Schnecken, Muscheln, Korallen und andere Kalkbildner
Eine "Freilandlabor" vor Italiens Küste
Vor der Insel Ischia, direkt beim Castello Aragonese, treten sogenannte CO2-Vents auf. Das sind natürliche Austrittsstellen, an denen Kohlendioxid aus vulkanisch aktiven Gesteinsschichten durch Spalten im Meeresboden ins Wasser gelangt. Das gelöste CO2 reagiert mit Wasser zu Kohlensäure. Dadurch sinkt der pH-Wert. In der Nähe der Vents ist dieser Effekt besonders stark, weiter entfernt nimmt er ab. Es entsteht also ein natürlicher pH-Gradient.
Genau das macht den Ort so spannend für die Forschung: Ohne Labor kann man hier beobachten, wie steigende CO2-Konzentrationen Ökosysteme verändern.12
Natürliche CO2-Quellen vor Ischia (nicht maßstabsgetreu) erzeugen einen pH-Gradienten im Meer und verändern das Ökosystem.3
Forschungsergebnisse
Viele Modellrechnungen gingen schon vor einiger Zeit davon aus, dass die zunehmende Versauerung der Weltmeere allen kalkbildenden Organismen große Probleme bereiten wird. Am Castello Aragonese konnte das Team von Prof. Jason Hall Spencer dies spätestens im Jahr 2008 zeigen45. Die Studie und Folgestudien zeigen deutlich, dass kalkbildende Organismen (z. B. Muscheln oder Korallen) zurückgehen, während sich andere Arten wie Algen oder Seegras stärker ausbreiten. Als Gründe dafür ermittelte man mehrere Faktoren:
- Gehäuse von Schnecken werden durch das saure Wasser beschädigt. Vor allem ältere Schneckengehäuse zeigten deutliche Erosion und Vertiefungen.
- Durch die Schwächung der Kalkgehäuse wurden Schnecken anfälliger für Raubfeinde.
- Junge Schnecken entwickeln sich kaum in Regionen mit pH-Werten von ≤7,4.
Beobachtungen weltweit
Allgemein konnte man beobachten, dass kalkbildende Organismen wie Schnecken, aber auch Seeigel und Korallen in derartigen Gebieten kaum existieren. Die Forschungsergebnisse betonen, dass eine langfristige Absenkung des pH-Werts durch die heutige CO2-Erhöhung ähnliche Effekte global hervorrufen könnte.
Heute weiß man dies sicher. Die „zunehmende Erwärmung der Meere und auch das Kohlenstoffdioxid stoßen den Korallen sauer auf“!
Warum diese Ergebnisse wichtig sind: Schnecken sind primäre Nahrung für viele Meeresbewohner. Ihr Verlust stört die Nahrungskette. Der Verlust von Korallenriffen mit ihrer hohen Artenvielfalt ist eine noch gravierendere Folge der Ozeanversauerung!
Die dabei ablaufenden Prozesse scheinen komplex zu sein, sind aber gut verständlich.
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Aufgaben
- Fassen Sie zunächst die Fakten aus M1 zusammen.
- Prüfen Sie dann mit Hilfe von V1, was geschieht, wenn man zu einer alkalischen Calciumhydroxid-Lösung portionsweise zunächst wenig und dann immer mehr Kohlenstoffdioxid hinzufügt.
Kalkbildung und Kalk lösen - 2 Modellexperimente hintereinander
Materialien
- Schutzbrille
- Spritze 12 mL
- Spritze 30 mL
- Dreiwegehahn
Chemikalien
-
Calciumhydroxid-Lösung
- sog. Kalkwasser
- Kohlenstoffdioxid
- Universalindikator-Lösung pH 1 - 13
mögliche Beobachtungen
Fotos8
Durchführung
- Die Calciumhydroxid-Lösung wird mit wenigen Tropfen Universalindikator eingefärbt.
- 5 mL dieser Lösung werden in eine 30 mL Spritze aufgesaugt.
- Eine 12 mL Spritze wird mit Kohlenstoffdioxid gefüllt und über den Dreiwegehahn mit der großen Spritze verbunden.
- Kohlenstoffdioxid wird in 1 mL Schritten zur Lösung hinzugefügt. Der Hahn wird nach jeder Zugabe geschlossen, das System vorsichtig geschüttelt und beobachtet.
