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Erfahrener Wasser-Technik-Experte und Unternehmer mit umfangreicher Erfahrung in der Technologieentwicklung, im Technologietransfer und im Wissensmanagement innerhalb der Wasserindustrie. MBA von der EMLYON Business School, Empfänger des slowenischen Innovationspreises
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Dieser Artikel erklärt die physikalischen Zusammenhänge, liefert eine vollständige Sättigungstabelle und zeigt auf, was dies für Aquakulturen, Hydroponik, Bewässerung und Teiche bedeutet. Zudem wird erläutert, warum sich weit mehr Sauerstoff im Wasser anreichern lässt, als es durch Luft allein möglich ist.
Die Physik: Warum die Temperatur die Sauerstofflöslichkeit bestimmt
Sauerstoff ist im Wasser nur mäßig löslich. O₂-Moleküle sind unpolar und werden durch schwache intermolekulare Kräfte in Lösung gehalten, nicht durch chemische Bindungen. Wassermoleküle lagern sich um jedes gelöste O₂-Molekül an, und diese Anordnung setzt etwas Energie frei. Mit anderen Worten: Das Lösen von Sauerstoff ist exotherm.
Das Prinzip von Le Chatelier besagt: Wenn man einem System im Gleichgewicht Wärme zuführt, verschiebt sich das Gleichgewicht in die Richtung, die Wärme aufnimmt. Für gelösten Sauerstoff bedeutet diese Richtung das Entweichen des Sauerstoffs aus dem Wasser. Dem liegt auch ein einfaches molekulares Bild zugrunde: In wärmerem Wasser besitzen die gelösten Sauerstoffmoleküle mehr kinetische Energie. Daher verfügen mehr von ihnen über ausreichend Energie, um sich loszureißen und an der Oberfläche zu entweichen. Die schwachen Kräfte, die sie in Lösung halten, spielen eine geringere Rolle.
Das Ergebnis ist, dass jeder Temperaturanstieg des Wassers die maximale Sauerstoffmenge senkt, die das Wasser im Gleichgewicht mit der Luft aufnehmen kann. Dieses Maximum wird als Sättigungskonzentration bezeichnet.
Die Rolle des Henry-Gesetzes
Das Henry-Gesetz besagt, dass die in einer Flüssigkeit gelöste Gasmenge proportional zum Partialdruck dieses Gases über der Flüssigkeit ist:
C = k_H × p
Die Temperatur taucht im Gesetz selbst nicht auf. Sie verändert die Konstante k_H, die mit zunehmender Erwärmung des Wassers sinkt. Dies ist der oben beschriebene Effekt.
Der Partialdruck-Teil des Gesetzes ist ebenso wichtig und wird oft übersehen. Luft besteht nur zu etwa 21 % aus Sauerstoff. Wird das Wasser einem Gas mit einem höheren Sauerstoffanteil als Luft ausgesetzt, steigt die Sättigungsgrenze proportional an. Darauf kommen wir weiter unten zurück.
Wie viel Sauerstoff nimmt Wasser bei welcher Temperatur auf?
Süßwasser, gesättigt mit Luft auf Meereshöhe (760 mmHg), in mg/L:
°C | mg/L | °C | mg/L | °C | mg/L |
|---|---|---|---|---|---|
0 | 14,6 | 12 | 10,8 | 24 | 8,4 |
1 | 14,2 | 13 | 10,5 | 25 | 8,3 |
2 | 13,8 | 14 | 10,3 | 26 | 8,1 |
3 | 13,5 | 15 | 10,1 | 27 | 8,0 |
4 | 13,1 | 16 | 9,9 | 28 | 7,8 |
5 | 12,8 | 17 | 9,7 | 29 | 7,7 |
6 | 12,4 | 18 | 9,5 | 30 | 7,6 |
7 | 12,1 | 19 | 9,3 | 31 | 7,4 |
8 | 11,8 | 20 | 9,1 | 32 | 7,3 |
9 | 11,6 | 21 | 8,9 | 33 | 7,2 |
10 | 11,3 | 22 | 8,7 | 34 | 7,1 |
11 | 11,0 | 23 | 8,6 | 35 | 7,0 |
Werte basieren auf den Gleichungen von Benson & Krause (1984), die in den USGS-DO-Tabellen verwendet werden.
