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Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften

Bodenphysik

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Beendete Abschlussarbeiten



Bachelorarbeiten
Lara Kersting (2024) The impact of root exudates on the soil hydraulic properties of soil and root water uptake

Versorgung der wachsenden Weltbevölkerung mit Nahrungsmitteln eine große Herausforderung. Während Wasserknappheit und Bodendegradierung bereits jetzt den Ertrag beeinflussen, werden in Zukunft auch die Erweiterung der Agrarflächen in weniger fruchtbare Regionen der Erde und der Klimawandel dieses Problem verschärfen. Die Rhizosphäre als Schnittstelle zwischen Boden und Pflanzenwurzeln stellt durch ihre Anreicherung mit verschiedenen chemischen Verbindungen wie zum Beispiel Mucilage eine besondere Umgebung dar. Mucilage ist eine gelartige Substanz, welche von den Wurzelspitzen abgegeben wird und viele positive Eigenschaften besitzt.

 

  • Die Hypothese ist, dass Wurzelexsudate das Porenvolumen des Bodens verändern und somit die bodenhydraulischen Eigenschaften, den verfügbaren Wassergehalt und Kontakt der Wurzel mit der Bodenmatrix verbessern.

Um möglichen Wasserstress abzuschätzen, werden zwei unterschiedliche Böden (lehmig und sandig) mit verschiedenen Konzentrationen von Mucilage auf Eigenschaften beim Austrocknen untersucht. Dazu werden Messinstrumente wie HYPROP und WP4C verwendet. Der Boden wird mit unterschiedlichen Konzentrationen von gefriergetrockneter Mais-Mucilage versetzt.



Betreuer: Asegidew Akale, Mutez Ali Ahmed, Efstathios Diamantopoulos
Anna Dürringer (2024) The effect of Arbuskular Mikoriza Fungi (AMF) on root water uptake and on soil hydraulic properties

Die wachsende Weltbevölkerung und die steigende Nachfrage nach Nahrungsmitteln stellen bedeutende Herausforderungen dar, insbesondere im Kontext des Klimawandels. Da Trinkwasserressourcen zunehmend knapper werden, vor allem in bereits trockenen Regionen, und die Landwirtschaft für annähernd 70% des globalen Trinkwasserverbrauchs verantwortlich ist, wird nach nachhaltigen Lösungen für Landwirtschaft und Nahrungsmittelproduktion gesucht. Die Untersuchung von im Boden lebenden Mikroorganismen, die mit Pflanzen und ihren Wurzeln interagieren, bietet einen möglichen Ansatz, um diesen Herausforderungen zu begegnen. Die Symbiose zwischen Pflanzen und Mykorrhizapilzen betrifft etwa 90% der Landpflanzen, insbesondere die Verbindung mit arbuskulären Mykorrhizapilzen (AMF) ist für Nutzpflanzen interessant. AMF verbessern nicht nur die Nährstoffaufnahme der Pflanzen, sondern auch den Wasserstatus, besonders in trockenen Böden, weshalb Pflanzen in Symbiose ein geringeres negatives Blattwasserpotential und eine längere Wasseraufnahme im Vergleich zu Pflanzen ohne Pilzpartner aufweisen. Angesichts dieses Vorwissens wurden zwei Hypothesen aufgestellt:

 

  • H1: Die Anwesenheit von arbuskulären Mykorrhizapilzen (AMF) beeinflusst die Wasseraufnahme der Pflanzenwurzeln, was zu einer erhöhten Wasseraufnahme durch die Wurzeln führt und somit das Blattwasserpotential der Pflanzen positiv beeinflusst. (Anna Dürringer)
  • H2: Die Symbiose zwischen Pflanzen und AMF verändert die bodenhydraulischen Eigenschaften, indem sie die Wasserrückhaltung und die hydraulische Leitfähigkeit im Boden verbessert, was zu einer erhöhten Verfügbarkeit von Wasser für die Pflanzen führt. (Ilvy Steinlein)

