Definition: Was ist Sauerstoff?
Sauerstoff ist ein chemisches Element mit dem Symbol O und der Ordnungszahl 8. Unter normalen Bedingungen tritt er in der Atmosphäre überwiegend als zweiatomiges Molekül O₂ auf. Sauerstoff ist für die Atmung der meisten Tiere, Pflanzen, Pilze und Mikroorganismen unverzichtbar und spielt zugleich eine zentrale Rolle bei zahlreichen chemischen und biologischen Reaktionen.
Etwa ein Fünftel der Erdatmosphäre besteht aus molekularem Sauerstoff. Darüber hinaus ist Sauerstoff in Wasser, Gesteinen, Böden und organischen Stoffen gebunden. Gemessen an seiner Verbreitung gehört er zu den bedeutendsten Elementen der Erde.
Sauerstoff in der Atmosphäre
Der größte Teil des atmosphärischen Sauerstoffs liegt als O₂ vor. Seine heutige Konzentration ist das Ergebnis langfristiger biologischer und geologischer Prozesse.
Frühe Erdatmosphären enthielten deutlich weniger freien Sauerstoff. Erst die Fotosynthese von Mikroorganismen führte über lange Zeiträume zu einer Anreicherung.
Entwicklung der Sauerstoffatmosphäre
Fotosynthetisch aktive Organismen begannen bereits vor Milliarden Jahren damit, Wasser und Kohlendioxid mithilfe von Sonnenenergie in organische Substanz umzuwandeln. Dabei entstand Sauerstoff als Nebenprodukt.
Zunächst reagierte dieser Sauerstoff mit Mineralien und anderen reduzierten Stoffen. Erst später konnte er sich dauerhaft in der Atmosphäre anreichern.
Fotosynthese
Fotosynthese ist der wichtigste biologische Prozess zur Bildung von atmosphärischem Sauerstoff. Pflanzen, Algen und bestimmte Bakterien nutzen Lichtenergie, um aus Kohlendioxid und Wasser energiereiche organische Verbindungen herzustellen.
Dabei wird Sauerstoff freigesetzt. Dieser gelangt in Luft oder Wasser und steht anderen Organismen zur Verfügung.
Pflanzen und Sauerstoffproduktion
Landpflanzen tragen erheblich zum globalen Sauerstoffkreislauf bei. Wälder, Wiesen und andere Vegetationsformen produzieren während der Fotosynthese Sauerstoff.
Gleichzeitig verbrauchen Pflanzen selbst Sauerstoff bei ihrer Zellatmung. Auch die Zersetzung abgestorbener Pflanzenreste benötigt Sauerstoff.
Sauerstoffproduktion in den Meeren
Ein großer Teil der globalen Fotosynthese findet in den Ozeanen statt. Mikroskopisch kleine Algen und Cyanobakterien bilden dort Phytoplankton.
Diese Organismen nehmen Kohlendioxid auf und setzen Sauerstoff frei. Meeresökosysteme spielen damit eine zentrale Rolle im globalen Sauerstoff- und Kohlenstoffkreislauf.
Phytoplankton
Phytoplankton lebt hauptsächlich in den lichtdurchfluteten oberen Wasserschichten. Dort steht ausreichend Sonnenenergie für die Fotosynthese zur Verfügung.
Die biologische Aktivität hängt stark von Licht, Temperatur und Nährstoffangebot ab.
Zellatmung
Die meisten Tiere, Pflanzen und viele Mikroorganismen benötigen Sauerstoff für die Zellatmung. Dabei werden energiereiche organische Verbindungen schrittweise abgebaut.
Die frei werdende Energie wird für Stoffwechsel, Bewegung, Wachstum und andere Lebensprozesse genutzt.
Bildung von Kohlendioxid
Bei der aeroben Zellatmung reagiert organischer Kohlenstoff letztlich mit Sauerstoff. Dabei entstehen Kohlendioxid, Wasser und nutzbare Energie.
Fotosynthese und Zellatmung sind deshalb eng miteinander verbunden und bilden wichtige Teile globaler Stoffkreisläufe.
Sauerstoff in Gewässern
Auch Wasser enthält gelösten Sauerstoff. Fische, Insektenlarven und zahlreiche andere Wasserorganismen sind darauf angewiesen.
Sauerstoff gelangt durch Austausch mit der Atmosphäre und durch Fotosynthese von Wasserpflanzen und Algen in Gewässer.
