Taschenlehrbuch Biologie - Evolution - Oekologie

multiplizierten dekadischen Logarithmus der Protonenkonzentration gemessen ( pH-Wert ): Ein höherer pH-Wert bedeutet also eine geringere Protonenkonzentration (pH < 7: sauer, pH = 7: neutral, pH > 7: alkalisch). Er bestimmt direkt, besonders jedoch indirekt durch Steuerung der Löslichkeit von Ionen biologische Prozesse. Mit einem pH-Wert von 7–8 ist das Meerwasser leicht alkalisch. Ursprünglich hat sich das Leben also in einem Milieu entwickelt, in dem die Protonenkonzentration relativ niedrig war, lebende Organismen können jedoch in einem pH-Bereich von 2–9 existieren. Die Artenvielfalt ist allerdings im pH-Bereich von 6–7 am höchsten.
Biologische Bedeutung des Säuregrads
    Der pH-Wert steuert die Löslichkeit praktisch aller Elemente. Da diese von Pflanzen und Mikroorganismen als Ionen aufgenommen werden, steuert der pH-Wert die Verfügbarkeit von pflanzlichen Nährstoffen, aber auch von toxischen Elementen wie Schwermetallen. Niedrige Protonenkonzentrationen (hoher pH-Wert) gehen mit einer hohen Verfügbarkeit von basischen Kationen wie Mg 2+ und Ca 2+ einher, bei niedrigem pH-Wert treten dagegen verstärkt saure Kationen auf, insbesondere von Aluminium und Eisen, aber auch von Schwermetallen wie Cadmium (Abb. 2. 11 ).

    Abb. 2. 11 Toxizität von H + - und OH – -Ionen für Pflanzen (rot) und Löslichkeit von Mineralstoffen entlang von pH-Gradienten (braun). (Nach Larcher, 1980.)
    Der pH-Wert steuert auch die Bindung von CO 2 . Das schwach alkalische Meerwasser bindet große Mengen an CO 2 , die im Meerwasser gebundene CO 2 -Menge übersteigt diejenige der Atmosphäre um einen Faktor von ca. 50. Der pH-Wert von Böden hängt vom Ausgangsgestein ab und nimmt mit dem Alter der Böden ab. Kalkböden besitzen einen weitgehend neutralen pH-Wert(6–7), Sandböden sind dagegen mit einem pH-Wert von 3–5 meist sauer. Böden vulkanischen Ursprungs sind reich an basischen Kationen, unterliegen jedoch wie alle Böden einer natürlichen Versauerung . Diese erfolgt insbesondere durch die Auswaschung von Mg 2+ und Ca 2+ und wird durch die Lösung von CO 2 im Bodenwasser und die Bildung von Kohlensäure angetrieben. Die bei der Dissoziation der Kohlensäure entstehenden Protonen tauschen Kationen aus, die an der Oberfläche von Tonmineralen und Humussubstanzen gebunden sind. Die freigesetzten Kationen können von Pflanzen aufgenommen, aber auch mit dem Sickerwasser ausgewaschen werden. Anthropogen verursachte Einträge von Säurebildnern, insbesondere Schwefeldioxid (SO 2 ) und Stickoxide (NO x ), können die natürliche Versauerung von Böden stark beschleunigen, was sich negativ auf Pflanzenwachstum und die Vielfalt von Organismen auswirkt. Auch auf aquatische Systeme wirken sich erhöhte Einträge von Säure negativ aus. Bei einem pH-Wert von 4 sterben Fische ab, die Vielfalt von Algen wird im Vergleich zu einem pH-Wert von 7 um ca. 50 % erniedrigt, diejenige von tierischen Planktonfiltrierern sogar um ca. 80 %. Die Verbrennung von fossilen Energieträgern, insbesondere von schwefelhaltiger Kohle und schwefelhaltigem Erdöl, trägt zu einer starken Versauerung von aquatischen und terrestrischen Ökosystemen bei.
Puffersysteme im Boden
    Ausgangsgestein vulkanischen Ursprungs, aber auch viele Sedimente, insbesondere Kalkböden, verfügen über hohe Mengen an Calciumionen. Die pH-Werte dieser Böden sind relativ hoch und liegen zwischen 5,5 und 7. Die im Bodenwasser durch Dissoziation von Kohlensäure (und andern Säurebildnern) auftretenden Protonen werden vor allem durch Calcium- und Magnesiumionen abgepuffert. Dies geschieht dadurch, dass die Protonen die an Oberflächen von Mineralien gebundenen Ca 2+ - und Mg 2+ -Ionen austauschen und dadurch aus dem wässrigen Milieu eliminiert werden. Die Pufferung von Versauerungsprozessen geschieht also in diesem leicht sauren pH-Bereich vor allem durch Calcium- und Magnesiumionen, die man auch als basische Kationen bezeichnet. Langfristig führt der Austrag dieser Ionen mit dem Sickerwasser dazu, dass diese Elemente nicht mehr verfügbar sind, die anfallenden Protonen also nicht mehr abzupuffern vermögen. Bei pH-Werten unterhalb von ca. 4,5 wird diese Pufferfunktion vor allem durch Aluminiumionen übernommen, die aus Aluminiumsilikaten, einem dominierenden Bestandteil fast aller Böden, freigesetzt werden. Die in der Lösung auftretenden Aluminiumionen sind für viele Organismen toxisch und tragen wesentlich zu der geringeren Artenvielfalt von sauren Böden, aber auch