Um diese Hypothesen zu testen, wurde ein Experiment mit Sorghum-Pflanzen unter kontrollierten Laborbedingungen durchgeführt, in dem repräsentative Sorghum-Pflanzen der gleichen Sorte ausgewählt und in zwei Gruppen unterteilt wurden. Eine Gruppe wurde in sterilisierte Erde ohne AMF-Sporen gepflanzt, während die andere Gruppe in sterilisierte Erde mit AMF-Sporen gepflanzt wurde. In der Klimakammer wurden so vergleichbare Wachstumsbedingungen für Pflanzen mit und ohne AMF-Symbiose sichergestellt. Das Experiment beinhaltet eine Trockenphase, während der die Blattwasserpotentiale und Blattflächen gemessen wurden. Nach dem Experiment werden die Wurzelkolonisierungsraten durch AMF mithilfe von Kaliumhydroxid (KOH) und anschließender Wurzelfärbung mit einer Tinten-Essig-Lösung bewertet. Zusätzlich werden die bodenhydraulischen Eigenschaften für beide Bodenbehandlungen untersucht und dabei Hyprop- und WP4C-Messungen verwendet, um mögliche Veränderungen in den bodenhydraulischen Parametern zu identifizieren.



Betreuer: Anna Sauer, Mutez Ali Ahmed, Efstathios Diamantopoulos
Ilvy Steinlein (2024) The effect of Arbuskular Mikoriza Fungi (AMF) on root water uptake and on soil hydraulic properties

Die wachsende Weltbevölkerung und die steigende Nachfrage nach Nahrungsmitteln stellen bedeutende Herausforderungen dar, insbesondere im Kontext des Klimawandels. Da Trinkwasserressourcen zunehmend knapper werden, vor allem in bereits trockenen Regionen, und die Landwirtschaft für annähernd 70% des globalen Trinkwasserverbrauchs verantwortlich ist, wird nach nachhaltigen Lösungen für Landwirtschaft und Nahrungsmittelproduktion gesucht. Die Untersuchung von im Boden lebenden Mikroorganismen, die mit Pflanzen und ihren Wurzeln interagieren, bietet einen möglichen Ansatz, um diesen Herausforderungen zu begegnen. Die Symbiose zwischen Pflanzen und Mykorrhizapilzen betrifft etwa 90% der Landpflanzen, insbesondere die Verbindung mit arbuskulären Mykorrhizapilzen (AMF) ist für Nutzpflanzen interessant. AMF verbessern nicht nur die Nährstoffaufnahme der Pflanzen, sondern auch den Wasserstatus, besonders in trockenen Böden, weshalb Pflanzen in Symbiose ein geringeres negatives Blattwasserpotential und eine längere Wasseraufnahme im Vergleich zu Pflanzen ohne Pilzpartner aufweisen. Angesichts dieses Vorwissens wurden zwei Hypothesen aufgestellt:

 

  • H1: Die Anwesenheit von arbuskulären Mykorrhizapilzen (AMF) beeinflusst die Wasseraufnahme der Pflanzenwurzeln, was zu einer erhöhten Wasseraufnahme durch die Wurzeln führt und somit das Blattwasserpotential der Pflanzen positiv beeinflusst. (Anna Dürringer)
  • H2: Die Symbiose zwischen Pflanzen und AMF verändert die bodenhydraulischen Eigenschaften, indem sie die Wasserrückhaltung und die hydraulische Leitfähigkeit im Boden verbessert, was zu einer erhöhten Verfügbarkeit von Wasser für die Pflanzen führt. (Ilvy Steinlein)

