Chemisch betrachtet ist Redox (ORP) alles andere als einfach zu erklären. In diesem Mini-Guide versuchen wir, die Bedeutung der Messung dieses Parameters in natürlichen Teichen zu vereinfachen, um die Wasserqualität zu verbessern.
In einem Teich ist das Ziel immer, gute aerobe Bedingungen aufrechtzuerhalten. Dafür muss der Redoxwert positiv sein. Ein Redoxwert unter 150 bedeutet, dass kein Sauerstoff für die Biologie Ihres Gewässers verfügbar ist.
Was ist der optimale Redoxwert in einem Teich?
In der Aquakultur sollte das Ziel sein, aerobe Bedingungen zu erhalten – Redoxwerte von mindestens 100 mV. Es ist nicht ungewöhnlich, einen eutrophierten Teich zu analysieren und sehr negative Werte zu finden. Bevor Bakterien hinzugefügt werden, muss der Redoxwert im Teich angehoben werden. Bei einem Redoxwert unter -100 könnten die Bakterien direkt absterben.
Im Rahmen unserer Projekte sprechen wir oft mit Teich- oder Fischzuchtbesitzern, die uns nach der Bedeutung des Redoxpotenzials (Oxidations-Reduktions-Potenzial, ORP) fragen.
In Teichen wird auch häufig der gelöste Sauerstoff im Wasser gemessen, um sicherzustellen, dass das Becken eine zufriedenstellende Konzentration an verfügbarem Sauerstoff aufweist.
Oxidations-Reduktions-Reaktionen
In der Wasserchemie werden chemische Reaktionen durch verschiedene Mechanismen gesteuert, doch oft sind die wichtigsten Oxidations-Reduktions-Reaktionen. Bei einer Oxidationsreaktion verliert eine Substanz Elektronen und wird valenzmäßig elektropositiver, während das Gegenteil bei einer Reduktion geschieht.
Das Redoxpotenzial wird als Elektronenfluss von einer Standardkonzentration einer Substanz zu oder von einer Wasserstoffelektrode gemessen, der ein elektrisches Potenzial von null zugeordnet ist.
Der bei einer Oxidations-Reduktions-Reaktion gemessene Elektronenfluss ist das Redoxpotenzial; je nach Substanz im Vergleich zur Wasserstoffelektrode kann der Elektronenfluss in beide Richtungen erfolgen.
Üblicherweise wird dem Redoxpotenzial ein positiver Wert zugeordnet, wenn Elektronen von der Wasserstoffelektrode zur anderen Substanz fließen. Ein positiver Wert wird auch vergeben, wenn Elektronen von der anderen Substanz zur Wasserstoffelektrode fließen. Je größer der numerische Redoxwert, desto stärker ist die andere Substanz im Vergleich zur Wasserstoffelektrode oxidiert oder reduziert.
Ein hohes positives Redoxpotenzial zeigt an, dass eine Substanz stark oxidiert ist im Vergleich zur Wasserstoffelektrode. Ein hohes negatives Redoxpotenzial bedeutet, dass eine Substanz stark reduziert ist im Vergleich zur Wasserstoffelektrode.
Tabellen mit Standard-Redoxpotenzialen relativ zur Wasserstoffelektrode für viele Substanzen sind in den meisten allgemeinen Chemiebüchern verfügbar. Natürlich nähert sich das Redoxpotenzial bei der Reaktion zwischen einer Substanz und der Wasserstoffelektrode dem Wert null an. Ein Redoxpotenzial von null tritt auf, wenn beide Substanzen im Gleichgewicht bezüglich des Elektronenflusses stehen.
Das theoretische Redoxpotenzial für Süßwasser mit pH 7, 8 mg/L DO und 25 Grad Celsius beträgt 0,802 Volt. In der Praxis wird jedoch eine Quecksilberchlorid-Elektrode (Kalomel) für praktische Redoxmessungen verwendet.
Der pH-Wert beeinflusst das Redoxpotenzial. Um eine Redoxmessung auf pH 7 anzupassen, werden 0,0592 Volt pro pH-Einheit vom gemessenen Redox bei niedrigerem pH abgezogen oder zum gemessenen Redox bei höherem pH hinzugefügt. Eine Temperaturerhöhung um 1 Grad Celsius führt zu einer Erhöhung des Redox um 0,0016 Volt, aber Redoxinstrumente verfügen in der Regel über eine integrierte Temperaturkompensation.