Aufbau zu Beginn8
Entsorgen und Aufräumen
-
Alle verunreinigte Labormaterialien spülen.
-
Alle Materialien an ihren Ursprungsort zurückstellen.
Das Carbonat-Hydrogencarbonat-Kohlensäure Gleichgewicht
Der pH-Wert ist wichtig
Bisher hatten wir bei der Löslichkeit von Kohlenstoffdioxid miteinander in Beziehung stehenden Gleichgewichte betrachtet, ohne zu schauen, in welchem Verhältnis die darin aufgeführten Stoffe konkret zueinander stehen. Nehmen wir die Bildung von Carbonat mit auf und schauen wir uns das genauer an:
Bisher hatten wir bei der Löslichkeit von Kohlenstoffdioxid miteinander in Beziehung stehenden Gleichgewichte betrachtet, ohne zu schauen, in welchem Verhältnis die darin aufgeführten Stoffe konkret zueinander stehen. Nehmen wir die Bildung von Carbonat mit auf und schauen wir uns das genauer an:
Der Anteil an Kohlenstoffdioxid-Hydrogencarbonat-Carbonat im Meerwasser in Abhängigkeit vom pH-Wert. CO2 umfasst hier gelöstes molekulares CO2 und H2CO3.9
Bei pH-Werten kleiner als 4 liegt fast nur Kohlenstoffdioxid vor. Bei pH-Werten um die 8,2, also den Werten der vorindustriellen Zeit im Meerwasser, fast ausschließlich Hydrogencarbonat und bei deutlich höheren pH-Werten fast ausschließlich Carbonat.
Cacliumcarbonat und Calciumhydrogencarbonat-Lösung
Muschelgehäuse und Korallenskelette bestehen aus Kalk (Calciumcarbonat). Calciumcarbonat (Kalk, Formel: CaCO3) ist sehr schlecht wasserlöslich. Kalk bildet sich im Alkalischen Milieu aus Carbonat-Ionen und Calcium-Ionen. So funktionieren das Festwerden (Abbinden) von Zement und auch die sogenannte Kalkwasserprobe.
Eine Zementmischmaschine10
Muscheln wandeln Hydrogencarbonat-Ionen in Carbonat-Ionen um, um daraus Kalk entstehen zu lassen. Calciumhydrogencarbonat existiert nur in gelöster Form. Will man es aus einer Lösung aus Hydrogencarbonat-Ionen und Calcium-Ionen auskristallisieren, entweicht so viel Kohlenstoffdioxid, dass sich stattdessen Calciumcarbonat bildet.
Aufgaben
- Erklären Sie basierend auf den Modellexperimenten V1, von Ihnen ausgewählten Reaktionsgleichungen aus M2, dem Prinzip von Le Chatelier und M3, warum es allen kalkbildenden Lebewesen im Meerwasser zunehmend schwerer fällt, Kalkschalen zu bauen oder aufrecht zu erhalten.
Komplexere Zusammenhänge
Weiteres
Noch ist das Meerwasser nicht sauer. Warum haben Schnecken, Korallen, Algen aber bereits jetzt Probleme, Kalk zu produzieren? Dazu muss man verstehen, dass all diese Lebewesen an die lange Zeit vorherrschende Situation im Meer angepasst waren.
Seeigellarven beispielsweise nehmen über verschiedene Ionenkanäle sowohl Hydrogencarbonat-Ionen als auch Calcium-Ionen auf. Wenn in ihren Zellen aus Hydrogencarbonat-Ionen Carbonat-Ionen werden, spalten sich formal Protonen ab. Diese Protonen müssen aktiv über Protonenkanäle (Otopetrine) aus der Zelle gebracht werden. Der Kanal Otop21 in Seeigellarvenzellen funktioniert beispielsweise optimal bei pH-Wert von 8 bis 8,5 im Außenmedium. Fällt der pH-Wert auf 7 erliegt der Fluss nahezu.11 Auch das kann man mit dem Prinzip von Le Chatelier begründen.
Weiteres
Dr. Sebastian Rokitta vom Alfred-Wegener-Institut erklärt noch andere Auswirkungen der zunehmenden Versauerung des Meerwassers anhand von Kalkalgen: