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Prof. Friedrich Widdel

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Mikrobiologie . Ökologie

Öl-Abbau ohne Sauerstoff

15. September 2010

Bakterien können von fast allem leben, manche sogar von Öl. Friedrich Widdel, Direktor am Max-Planck-Institut für marine Mikrobiologie, erforscht Mikroben, die Öl-Kohlenwasserstoffe tief im Sediment ohne Sauerstoff abbauen. Könnten sie bei Tankerunfällen helfen?

Text: Tim Schröder

Appetit auf Unappetitliches: Manche Bakterien (dunkle Stäbchen) gedeihen in ungewöhnlichen Lebensräumen und ernähren sich von Öl (helle Blasen). Bild vergrößern
Appetit auf Unappetitliches: Manche Bakterien (dunkle Stäbchen) gedeihen in ungewöhnlichen Lebensräumen und ernähren sich von Öl (helle Blasen). [weniger]

So weit haben es die Bakterien in Sachen Schönheit gebracht“, sagt Friedrich Widdel und legt einige Schwarz-Weiß-Fotos auf den Tisch. Das eine zeigt einen Haufen dünner schwarzer Striche, ein anderes kleine graue Kleckse. Rein äußerlich geben Bakterien nicht viel mehr her als abstraktes Gewimmel. Für Widdel sind sie trotzdem so spannend, dass er sie seit mehr als 30 Jahren erforscht. „Ihr Stoffwechsel ist absolut faszinierend. Bakterien können Dinge, die kein höheres Lebewesen vermag.“

In der Tat haben manche von ihnen einiges auf Lager: Sie bauen Substanzen ab, die für Tier und Mensch unverdaulich sind, wie Zellulose, oder giftig wie Schwefelwasserstoff. Sie fangen Stickstoff aus der Luft und versorgen Pflanzen damit.

Niemand weiß, wie viele Bakterienarten es gibt, und der allergrößte Teil ist wahrscheinlich noch unentdeckt. Vermutlich gibt es keinen Flecken auf der Welt, an dem sich nicht das eine oder andere Bakterium wohlfühlt. Die Einzeller besiedeln Böden, Gräben, Kläranlagen, heiße Tiefseequellen und das arktische Meereis. Viele Billionen dieser mikroskopischen Winzlinge tummeln sich allein in und auf unserem Körper, im Darm oder auf der Haut. Und das ist gut so. Denn die Mikroben wehren Feinde ab und versorgen uns mit lebenswichtigen Substanzen.

Mit Schwefelwasserstoff in einem Öltank fing es an

Friedrich Widdel interessiert sich vor allem für jene bakteriellen Spezialisten, die ganz ohne Sauerstoff auskommen – die „Anaerobier“, die zum Atmen stattdessen Schwefel- oder Stickstoffverbindungen aus der Umgebung schöpfen. Den Forscher vom Bremer Max-Planck-Institut für marine Mikrobiologie begeistern besonders solche Bakterienstämme, die Öl abbauen können und sich in exotischen Habitaten wohlfühlen: unter Ölmatten am Strand oder im sauerstofffreien, öligen Sediment am Meeresboden.

Das Thema hat Widdel schon vor langer Zeit gepackt, 1982, als ihn ein befreundeter Ingenieur durch ein Öllager führte. Es hatte Probleme mit einem Rohöltank gegeben, einem Separator, in dem das Ölwassergemisch aus den Bohrungen aufgetrennt wird. In den Behältern hatte sich giftiger, nach faulen Eiern stinkender Schwefelwasserstoff gesammelt, eine korrosive Substanz, die sogar Stahlleitungen angreifen kann, „Sauergas“.

Friedrich Widdel, Edgar Büttner und Romana Appel bereiten eine Probe mit den langsam wachsenden anaeroben Bakterien vor. Bild vergrößern
Friedrich Widdel, Edgar Büttner und Romana Appel bereiten eine Probe mit den langsam wachsenden anaeroben Bakterien vor. [weniger]

Schwefelwasserstoff kommt in vielen Öllagerstätten vor. Es entsteht dort durch chemische Reaktionen bei sehr hohen Temperaturen tief im Untergrund, das wusste man. Aber warum sich Schwefelwasserstoff auch in dem lauwarmen Tank bildete, darauf konnte man sich keinen Reim machen. Widdel war ziemlich schnell klar, dass in dem sauerstofffreien Tank anaerobe Bakterien am Werk sein müssten, denn Schwefelwasserstoff ist ein typisches Abbauprodukt des anaeroben Stoffwechsels. Doch wovon sollten die sich ernähren?

Anfang der 1980er-Jahre glaubte man noch, dass Rohöl nur von Sauerstoff zehrenden, „aeroben“, Bakterien abgebaut wird. Rohöl besteht aus Kohlenwasserstoffen, vorwiegend aus den sogenannten Alkanen, langen Ketten aus Kohlenstoffatomen, an denen lediglich Wasserstoffatome hängen. Im Stoffwechsel der aeroben Bakterien läuft der Abbau der Alkane so ähnlich wie im Automotor ab. Die langen Ketten werden dabei in Stücke gerissen und reagieren anschließend mit Sauerstoff – übrig bleiben allein Kohlendioxid und Wasser.

Auch ohne Luft werden Ölbestandteile abgebaut

Die Energiemengen, die bei der Reaktion mit Sauerstoff frei werden, sind immens. Deshalb kommt man mit einem Liter Benzin auch recht weit. Und für aerobe Bakterien ist die Verwertung von Alkanen mit Sauerstoff ein geradezu festliches Mahl. Aber für die Anaerobier? Viele Fachleute gingen damals davon aus, dass eine anaerobe Alkanverwertung unmöglich sei. Sonst hätten Bakterien diese Substanzen im Laufe der Jahrmillionen doch aus den Erdöllagerstätten herausgefressen.

Wie sich herausstellte, war diese Hypothese zwar einleuchtend, aber falsch. Friedrich Widdel nahm Wasser mit Ölresten aus den Tanks mit ins Labor und verpackte es luftdicht. Dann wartete er. Tatsächlich. Langsam aber sicher bildete sich im Probengläschen Schwefelwasserstoff, und der konnte nur aus dem Abbau des Rohöls mit der Schwefelverbindung Sulfat stammen. Was dabei im Stoffwechsel der Bakterien abläuft, hat man bis heute erst zu einem Teil verstanden. Widdel versucht deshalb auch, jene Eiweiße zu finden, die am Abbau beteiligt sind.

Es sieht ganz so aus, als würden die Anaerobier die Ketten zuerst verlängern und dann stückweise zerlegen, um die Stücke schließlich einzeln zu veratmen. Statt des Sauerstoffs nutzen die Anaerobier dafür beispielsweise Sulfat, das im Meerwasser in sehr viel höheren Konzentrationen vorkommt als Sauerstoff. Selbst wenn der Sauerstoff wie im Ölseparator- Tank längst verbraucht ist, steht den Anaerobiern noch einiges an Sulfat zur Verfügung. Als ein Endprodukt der Reaktion des Sulfats mit den Alkanen entsteht dann in den Bakterien über eine komplizierte Folge von Stoffwechselprozessen Schwefelwasserstoff. Um solche und andere unerwünschte Bakterien bei der Erdölförderung zu unterdrücken, setzt man deshalb dem Wasser, das bei der Ölförderung in die Lagerstätten gepumpt wird, bei Bedarf antibakterielle Substanzen zu.

Anaerobe Bakterien überleben auch ohne Sauerstoff: In den luftdichten schwimmt Öl über einer Nährlösung für die Mikroorganismen. Bild vergrößern
Anaerobe Bakterien überleben auch ohne Sauerstoff: In den luftdichten schwimmt Öl über einer Nährlösung für die Mikroorganismen. [weniger]

Vielen erschien die These vom anaeroben Alkan- und Ölabbau zunächst als zu gewagt. Widdel musste seine Ergebnisse absichern, schließlich war es ja denkbar, dass Sauerstoff durch die Gummistopfen langsam in die dicht verschlossenen Bakteriengefäße eingedrungen sein könnte. Denn hundertprozentig dichten Gummi oder Kunststoff gibt es nicht. „Wir haben unsere Ölproben dann einfach in kleine Glasampullen eingeschweißt“, sagt Widdel mit einem Lächeln. Luftdichter geht es nicht. Und damit gelang ihm der endgültige Beweis: Die Alkanketten werden anaerob zu Kohlendioxid abgebaut, wobei sich das Sulfat in Schwefelwasserstoff verwandelt!

Die meisten Anaerobier gedeihen nur langsam

Warum die Bakterien die Lagerstätten in Jahrmillionen nicht längst leer gefressen haben, kann man bislang nicht wirklich erklären. Es ist möglich, dass sich manche Ölreservoire stark erhitzten und deshalb noch heute nahezu keimfrei sind. In anderen Fällen kann man sehr genau sehen, dass Bakterien am Werk waren. Die Winzlinge sind Feinschmecker. Aus dem Gemisch Hunderter verschiedener Alkane im Rohöl suchen sie sich genau die Verbindungen heraus, die am besten verdaulich sind, Hexadekan zum Beispiel, ein Molekülgerüst mit 16 Kohlenstoffatomen.

Viele Bakterien zerlegen totes Plankton mit Sauerstoff zu Wasser und Kohlendioxid. Am sauerstofffreien Meeresgrund zersetzen Anaerobier einen weiteren Teil des organischen Materials mit Sulfat. Dabei entsteht Schwefelwasserstoff und Kohlendioxid. Was dann noch übrig bleibt, wird im Meeresboden zu Öl und Gas umgewandelt. An natürlichen Ölquellen ernähren sich wiederum Anaerobier von Ölbestandteilen. Bild vergrößern
Viele Bakterien zerlegen totes Plankton mit Sauerstoff zu Wasser und Kohlendioxid. Am sauerstofffreien Meeresgrund zersetzen Anaerobier einen weiteren Teil des organischen Materials mit Sulfat. Dabei entsteht Schwefelwasserstoff und Kohlendioxid. Was dann noch übrig bleibt, wird im Meeresboden zu Öl und Gas umgewandelt. An natürlichen Ölquellen ernähren sich wiederum Anaerobier von Ölbestandteilen. [weniger]

Analysiert man eine solche Ölprobe mithilfe eines Gas-Chromatografen, einem Apparat, der Spuren bestimmter Stoffe exakt nachweisen kann, dann sieht man, dass manche Alkane fehlen. Dass Rohöle aus verschiedenen Lagerstätten unterschiedliche Eigenschaften und Qualitäten haben, kann also zum Teil das Ergebnis des anaeroben Fraßwerks sein.

Wer mit Anaerobiern arbeitet, braucht Geduld. Viele Anaerobier gehören zu den Faultieren unter den Mikroorganismen. Sie wachsen und vermehren sich im Zeitlupentempo. Niemand weiß wirklich, warum das so ist. Das wohlbekannte Laborbakterium Escherichia coli hingegen, das Arbeitspferd der Biotechnologen, ist ein wahrer Sprinter. Es lebt und werkelt mit Sauerstoff. Wenn es sich wohlfühlt, teilt es sich alle 20 Minuten. In zehn Stunden entspringen aus einer solchen Bakterienzelle Milliarden Nachkommen.

Widdels Bakterien haben in derselben Zeit noch nicht einmal mit dem Wachstum begonnen. Sie lassen sich für eine Teilung Tage oder mitunter Wochen Zeit. „Sie leben und sterben langsam“, sagt der Forscher. Das macht die Zucht solcher Mikroben zur Sysiphosarbeit. Die Mikrobiologen haben das Ziel, reine Bakterienkulturen herzustellen, um deren Funktion zu verstehen. Doch in einer Wasser- oder Sedimentprobe wimmeln meist viele verschiedene Bakterienstämme durcheinander. Um in diesem mikroskopischen Gewirr genau jenen Bakterienstamm zu finden, der tatsächlich das Öl abbaut, wird die Probe immer weiter verdünnt, bis schließlich – rein statistisch gesehen – nur noch ein Bakterium im Laborgefäß schwimmt.

