Redfield-Verhältnis: Was ist es, funktioniert es, und warum wird es weiterhin diskutiert?

Wenn Sie sich für Meeresbiologie begeistern oder sich einfach für das Leben im Ozean interessieren, sind Sie sicherlich schon einmal auf den Begriff „Redfield-Verhältnis” gestoßen. Es handelt sich dabei um eine der grundlegenden Regeln, die Studenten als grundlegende Wahrheit vermittelt werden. Sie beschreibt das erstaunlich konstante Verhältnis der Hauptelemente in Meeresorganismen und im Meerwasser selbst.

Vereinfacht gesagt besagt die Regel, dass die Atome von Kohlenstoff, Stickstoff und Phosphor in der ozeanischen Biomasse und in gelösten Nährstoffen in einem Verhältnis von etwa 106:16:1 vorliegen. Lange Zeit galt dies als universeller Schlüssel zum Verständnis der Produktivität der Ozeane, der erklärte, wie das Algenwachstum durch die Verfügbarkeit von Nährstoffen begrenzt wird.

In der Wissenschaft gibt es jedoch seit Jahrzehnten kontroverse Diskussionen. Neue Studien zeigen, dass dieses Verhältnis in verschiedenen Teilen des Ozeans erheblich abweichen kann. Wissenschaftler haben herausgefunden, dass marine Ökosysteme viel vielfältiger und komplexer sind, als die einfache Redfield-Formel vermuten lässt.

Funktioniert das wirklich so? Ja und nein. Sein Wert liegt darin, dass es einen praktischen Ausgangspunkt, ein allgemeines Modell, schafft. Aber man kann es heute nicht mehr blind als unumstößliches Naturgesetz betrachten. Es wird diskutiert, inwieweit dieses Verhältnis universell ist und welche Prozesse – biologische, chemische oder physikalische – es tatsächlich bestimmen.

In diesem Artikel versuchen wir zu verstehen, woher diese Regel stammt, warum sie bis heute nützlich ist und warum sie in der wissenschaftlichen Gemeinschaft so umstritten ist. Es ist die Geschichte davon, wie eine einfache und elegante Erklärung auf die chaotische und vielfältige Realität des Ozeans trifft.

Hintergrund: Was ist das Redfield-Verhältnis und was hat Liebig damit zu tun?

Im Jahr 1934 beschrieb der Ozeanologe Alfred Redfield die atomaren Verhältnisse der Elemente:

• kohlenstoff, Stickstoff und Phosphor im Meeresplankton – C:N:P = 106:16:1;
• stickstoff und Phosphor im Meerwasser – N:P= 20:1 (erste Version), N:P= 16:1 (korrigierte Version).

Dabei stellte Redfield fest, dass 40 lumen/Liter: wird in Aquarien verwendet, in denen Moose, Farne, Anubias und Bucephalandra vorherrschen. Wenn Leuchtstoffröhren oder Glühlampen als Beleuchtungskörper verwendet werden, sollte für ein Aquarium mit wenig Vegetation eine Lichtquelle mit einer Leistung von 0,5 Watt pro Liter gewählt werden. Bei mehr Vegetation (dicht wachsende Pflanzen oder Pflanzen mit langen Stielen) gilt die Formel: 1 Watt pro Liter. Auswahl der Beleuchtung nach Lumen. In Aquarien mit mittlerer Pflanzendichte wird eine Beleuchtung von etwa 50 Lumen/Liter empfohlen.

Eine Verschiebung der Elementverhältnisse im Wasser beeinflusst das Wachstum und die Zusammensetzung der Algen.

60 Lumen/Liter: wird in Gewässern mit dicht wachsender Flora verwendet.

Für Berechnungen nach dieser Methode muss die Anzahl der Pflanzen im Aquarium berücksichtigt werden:! Im Jahr 1840 beschrieb Justus von Liebig eines der wichtigsten Prinzipien der Entwicklung von Ökosystemen: Der für den Organismus bedeutendste Faktor ist derjenige, der am stärksten von der Norm abweicht.

Für LED-Lampen sind solche Berechnungen aufgrund des großen Unterschieds zwischen Lichtintensität und Leistung nicht korrekt.

