Modellierung von Rhizosphärenprozessen

Der wurzelnahe Boden (Rhizosphäre) ist ein hoch dynamisches System, in dem viele unterschiedliche Prozesse zur Stoffaufnahme durch die Pflanzenwurzel beitragen. Diese Stoffabreichung im Boden durch die Pflanzenwurzeln findet auch bei Metall/Metalloid (Phyto)extraktion große Anwendung. Ein mächtiges Hilfsmittel, die zugrundeliegenden Prozesse bei Pflanzenverfügbarkeit und Aufnahme von Metallen/Metalloiden zu untersuchen, stellen mathematische Modelle dar. Ziel dieses Projektes ist, zu einem besseren Verständnis über die Rhizosphärenprozesse, die bei der Pflanzenverfügbarkeit zu ausgewählten Hyperaccumulatoren eine Rolle spielen, beizutragen. Das geeignete Hilfsmittel dazu sind mechanistische Rhizsphärenmodelle, die Konzentrationsgradienten in der Rhizosphäre und Stoffaufnahme simulieren können. In diesem Projekt wird es im einzelnen darum gehen, mathematische Formulierungen für sogenannte single root models zu finden, die geeignet sind, die Aufnahme von Metallen/Metalloiden aus dem Boden zu simulieren, und die dazu nötigen numerischen Algorithmen und ein Computersimulationsprogramm zu schaffen. Zusätzlich sind Modellvalidierung und Sensitivitätsanalysen vorgesehen. Ein pde-solver, ein Software Paket, daß partielle Differentialgleichungen und die dazugehörigen Anfangs- und Randbedingungen automatisch löst, wird zum Einsatz kommen und damit den Zyklus Modellbildung-Simulation-Validierung beschleunigen ("rapid prototyping"). Die wichtigsten Prozesse, die bei der Metallaufnahme eine Rolle spielen, werden so identifiziert, und auf dieser Basis wird ein Computersimulationsprogramm erzeugt werden. Die Ergebnisse dieses Projektes werden das Verständnis für die zugrundeliegenden Prozesse bei der Phytoextraktion von Metallen aus dem Boden erhöhen, und Schlüsselprozesse für die Entwicklung und Verbesserung von Phytosanierungstechnologien herausarbeiten.

Der wurzelnahe Boden (Rhizosphäre) ist ein hoch dynamisches System, in dem viele unterschiedliche Prozesse zur Nähr- und Schadstoffaufnahme durch die Pflanzenwurzel beitragen. Ziel dieses Projekts war es, mit Hilfe von mathematischen Modellen jene Prozesse zu untersuchen, die in der Rhizosphäre zur Bioverfügbarkeit von Schadstoffen beitragen. Im Hintergrund unserer Untersuchungen steht die Erwartung, Pflanzen für die Sanierung kontaminierter Böden zu verwenden. Die enge Zusammenarbeit zwischen Modellierern und Experimentalisten ermöglichte es uns, dieses Ziel zu erreichen. Insbesondere haben wir uns mit der Bioverfügbarkeit von Ni für das Ni hyperakkumulierende Gösing- Täschelkraut (wissenschaftlicher Name: Thlaspi goesingense) und mit der Schwermetall- und Wasseraufnahme durch Weiden beschäftigt. Messdaten für Modellvalidierung und Parametrisierung wurden entweder selbst gemessen oder mit Hilfe von Literaturdaten geschätzt. Aufgrund seiner geringen Biomasse ist das Gösing-Täschelkraut nicht für eine praktische Anwendung für die Phytoextraktion geeignet, sondern dient als Modellpflanze, um die relevanten Rhizosphärenprozesse zu studieren. In unseren Untersuchungen wurden die Pflanzen in kontaminierten Böden gezogen und auf der Ebene der Einzelwurzel studiert. Unter diesen Bedingungen war die Ni Aufnahme am stärksten von den Pflanzenparametern abhängig. Weiters weisen unsere Ergebnisse darauf hin, dass der pflanzenverfügbare Ni Pool im Boden durch Wurzelausscheidungen erhöht werden kann, welche Ni-haltige Primärminerale auflösen können. Es ist bekannt, dass Weiden hohe Mengen Schwermetalle in ihren Blättern akkumulieren können. Ihre hohe Biomasse macht sie für praktische Anwendungen attraktiv. In einem Topfexperiment mit Weiden haben wir Wassergehaltsmessungen in verschiedenen Tiefen durchgeführt. Unsere Ergebnisse stimmen qualitativ mit den Ergebnissen eines mathematischen Modells überein, dass eine Austrocknungszone in der Mitte der Wurzelzone berechnet. Nachdem Wasser eine wichtige Voraussetzung für die Stoff- und damit Schwermetallaufnahme ist, kann dies wichtige Auswirkungen auf die Selektion bestimmter Genotypen haben, mit dem Ziel, die Phytoextraktion effizienter zu machen. Rhizosphärenmodelle und Inputparameterwerte wurden in einer Datenbank zusammengestellt, die unter http://rhizo.boku.ac.at/start abrufbar ist. Eines der Hauptziele der Datenbank ist es, Rhizosphärenmodelle zugänglich zu machen und wichtige Informationen für Wissenschaftler bereitzustellen, die Rhizosphärenmodelle verwenden möchten. Genaue Bestimmung der Modell-Inputparameter ist Voraussetzung für eine erfolgreiche Modellierung. Bei der Einsatz geeigneter Probenahmeschemen und Meßtechnicken ist mit methodischen Schwierigkeiten zu rechnen. In unserem Projekt waren davon zum Beispiel die Wurzelanalyse oder die Bestimmung von Desorptionsisothermen betroffen; und Strategien zur deren Behebung wurden erarbeitet. Wurzelmorphologische Parameter sind von grundlegender Wichtigkeit für Wurzelaufnahmemodelle. Messung dieser Parameter kann zeit- und kostenintensiv sein. Unsere Analyse solcher Daten lässt eine log-lineare Beziehung zwischen Wurzelradius und -länge vermuten, deren Existenz enorme Bedeutung hätte. Aufwendige Messungen könnten durch solche etablierten Beziehungen ersetzt werden. Die Bestätigung dieses Ergebnisses ist momentan in Arbeit. Ein wichtiger Nutzen von Modellanwendungen ist es, verschiedene Forschungsdisziplinen zu vereinen, so zum Beispiel Boden- und Pflanzenwisschenschaften, Ingenieur-wissenschaften und angewandte Mathematik. Als Mitwirkende bei der COST Aktion 631 hatten wir zum Ziel, ein allgemein akzeptiertes Modellierungstool zu finden, das für die Rhizosphärenmodellierung geeignet ist. Mehrere spezielle Programme stehen dafür zur Verfügung, z. B. ORCHESTRA oder HP1. Andererseits gibt es numerische Solver wie COMSOL (FEMLAB), die genaue und anwenderfreundliche Lösungen für Modelle finden, die auf Differentialgleichungen beruhen. Die Ergebnisse dieses Projekts tragen dazu bei, das Verständnis für Rhizosphärenprozesse bei der Phytosanierung zu erhöhen und Schlüsselprozesse für die Entwicklung und Verbesserung von Phytosanierungstechnologien herauszuarbeiten.