Zwischendurch aber müssen sich die Bakterien immer wieder vermehren, damit die Forscher überprüfen können, ob sich das ölabbauende Bakterium überhaupt noch in der verdünnten Probe befindet. Das kostet Zeit. So viel Zeit, dass Widdel in den ersten Jahren nur selten einmal einen Doktoranden auf seine ölabbauenden Anaerobier ansetzen konnte. Die Verdünnungsreihen waren für ihn und seine Mitarbeiter daher lange Zeit eher ein Nebenjob.

Schwefelwasserstoff macht zusätzliche Probleme

Inzwischen haben die Bremer eine ganze Reihe reiner Stämme isoliert. Doch einen wirklich flotten Anaerobier haben sie bislang nicht gefunden. Für das große Aufräumen nach einem Ölunfall taugen diese Bakterien daher nicht, ist sich der Forscher sicher. Sie sind einfach zu langsam. Bei Tankerhavarien oder Unfällen wie dem im Golf von Mexiko treten innerhalb weniger Tage Tausende Tonnen Rohöl aus. Dagegen sind selbst die flinken aeroben, Sauerstoff zehrenden Vettern anfangs machtlos. Die Flut treibt die Öl- und Teermassen an Land, wo sich oft fette Klumpen aus veröltem Schlick und Sand bilden. Widdels Bakterien werden schließlich überall dort aktiv, wo der Sauerstoff knapp wird – unter den schwarzen Ölpaketen am Strand zum Beispiel, aber auch an natürlichen Ölsickerstellen am Meeresgrund oder eben in Erdöllagerstätten.

In einem Laborversuch (links: 1. Tag, Mitte: 6. Tag, rechts: 26. Tag) reinigen Mikroorganismen ein mit Öl bedecktes Stück Wattenmeer. Allerdings nur oberflächlich: Unter dem Sand bleibt eine zähe Ölschicht zurück. Bild vergrößern
In einem Laborversuch (links: 1. Tag, Mitte: 6. Tag, rechts: 26. Tag) reinigen Mikroorganismen ein mit Öl bedecktes Stück Wattenmeer. Allerdings nur oberflächlich: Unter dem Sand bleibt eine zähe Ölschicht zurück. [weniger]

Manchmal entstehen durch einen Ölunfall sogar direkt im Wasser sauerstoffarme Zonen, denn die aeroben Ölabbauer ziehen den lebenswichtigen Sauerstoff aus dem Meerwasser. Um einen Tropfen Öl von nur etwa 0,2 Milliliter vollständig abzubauen, benötigen Aerobier den Sauerstoff aus bis zu 80 Litern Wasser. Die Aerobier zapfen sich bei großen Ölmengen in der Umwelt selbst ihr Lebenselixier ab. Ist der Sauerstoff schließlich gänzlich verschwunden, schalten sich die Anaerobier ein. Gemächlich machen sie sich über Ölbestandteile her.

Tritt das Öl in Massen aus, kann es an solchen Stellen ein zusätzliches Problem geben. Durch die Sauerstoffzehrung und den anaeroben Abbau entsteht Schwefelwasserstoff, der schon in geringen Konzentrationen giftig ist. „Je mehr man sich mit den verschiedenen Aspekten des Erdölabbaus beschäftigt, desto deutlicher wird, dass wir mit dem wertvollen Rohstoff Erdöl viel bewusster und verantwortungsvoller umgehen müssen“, sagt Widdel. „Ein Erdölunfall sollte uns alle angehen, schließlich nutzt jeder von uns Erdöl.“

Der Abbau dicker Rohölmassen bei mangelnder Sauerstoffversorgung dauert Jahre oder gar Jahrzehnte und bleibt wahrscheinlich dennoch unvollständig. Deshalb findet man noch lange Zeit nach einer Havarie tief im Strandsand schwarze schmierige Ölreste. Aber die Anaerobier haben Zeit. Schon seit Millionen von Jahren fressen sie gemächlich am Öl, das seit jeher ganz natürlich aus Lagerstätten ins Meer dringt. So findet man anaerobe Ölabbauer überall in kohlenwasserstoffhaltigen Meeressedimenten, sei es im Schlick eines friesischen Jachthafens oder im Golf von Kalifornien im Westen Mexikos.

