Wie der Klimawandel das Labor verändert

Wo 2 °C Unterschied für die Analytik eine ganze Welt sind

Zwei Grad Celsius: Das ist das Ziel, welches sich Politiker gesetzt haben. Viele Fachleute erwarten schon bei dieser scheinbar kleinen weltweiten Temperaturänderung enorme Auswirkungen auf unsere Umwelt.

Wir wollen hier einmal ein anderes Szenario entwickeln und fragen uns: Was bedeuten eigentlich 2 °C Unterschied in der instrumentellen Analytik? In einem Gedankenexperiment entfernen wir also jegliche Temperaturreglung aus den Analysegeräten im Labor und schauen, wie stark – oder doch vernachlässigbar? – sich ein Raumtemperaturanstieg von 20 °C auf 22 °C auf das Messergebnis auswirkt.

Wenn Enzyme durchdrehen: Biochemische Analytik im Klimawandel

Am dramatischsten wirkt sich die Erwärmung auf enzymatische Reaktionen aus. Fast jedes klinische Labor nutzt Enzyme zur Bestimmung von Glukose, Cholesterin oder anderen relevanten Biomolekülen. Die Enzymreaktionen folgen weitgehend der so genannten Q₁₀-Regel: Pro zehn Grad Temperaturerhöhung verdoppelt sich ihre Aktivität.

Dieser Zusammenhang ist auch als Reaktionsgeschwindigkeit-Temperatur-Regel (RGT-Regel) bekannt und geht auf den niederländischen Chemiker Jacobus Henricus van ’t Hoff zurück, der sie 1884 formulierte (1889 von Svante Arrhenius zur Arrhenius-Gleichung erweitert).

Bei zwei Grad mehr steigt die Enzymaktivität um knapp fünfzehn Prozent. Dies hätte Folgen für medizinische Tests, etwa die Bestimmung des Zuckergehaltes im Blut. Ein Glukose-Assay, der bei 20 °C z.B. korrekt 100 mg/dl anzeigt, würde bei 22 °C bereits 115 mg/dl messen. In der Diabetesdiagnostik könnte das den Unterschied zwischen „gesund“ und „behandlungsbedürftig“ bedeuten.

Der pH-Wert gerät ins Wanken

Auch der pH-Wert reagiert empfindlich auf Temperaturänderungen. Pufferlösungen, die eigentlich für stabile pH-Werte sorgen sollen, zeigen schon bei wenigen Grad Unterschied eine temperaturbedingte Drift.

Die Temperaturabhängigkeit des pH-Wertes hängt vor allem mit der Autoprotolyse des Wassers zusammen. Diese verschiebt sich als endotherme Reaktion bei Temperaturanstieg in Richtung des Ionenprodukts und verursacht ein Absinken des pH-Wertes (Anstieg der H⁺-Konzentration).

H₂O ⇌ H⁺ + OH⁻

Auch Puffersysteme sind über die Dissoziationskonstante K_a temperaturabhängig, was über die van’t Hoff-Gleichung ersichtlich ist:

dln(K_a)/dT = ΔH°/(RT²)

Neben der temperaturabhängigen Dissoziation des Puffers und der Autoprotolyse des Wassers, ist auch die Ionenaktivität einer Temperaturabhängigkeit unterworfen.

Gemäß der Gleichung für den Aktivitätskoeffizient γ gilt:

log γ = -A(T) × z² × √I / (1 + B(T) × a × √I)

Darin sind die Debye-Hückel-Parameter A und B abhängig von der Dielektrizitätskonstante ε(T) und Dichte ρ(T) des Wassers, die ihrerseits temperaturabhängig sind. Der Einfluss dieses Faktors auf den pH-Wert ist jedoch vernachlässigbar gering.

All diese Einflüsse sind im Detail nur sehr aufwändig zu berechnen. Für geringe Temperaturänderungen können sie jedoch linear genähert werden, was in der Praxis durch eine vereinfachte Gleichung der Temperaturabhängigkeit erfolgt:

pH(T) = pH(T₀) + α × (T – T₀)

Dabei ist α der Temperaturkoeffizient, der spezifisch für ein Puffersystem ermittelt wird (meist vom Hersteller angegeben). So ergibt sich für die pH-Änderung eines typischen Phosphatpuffers bei 2 °C Temperaturänderung:

pH(20 °C) = 7,0000

pH(22 °C) = 7,0000 + (-0,0028/°C × 2°C) = 6, 9944

und hieraus eine

H⁺-Konzentration bei 20 °C: 10⁻⁷ mol/l = 1,000 × 10⁻⁷ mol/l

H⁺-Konzentration bei 22 °C: 10⁻⁶’⁹⁹⁴⁴ mol/l = 1,013 × 10⁻⁷ mol/l

Das entspricht einer prozentualen Änderung von +1,3 %.

