Lupinen beim Trinken zugeschaut – erstmals 3D-Aufnahmen vom Wassertransport zu Wurzeln

Wie Lupinen mit ihren Wurzeln Wasser aus dem Boden ziehen, haben Wissenschaftler der Universität Potsdam an der Berliner Neutronenquelle BER II erstmals in 3D fotografiert. Dafür verbesserten sie zusammen mit Kollegen vom Helmholtz-Zentrum Berlin die Zeitauflösung der Neutronentomografie gleich um mehr als das Hundertfache: Alle zehn Sekunden erstellten sie eine detaillierte 3D-Aufnahme. Die Ergebnisse liefern neue Erkenntnisse über die Wechselwirkungen zwischen Wurzeln und Böden und wurden in „Scientific Reports“ veröffentlicht.

Erstmals konnten die Potsdamer Forscher in 3D beobachten, wie Wasser aus dem Boden in die Höhe steigt und von den Wurzeln aufgenommen wird. „Dies war bislang mit dieser Zeitauflösung nur in Durchsicht durch die Probe, also in 2D, möglich“, erklärt Dr. Christian Tötzke, Erstautor der Studie, die nun in „Scientific Reports“ erschienen ist. Die Ergebnisse erweitern das Verständnis von Wechselwirkungen zwischen Wurzeln und Böden, was sich bis hin zur Zucht und zum Anbau solcher Nutzpflanzen auswirken könnte. Die neue Aufnahmetechnik, die gut 100mal schneller ist als bisherige Verfahren, könnte es auch in anderen Proben ermöglichen, schnelle Prozesse in Echtzeit zu beobachten, etwa in Brennstoffzellen, Batterien oder Baustoffen.
Bodenforscher um Prof. Dr. Sascha Oswald von der Universität Potsdam sind regelmäßig an der Neutronenquelle BER II für Messungen zu Gast. Neutronen eignen sich hervorragend, um den Wassertransport im Boden und Pflanzenwurzeln zu beobachten. Dafür nutzen die Wissenschaftler zusätzlich schweres, sogenanntes deuteriertes Wasser, das sich mithilfe von Neutronen sehr gut von normalem Wasser unterscheiden lässt. Mindestens eine Stunde Messzeit war bisher nötig, um an der Bildgebungsanlage CONRAD-2 mit Neutronentomografie eine detaillierte dreidimensionale Karte der Wasserverteilung zu erstellen. Nun brachen die Forscher mit dem Paradigma, dass sich das Bild-Objekt während der Aufnahme möglichst wenig bewegen sollte, wie dies auch in der Fotografie die Regel ist. Sie ließen die Lupinenpflanze im Bodenzylinder langsam, aber durchgängig rotieren, während fortlaufend sehr kurze Aufnahmen gemacht wurden. Mit passgenauen technischen Veränderungen an CONRAD-2 durch die HZB-Experten Dr. Nikolay Kardjilov und Dr. Ingo Manke erreichte es das Team, dass solche 3D-Kartierungen nun in nur zehn Sekunden gelingen.

Die Ergebnisse sind erschienen in:
C. Tötzke, N. Kardjilov, I. Manke, S. E. Oswald, Capturing 3D Water Flow in Rooted Soil by Ultra-fast Neutron Tomography, Scientific Reports, 2017; 7:6192. DOI:10.1038/s41598-017-06046-w.
http://dx.doi.org/10.1038/s41598-017-06046-w

Kontakt: Prof. Dr. Sascha E. Oswald, Institut für Erd- und Umweltwissenschaften
Telefon: 0331 977-2675
E-Mail: sascha.oswald@uni-potsdam.de
Dr. Christian Tötzke, Telefon: 0331 977-2966
Foto: Zeitaufgelöste Tomographie einer Lupinenwurzel (gelbgrün), nachdem deuteriertes Wasser (D2O) von unten zugegeben wurde. Der Zeitverlauf zeigt die aufsteigende Wasserfront (H2O, dunkelblau), die durch das D2O von unten verdrängt wird. Die komplette Abfolge ergibt ein Video. Foto: Christian Tötzke / Universität Potsdam

Medieninformation 24-07-2017 / Nr. 123
Dr. Barbara Eckardt

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