Löslichkeit von Sauerstoff
Wie viel Sauerstoff sich im Wasser lösen kann, hängt unter anderem von der Temperatur ab. Kaltes Wasser kann mehr Sauerstoff aufnehmen als warmes Wasser.
Deshalb können hohe Wassertemperaturen während Hitzeperioden zu einer zusätzlichen Belastung für Gewässerorganismen führen.
Sauerstoffmangel in Gewässern
Sauerstoff wird im Wasser durch Atmung und den mikrobiellen Abbau organischer Stoffe verbraucht. Gelangen große Mengen organischen Materials in ein Gewässer, kann der Sauerstoffverbrauch stark steigen.
Wird mehr Sauerstoff verbraucht als nachgeliefert, entstehen sauerstoffarme oder vollständig sauerstofffreie Bereiche.
Eutrophierung
Hohe Nährstoffeinträge können starkes Algenwachstum auslösen. Sterben die Algen ab, werden sie von Mikroorganismen zersetzt.
Dieser Prozess verbraucht Sauerstoff und kann besonders in tiefen oder schlecht durchmischten Gewässern zu Sauerstoffmangel führen.
Folgen von Sauerstoffmangel
Viele Fische und wirbellose Tiere reagieren empfindlich auf niedrige Sauerstoffkonzentrationen. Sinkt der Wert stark ab, können Tiere fliehen oder sterben.
Unter vollständig sauerstofffreien Bedingungen verändern sich außerdem chemische Prozesse in Sedimenten und Gewässern.
Anaerobe Prozesse
Wenn kein Sauerstoff verfügbar ist, können bestimmte Mikroorganismen andere Stoffe für ihren Energiestoffwechsel nutzen.
Dabei können beispielsweise Methan, Schwefelwasserstoff oder andere reduzierte Verbindungen entstehen.
Sauerstoff im Boden
Auch Böden enthalten Sauerstoff in ihren Poren. Pflanzenwurzeln und zahlreiche Bodenorganismen benötigen ihn für ihre Atmung.
Gut strukturierte Böden besitzen Hohlräume, durch die Luft eindringen kann. Verdichtung und Staunässe verringern dagegen den Sauerstoffgehalt.
Staunässe
Sind Bodenporen dauerhaft mit Wasser gefüllt, kann nur wenig Sauerstoff nachströmen. Dadurch entstehen sauerstoffarme Bedingungen.
Viele Pflanzenarten reagieren darauf mit Wurzelschäden. Andere Arten, beispielsweise typische Sumpf- und Moorpflanzen, sind an solche Bedingungen angepasst.
Sauerstoff und Zersetzung
Der Abbau abgestorbener organischer Substanz erfolgt unter Sauerstoffeinfluss häufig besonders effizient. Mikroorganismen nutzen organische Stoffe und verbrauchen dabei Sauerstoff.
Unter sauerstoffarmen Bedingungen verlangsamt sich die Zersetzung oder verläuft über andere Stoffwechselwege.
Torfentstehung
In dauerhaft nassen Moorböden herrscht Sauerstoffmangel. Abgestorbenes Pflanzenmaterial wird deshalb nur unvollständig zersetzt.
Über lange Zeiträume kann sich dadurch Torf bilden und große Mengen Kohlenstoff speichern.
Sauerstoff und Verbrennung
Auch technische Verbrennungsprozesse benötigen Sauerstoff. Brennstoffe reagieren mit Sauerstoff und setzen dabei Energie frei.
Bei vollständiger Verbrennung kohlenstoffhaltiger Stoffe entstehen überwiegend Kohlendioxid und Wasser.
Unvollständige Verbrennung
Steht nicht ausreichend Sauerstoff zur Verfügung, können Kohlenmonoxid, Ruß und unverbrannte Kohlenwasserstoffe entstehen.
Eine kontrollierte Luftzufuhr ist deshalb für effiziente und schadstoffarme Verbrennung wichtig.
Ozon und Sauerstoff
Neben O₂ existiert Sauerstoff in der Atmosphäre auch als Ozon O₃. Ozon besteht aus drei Sauerstoffatomen und besitzt andere chemische Eigenschaften.
In der Stratosphäre schützt Ozon die Erde vor energiereicher UV-Strahlung, während es in Bodennähe als Luftschadstoff wirken kann.
