz der meisten Bäche und Teiche im Raum des Erzgebirges bekannt.

Fundamentale Bedeutung kommt dem Kohlendioxid in Hinblick auf seine Beteiligung an der Photosynthese zu. Ohne anorganische gebundenen Kohlenstoff, der im Wasser in Form von Kohlendioxid, Hydrogenkarbonat und Karbonationen in einem PH-Wert-abhängigen Gleichgewicht vorliegt, wäre für die Wasserpflanzen die Synthese von Kohlehydraten nicht möglich.

In allen Gewässern sind Erdalkalimetalle, besonders Kalzium und Magnesiumsalze enthalten. Letztere bedingen in Form von Karbonat, Hydrogenkarbonat und Sulfat die sogenannte „Wasserhärte“. Die Bezeichnung „Härte“ geht darauf zurück, das Wasser mit einem reichen Anteil an diesen Salzen beim Waschen einen ziemlichen Mehrverbrauch an Seife erfordert. Die Seife fällt als unlösliche Kalk- bzw- Magnesiumseife aus und verliert so ihre Waschwirkung. Unsere Hände bleiben unter diesen Bedingungen „hart“ und spröde. Weiches Wasser, (relativ „sauberes“ Regenwasser) ist folgerichtig arm an Kalzium- und Magnesiumsalzen.

Durch Kochen verringert sich die Wasserhärte, da die Hydrogenkarbonathärte zerstört wird. Sichtare Auswirkung ist z.B. der an Tauchsiedern, in Elektroboilern, Kesseln und Rohrleitungen abgesetzte Kalk- oder Kesselstein. Übrigens bleibt die Nichtkarbonathärte, die auf dem Gehalt an Kalzium- und Magnesiumsulfat beruht und daher als „Sulfathärte“ bezeichnet wird. Beide Anteile zusammen bilden die Gesamthärte.

In jedem Gewässer spielen Chloridverbindungen eine Rolle. Durch die fortschreitende Gewässerverschmutzung treten dabei höhere Chloridgehalte (besonders Natriumchlorid) auf. Stickstoff und Phospor sind wichtige Bausteine zur Eiweißbildung. An anorganischen Stickstoffverbindungen kommen Nitrat, Nitrit und Ammonium im Gewässer vor, geringe Menschen davon enthält auch das Niederschlagswasser.

Werfen wir einen Blick auf einige physikalische Gegebenheiten. Abgesehen von der geringen indirekten Erwärmung durch Wärmeaufnahme aus der Luft und Boden wird das Wasser vorwiegend durch Absorption von Energie der Sonnenstrahlen in den oberen Wasserschichten erwärmt. Zum Wärmeverlust kommt es vor allem durch Ausstrahlung, aber auch Verdunstung und Ableitung an Luft und Boden. Für den Wärmetransport in die tieferen Wasserschichten sorgt in erster Linie der Wind, der Wasserbewegung erzeugt. Intensität und Wirksamkeit dieses Austauschprozesses stehen in enger Beziehung zu den Dichteverhältnissen des Wassers. Je kleiner sie sind, d.h. wenn keine großen Temperaturdifferenzen zwischen Oberfläche und Grund bestehen, umso besser ist die Durchmischung. Für unsere tiefen Seen ergeben sich dadurch dadurch im Jahresablauf typische Zirkulationsverhältnisse (Frühjahreszirkulation, Sommerstagnation, Herbstzirkulation, Winterstagnation). Durch ihre relativ geringe Tiefe erwärmen sich dagegen Weiher und Teiche in verhältnismäßig kurzer Zeit bis zum Grund. Gleichermaßen schnell verläuft die Abkühlung. Mit zunehmender Verringerung des Flächenausmaßes und Wasservolumens werden die Milieubedingungen extremer. So wurden z.B im Frühjahr in einem Almtümpel bei intensiver Sonneneinstrahlung mittags 28 Grad Celsius gemessen, obwohl ihn in den Morgenstunden noch eine dünne Eisschicht überzog. Messungen in einem weiteren Tümpel ergaben eine Temperatur von 15 Grad Celsius, während durch einsickerndes Schmelzwasser an einer anderen Stelle des gleichen Tümpels nur 0 Grad Celsius herrschten. Auch im Flachland sind ähnliche thermische Verhältnisse nachweisbar. Waldweiher zeigen naturgemäß einen viel ausgeglicheneren Temperaturhaushalt als die im offenen Gelände liegenden Wiesenweihe. In arktischen Gebieten ist übrigens durch den Wechsel von Polarnacht und -tag der Temperaturwechsel im Tages- und Jahresablauf weniger kontrastreich.