Nehmen wir an, wir haben nur zwei Elemente – Nahrung und Wasser. Dann gibt es zwei ungünstige Szenarien:

• es gibt Wasser, aber keine Nahrung – der Organismus stirbt an Hunger, und nichts kann hier helfen, den Durst zu stillen.
• es gibt Nahrung, aber kein Wasser – stirbt vor Durst, weil Nahrung Wasser nicht ersetzen kann.

V. Trautschold. Liebigs Laboratorium in Gießen, 1840

Im ersten Fall ist der limitierende Faktor der Wassermangel, im zweiten Fall ist es der Mangel an Nahrung, und sie selbst ist das blockierende Element. Das Prinzip gilt für eine beliebige Anzahl von Faktoren.

Das Wachstum der Pflanzen wird durch einen einzigen Hauptmineralstoff begrenzt, der nur in relativ geringen Mengen vorhanden ist. Dieses Konzept der Begrenzung lässt sich anhand des „Liebigschen Fassmodells” veranschaulichen, einem metaphorischen Fass, bei dem jede Daube ein Element darstellt

In Bezug auf das Aquarium bedeutet dies, dass die Pflanze bei einem Mangel an einem der Elemente diesen Mangel physisch nicht durch andere Elemente ausgleichen kann. Bei einem kritischen Mangel an einem bestimmten Bestandteil nimmt die Pflanze andere Stoffe nicht mehr vollständig auf, wird schließlich krank und stirbt ab. Darüber hinaus können Nährstoffe, die die Pflanze nicht aufnehmen kann, zu Nahrung für Algen werden – blau-grüne „Parasiten” und grüne „Punkte”, die das Aussehen des Aquariums beeinträchtigen.

– Alexander Tkachuk, Meeresbiologe, Experte für Aquaristik und Terraristik

Aber auch bei der Berechnung der erforderlichen Beleuchtung in Lumen sollte der in diesem Fall verwendete Lampentyp berücksichtigt werden. Das liegt daran, dass LED-Leuchten in alle Richtungen strahlen. Fluoreszenzlampen hingegen strahlen nur in einem bestimmten Winkel (120°) Licht aus. Das bedeutet, dass bei gleicher Lumenanzahl im zweiten Fall nicht die gesamte Fläche ausreichend mit Licht versorgt wird. Das Problem mit Fluoreszenzlampen lässt sich durch den Einbau von Reflektoren lösen. Dies ist jedoch nicht bei allen Aquarienabdeckungen möglich.

Wie es in der Praxis funktioniert

Es gibt eine Formel zur Berechnung des atomaren Verhältnisses nach der Masse der Düngemittel. Als optimal gilt ein Verhältnis, das den Daten von Redfield nahekommt, die Werte dafür sind weiß markiert. Blau und grün sind die Düngemittelverhältnisse, die das Wachstum der entsprechenden Algen fördern.

Einige Hersteller von UDO verwenden und empfehlen das Redfield-Verhältnis, andere kritisieren es, wieder andere äußern sich nicht dazu.

Die zwei Hauptargumente der Kritiker und die Antworten darauf

Argument 1. Der Wissenschaftler hat dieses Verhältnis im Meerwasser entdeckt, und es betrifft das Phytoplankton. Die Anwendung in einem normalen Süßwasseraquarium erscheint weit hergeholt.

Es ist nicht wichtig, wie es aussieht, sondern wie es funktioniert. Das für Pflanzen optimale Verhältnis von Stickstoff und Phosphor liegt bei im Bereich von 10:1 bis 20:1. Dies wurde von vielen Generationen von Aquarianern überprüft.

Was hat Redfield damit zu tun? Möglicherweise haben Aquarianer seine Proportionen versuchsweise verwendet, das Ergebnis war gut und hat sich verbreitet. Vielleicht hat man mit Hilfe dieses Verhältnisses ursprünglich versucht, Algen loszuwerden – man suchte nach einer Methode, die den Pflanzen keinen Schaden zufügt.

Bitte beachten Sie! Es ist auch möglich, dass Aquarianer sich schon lange bevor Redfield seine wissenschaftliche Arbeit schrieb an solchen Verhältnissen orientierten und sein Name von den Herstellern von Düngemitteln für kommerzielle Zwecke verwendet wurde. Wie es tatsächlich war, weiß wohl kaum jemand.

Argument 2. In der Praxis ist es unmöglich, das Verhältnis strikt einzuhalten, da Pflanzen Stickstoff und Phosphor nicht nur aus Düngemitteln beziehen.