Photochemische Prozesse
Energierreiche Sonnenstrahlung kann Sauerstoffmoleküle aufspalten. Einzelne Sauerstoffatome können anschließend mit O₂ reagieren und Ozon bilden.
Ozon kann wiederum zerfallen und Sauerstoff freisetzen. Dadurch entsteht ein natürlicher photochemischer Kreislauf.
Sauerstoffkreislauf
Der Sauerstoffkreislauf verbindet Atmosphäre, Gewässer, Böden und Lebewesen. Fotosynthese setzt Sauerstoff frei, während Atmung, Zersetzung und Verbrennung ihn verbrauchen.
Langfristig steht der Sauerstoffkreislauf in enger Verbindung mit dem Kohlenstoffkreislauf.
Gleichgewicht der Prozesse
Die heutige Sauerstoffkonzentration der Atmosphäre wird durch ein langfristiges Gleichgewicht unterschiedlicher Prozesse beeinflusst.
Ein Teil des durch Fotosynthese gebildeten organischen Kohlenstoffs muss dauerhaft gespeichert werden, damit Sauerstoff langfristig in der Atmosphäre verbleiben kann.
Sauerstoff und menschliche Gesundheit
Der menschliche Körper benötigt kontinuierlich Sauerstoff. Über die Lunge gelangt er ins Blut und wird an das Hämoglobin gebunden.
Das Blut transportiert Sauerstoff zu den Geweben, wo er für die Zellatmung benötigt wird.
Sauerstoffmangel
Sinkt die Sauerstoffversorgung des Körpers stark ab, können Zellen ihre normale Energiegewinnung nicht aufrechterhalten.
Besonders Gehirn und Herz reagieren empfindlich auf länger anhaltenden Sauerstoffmangel.
Sauerstoff in technischen Anwendungen
Sauerstoff wird industriell in großen Mengen hergestellt und für zahlreiche technische Prozesse genutzt. Dazu gehören Stahlproduktion, chemische Industrie, Medizin und Abwasserbehandlung.
In Kläranlagen wird Sauerstoff beispielsweise gezielt in Belebungsbecken eingebracht, damit Mikroorganismen organische Schadstoffe abbauen können.
Belüftung von Kläranlagen
Die künstliche Belüftung stellt Mikroorganismen ausreichend Sauerstoff zur Verfügung. Dadurch können organische Stoffe effizient abgebaut und bestimmte Stickstoffverbindungen umgewandelt werden.
Die Belüftung benötigt allerdings erhebliche Mengen elektrischer Energie und gehört deshalb zu den wichtigsten Energieverbrauchern vieler Kläranlagen.
Sauerstoff und Ökosysteme
Die Verfügbarkeit von Sauerstoff beeinflusst grundlegend, welche Organismen in einem Lebensraum vorkommen können. Sauerstoffreiche Flüsse beherbergen andere Lebensgemeinschaften als sauerstoffarme Sümpfe.
Auch kleine Veränderungen können die Zusammensetzung von Arten und Stoffwechselprozessen beeinflussen.
Sauerstoff und Klimawandel
Der Klimawandel kann insbesondere den Sauerstoffgehalt von Gewässern beeinflussen. Steigende Temperaturen verringern die Löslichkeit von Sauerstoff.
Gleichzeitig können stärkere Schichtungen in Seen und Meeren den Austausch zwischen sauerstoffreichen Oberflächenbereichen und tieferen Wasserschichten erschweren.
Deoxygenierung
Die langfristige Abnahme gelösten Sauerstoffs in Gewässern wird als Deoxygenierung bezeichnet. Sie kann durch Erwärmung, Eutrophierung und Veränderungen der Durchmischung verstärkt werden.
Für aquatische Ökosysteme stellt dieser Prozess eine zunehmende Belastung dar.
Zusammenfassung
Sauerstoff ist ein lebensnotwendiges chemisches Element und ein zentraler Bestandteil von Atmosphäre, Wasser, Gesteinen und Lebewesen. Molekularer Sauerstoff O₂ wird vor allem durch Fotosynthese gebildet und durch Atmung, Zersetzung und Verbrennung verbraucht.
Seine Verfügbarkeit bestimmt zahlreiche ökologische und chemische Prozesse. Besonders in Gewässern und Böden kann Sauerstoffmangel erhebliche Veränderungen auslösen. Sauerstoff verbindet damit biologische Stoffwechselprozesse, globale Stoffkreisläufe, Wasserqualität und technische Anwendungen auf grundlegende Weise.