Ein Phosphatpuffer mit pH 7,0 bei 20 °C sinkt auf pH 6,994 bei 22 °C. Was nach wenig klingt, bedeutet immerhin eine Zunahme der Wasserstoffionen-Konzentration um 1,3 Prozent, bedingt durch den logarithmischen Zusammenhang der pH-Skala (Änderung des pH-Wertes um 1 bedeutet eine Änderung der Wasserstoffionen-Konzentration um den Faktor 10). Bei den hohen Messanforderungen einiger Analysen könnte eine solche Abweichung bereits Auswirkungen haben, z.B. wenn es um Fällungsreaktionen geht oder biochemische Reaktionen, die pH-empfindlich sind.

EXKURS: Versauerung der Ozeane

Was im Labor nur ein Gedankenexperiment ist, geschieht in den Weltmeeren bereits heute: Der pH-Wert sinkt messbar. Dies liegt nicht an der Temperaturabhängigkeit des pH-Wertes, sondern viel mehr daran, dass wärmeres Wasser mehr CO₂ aus der Atmosphäre aufnimmt – mit dramatischen Folgen für das marine Ökosystem.

Seit Beginn der Industrialisierung ist die durchschnittliche Oberflächentemperatur der Weltmeere um rund 1 °C gestiegen und parallel der pH-Wert der Meere von etwa 8,2 auf 8,1 gefallen – eine scheinbar kleine Veränderung mit gewaltigen Konsequenzen. Diese 0,1 pH-Einheiten entsprechen einer Zunahme der Säurekonzentration um fast dreißig Prozent [1].

Der Mechanismus dahinter ist leicht erklärt: Atmosphärisches CO₂ löst sich in Meerwasser und bildet in einer Gleichgewichtsreaktion Kohlensäure [3]:

CO₂ + H₂O ⇌ H₂CO₃ ⇌ H⁺ + HCO₃⁻

Mehr CO₂ bedeutet mehr H⁺-Ionen und damit einen niedrigeren pH-Wert. Die Folgen dieser Entwicklung: Korallen können ihre Kalkskelette schlechter aufbauen (Kalzium-Carbonat CaCO₃ ist säureempfindlich), ihre Exoskelette werden dünner und brüchiger [2].

Die Schalen von Pteropoden (Meeresschnecken) sind etwa in saurem Wasser bis zu 37 Prozent dünner als in weniger saurem Meerwasser [4]. In besonders sauren Meeresregionen zeigen diese Organismen bereits heute Auflösungserscheinungen an ihren Schalen [4,5].

Bis zum Jahr 2100 könnte der Meeres-pH-Wert um weitere 0,3 bis 0,4 Einheiten fallen [6] – das wäre eine Verdopplung bis Verdreifachung der aktuellen Säurekonzentration. Was das für komplette Nahrungsketten bedeutet, deren Basis oft schalenbildende Organismen sind, können Meeresbiologen nur erahnen. Besonders gefährdet sind laut Expertenschätzung kalttemperierte Korallenriffe und polare Meeresregionen [6].

Während die Temperatur (und damit der pH-Wert) im Labor kontrollierbar ist, bleiben die Weltmeere dem veränderten Klima ungeschützt ausgesetzt. Die Ozeanversauerung ist eine der größten ökologischen Herausforderungen unserer Zeit und führt eindrücklich vor Augen: Bei der Erderwärmung kommt es auf jedes eingesparte Zehntel-Grad an.

Chromatographie verliert ihre Präzision

In der Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC) führen 2 °C Temperaturunterschied bereits zu einer merklichen Verschiebung der Retentionszeiten. Als Ursache ist hier vor allem das Verteilungsgleichgewicht zwischen stationärer und mobiler Phase zu nennen, was sich mit der Temperatur verändert. Die van’t Hoff-Gleichung beschreibt es wie folgt:

ln(k’) = -ΔH°/(RT) + ΔS°/R + ln Φ

Dabei ist k’ der Retentionsfaktor, ΔH° die Standardenthalpie der Analytverteilung zwischen den Phasen, ΔS° die entsprechende Entropieänderung, R die Gaskonstante, T die absolute Temperatur und Φ das Phasenverhältnis der Säule.

