Industrie & Technik

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<h2>Zurück ins Analyselabor</h2>Damit Fische im Aquarium gesund bleiben, ist ein biologischer Filter unentbehrlich. Er entscheidet über Leben und Tod, denn wenn er nicht richtig funktioniert, reichern sich Nitrit oder Ammoniak im Aquarienwasser an und vergiften die Fische.Ammoniumionen und – je nach pH-Wert – dann auch Ammoniak entstehen, wenn Bakterien Proteine aus Kot und Futterresten im Wasser abbauen. Bakterien der Gattung Nitrosomonas oxidieren Ammoniak dann weiter zu NO2–, Nitrobacter Nitrit zu Nitrat. Der biologische Filter in einem 600-Liter-Aquarium besteht beispielsweise aus einem abgetrennten Kompartiment oder einem Gefäß außerhalb des Aquariums mit einigen Dutzend Kilogramm Filtermaterial wie kleinen Steinen, Keramikröhrchen oder Schaumstoff (Abbildung 1). Auf diesen Steinen siedeln die Nitrosomonas- und Nitrobacter-Bakterien. Wer wie ich Piranhas hält (Kasten S. 558), braucht einen besonders guten Filter: Die Raubfische bekommen tote Fische als Futter, was das Aquarienwasser besonders stark mit Proteinen belastet.<figure><img src="https://media.graphcms.com/7fACZP8PRLq18wRKAjeS"><figcaption><label>Abb. 1: </label>Der biologische Filter für ein 600-Liter-Aquarium, hier ein Gefäß außerhalb des Behälters mit Keramikröhrchen als Filtermaterial.</figcaption></figure>
Regelmäßige chemische Analysen des Wassers zeigen, wie gut der Filter arbeitet: Ammonium und Nitrit sollten immer unter 0,2 mg·L–1 liegen, sonst wird es für die Fische gefährlich. Liegen die Werte über dieser Schwelle, ist ein Teilwasserwechsel fällig: Mindestens die Hälfte des Wassers im Aquarium ist abzulassen und das Becken mit frischem Leitungswasser aufzufüllen. Langfristig ist der Filter besser einzustellen – dafür gibt es im Zoohandel Granulat mit Bakterienkulturen.<h2>Daten messen und auswerten</h2>Um die Wasserwerte zu messen, braucht der Aquarianer ein Messköfferchen aus dem Aquarienhandel (Abbildung 2). Das Chemikerherz freut sich über Messbecher, Probengläschen und die Chemikalienfläschen mit Gefahrensymbolen. Jedes Wochenende wird der Wohnzimmertisch zum Labortisch, es wird getröpfelt, geschüttelt und riecht nach Essigsäure. Die Werte für pH, Wasserhärte, Phosphat-, Nitrit-, Nitrat-, Eisen-, Silikat- und Ammoniumkonzentration sind über Farbtabellen zu bestimmen. Alle Werte landen dann im Aquarienlaborbuch. Inzwischen gibt es dafür sogar eine Handy-App, berichtet Heiko Blessin, Biologe und Pressesprecher bei JBL, einem Hersteller von Aquarienzubehör in Neuhofen bei Mannheim: Das Handy liest die Teststreifen aus.<figure><img src="https://media.graphcms.com/zkpeiQx9S3KTKMaTy1fe"><figcaption><label>Abb. 2: </label>Die Wasserwerte im Aquarium lassen sich mit einem Set wie diesem bestimmen. <named-content>Fotos: Rainer Dückerhoff</named-content></figcaption></figure>
Leichtes Spiel ist es, den pH-Wert mit Bromthymolblau zu messen und bei Bedarf über gebrauchsfertige Pufferlösungen aus dem Aquarienhandel zu korrigieren. Piranhas sind in punkto pH recht tolerant und vertragen alles zwischen 6 und 7,5. Andere Messwerte allerdings bereiten dem Fischehalter Kopfzerbrechen.<h2>Die Sache mit der Gülle</h2>Da die Bakterien im Filter Proteine letztendlich zu Nitrat umsetzen, reichern sich Nitrationen im Aquarienwasser an. Das fördert den Algenwuchs. Giftig für Fische ist Nitrat nicht, „auch wenn einige Experten behaupten, dass zu hohe Nitratkonzentrationen das Wachstum der Fische hemmen“, sagt Heiko Blessin, der selbst nicht daran glaubt. Aber um sicherzugehen, sollte die Nitratkonzentration möglichst immer unter 50 mg·L–1 liegen.Effektivstes Mittel bei hohen Nitratwerten ist ein regelmäßiger Teilwasserwechsel. Dabei gibt es allerdings ein Problem: Schon Leitungswasser enthält zu viel Nitrat für das Aquarium. In