MUCI-WETT-PATT

Mucilage, ein von Wurzeln ausgeschiedenes Hydrogel, hydrophobisiert den Boden beim Trocknen und puffert den Wasserhaushalt in der Rhizosphäre. Nahezu unbekannt ist bisher, welche chemischen und physikochemischen Eigenschaften der Hydrogele diese Wirkung verursachen und wie diese durch andere Parameter in der Rhizosphäre beeinflusst werden.

Im Rahmen des SPP (topic4: water flux/drought/mucilage/hydrophobicity) stellen wir folgende Fragen: Welche Bedeutung haben die chemischen Eigenschaften der Wurzelmucilage unterschiedlicher Pflanzen für deren physikalische Eigenschaften? Wie beeinflussen diese wiederum das Trocknungsverhalten und die daraus resultierende räumliche Anordnung von Mucilage? Und wie wirken sich diese räumlichen Muster auf die hydraulischen Eigenschaften während der Austrocknung und Wiederbefeuchtung der Rhizosphäre aus?

Unsere zentrale Hypothese ist eng mit dem Teil der Hypothese H1 des SPP verknüpft, der die Selbstorganisation in der Rhizosphäre durch Ausbildung spezifischer räumlich-zeitlicher Muster für eine effiziente Wassernutzung verantwortlich macht. Unsere Hypothese ist, dass Mucilage ein selbstorganisiertes physikalisches Hydrogel ist, das aufgrund chemischer Eigenschaften auf Änderungen in der Bodenlösung mit Änderungen in seiner supramolekularen Struktur reagieren kann. Diese Struktur beeinflusst wiederum physikalische Eigenschaften, die die zeitlich-räumliche Anordnung der Polysaccharide im Trocknungsverlauf und damit hydraulische Eigenschaften während der Wiederbefeuchtung bestimmen.

Durch eine Kombination aus Dialyse- und Quellungsexperimenten an Mucilage unterschiedlicher Pflanzen wird der Einfluss von Umgebungsfaktoren (pH, Kationen, oberflächenaktive Substanzen) auf physikalische Hydrogeleigenschaften untersucht und mit chemischen Eigenschaften (Monosaccharid-, Bindungs-, Gesamtgehaltanalyse) verknüpft. Dabei kommen neben makroskopischen Methoden wie der Rheologie, der ¹H-NMR Relaxometrie (Wassermobilität) und der Differential Scanning Calorimetrie (DSC, nicht gefrierbares Wasser) auch mikroskopische Methoden, wie die Raster­kraft­elek­tro­nen­mi­kros­ko­pie (AFM) zur Bestimmung von Ober­flächen­spannung, Viskosität und Elastizität zum Einsatz. Diese AFM Messungen gehen dann in Modellierungen von „liquid bridges“ ein, bei denen mit Methoden aus der Kontinuumsmechanik das Mucilage-Netzwerk und mit Lattice Boltzmann Methoden das Wasser im Porenraum beschrieben wird. Weiterhin bestimmen wir die Auswirkung unterschiedlicher mikroskopischer Trockenmuster (AFM) von Mucilage auf makroskopische Benetzungseigenschaften (Kontaktwinkel) und durch Modellierung auf makroskopische Wasserretentionskurven. Insitu ¹H-NMR Messungen in miniaturisierten Pot-Experimenten (SPP Mais) dient der Überprüfung unser Ergebnisse.

Die Verknüpfung molekular-chemischer Eigenschaften und nanoskalig-räumlicher Anordnung von Mucilage mit makroskopisch-hydraulischen Prozessen trägt wesentlich zum Verständnis der Selbstorganisationsprozesse in der Rhizosphäre bei.