In rund 2000 Meter Tiefe steigt dort in einem Meeresbecken heißes Wasser aus Ritzen in der Erdkruste in den Meeresboden auf. In der Hitze köcheln die Reste abgestorbener Algen, die massenhaft von der Meeresoberfläche herabrieseln. Hier läuft die Erdölentstehung im Zeitraffer ab. Rohöl bildet sich für gewöhnlich tief unter dem Meer unter Hunderte Meter mächtigen Sedimentpaketen, wo hohe Temperaturen und gewaltige Drücke herrschen. In einem solchen geologischen Dampfdrucktopf werden sauerstoffreiche Zucker oder Fettsäuren aus der toten Biomasse zu Kohlenwasserstoffen eingekocht.

Manche Mikroorganismen bauen Erdöl zu Methan ab

Im warmen Meeresboden des Golfs von Kalifornien aber kann man die Erdölentstehung schon wenige Meter tief im Meeresgrund quasi live miterleben. Schon bevor Friedrich Widdel 1992 die Leitung der Abteilung Mikrobiologie am Bremer Max-Planck-Institut übernahm, war er mit dem Tauchboot „Alvin“ der Woods Hole Oceanographic Institution aus Massachusetts während einer Expedition vor Kalifornien zu den heißen Quellen abgetaucht.

In der eintönigen grauen Meeresbodenlandschaft des Guyamas Becken vor der Küste Kaliforniens tauchen in 2 000 Metern Tiefe weißliche schwefelhaltige Ablagerungen auf - ein Zeichen für Schwefelwasserstoff aus tieferen Sedimentschichten. Bild vergrößern
In der eintönigen grauen Meeresbodenlandschaft des Guyamas Becken vor der Küste Kaliforniens tauchen in 2 000 Metern Tiefe weißliche schwefelhaltige Ablagerungen auf - ein Zeichen für Schwefelwasserstoff aus tieferen Sedimentschichten. [weniger]

Zunächst sah er im Licht der Bordscheinwerfer nur graues Sediment. Dann plötzlich tauchten gelblich-weiße Flecken auf, pfannkuchengroße Ablagerungen aus Schwefel – ein sicheres Zeichen für Bakterien. „Wir haben mit dem Roboterarm in den Boden gestochen, und plötzlich stiegen kleine gelbliche Öltröpfchen auf wie Olivenöl im Wasserglas“, erzählt Widdel. Er hat dort interessante Anaerobier gefunden. Mehrere hegt er heute in Kultur.

Seine winzigen Laborbewohner haben ihn schon manches Mal überrascht. Damals zum Beispiel, als er untersuchte, ob mit den langkettigen Kohlenwasserstoffen auch ohne Sulfatzugabe etwas passiert. Dabei entwickelten sich tatsächlich ganz andere Mikroorganismen, die langkettige Kohlenwasserstoffe aus dem Erdöl zu Methan abbauen, dem Hauptbestandteil von Erdgas. Als Friedrich Widdel seine anaeroben Mikroben im Labor kultivierte, war ihm klar, dass der Druck steigt, wo Gas entsteht. Trotzdem unterschätzte er die Einzeller.

Als er eines Tages im Brutschrank nachsah, war ein Glasfläschchen geplatzt und dessen Inhalt verteilt worden. Widdel erinnert sich noch heute mit ein wenig Wehmut an den Verlust einer produktiven Bakterienkultur, die er lange gepflegt hatte. Bei einer vollständigen „mikrobiellen Alkan-Vergasung“ kann das Volumen um ein Vielhundertfaches zunehmen. Vielleicht haben ja solche Bakterien zum Gas in Erdöllagerstätten beigetragen.

Natürlich beschäftigt sich Friedrich Widdel nicht nur mit ölabbauenden Bakterien. Denn Anaerobier haben noch weitaus mehr auf dem Kasten. So stehen auf dem Regal seines Brutraums dicht verschlossene Flaschen aufgereiht, in denen Blechstreifen ruhen. Das Blech ist die Nahrungsquelle für Anaerobier, die direkt metallisches Eisen verwerten und korrodieren. Widdel will damit das Problem der Biokorrosion in eisernen Rohrleitungen verstehen.

