Visualizierung der Wurzel - Wasseraufnahmeprozesse mit der erstmaligen Kombination von Kernspinresonanz- und Neutronentomographie.

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr. Sabina Haber-Pohlmeier; Professor Dr. Sascha E. Oswald
• Fachliche Zuordnung: Bodenwissenschaften ; Hydrogeologie, Hydrologie, Limnologie, Siedlungswasserwirtschaft, Wasserchemie, Integrierte Wasserressourcen-Bewirtschaftung
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 243975263

• Erstellungsjahr: 2019

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Die Rhizosphäre kennzeichnet den Grenzbereich zwischen Boden und Wurzel, dessen Transporteigenschaften durch dynamische Wechselwirkungen von Boden und Pflanze geprägt werden. Die Analyse dieser Wechselwirkungen ist von grundlegender Bedeutung, um die Aufnahme von Wasser- und Nährstoffen besser zu verstehen. Ziel des DFG-geförderten Gemeinschaftsprojektes war es, durch direkte Kombination dieser 3D Bildgebungsverfahren möglichst umfassende Informationen über den Wassertransfer vom Boden in die Pflanze zu gewinnen. Das Teilprojekt "3D Neutronenbildgebung" beschäftigte sich mit der Entwicklung und Anwendung geeigneter neutronenbasierter Bildgebungsmethoden zur quantitativen und dreidimensionalen Erfassung des Wurzelsystems, der Bodenwasserverteilung im Wurzelraum, der Beschreibung von Wasserflüssen durch die Rhizosphäre sowie der anschließende Aufnahme durch die Wurzel. Die Kombinationsfähigkeit der Methode mit weiteren Bildgebungsverfahren, insbesondere MRI, aber auch Röntgen CT, stellte einen wichtigen Aspekt der Arbeit dar. In mehreren mehrtägigen Messkampagnen an den Neutronenquellen des Paul Scherrer Instituts (PSI Viligen/Schweiz) sowie dem Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB/Berlin) wurden kombinierte Messungen an verschiedenen Nutzpflanzen (Ackerbohne, Lupine, Mais) durchgeführt. Während die Pflanzen Zyklen von Tocknung und Wiederbewässerung durchliefen, wurden sie in Intervallen von 12-24 Stunden tomographiert und anschließend durch unsere Projektpartner mit einem mobilen MRI-Gerät gescannt. Die Bilddaten beider Methoden wurden registriert, um das Zusammenführen der komplementären, ortsaufgelösten Information zu realisieren. Die Analyse der Neutronendaten umfasste die Segmentierung der Wurzelsysteme, die Quantifizierung der dreidimensionalen Bodenwasserverteilung und die euklidische Transformation der segmentierten Daten zur Bestimmung des Bodenwassergehalts als Funktion des Abstandes zur Wurzeloberfläche. In den Versuchen konnten geringere Bodenwassergehalte um die Wurzel (Abstand ≤ 3 mm) nach Wiederbewässerung der Pflanzen nachgewiesen werden, die das Vorhandensein hydrophober Zonen in der Rhiszosphäre nach längerer Trockenheit belegen. In unmittelbarer Wurzelumgebung (Abstand ≤ 0,4 mm) wurden zudem erhöhte Wasserkonzentrationen festgestellt, die jedoch zum großen Teil auf Limitierungen in der Ortsauflösung zurückgeführt wurden. Zur sicheren Interpretation dieser Zone sind weitere hochauflöste Neutronenmessungen nötig. Die für die Versuche entwickelten Arbeitsroutinen bilden die methodische Grundlage für systematische Erfassung quasistationärer hydraulischer Zustände der Rhizosphäre. Ein weiteres Ziel, die dynamische Messung von Wasserflüssen und die Wurzelaufnahme, konnte durch die Entwicklung zeitaufgelöster Neutronentomographie erreicht werden. Hierbei wurde ein technischer Durchbruch hinsichtlich bei der Zeitauflösung der Neutronentomographie erzielt (Beschleunigung des Aufnahmeprozesses um zwei Größenordnungen), der erstmalig die zeitaufgelöste Beobachtung von Wasserflüssen durch die Rhizosphäre und den die anschließende Wasseraufnahme durch die Wurzeln und in drei Dimensionen ermöglichte. Dieser wichtige Erfolg in der Methodenentwicklung ist nicht nur relevant für die Rhizosphärenforschung, sondern bietet weitreichende experimentelle Möglichkeiten zur zeitaufgelösten Untersuchung von Transportvorgängen in porösen Medien, die auch für anderen Forschungsbereiche, wie z.B. Material- und Energieforschung oder der Geologie von hoher Bedeutung sein können. Die Resultate dieses Projektteils wurden zum einen im internen Wissenschaftsmagazin der Universität in einem vierseitigen Artikel aufgegriffen (Portal Wissen, 2/2016), zum anderen wurde die Entwicklung der ultraschnellen Neutronentomographie in einer koordinierten Medienmitteilung von Universität Potsdam und HZB gemeinsam bekanntgegeben (Medienmitteilungen der Universität Potsdam, 24. Juli 2017) und auch in Medien aufgegriffen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• 2015. Combining Neutron and Magnetic Resonance Imaging to Study the Interaction of Plant Roots and Soil. Physics Procedia 69, 237-243
  Oswald S.E., Tötzke C., Haber-Pohlmeier S., Pohlmeier A., Kaestner A.P., Lehmann E.
  
• 2017. Capturing 3D Water Flow in Rooted Soil by Ultra-fast Neutron Tomography. Scientific Reports 7, 6192
  Tötzke C, Kardjilov N, Manke I, Oswald SE
  
• 2017. Imaging of root zone processes using MRI T1 mapping. Microporous & Mesoporous Materials 269, 43-46
  Haber-Pohlmeier S., Tötzke C., Oswald S. E., Lehmann E., Blümich B., Pohlmeier, A.
  
• 2017. Mapping water, oxygen, and pH dynamics in the rhizosphere of young maize roots. Journal of Plant Nutrition and Soil Science, 180: 336–346
  Rudolph-Mohr N, Tötzke C, Kardjilov N, Oswald SE
  
• Capturing 3D Water Flow in Rooted Soil by Ultrafast Neutron Tomography. 3rd International Conference on Tomography of Materials and Structures, Lund, Sweden, 26-30 June 2017, ICTMS2017-10
  Tötzke C., Kardjilov N., Manke I., Oswald S.E.
  
• Capturing 3D Water Flow in Rooted Soil by Ultrafast Neutron Tomography. Geophysical Research Abstracts, Vol. 20, EGU2018-15988, 2018, EGU General Assembly 2018
  Tötzke C., Kardjilov N., Manke I., Oswald S.E.