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Wenn die Kalkbildung aus dem Gleichgewicht kommt

Das in der Atmosphäre enthaltene Gas Kohlendioxid (eigentlich Kohlenstoffdioxid, CO2) löst sich leicht in Wasser. Das kennt man vom Mineralwasser, das man gern mit Kohlendioxid versetzt. Bei diesem Lösungsprozess reagiert das CO2 gemäß der unten stehenden Gleichung mit den Wassermolekülen. Kohlendioxid wird also bei der Aufnahme aus der Atmosphäre teilweise umgewandelt – zu Kohlensäure, Wasserstoffionen (H+), Hydrogenkarbonationen (HCO3) und Karbonationen (CO32–). Meerwasser kann sehr viel mehr CO2 aufnehmen als reines Wasser. Der Grund: Seit ewigen Zeiten werden Hydrogenkarbonat- und Karbonationen in das Meer eingetragen. Das Karbonat reagiert dabei mit CO2 zum Hydrogenkarbonat, was zu einer weiteren CO2-Aufnahme und sinkenden CO32–-Konzentrationen im Meer führt. Die Gesamtheit aller sich vom CO2 ableitenden chemischen Spezies im Wasser, also Kohlendioxid, Kohlensäure, Hydrogenkarbonat- und Karbonationen, bezeichnet man als gelös­ten anorganischen Kohlenstoff (DIC = dissolved inorganic carbon). Die verschiedenen Formen des anorganischen Kohlenstoffs können sich über die in der Formel dargestellten chemischen Reaktionen ineinander umwandeln. Dieses sogenannte Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht bestimmt den Gehalt freier Protonen im Meerwasser und damit den pH-Wert.

CO2 + H2O ↔ H2CO3 ↔ H+ + HCO3 ↔ 2 H+ + CO32–

Die Reaktion des Kohlendioxids im Meerwasser läuft summarisch folgendermaßen ab: Zunächst reagiert das Kohlendioxid mit dem Wasser zu Kohlensäure. Diese reagiert wiederum mit Karbonationen und bildet Bikarbonat. Langfristig führt die Ozeanversauerung also zu einer Abnahme der Konzentration an Karbonationen im Seewasser – eine Halbierung des Gehalts wird beispielsweise prognostiziert, falls ein pH-Abfall von 0,4 Einheiten auftreten sollte. Das ist fatal. Da Karbonationen in Verbindung mit Kalziumionen (als CaCO3) den grundlegenden Bestandteil kalkhaltiger Skelette und Schalen bilden, kann sich dieser Rückgang unmittelbar auf die Fähigkeit vieler mariner Organismen zur biogenen Kalkbildung auswirken. Im Extremfall kann dies sogar zur Auflösung bereits bestehender Kalkschalen, Skelette und anderer Strukturen führen.

2.7 > Untersuchungen an der Koralle Oculina patagonia zeigen, dass Lebe­wesen mit Kalkpanzern empfindlich auf eine Versauerung des Wassers reagieren. Bild a zeigt eine Korallenkolonie in normalem Zustand. Die Tiere leben zurückgezogen in ihren Kalkgehäusen (gelblich). In saurem Wasser (b) bilden sich die Kalkgehäuse zurück. Die Tiere nehmen eine lang gestreckte Polypengestalt an. Deutlich sind ihre kleinen Fangarme zu sehen, mit denen sie Nahrungspartikel aus dem Wasser fangen. Erst wenn man die Tiere wieder in Wasser mit natürlichem pH-Wert umsetzt (c), bilden sie erneut einen schützenden Kalkpanzer.

2.7 > Untersuchungen an der Koralle Oculina patagonia zeigen, dass Lebe­wesen mit Kalkpanzern empfindlich auf eine Versauerung des Wassers reagieren. Bild a zeigt eine Korallenkolonie in normalem Zustand. Die Tiere leben zurückgezogen in ihren Kalkgehäusen (gelblich). In saurem Wasser (b) bilden sich die Kalkgehäuse zurück. Die Tiere nehmen eine lang gestreckte Polypengestalt an. Deutlich sind ihre kleinen Fangarme zu sehen, mit denen sie Nahrungspartikel aus dem Wasser fangen. Erst wenn man die Tiere wieder in Wasser mit natürlichem pH-Wert umsetzt (c), bilden sie erneut einen schützenden Kalkpanzer. © Avinoam Briestien

Wie die Versauerung die Kalkbildung beeinflusst, wurde bereits an vielen Meeresorganismen untersucht. Prominenteste Vertreter sind die Warmwasserkorallen, deren Skelette besonders von der pH-Absenkung bedroht sind. Wissenschaftliche Untersuchungen deuten darauf hin, dass bereits um die Mitte dieses Jahrhunderts CO2-Konzentrationen erreicht sein könnten, unter denen ein Nettowachstum (das heißt, die Organismen bilden mehr Kalk, als sich im Wasser löst) und damit eine erfolgreiche Riffbildung kaum noch möglich sein dürfte. Darüber hinaus wurde in verschiedenen Untersuchungen auch bei weniger exotischen Arten wie Muscheln, Seeigeln oder Seesternen eine Kohlendioxid-bedingte Abnahme der Kalzifizierungsraten beobachtet. Bei vielen dieser Invertebraten (Wirbellosen) war nicht allein die Kalkbildung, sondern gleichzeitig auch das Wachstum beeinträchtigt. Im Gegensatz dazu konnte bei aktiveren Tiergruppen wie etwa Fischen, Lachsen oder auch beim Tintenfisch Sepia officinalis nicht festgestellt werden, dass der Kohlendioxidgehalt im Seewasser das Wachstum beeinflusst. Um genaue Aussagen machen zu können, wie sich die CO2-Zunahme im Wasser auf die Meereslebewesen auswirkt, sind daher weitere Studien nötig.

2.8 > Aktive und stark bewegliche Tierarten wie der gemeine Tintenfisch Sepia officinalis sind offensichtlich weniger von einer Versauerung des Wassers betroffen. Das Gesamtgewicht junger Tiere entwickelt sich in saurem Seewasser (rote Linie) über einen Zeitraum von 40 Tagen genauso gut wie in Wasser mit normalem pH- und CO₂-Gehalt (schwarze Linie). Auch das Wachstum des kalkhaltigen Rückenpanzers, des Schulps, weist keine Auffälligkeiten auf (siehe rote und schwarze Balken im Diagramm). Als Maß dient hier die Menge des im Schulp eingelagerten Kalziumkarbonats (CaCO₃). Die schematische Zeichnung des Tintenfischs zeigt die Lage des Schulps im Tier.

2.8 > Aktive und stark bewegliche Tierarten wie der gemeine Tintenfisch Sepia officinalis sind offensichtlich weniger von einer Versauerung des Wassers betroffen. Das Gesamtgewicht junger Tiere entwickelt sich in saurem Seewasser (rote Linie) über einen Zeitraum von 40 Tagen genauso gut wie in Wasser mit normalem pH- und CO2-Gehalt (schwarze Linie). Auch das Wachstum des kalkhaltigen Rückenpanzers, des Schulps, weist keine Auffälligkeiten auf (siehe rote und schwarze Balken im Diagramm). Als Maß dient hier die Menge des im Schulp eingelagerten Kalziumkarbonats (CaCO3). Die schematische Zeichnung des Tintenfischs zeigt die Lage des Schulps im Tier. © maribus (nach Gutowska et al., 2008)