Das Thema Kohlenwasserstoff aber ist sicher eines, mit dem er sich bis heute am längsten befasst hat. Friedrich Widdel sucht weiter nach neuen Bakterienstämmen mit interessanten Eigenschaften – in Proben, die er selber aus dem Sediment des Wattenmeers holt, oder in Gläschen, die ihm Kollegen von Forschungsfahrten mitbringen. Er geht davon aus, dass ihn das eine oder andere Bakterium noch mit seinen Fähigkeiten überraschen wird. Nur an eines glaubt er nicht: „An das Superbakterium, das Ölverschmutzungen in Rekordzeit wegfrisst. Denn auch Abbauleistung und Bakterienstoffwechsel sind natürliche Grenzen gesetzt.“ 

Zuchtbakterien für die Ölbekämpfung?

Bei jedem größeren Ölunfall streiten Experten darum, wie sich derartige Katastrophen in Zukunft vermeiden und wie sich die Verschmutzungen am schnellsten bekämpfen lassen. Diskutiert wird dabei immer wieder der Einsatz von Bakterien aus der Laborzucht, die das Öl in Windeseile vertilgen sollen – schneller und vollständiger als die natürlich wachsenden Mikroben.

Nur wenn ausgetretenes Öl nach einem Unfall in kleine Tröpfchen verteilt, können Bakterien es effektiv abbauen. Aber auch dann verlangsamen Sauerstoff- und Nährstoffmangel die Abbaurate. Anaerobe Bakterien wachsen zudem zu langsam, um großflächige Verschmutzungen zu reinigen. Bild vergrößern
Nur wenn ausgetretenes Öl nach einem Unfall in kleine Tröpfchen verteilt, können Bakterien es effektiv abbauen. Aber auch dann verlangsamen Sauerstoff- und Nährstoffmangel die Abbaurate. Anaerobe Bakterien wachsen zudem zu langsam, um großflächige Verschmutzungen zu reinigen. [weniger]

Aus mikrobiologischer Sicht ist ein solcher Großeinsatz aber kaum realisierbar. Selbst wenn die Bakterien den abrupten Übergang aus der Laborkultur ins Meer überleben sollten und das Öl zu vertilgen beginnen, wird sich der Abbau schnell verlangsamen, weil die Mikroorganismen zugleich lebenswichtige Mineralien aus dem umgebenden Meerwasser verbrauchen. Problematisch ist auch, dass die aeroben Bakterien, die Öl sehr effizient mit Sauerstoff abbauen, viel davon benötigen. Die Folge ist ein Sauerstoffmangel – oftmals schon innerhalb eines Millimeters unter der Oberfläche einer Erdölschicht am Strand. Auch das verhindert den Abbau. Die anaeroben Bakterien wiederum arbeiten zu langsam, als dass sie das Öl vernichten könnten, ehe es sich in eine kompakte teerige Masse verwandelt.

Erschwerend kommt hinzu, dass die Bakterien nur an der Grenzfläche von Wasser und Öl aktiv sind. Inmitten der Ölmassen findet überhaupt kein Ölabbau statt. Mit dem Verklumpen der Ölteppiche nimmt die Abbaurate daher deutlich ab. 

 

GLOSSAR

Anaerobier
Lebewesen, die im Gegensatz zu Aerobiern Stoffwechsel ohne Sauerstoff betreiben. Für manche von ihnen ist Sauerstoff sogar giftig.

Gas-Chromatograf
Gerät, das ein Substanzgemisch auftrennt. Das Gemisch wird mit einem Trägergas durch eine feine, 10 bis 50 Meter lange, zu einer Spule gewickelten Röhre geschickt. Das Kapillarrohr ist mit einer Substanz ausgekleidet, an der Stoffe je nach ihrer Polarität und ihrem Dampfdruck unterschiedlich lange verweilen. Dementsprechend treten sie nach verschiedenen Zeiten aus dem Rohr.

Alkane
Verbindungen, die aus Kohlenstoff und Wasserstoff bestehen und keine Doppelbindungen enthalten. Die Kohlenstoffatome bilden dabei ein Gerüst aus einer Kette, die auch verzweigt und zu einem Ring geschlossen sein kann. An allen freien Bindungsstellen sitzt ein Wasserstoff atom. Sie werden hauptsächlich aus Erdöl gewonnen.

 
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