Alfter bei Bonn sind es um die 20 mg·L–1.1) Laut Nitratbericht der Bundesregierung vom Dezember 2016 messen 28 Prozent aller Nitratmessstellen im Grundwasser, also der Vorstufe von Leitungswasser, sogar Konzentrationen von mehr als 50 mg·L–1 – dem Wert, der laut EU-Grundwasserrichtlinie als Maximum vorgegeben ist.2–4) Der gleiche Grenzwert gilt für Trinkwasser.Ursache für die erhöhten Nitratwerte ist eine übermäßige Düngung, vor allem mit Gülle. Wegen der steigenden Nitratbelastung des Grundwassers und jahrelanger Untätigkeit hat im letzten Jahr die EU Deutschland sogar verklagt. Grundwasser wird durch Reinigen, Entsäuern und Härten zu Trinkwasser. Um den Nitratwert niedrig zu halten, verdünnen die Wasserversorger das Grundwasser entweder mit unbelastetem Wasser oder entfernen das Nitrat technisch – dennoch wird das Nitratproblem immer größer, wenn sich an der Düngung nichts ändert.Der Aquarienhandel bietet Ionentauscherharze an, die im Filter Nitrationen aus dem Wasser abfangen. Die Harze sind regelmäßig mit konzentrierter Kochsalzlösung zu regenerieren und lassen sich dann wiederverwenden. Eine weitere Möglichkeit sind Beutel mit Filtersubstraten, auf denen Mikroorganismen den Kampf gegen das Nitrat aufnehmen sollen. „Im Beutel herrscht Sauerstoffarmut“, erklärt Aquarienexperte Blessin, „dort siedeln sich daher Bakterien an, die Nitrat zu Sauerstoff und Stickstoff aufknacken.“Ob all das wirklich etwas bringt, muss jeder Aquarienhalter an seinem Becken selbst ausprobieren – oft stellt sich am Ende heraus, dass es nur Geldverschwendung war, weil die Methode unter den Bedingungen im Becken nicht gut genug funktioniert. Schließlich ist jedes Becken anders: unterschiedliche Fisch- und Pflanzenarten und die Dekoration (Gesteins- und Holzarten) verändern den Mineraliengehalt und damit auch die Eigenschaften des Wassers.<h2>Algen unerwünscht</h2>Zu hohe Phosphatwerte lassen Algen wuchern, denn Phosphat ist Nährstoff für die ansonsten recht anspruchslosen Algen. Futterfische enthalten viel Phosphat – gerade beim Piranhabecken also ein Problem.Um die Phosphatwerte zu senken, bietet der Aquarienhandel diverse Produkte, zum Beispiel Harze, die Phosphate abfangen. Die aber sind nicht regenerierbar und müssen regelmäßig erneuert werden, und das ist teuer. Einige Aquarianer schwören stattdessen auf hochreines (99,995 %) Eisen zu einem Kilogrammpreis von 157 Euro. Das legt man – zum Beispiel in Filterwatte verpackt – in den Filter. Eisen reagiert mit Phosphat zu schwerlöslichen Eisenphosphatsalzen, die sich unter dem Wasserhahn auswaschen lassen. Allerdings entsteht nebenbei viel Rost.Hohe Silikatwerte fördern das Wachstum von Kieselalgen, die mit Silikaten ihre Skelettstruktur aufbauen. „Unter dem Mikroskop sind das die schönsten Lebewesen, die es gibt“, findet Heiko Blessin. Mit bloßem Auge allerdings sind nur hässliche braune Beläge auf Steinen, Wurzeln und Wasserpflanzen zu sehen – die sind unerwünscht. Damit Kieselalgen nicht wachsen, sollte die Silikatkonzentration im Aquarium 2 mg·L–1 nicht übersteigen.Auch hier ist das Leitungswasser ein Problem: In vielen Gegenden Deutschlands – so auch bei Bonn – enthält es mehr als 3 mg·L–1 Silikat, denn die Wasserwerke setzen Natriumsilikat als Korrosionsinhibitor zu.1) Da hilft nur: aus dem Aquarienwasser entfernen – auch dafür gibt es Absorptionsmaterialien – oder die Kieselalgen Kieselalgen sein lassen.<h2>Überlebenswichtig: Sauerstoff</h2>Da Piranhas große Fische sind, verbrauchen sie mehr Sauerstoff, als die Wasserpflanzen im Aquarium liefern. Wer sich nicht auf die Luftpumpe verlassen möchte, die röhrt und Strom braucht, für den gibt es eine chemische Methode, Sauerstoff ins Wasser zu bringen: den Söchting-Oxydator (Abbildung 3). In einem Tongefäß zersetzt sich Wasserstoffperoxid mit einem Mangandioxidkatalysator kontinuierlich zu Wasser und Sauerstoff, der dann aus dem Gefäß perlt. Damit die Piranhas genug Luft bekommen, ist eine 20- oder 30-prozentige H2O2-Lösung nötig. Als Präventivmaßnahme gegen Terrorismus muss man sich beim Kauf laut Chemikalien-Verbotsverordnung dafür im Zooladen in eine Liste eintragen und seinen Personalausweis zeigen.