In einem thermisch geschichteten See kann der Redoxwert sehr stark absinken – sogar in negative Werte –, wenn die DO-Konzentration im tieferen Wasser (Hypolimnion) auf 0 mg/L fällt. In Aquakulturteichen, die sich normalerweise nicht thermisch schichten, liegt das Redoxpotenzial an der Sediment-Wasser-Grenzfläche aufgrund des vorhandenen DO meist über 0,50 Volt. Der Redoxwert fällt jedoch schnell auf 0,2 Volt oder weniger in wenigen Millimetern Tiefe im Sediment ab, bedingt durch Sauerstoffmangel durch mikrobielle Aktivität. Das Redoxpotenzial sinkt auch in nährstoffarmen Seen (oligotroph) schnell im Sediment. Die Sedimenttiefe für einen Redoxwert von 0,2 Volt kann jedoch 5 bis 10 cm unter der Boden-Wasser-Grenzfläche betragen.
In Aquakulturteichen sollte das Ziel sein, aerobe Bedingungen zu erhalten – Redoxwerte über 0,5 Volt oder mehr an der Sediment-Wasser-Grenzfläche. Eine Redoxmessung ist nicht unbedingt erforderlich, um diese Bedingung zu überprüfen, denn wenn der Redoxwert auf etwa 0,2 bis 0,3 Volt fällt, wird die Oberfläche des Sediments dunkler – oft dunkelgrau oder schwarz. Die gewünschte Bedingung an der Bodenoberfläche ist dargestellt (Abb. 3). Die dünne Oberflächenschicht ist aerob und heller gefärbt als die anaerobe Schicht wenige Millimeter darunter, wie die Abtastung der dünnen Oberflächenschicht zeigt. Die Farbänderung resultiert aus der Reduktion von Eisen(III) (Fe 3+) zu Eisen(II) (Fe 2+) bei einem Redoxwert nahe 0,2 Volt. Der Redoxwert muss auf 0,0–0,1 Volt fallen, bevor Bakterien beginnen, Sulfat zu Sulfid umzuwandeln. Solange jedoch oxidierende Bedingungen an der Sediment-Wasser-Grenzfläche bestehen, wird es kaum Sulfidbewegung im darüber liegenden Wasser geben.
Probleme bei der Redoxmessung
Die Hauptprobleme bei der Redoxmessung sind, dass die Sonde mit der Redoxelektrode relativ groß ist (etwa so dick wie ein Bleistift) und beim Einführen in das Sediment das sauerstoffhaltige Wasser über dem Sediment um die Sonde eindringt und das Redoxpotenzial beeinflusst. Es ist auch praktisch unmöglich, die genaue Tiefe zu bestimmen, in der die Sonde den Redoxwert misst, und der Redoxwert kann sich über 1 oder 2 mm Tiefe stark ändern. Es gibt auch Kalibrierungsprobleme mit Redoxsonden, und viele zeigen nicht 0,56 Volt in sauerstoffhaltigem Wasser an. Dennoch kann man mit solchen Sonden feststellen, ob das Redoxpotenzial steigt oder fällt.
Eine niedrige DO-Konzentration kann leicht mit einem polarographischen DO-Messgerät erkannt werden, und eine niedrige DO-Konzentration weist auf ein niedriges Redoxpotenzial hin. Die Verdunkelung der Sedimentoberfläche zeigt ebenfalls, dass der Redoxwert niedrig genug für das Vorhandensein von Eisen(II) und zu hoch für Nitrat (die am stärksten oxidierte Stickstoffform) ist. Der faulige Geruch von Schwefelwasserstoff ist bereits bei sehr niedrigen Konzentrationen wahrnehmbar – eine Redoxmessung ist nicht notwendig, um festzustellen, ob Schwefelwasserstoff produziert wird.
Fazit
Das Redoxpotenzial ist keine einfache oder zuverlässige Methode zur Bewertung der Wasserqualität für Aquakulturtierarten. Der praktische Aquakulturbetreiber sollte sich darauf konzentrieren, eine angemessene DO-Konzentration im Wasser aufrechtzuerhalten, indem er Besatz- und Fütterungsraten mit der Menge der mechanischen Belüftung ausbalanciert. Die Positionierung der Belüfter, um die Zirkulation von sauerstoffreichem Wasser über den Teichboden zu gewährleisten, ist hilfreich, um anaerobe Bedingungen an der Sediment-Wasser-Grenzfläche zu verhindern. Einige Aquakulturbetriebe setzen Natriumnitrat in Teichen als Oxidationsmittel für Sedimente ein. Das Vorhandensein von Nitrat im Wasser zur Förderung der Denitrifikation hält das Redoxpotenzial auf einem akzeptablen Niveau, um zu verhindern, dass stark reduzierte Substanzen wie Schwefelwasserstoff in die Wassersäule gelangen.