Die Kurve verläuft bei niedrigen Temperaturen steil und flacht bei hohen Temperaturen ab, aber der Verlust ist über den gesamten Bereich signifikant. Eine Erwärmung von 10 °C auf 30 °C senkt die Sauerstoffkapazität um etwa ein Drittel. Eine Erwärmung von 20 °C auf 30 °C verringert sie um etwa 17 %.
Zwei weitere Faktoren verschieben diese Werte:
Salzgehalt (Salinität). Gelöste Salze verringern die Sauerstofflöslichkeit. Meerwasser mit normalem Salzgehalt enthält bei gleicher Temperatur rund 19 % weniger Sauerstoff als Süßwasser, also etwa 7,4 mg/L bei 20 °C. Marine und brackige Aquakultursysteme starten bereits mit geringeren Kapazitäten.
Höhe über dem Meeresspiegel. Ein niedrigerer Luftdruck bedeutet einen geringeren Sauerstoffpartialdruck. In der Nähe des Meeresspiegels sinkt der Sättigungswert um etwa 1,2 % pro 100 Höhenmeter. Auf 500 m Höhe liegt er bei etwa 94 % des Wertes auf Meereshöhe, auf 1.000 m bei etwa 89 %.
Warmes Wasser verbraucht Sauerstoff zudem schneller
Die Sättigungsgrenze ist nur die halbe Wahrheit. Fische, wirbellose Tiere, Bakterien, Algen und Pflanzenwurzeln sind meist wechselwarm oder temperaturabhängig. Bei vielen von ihnen verdoppelt sich die Stoffwechselrate mit jedem Temperaturanstieg um 10 °C näherungsweise.
In warmem Wasser atmen Fische schneller und verbrauchen mehr Sauerstoff pro Kilogramm. Bakterien bauen organische Stoffe wie Futter, Kot und abgestorbene Algen schneller ab und verbrauchen dabei Sauerstoff. Wurzeln atmen intensiver und benötigen mehr Sauerstoff, um weiterhin Nährstoffe aufzunehmen. Krankheitserreger und Biofilme wachsen schneller, was den Bedarf weiter erhöht.
Warmes Wasser führt also weniger Sauerstoff, während gleichzeitig mehr verbraucht wird. Aus diesem Grund treten Sauerstoffmängel (DO-Crashes) vor allem im Sommer auf. Am schwerwiegendsten sind sie in geschlossenen, dicht besetzten oder nährstoffreichen Systemen, in denen der Sauerstoffbedarf das übersteigen kann, was die Oberfläche aus der Luft nachliefern kann.
Was das in der Praxis bedeutet
Aquakultur und Teiche
Sauerstoffstress bei Fischen zeigt sich lange vor einem sichtbaren Fischsterben. Verminderte Nahrungsaufnahme, schlechtere Futterverwertung, langsameres Wachstum und eine höhere Krankheitsanfälligkeit treten typischerweise auf, wenn der gelöste Sauerstoff (DO) in Richtung 5 mg/L sinkt. Kaltwasserarten wie Forellen werden in der Regel bei über 6–7 mg/L gehalten. Viele Warmwasserarten überleben niedrigere Werte, wachsen dann jedoch schlechter.
In Freilandteichen ist der gefährlichste Moment meist kurz vor der Dämmerung. Tagsüber betreiben Algen Photosynthese und geben Sauerstoff ab. Nachts verbrauchen alle Organismen ausschließlich Sauerstoff. Eine heiße, windstille Nacht nach einem bewölkten Tag, an dem kaum Photosynthese stattgefunden hat, um einen Puffer aufzubauen, ist das klassische Szenario für ein sommerliches Fischsterben.
→ Siehe unsere Seiten zu aquaculture und lakes & ponds.