<figure><img src="https://media.graphcms.com/6okntxeoSO6DzZxkWv6b"><figcaption><label>Abb. 3: </label>Bringt Sauerstoff ins Wasser: der Söchting-Oxydator. In dem Tongefäß zersetzt ein Mangandioxidkatalysator Wasserstoffperoxid kontinuierlich zu Wasser und Sauerstoff, der dann aus dem Gefäß perlt.</figcaption></figure>
Ein Vorteil gegenüber der Luftpumpe ist, dass nur Sauerstoff ins Wasser gelangt und nicht zusätzlich Stickstoff aus der Luft. Denn starke Begasung treibt Kohlendioxid aus dem Wasser aus – das aber brauchen die Wasserpflanzen für ihre Photosynthese.<h2>Neuland unter Wasser: Die Fische der Autorin</h2>Keine Diskusfische, keine Neons und keine Buntbarsche sollten es sein, sondern ein 600-Liter-Aquarium mit roten Piranhas, Artenname Pygocentrus nattereri (Abbildung). Schnell war klar, dass die neuen Mitbewohner ihrem Ruf als reißende Bestien nicht gerecht werden. Im Gegenteil: Sie sind scheu, schwimmen weg, wenn man die Hand ins Wasser taucht und fressen generell nur das, was sie kennen. Andere im Becken lebende Fische lassen sie links liegen.<h2>Hartes oder weiches Wasser</h2>Aquarienhalter unterscheiden zwei Sorten von Härte: die Gesamt- und die Carbonathärte. Unter die Gesamthärte fallen alle Salze von Erdalkaliionen, im Aquarium sind das hauptsächlich Magnesium und Calcium. Sie sollte möglichst in dem Bereich liegen, den die Fische in ihrem natürlichen Ökosystem vorfinden. Wenn der Aquarienhalter züchten möchte, kann die Gesamthärte über Erfolg und Misserfolg entscheiden. Bei einer Gesamthärte von 3 spricht man von sehr weichem Wasser, bei einer Gesamthärte von 21 von sehr hartem. Aber auch da sind Piranhas recht aufgeschlossen: Sie tolerieren alles zwischen 5 und 25 Grad Härte.Für den Aquarianer wichtiger sei die Menge an Carbonationen im Wasser, sagt Heiko Blessin. Die Carbonathärte stabilisiert über das Puffersystem CO32–, HCO3– und CO2 + H2O den pH-Wert. Ist die Carbonathärte niedriger als 4 oder 5 Grad, kann der pH-Wert schwanken – und das mögen die Fische nicht.Sind Gesamt- oder Carbonathärte zu niedrig, werden kommerziell erhältliche Mineralien ins Aquarienwasser eingerührt. Diese Mischungen erhöhen Carbonat- und Gesamthärte im richtigen Verhältnis.<h2>Süß- versus Salzwasser</h2>Wer es besonders kompliziert möchte, sollte sich ein Meerwasseraquarium anschaffen. Dabei gibt es noch viel mehr zu regeln, allem voran muss der Salzgehalt stimmen. Außerdem sind Wasserwechsel bei Meerwasseraquarien schwieriger. Daher braucht es extra Technik, etwa einen Abschäumer, der physikalisch-organische Abfallstoffe, Lipide und Peptide aus dem Wasser entfernt. Einen Aquarienanfänger wird ein Meerwasserbecken vermutlich überfordern – selbst dann, wenn er chemisch vorgebildet ist.Die promovierte Chemikerin Brigitte Osterath ist Wissenschaftsjournalistin in Bonn. <a href="https://www.writingscience.de" target="_blank">www.writingscience.de</a><h2>Quergelesen</h2>Damit Fische im Süßwasseraquarium überleben, darf das Wasser nicht zuviel Ammonium und Nitrit enthalten.Schwierig einzustellen ist vor allem ein niedriger Nitratgehalt, denn schon Leitungswasser enthält mehr Nitrat, als gut ist.Ob die Wasserhärte im richtigen Bereich liegt, verraten Carbonathärte und Gesamthärte. In die Gesamthärte gehen alle Erdalkalisalze ein, in die Carbonathärte nur die löslichen carbonat- und hydrogencarbonathaltigen.Um ausreichend Sauerstoff zu produzieren, eignet sich etwa eine H2O2-Lösung in einem Gefäß mit einem Mangankatalysator.