Die Formel zeigt eine umgekehrte Temperaturabhängigkeit: Sprich, höhere Temperaturen führen zu niedrigeren Retentionsfaktoren und damit zu kürzeren Retentionszeiten. Als Faustregel für kleine Analyt-Moleküle gilt hier, dass die Retentionszeit pro Grad Temperaturanstieg um zwei Prozent sinkt. [7]

Parallel zum Verteilungsgleichgewicht ändert sich aber auch die Viskosität des Laufmittels: Sie sinkt um 2,2 Prozent, was den Säulendruck reduziert und die Trennung weiter beeinflusst. Für ein Pharmaunternehmen, das Arzneimittel auf Reinheit prüft, wären solche Abweichungen bereits dramatisch. Quantitative Bestimmungen würden systematisch fehlerhaft, und die Methodenvalidierung müsste komplett überarbeitet werden.

Leitfähigkeitsmessungen driften weg

Die elektrische Leitfähigkeit von Lösungen steigt linear mit der Temperatur – um etwa zwei Prozent pro Grad. Bei zwei Grad Erwärmung bedeutet das eine Zunahme um vier Prozent.

Eine Salzlösung mit 1.000 µS/cm bei zwanzig Grad zeigt bei zweiundzwanzig Grad plötzlich 1.040 µS/cm. In der Wasseranalytik würde das zum Beispiel zu falschen Ionenkonzentrationen führen. Trinkwassergrenzwerte könnten scheinbar überschritten werden, obwohl sich die tatsächliche Zusammensetzung nicht geändert hat.

Wenn Referenzelektroden falsche Werte liefern

Auch die Elektrochemie bleibt nicht verschont. Die Nernst-Gleichung – das Herzstück aller elektrochemischen Messungen – enthält die Temperatur im Zähler: E = E₀ + (RT/nF) × ln(Q).

Der Nernst-Faktor RT/F steigt von 58,85 mV pro Dekade bei 20 °C auf 59,16 mV bei 22 °C. Das sind 0,53 % mehr – genug, um pH-Elektroden systematisch falsche Werte anzeigen zu lassen.

Fazit

Das Gedankenexperiment zeigt: Temperatur ist ein kritischer Qualitätsfaktor in vielen Bereichen der Analytik. Schon zwei Grad Celsius Unterschied können signifikante Änderungen bewirken, sei es bei Enzymreaktionen, pH-Werten oder anderen temperaturabhängigen Größen wie elektrischer Leitfähigkeit, Viskosität und Ionenlöslichkeit.

In der Laborpraxis sorgen präzise Temperaturmessung, Ausgleichsrechnungen in den Systemen sowie eine exakte Temperaturregelung dafür, dass die Analysenergebnisse stets reproduzierbar sind. Daher ist es wichtig, dass die Geräte regelmäßig gewartet werden und die Kalibrierung geprüft bzw. erneuert wird.

Quellen:

[1] American Scientist: Ocean acidification: the other climate change issue – https://www.americanscientist.org/article/ocean-acidification-the-other-climate-change-issue

[2] Woods Hole Oceanographic Institution: Scientists identify how ocean acidification weakens coral skeletons – https://www.whoi.edu/press-room/news-release/scientists-identify-how-ocean-acidification-weakens-coral-skeletons/

[3] Ocean Acidification ICC: Why ocean acidification is called climate change’s evil twin – https://news-oceanacidification-icc.org/2024/12/25/why-ocean-acidification-is-called-climate-changes-evil-twin/

[4] NCBI PMC: Pteropod shell thinning in natural CO₂ gradients – https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC7814018/

[5] Coast Adapt: Ocean acidification and its effects – https://coastadapt.com.au/ocean-acidification-and-its-effects

[6] European Environment Agency: Ocean acidification indicators – https://www.eea.europa.eu/en/analysis/indicators/ocean-acidification

[7] https://www.chromatographyonline.com/view/how-much-retention-time-variation-normal-0

Berechnungen

Enzymaktivität

Formel:

v(T) = v₀ × Q₁₀^{((T-T₀)/10 °C)}

v(T) = Geschwindigkeit bei Temperatur T
v₀ = Anfangsgeschwindigkeit bei der Referenztemperatur T₀
Q₁₀ = Temperaturkoeffizient (für Enzyme typischerweise gleich 2)
T = neue Temperatur
T₀ = Referenztemperatur
/10 °C, weil Q₁₀ per Definition für 10-°C-Schritte gilt

Beispielrechnung:

v₀ = 100 U/ml bei 20 °C; mit U = Enzymaktivität >> 1 Unit = 1 μmol Substrat min^-1
v(22°C) = 100 U/ml × 2^{((22 °C-20 °C)/10 °C)}
v(22°C) = 114,9 U/ml >> Prozentuale Änderung: +14,9 %