Hydroponik und Bewässerung
Pflanzenwurzeln benötigen Sauerstoff für die Zellatmung. Die Atmung liefert die Energie für die aktive Nährstoffaufnahme. Wenn der DO-Wert sinkt, leiden die Wurzeln unter Energiemangel, die Nährstoffaufnahme verlangsamt sich und das Wurzelgewebe wird anfälliger.
Warmes, sauerstoffarmes Wasser begünstigt zudem Pythium und andere Wurzelfäule-Erreger. Viele Züchter versuchen aus diesem Grund, die Nährstofflösung unter etwa 22–24 °C zu halten. Oberhalb dieses Bereichs erhöht die Kombination aus geringerem Sauerstoffgehalt, höherem Wurzelbedarf und schnellerem Erregerwachstum das Risiko drastisch.
Kann man in warmem Wasser mehr Sauerstoff lösen, als die Luft zulässt?
Ja, und genau hier arbeitet das Henry-Gesetz zu Ihren Gunsten.
Wasser, das mit Luft in Kontakt steht, kann nur die Sättigungswerte aus der Tabelle erreichen. Diese Grenze resultiert aus dem Sauerstoffgehalt der Luft von etwa 21 %, nicht aus dem Wasser selbst. Wenn Sie anstelle von Luft reinen Sauerstoff lösen, steigt der Partialdruck fast um das Fünffache, und damit auch die Sättigungsgrenze. Bei 20 °C kann Wasser im Gleichgewicht mit reinem Sauerstoff etwa 43 mg/L statt 9,1 mg/L aufnehmen.
In der Praxis müssen Sie diese Obergrenze nicht erreichen. Die effiziente Zufuhr von mit Sauerstoff angereichertem Gas ermöglicht es Ihnen, den DO-Wert in Wasser, das für eine eigenständige Regulierung zu warm ist, auf einem gesunden Niveau zu halten. Sie können das Wasser sogar moderat übersättigen. Zwei Faktoren bestimmen den Erfolg dieser Methode:
Sauerstoffquelle. Sauerstoffgeneratoren vor Ort, die mit Druckwechseladsorption (PSA) arbeiten, erzeugen konzentrierten Sauerstoff aus der Umgebungsluft. Erfahren Sie, wie ein Sauerstoffgenerator mit Molekularsieb funktioniert.
Blasengröße. Große Blasen steigen schnell auf und platzen an der Oberfläche, wodurch ein Großteil des Gases ungelöst entweicht. Kleinere Blasen bieten pro Gaseinheit wesentlich mehr Oberfläche und steigen langsamer auf, sodass sie mehr Sauerstoff übertragen, bevor sie die Oberfläche erreichen. Ultrafeine Blasen, oft als Nanoblasen bezeichnet, treiben dies auf die Spitze. Erfahren Sie mehr über ultrafeine Blasen.
Ein wichtiger Hinweis: Wasser, das im Verhältnis zur Luft übersättigt ist, gibt seinen überschüssigen Sauerstoff an einer offenen Oberfläche langsam wieder ab. Die Sauerstoffanreicherung in offenen Systemen ist daher ein kontinuierlicher Prozess und keine einmalige Behandlung.
Wie sieht es mit der Kühlung des Wassers aus?
Kühlung erhöht die Sättigungsgrenze, was in kleinen Reservoirs oder Kreislaufsystemen sinnvoll sein kann. Der Effekt ist jedoch moderat. Eine Senkung von 25 °C auf 20 °C erhöht die Kapazität um etwa 10 %. Kühlung fügt zudem von sich aus keinen Sauerstoff hinzu; sie hebt lediglich die Obergrenze an, die dann durch Belüftung oder Sauerstoffeintrag gefüllt werden kann. Das Kühlen großer Wassermengen ist energieintensiv und für Teiche, Bewässerungsleitungen oder Außentanks oft unpraktikabel. Für die meisten Betriebe ist es realistischer, dort zu kühlen, wo es kostengünstig ist, und dort Sauerstoff zuzuführen, wo Kühlung nicht machbar ist.