<ul><h2>Literatur</h2><li>
1 Wasserwerte Bonn: <ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://www.stadtwerke-bonn.de/fileadmin/bilder/EnW_Relaunch_final/PDFs/Wasser/Wasseranalyse_2015.pdf" target="_blank">www.stadtwerke-bonn.de/fileadmin/bilder/EnW_Relaunch_final/PDFs/Wasser/Wasseranalyse_2015.pdf</a></ext-link></li><li>
2 Nitratbericht der Bundesregierung <ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://www.bmub.bund.de/fileadmin/Daten_BMU/Download_PDF/Binnengewaesser/nitratbericht_2016_bf.pdf" target="_blank">www.bmub.bund.de/fileadmin/Daten_BMU/Download_PDF/Binnengewaesser/nitratbericht_2016_bf.pdf</a></ext-link></li><li>
3 EU-Grundwasserrichtlinie <ext-link ext-link-type="uri"><a href="http://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=OJ:L:2006:372:0019:0031:DE:PDF" target="_blank">http://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=OJ:L:2006:372:0019:0031:DE:PDF</a></ext-link></li><li>
4 EU-Nitratrichtlinie</li><li>
5 <ext-link ext-link-type="uri"><a href="http://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=OJ:L:1991:375:0001" target="_blank">http://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=OJ:L:1991:375:0001</a>: 0008:DE:PDF</ext-link></li></ul>

Artikel

Wasserlabor mit Fischbesatz

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Bildung & Gesellschaft

Verblüffendes, Informatives, schon fast Vergessenes: Die Serie Zahlenstatistik des Monats liefert Fakten aus 150 Jahren. In diesem Monat geht es um die chemische Industrie.
Millionen Euro haben Chemieunternehmen im Jahr 2015 in Sachanlagen in Deutschland investiert. Das sind vier Prozent vom Umsatz. Zwanzig Jahre zuvor betrugen die Investitionen 5797 Millionen Euro, damals fünf Prozent vom Umsatz.<figure><img src="https://media.graphcms.com/3hfKsYaiQdG62MG4FjtJ"><figcaption><label>Abb. 1: </label></figcaption></figure>
Tonnen Schwefelsäure produzierte die deutsche chemische Industrie im Jahr 2015. Spitzenreiter bei anorganischen Grundstoffen war Chlor mit 3 867 052 Tonnen. Schwefelsäure war lange die mengenmäßig wichtigste Grundchemikalie. Wohl auch deshalb erschien im Jahr 1961 ein Buch mit dem Titel „Schwefelsäure – das Blut der Chemie“. Später löste Ethylen sie ab. Davon produzierte im Jahr 2015 die deutsche Chemieindustrie 5 133 818 Tonnen .<figure><img src="https://media.graphcms.com/X47PphahReS0IN1N6JxK"><figcaption><label>Abb. 2: </label></figcaption></figure>
Jahre nach der Gründung der Deutschen Chemischen Gesellschaft entstand im November 1877 der Verband der Chemischen Industrie. Er vertritt heute etwa 1700 Unternehmen, die mehr als 90 % des Umsatzes der chemisch-pharmazeutischen Industrie in Deutschland erwirtschaften. Im Jahr 2016 setzte sie 183 Milliarden Euro um und beschäftigte mehr als 446 000 Mitarbeiter.<figure><img src="https://media.graphcms.com/xyLgFgHFSGSdspeEsYXN"><figcaption><label>Abb. 3: </label></figcaption></figure>
nennt der Verband der Chemischen Industrie die Entwicklungsstufe der Chemie seit dem Jahr 2010. Sie sei geprägt von Digitalisierung und Kreislaufwirtschaft, aber noch nicht bei allen Unternehmen angekommen. Als erste Stufe der Industrialisierung gilt die „Gründerzeit und Kohlechemie“ ab 1865, die zweite Stufe ist die Petrochemie ab 1950 und Kennzeichen der dritten Stufe sind Globalisierung und Spezialchemie ab 1980.<figure><img src="https://media.graphcms.com/gqw8CpcS365j8R93EbN2"><figcaption><label>Abb. 4: </label></figcaption></figure>