Um diese Hypothesen zu testen, wurde ein Experiment mit Sorghum-Pflanzen unter kontrollierten Laborbedingungen durchgeführt, in dem repräsentative Sorghum-Pflanzen der gleichen Sorte ausgewählt und in zwei Gruppen unterteilt wurden. Eine Gruppe wurde in sterilisierte Erde ohne AMF-Sporen gepflanzt, während die andere Gruppe in sterilisierte Erde mit AMF-Sporen gepflanzt wurde. In der Klimakammer wurden so vergleichbare Wachstumsbedingungen für Pflanzen mit und ohne AMF-Symbiose sichergestellt. Das Experiment beinhaltet eine Trockenphase, während der die Blattwasserpotentiale und Blattflächen gemessen wurden. Nach dem Experiment werden die Wurzelkolonisierungsraten durch AMF mithilfe von Kaliumhydroxid (KOH) und anschließender Wurzelfärbung mit einer Tinten-Essig-Lösung bewertet. Zusätzlich werden die bodenhydraulischen Eigenschaften für beide Bodenbehandlungen untersucht und dabei Hyprop- und WP4C-Messungen verwendet, um mögliche Veränderungen in den bodenhydraulischen Parametern zu identifizieren.



Betreuer: Anna Sauer, Mutez Ali Ahmed, Efstathios Diamantopoulos
Lara Ketterer (2024) The effect of fluorinated ski wax on the wetting properties of sandy and loamy soils

Skilanglauf, Alpinski und Biathlon sind beliebte Wintersportsarten. Um die Reibung zwischen Schneeoberfläche und den Ski zu verringern werden oft Skiwachse benutzt. Diese können über den Schnee bei der Schneeschmelze in den Boden gelangen.

 

  • Dort erwarten wir, dass die Wachse den Kontaktwinkel des Wassers erhöhen und somit das Wasserabstoßungsvermögen.

Der Kontaktwinkel wird mit der „sessile drop“ Methode direkt gemessen und indirekt über den Kapillaraufstieg mit der „Washburn Gleichung“ berechnet. Dafür wird das Messgerät DCAT 11 benutzt. Für die Messungen werden zwei Wachsprodukte, die PFAs enthalten (Pulverwachs und Flüssigwachs) in verschiedenen Konzentrationen mit sandigem Boden gemischt. Die Konzentrationen basieren auf den PFA-Gehalten der Wachse und PFAs Konzentrationen, die im Boden unter Langlaufloipen ermittelt wurden. 



Betreuer: Frederic Leuther, Efstathios Diamantopoulos
Henri Michael Braunmiller (2020) Einfluss der Bodenaustrocknung auf die Produktion von Mucilage und deren rheologischen Eigenschaften

Das Mucigel ist ein polymerisches Gel, welches Polysaccharide und Lipide enthält. Es wird von der Wurzelspitze exudiert und kann große Mengen Wasser absorbieren. Dies hält die Rhizosphäre feucht, insbesondere unter trockenen Bedingungen. Mit einer steigenden Variabilität des Niederschlags und der Zahl an Wetterextremen (z.B. Dürrekönnte es eine wichtige Schlüsselrolle für unsere Feldfrüchte spielen, gerade um gleichbleibende Erträge, selbst unter ungünstigen Bedingungen, zu sichern.

Mein Projekt soll die Frage beantworten, ob und inwiefern sich die Sorte und die Wasserverfügbarkeit auf die Produktion von Mucigel und seine rheologischen Parameter auswirken. Dafür benutze ich zwei verschiedene Maissorten (B73 und Mo17), die je zwei verschiedenen Wassergehalten ausgesetzt sind. Die produzierten Mucigels werden auf ihreMenge, Viskosität und Oberflächenspannung getestet und miteinander verglichen. Außerdem werden wir das Verhalten der Mucigels im Boden mithilfe eines Neutronen-Radioskops näher betrachten. Dies erlaubt uns Messungen durchzuführen, ohne in den Boden einzugreifen.



Betreuer: Mutez Ali Ahmed, Andrea Carminati


Masterarbeiten
Hai Anh Nguyen (2024) Simultaneous quantification of water states, fluxes and bVOCS emissions in agriculture soils

Volatile organic compounds (VOCs) produced by living organisms via biological processes, which are known as biogenic volatile organic compounds (BVOCs), are an important group of chemicals that has significant influences on atmospheric chemistry, climate system, as well as the bioactivities of plants and animals. Whereas plant-emitted BVOCs have been widely studied for the past decades, the understanding of soil related BVOCs remains inadequate.  A variety of abiotic and biotic processes taking place beneath the ground makes soil both a sink and a source for BVOCs.