Die Messung: mg/L vs. % Sättigung
Da die Sättigung von der Temperatur abhängt, ist ein DO-Messwert ohne Angabe der Temperatur wenig aussagekräftig. Die meisten DO-Sensoren weisen beide Werte aus:
mg/L ist die absolute Sauerstoffmenge, die Fischen und Wurzeln zur Verfügung steht. Auf diesen Wert beziehen sich biologische Grenzwerte.
% Sättigung gibt an, wie voll das Wasser im Verhältnis zu seinem Limit bei der aktuellen Temperatur, dem Salzgehalt und dem Druck ist. 100 % bei 30 °C entsprechen dennoch nur etwa 7,6 mg/L.
Ein Teich kann an einem heißen Nachmittag eine gesunde Sättigung von 95 % aufweisen und in mg/L dennoch nahe an Stresswerten liegen. Eine kontinuierliche Aufzeichnung von DO und Temperatur, anstatt nur punktuelle Messungen vorzunehmen, ist die einzige zuverlässige Methode, um Tiefstwerte vor der Dämmerung und hitzebedingte Abfälle zu erfassen, bevor es zu Verlusten kommt.
→ Waboost Wassersensoren protokollieren DO und Temperatur kontinuierlich und übertragen die Daten mit Alarmfunktionen in die Waboost Cloud.
Häufig gestellte Fragen
Enthält heißes Wasser überhaupt keinen Sauerstoff mehr?
Nein. Wasser mit einer Temperatur von 35 °C, das mit Luft in Kontakt steht, enthält immer noch etwa 7 mg/L. Kochen treibt den Großteil des gelösten Gases aus, aber normales warmes Wasser enthält immer etwas Sauerstoff. Es nimmt lediglich weniger auf als kaltes Wasser.
Warum kann kaltes Wasser mehr Sauerstoff speichern?
Da das Lösen von Sauerstoff Wärme freisetzt, begünstigen niedrigere Temperaturen den Verbleib des Sauerstoffs im gelösten Zustand. Gelöste Sauerstoffmoleküle haben in kaltem Wasser zudem weniger Energie, um zu entweichen.
Welcher Gehalt an gelöstem Sauerstoff ist für Fische sicher?
Das hängt von der Art ab. Als grobe Richtlinie gilt: Die meisten Zuchtfische entwickeln sich am besten bei Werten über 5 mg/L, Kaltwasserarten wie Forellen bei über 6–7 mg/L.
Kann Wasser mehr als 100 % gelösten Sauerstoff enthalten?
Ja. Photosynthese an sonnigen Tagen oder die Zufuhr von konzentriertem Sauerstoff können das Wasser im Verhältnis zur Luft übersättigen. Ohne kontinuierliche Zufuhr entweicht der Überschuss allmählich über die Oberfläche.
Fazit
Warmes Wasser enthält aus zwei Gründen weniger gelösten Sauerstoff. Das Lösen von Sauerstoff ist exotherm, sodass höhere Temperaturen das Gleichgewicht in die Gasphase verschieben und wärmere Moleküle leichter von der Oberfläche entweichen. Zudem beschleunigen warme Bedingungen den Sauerstoffverbrauch aller Organismen im Wasser. Das Ergebnis ist ein sinkendes Angebot bei steigendem Bedarf, was sommerliche Fischsterben, Wurzelfäule in warmen Reservoirs und hitzegestresste Kulturen erklärt.
Die Luft setzt der Sauerstoffsättigung Grenzen, aber das muss nicht so bleiben. Durch kontinuierliche DO-Messung und die Zufuhr von konzentriertem Sauerstoff in ausreichend kleinen Blasen, die sich effizient lösen, können Sie den Sauerstoffgehalt auch bei warmem Wasser auf einem gesunden Niveau halten.
Quellen: Benson, B.B. & Krause, D. (1984), Limnology and Oceanography 29(3), 620–632; USGS Office of Water Quality, DOTABLES; APHA Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, 4500-O.