Milliarden Euro erwirtschaftete die Chemieindustrie in Indien im Jahr 2015. Mehr Umsatz machten Chemieunternehmen in Frankreich (117), Südkorea (129), Japan (186), Deutschland (198), den USA (772) und China (1776).<figure><img src="https://media.graphcms.com/cqGYoP1mQl2P77vl0xNz"><figcaption><label>Abb. 5: </label></figcaption></figure>
Tonnen künstliches Indigo führten deutsche Unternehmen im Jahr 1908 aus. Zu den Pionieren der deutschen Farbchemie gehörten seit 1863 die als Farbenfabrik Meister, Lucius &amp; Brüning bei Frankfurt gegründeten Farbwerke Hoechst und die Wuppertaler Friedr. Bayer &amp; Co. Im Jahr 1865 entstanden bei Mannheim die Badische Anilin- &amp; Sodafabrik (BASF) und im Jahr 1867 bei Berlin die Gesellschaft für Anilinfabrikation (Agfa). Die heutige weltweite Indigoproduktion beträgt etwa 20 000 Tonnen.<figure><img src="https://media.graphcms.com/F9CeoUCSDCcLrBO5i8Oi"><figcaption><label>Abb. 6: </label></figcaption></figure>
Meter tief ist jedes der fünf Kreissegmente des Poelzig-Baus im Campus Westend der Frankfurter Universität. Im Jahr 1930 als Konzernzentrale der IG Farben gebaut, diente das Gebäude ab 1945 als Hauptquartier der alliierten Expeditionstruppen und später als Europazentrale der US-Streitkräfte. Es beherbergte unter anderem das Hauptquartier der CIA in Deutschland. Seit 1996 gehört das Areal dem Land Hessen.<figure><img src="https://media.graphcms.com/ugVAxSQUQyK4S2MjeyR8"><figcaption><label>Abb. 7: </label></figcaption></figure>
Bilder enthielt eine der ersten Serien von Liebigbildern. Sie entstanden um das Jahr 1875 im Pariser Werbebüro für Liebigs Fleischextrakt. Der Chemiker Justus von Liebig war in den 1850er Jahren von Gießen nach München gezogen und gründete dort die Süd-Chemie mit. Diese Gründung markiert den Anfang der chemischen Industrie in Bayern. Heute gehört das Spezialchemieunternehmen zur Schweizer Clariant.<figure><img src="https://media.graphcms.com/I5Wonlv1TKu5Q02gxEsO"><figcaption><label>Abb. 8: </label></figcaption></figure>
Seiten dick ist der wissenschaftliche Begleitband zur Dauerausstellung „Pillen und Pipetten“ im Deutschen Technikmuseum in Berlin. Vor dem Hintergrund der Geschichte des Berliner Unternehmens Schering zeigt das Museum Arbeitstechniken eines Labors, Arbeitsmittel von der Glaspipette bis zum Pipettierroboter, die chemische Produktvielfalt und die Grundlagen der pharmazeutischen Industrie.<figure><img src="https://media.graphcms.com/x7Hz8kYSisKTPz6eHxQL"><figcaption><label>Abb. 9: </label></figcaption></figure>
Prozent war der Anteil der Fein- und Spezialchemikalien am Gesamtproduktionswert der Chemie in Deutschland im Jahr 2015. Pharmazeutika machten etwa 20,8 % aus, Polymere 19,6 %, Petrochemikalien 16,8 %, anorganische Grundchemikalien 8,7 % sowie Wasch- und Körperpflegemittel 7,4 %.<figure><img src="https://media.graphcms.com/ci6Wb51SlycJQPfrEumA"><figcaption><label>Abb. 10: </label></figcaption></figure>
Beschäftigte hatte Bayer im Jahr 2016 und führt damit die Liste der mitarbeiterstärksten Chemieunternehmen Deutschlands an. Es folgten BASF mit 113 830 und Merck mit 50 414 Mitarbeitern. In Deutschland arbeiteten bei den Unternehmen 37 000, 53 000 beziehungsweise 24 000 Menschen.<figure><img src="https://media.graphcms.com/IIlSPHaSKGif9H43a4p4"><figcaption><label>Abb. 11: </label></figcaption></figure>

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