Hypotheses

  • BVOCs emission and/or uptake are highly affected by the percent of organic matter in the soil and the water content.
  • The dynamics of BVOCs exchange are subject to memory effects, following the hysteretic water content vs matric potential relationship.

Methods

To test the two hypotheses, we conduct transient water drying and wetting experiments, and we quantify simultaneously BVOC sources and sinks, as well as soil water states and fluxes.



Betreuer: Frederic Leuther, Anke Nölscher, Efstathios Diamantopoulos
Anna Sauer (2020) Investigating drought traits in sorghum landraces - A lysimetric experiment in four soil textures

Water availability is a primary limitation to crop production and depends on water input and soil texture, among others. A huge variety of sorghum landraces promises unexplored traits to overcome water stress, like high transpiration efficiency or early maturity.

 To test these, four sorghum landraces and one elite line were grown in four soil textures in a lysimetric facility in ICRISAT, India. Nitrogen fertilization was either added by mineralized or organic sources. The soil was dried down to 30 % usable field capacity. Weekly measured transpiration and data of biomass, plant development, yield and more will be analyzed and may reveal traits to overcome drought stress.



Betreuer: Mutez Ali Ahmed, Andrea Carminati, Jana Kholova
Tina Köhler (2020) Emerging effects of root hairs and soil properties on soil-plant water relations under drought conditions

Limited water supply is one of the largest impediments to food production worldwide. Therefore, improving crop management of soil water depletion will be important to sustain the increasing food demand. The effect of belowground processes on transpiration and stomatal regulation remains controversial. Objective of this study was to understand the role of rhizosphere properties and processes, namely soil textural properties and root hairs, on transpiration, leaf water potential and stomata conductance with soil drying. We hypothesize that 1.) root hairs facilitate the water extraction from drying soils. This is expected to be reflected in the relation between transpiration rate and leaf water potential. Moreover, we expect 2.) different soil textures to affect root water uptake differently and therefore the relationship between leaf water potential and transpiration.

We compared maize (Zea mays L.) with (wild-type) and without (rth3-mutant) root hairs in three different soils (Alfisol, Vertisol and Sandy Soil) with different textural properties (loamy, clayey, sandy), respectively. Transpiration and leaf water potential were monitored, and stomata conductance calculated with decreasing soil water content and potential.

The hairless mutant declined transpiration at greater water contents or/ and exhibited lower transpiration rates in dry soils as compared to the wild-type. The relationship between leaf water potential and transpiration/ stomata conductance did not differ between genotypes, most likely because of prompt stomata closure. Moreover, plant transpiration responses to declining soil water content and – potential differed considerably between soils. Soil hydraulic characteristics and features like soil cracking in Vertisol as well as soil crust formation in Alfisol are believed to have influenced those relations. The relationship between transpiration and leaf water potential varied strongly between soils as well but stomata response to decreasing leaf water potential showed no direct sensitivity to soil texture. Therefore, we conclude that soil texture indirectly affected stomata by changing the soil-plant conductance.

In conclusion, this study provides experimental evidence of the strong link between stomata regulation and soil-root hydraulic properties. Further experiments will be needed for clarification and quantification.



Betreuer: Mutez Ali Ahmed, Andrea Carminati
Asegidew Akale (2020) Phenotypic differences of root exudates and their impact on drought tolerance across different varieties of maize.

Mucilage provides benefits for plant growth by maintaining the rhizosphere's water content during soil drying. The aerial root of maize (Zea mays L.) releases a significant amount mucilage to the rhizosphere. However, scarce information is available on quantitative and qualitative differences between the root exudation profile of the landrace and hybrid maize.


In this study, we find that mucilage production in the landrace is significantly different. The mucilage ability to store water potentially makes the landrace less vulnerable to drought. The variations of mucilage production in Maize cultivar would be significant for further analysis of crop adaptation to environmental stress.



Betreuer: Andrea Carminati, Mutez Ali Ahmed
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