Das ist eine berechtigte Bemerkung. Tatsächlich muss man nicht nur die Elemente in einem bestimmten Verhältnis hinzufügen, sondern auch die Zusammensetzung des Wassers im Aquarium überwachen. Stickstoff und Phosphor erhalten Pflanzen auch aus dem Boden, dem Wasser und dem Fischfutter.

Man muss die Zusammensetzung des Wassers im Aquarium überwachen

Dementsprechend muss man regelmäßig Wasseranalysen durchführen, auf Veränderungen innerhalb des Ökosystems achten und gegebenenfalls die Dauer der Beleuchtung und die Dosierung von Düngemitteln anpassen. Allerdings hat niemand behauptet, dass die Einhaltung des Redfield-Verhältnisses alles ist, was man für die Pflege eines Aquariums braucht.

Die Rolle von Düngemitteln im Leben von Aquarienpflanzen

Antworten auf häufig gestellte Fragen

Die Proportionen sind mehr oder weniger klar, aber wie viel Dünger wird mengenmäßig benötigt?

Das hängt von der Anzahl der Pflanzen ab. Je mehr Pflanzen pro Kubikzentimeter vorhanden sind, desto häufiger muss gedüngt werden.

Ich halte mich an Redfield, aber trotzdem sind blaugrüne Algen aufgetaucht, was soll ich tun?

Geben Sie weniger Dünger hinzu, wobei Sie das Verhältnis beibehalten, und/oder verkürzen Sie die Tageslichtdauer auf 6-8 Stunden.

Wie oft muss man Dünger hinzufügen, um das Verhältnis einzuhalten?

Das ist individuell und hängt vom Aquarium ab. Man kann jeden Tag eine kleine Menge oder alle drei Tage eine größere Menge zugeben und darauf achten, dass weder ein Mangel noch ein Überschuss an Nährstoffen entsteht.

Nach welchem Element soll man sich richten: nach Stickstoff oder nach Phosphor?

Nach Phosphor. Wenn dieser fehlt, muss er zugeführt und zusammen mit ihm die 10- bis 12-fache Menge an Stickstoff hinzugefügt werden. Andernfalls wird bei einer Sättigung mit Phosphor Stickstoff zum blockierenden Element.

Wenn Pflanzen Stickstoff und Phosphor aus Fischen, Wasser und Boden beziehen, sind Düngemittel dann vielleicht nicht notwendig?

Ja, das ist möglich. Deshalb sollte man in einem neuen Aquarium nicht voreilig Dünger hinzufügen, sondern zunächst beobachten, wie sich das Ökosystem entwickelt. Wenn es viele Fische und wenige Pflanzen gibt, wird Dünger nicht so schnell benötigt.

Was haben wir also letztendlich? Das Redfield-Verhältnis ist kein Naturgesetz, sondern eher eine interessante Beobachtung, die im Durchschnitt oft für den offenen Ozean zutrifft. Es zeigt eine erstaunliche Konstanz im Verhältnis von Kohlenstoff, Stickstoff und Phosphor in Plankton und Wasser. Es ist, als würden Meeresorganismen sich an eine Art universelles Lebensrezept halten.

Funktioniert das immer? Nein, und genau darin liegt der Hauptgrund für die Kontroversen. In Küstengewässern, Seen oder eisenreichen Gebieten des Ozeans wird dieses Verhältnis leicht gestört. Wissenschaftler streiten nicht darüber, ob es diese Regel gibt, sondern darüber, wie grundlegend sie ist. Die einen sehen darin ein tiefgreifendes Prinzip, die anderen lediglich einen statistischen Zufall, der nur unter idealen Bedingungen gut funktioniert.

Daher sollte das Redfield-Verhältnis heute als nützlicher Anhaltspunkt und nicht als absolute Wahrheit betrachtet werden. Es hilft dabei, Modelle zu erstellen und die allgemeinen Prinzipien des Stoffkreislaufs zu verstehen. Dabei sollte man jedoch immer bedenken, dass die reale Welt, insbesondere an den Küsten, viel komplexer und vielfältiger ist als jede schöne Formel. Sein Wert liegt gerade darin, dass es trotz seiner Einfachheit weiterhin neue Forschungen und Diskussionen in der Meereswissenschaft anregt.