For­schungs­pro­jekt

3D-Ar­chi­tek­tur von Mi­kro­ag­gre­ga­ten und de­ren Ein­fluss auf me­cha­ni­sche Sta­bi­li­tät und auf Was­ser- und Sau­er­stoff­ver­sor­gung von Mi­kro­ha­bi­ta­ten

Pro­jekt­text

Die Struktur des Bodens wird durch eine komplexe Anordnung von organischen und inorganischen Material sowie durch die Verteilung von Poren, die mit Wasser oder Luft gefüllt sind, bestimmt. Die meisten physikalischen, chemischen und biologischen Prozesse im Boden werden maßgeblich durch diese Struktur beeinflusst. Allgemein gelten Aggregate als grundlegende Bausteine strukturierter Böden. Als Mikroaggregate gelten Aggregate mit einen Durchmesser von weniger als 250 µm. Obwohl die Struktur als eine fundamentale Eigenschaft des Bodens gilt, ist bisher wenig über den Einfluss der Porenverteilung innerhalb eines Aggregats auf die Bildung, Stabilität und die Dynamik des Bodens bekannt. Dieses Projekt trägt dazu bei, ein mechanistisches Modell über die Bildung und Dynamik von Mikroaggregaten zu entwickeln.

Mikroaggregate aus Bodenproben mit unterschiedlichen Tongehalt sowie eines Microcosm-Experiments, das die Dynamik über einen bestimmten Zeitraum und unterschiedlichen Bedingungen (z.B. mit und ohne Pflanzen) nachbildet, werden betrachtet. Zur Erzeugung der Aggregate wird eine Methode der Trockenseparierung entwickelt, bei der Aggregate durch Aufbringen einer mechanischen Last unter definierten experimentellen Bedingungen in Mikroaggregate zerfallen. Mithilfe von Röntgencomputertomographie (XRCT) wird die 3D Architektur des Poren- und Partikelnetzwerkes innerhalb der so hergestellten Mikroaggregate untersucht. Die Strukturmerkmale der Mikroaggregate werden durch aufwendige Bildanalyse Algorithmen herausgearbeitet. Messungen zur Gasdiffusion innerhalb eines Mikroaggregats liefern in Kombination mit den XRCT Messungen wichtige Hinweise, wie das Porennetzwerk die Transportprozesse innerhalb der Aggregate beeinflusst. Weiterhin bildet der Zusammenhang zwischen dem Porennetzwerk und der Widerstandsfähigkeit gegenüber mechanischer Belastung, wie sie beispielsweise durch Maschinen auf den Boden aufgebracht wird, einen weiteren Forschungsschwerpunkt. Untersuchungen zur Bruchfestigkeit der Mikroaggregate werden mithilfe eines Lastrahmens (Zwick/Roell) durchgeführt, wobei Informationen zur Zugfestigkeit und zur Bruchenergie der Mikroaggregate gewonnen werden. Die Verteilung des organischen Materials wird anhand ausgewählter Mikroaggregate zerstörungsfrei mittels Synchrotron basierter Computertomographie (SRCT) untersucht. Durch eine Einfärbung des organischen Materials (SOM), das normalerweise nur unzureichend von Wasser und Luft mittels CT unterscheidbar ist, mit Osmium(VIII)-oxid wird dabei das SOM sichtbar gemacht.

Die in diesem Teilprojekt gewonnen Daten tragen dazu bei den Zusammenhang zwischen der Zusammensetzung und der Struktur der Mikroaggregate aufzudecken und Einblicke in die zeitliche Entwicklung der Mikroaggregate zu erhalten. Ferner wird der Einfluss der Aggregatstruktur auf die Stabilität und Transporteigenschaften beleuchtet.

Pro­jekt­lei­tung

Prof. Dr. Stephan Peth

Dau­er

01.12.2015-31.10.2019

01.11.2019-28.02.2021

das Projekt wird ab 01.03.2021 - 31.10.2022 an der Universität Hannover fortgeführt

Pro­jekt­trä­ger

Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)

Ko­ope­ra­tio­nen

DFG Research Unit 2179

Dr. Nadja Ray
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg

Professor Dr. Kai Uwe Totsche
Friedrich-Schiller-Universität Jena

Dr. Nina Siebers
Forschungszentrum Jülich GmbH

Professor Dr. Ingrid Kögel-Knabner
Technische Universität München

Professor Dr. Georg Guggenberger
Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover

Dr. Eva Lehndorff
Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn

Professor Dr. Claudia Knief
Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn

Be­ar­bei­ter

Dr. Vincent Felde