Nach amerikanischen Untersuchungen nehmen die auf stehenden Flachgewässern weit verbreiteten Schwimmpflanzenteppich die eingestrahlte Sonnenenergie weitaus stärker als unbedeckte Wasserflächen auf. So wurden in dichten Decken von Wasserlinsen (Lemnaceae) gegenüber der freien Wasserfläche um 4 bis 11 Grad Celsius höhere Temperaturen ermittelt, die Tagesschwankungen der Temperatur waren um 3,5 bis 7,7 Grad Celsius größer. Auch die unmittelbar unter den Pflanzendecken liegenden Wasserschichten wiesen höhere Temperaturen auf. Dadurch dass unter den oben geschilderten Bedingungen in Flachgewässern in relativ kurzen Abständen Teil- sowie Vollzirkulationen ablaufen, kommt es gleichzeitig zur Umschichtung aller im Wasser gelösten Stoffe. So wird das eingangs bei der Behandlung der Sauerstoffsituation zitierte plötzliche Massen auftreten von Algen verständlich. Schließlich sei noch erwähnt, dass die im Sommer am Weiherboden vorliegenden hohen Temperaturen den Verlauf des mikrobiellen Abbaus und der chemischen Prozesse fördern.

Die verschiedenen im Wasser enthaltenen Schwebstoffe, einschließlich der in großen Mengen freischwebenden Lebewesen, die gelösten anorganischen und organischen Stoffe, beeinflussen verständlicherweise die optischen Eigenschaften eines jeden Gewässers. Dies gilt u.a. für die Strahlungsdurchlässigkeit und nicht zuletzt die Farbe der Gewässer.

Das sich im Wasser widerspiegelnde Blau des Himmels, Grün des Waldes und Rot des Sonnenunterganges hat mit der eigentlichen Gewässerfarbe nicht gemein. Scharf davon zu trennen sind auch die bei seichten Gewässern durch die Reflexion des Bodens (weißer, gelber Sand usw.) entsprechenden Verfärbungen. Reines Wasser weist in dicker Schicht einen blauen Eigenfarbton auf. Diese Farbe ist daher für natürliche Gewässer, die ausgesprochen arm an organischer Produktion sind, typische. Durch Beimischung von Huminstoffen (aus modernen Falllaubschichten, angrenzenden Mooren usw.) kommen grüne, gelbe und braune Farbtöne zustande. So weisen verschiedene in südschwedischen Moorgebieten liegenden Gewässer einen bräunlichen Wasserkörper auf. Recht verschiedene Farbtönungen erhalten die Gewässer durch Massenwicklung mancher Bakterien-, Blaualgen- und Algenarten, die „Vegetationsfärbungen“ erzeugen. Die Intensität einer solchen Färbung nimmt außerdem noch zu, wenn sich die Algen näher an der Wasseroberfläche befinden. Durch große Massen bestimmter Kieselalgen erscheint Wasser z.B. gelblich von Grünalgen grünlich, während Blaualgen je nach ihren Gehalt an Assimilationsfarben mehrere Grün-Nuancen bist rötliche Tönungen bedingen können.

Mitunter kann aber auch ein Massen auftreten von einigen Wasserfloh- und Schwebekrebsarten in Tümpeln und kleineren ausdauernden Flachgewässern Einfluss auf die Gewässerfarbe nehmen.

Bei anhaltendem Frostwetter geht das Wasser vom flüssigen in den festen Zustand über. Wegen seiner geringen Dichte schwimmt das Eis an der Wasseroberfläche. Wenn wir einmal von Tümpeln und sehr flachen Gewässern absehen, die bei strenger Kälte bist zum Boden durch frieren, dann kann selbst im stärksten Winter die Temperatur in der Gewässertiefe nicht unter das Dichtemaximum, d.h. etwa 4 Grad Celsius absinken. Auf diese Weise ist es zahllosen Wasserorganismen möglich, die kalte Jahreszeit zu überdauern.

Schließlich liegt Wasser auch im gasförmigen Zustand vor. Durch Verdunstung gibt jede Wasseroberfläche Wasserdampf an die ungesättigte Lufthülle ab. Dieser im Gegensatz zur Wasserabgabe der Pflanzen (Transpiration), die in gewissem Umfang physiologisch steuerbar ist, als Evaporation bezeichnete Vorgang wird von mehreren Faktoren , z.B. Sättigungsdefizit, der Temperatur, dem Luftdruck, beeinflusst. Unsere Tümpel trocknen im Sommer durch Verdunstung restlos aus. In ihnen können daher nur Arten leben, die sich an die extremen Milieubedingungen dieser temporären Gewässer angepasst haben. Neben der fundamentalen Bedeutung, die der Verdunstung als Teilposten des seit etwas 4 Milliarden Jahren bestehenden Wasserkreislaufes in der Natur zukommt, soll in dem Zusammenhang auch die Beeinflussung der klimatischen Verhältnisse (z.B. des Standortklimas) nicht unerwähnt bleiben.