Das WWG-Bergneustadt -
  Eine Legende bei Jugend forscht
 

   
 

 

 

 
 
 
Daniel Frick (11) ,  Alina Kaufmann (11)
Biologie 
 

K u r z f a s s u n g

Thema:   Zurück zu den Wurzeln 
Vorgänge in der Rhizosphäre 
Vor 100 Jahren prägte der Münchner Hochschullehrer Lorenz Hiltner den Begriff „Rhizosphäre“, um den für das Pflanzenwachstum wichtigen Kontaktraum zwischen Boden und Wurzeln zu bezeichnen. Mitte September fand in München erstmals ein internationaler Kongress statt, auf dem sich Wissenschaftler aus verschiedenen Disziplinen der Biologie, Chemie und Agrarforschung über zentrale Fragestellungen bei der Erforschung dieses Wurzelbereiches austauschten. 
Unser Ziel war es, diesen Bereich des pflanzlichen Lebens kennenzulernen, ihn zu untersuchen und die darin ablaufenden Vorgänge zu analysieren und durch geeignete Methoden sichtbar zu machen. Zu diesem Zwecke haben wir selbst gezogene Jungpflanzen in Agar Agar eingebettet (Plattengussverfahren) und die an der Wurzeloberfläche ablaufenden Vorgänge unter unterschiedlichen Bedingungen durch Beismischung farbiger Verbindungen (Säure- und Redoxindikatoren und farbiger Metallverbindungen) analysiert. Blindversuche im Reagenzglas und Untersuchungen in besonderen Gefäßen (Plexiglasplatten) haben die Experimente ergänzt und so nicht nur zur Klärung bestimmter Fragestellungen beigetragen, sondern auch die erzielten Ergebnisse verbessert.

So konnten wir feststellen, dass der Boden und die in der Rhizosphäre ablaufenden Vorgänge den pH-Wert in bestimmten durch Pufferbereiche festgelegten Grenzen halten (pH-Bereich 4,5 - 9). Die Aufnahme der Mineralsalze erfolgt durch den pH-Wert absenkenden Jonenaustausch (Kationen) und den den pH-Wert erhöhenden Jonencotransport (Anionen). Auch der gleichzeitig anwesende Sauerstoff wirkt dem stärkeren Abfall des pH-Wertes entgegen, so dass sich die in der Rhizosphäre ablaufenden Vorgänge in gewissem Rahmen gegenseitig regulieren und damit auch kontrollieren. Bei Unterbindung der Sauerstoffzufuhr gehen die von den Ausscheidungen und Abfällen Wurzel (Mucigel) lebenden Bakterien (1 g Ackerboden enthält ca. 600 Millionen Bakterien) in den anaeroben Abbau über und senken dadurch den pH-Wert stärker ab. Gleichzeitig werden dadurch Redoxreaktion begünstigt, die sich ihrerseits wieder erhöhend auf den pH-Wert auswirken. Unsere Untersuchungen haben dabei ergeben, dass hier Einzelpotentiale von -0,32 V erreicht werden, die somit im Bereich der Wasserstoff- und Methanbildung (-0,41 V) liegen. Somit ist also auch im niedrigeren Bereich des pH-Wertes ein weiteres sich selbst regulierendes System etabliert, das zusammen mit den Pufferbereichen der im Mucigel enthaltenen Säuren (Propion-, Butter-, Äpfel-, Citronen-, Milchsäure u. a.) und zum Beispiel durch Gülledüngung zugeführten Laugen (Ammoniak) eine zu starke Änderung des pH-Wertes in den für die Zellen nicht mehr tolerierbaren Bereich verhindert und die Mobilisierung der für Pflanzen schädlichen Aluminiumionen nicht zulässt.
Die Versorgung der Pflanze mit Eisenionen stellt ein besonderes Problem dar, da die in großen Mengen im Boden vorkommenden Fe3+-ionen durch das geringe Löslichkeitsprodukt und den zu hohen pH-Wert nicht verfügbar sind. Unsere Versuche haben gezeigt, dass dieses erst durch bakterielle Reduktion zu Fe2+ unter anaeroben Bedingungen mobilisiert und dann erst von der Wurzeln aufgenommen wird. 
 
Insgesamt konnten wir feststellen, dass die Vorgänge in der Rhizosphäre über die Hydroniumionenkonzentration miteinander zusammenhängen und sich dadurch gegenseitig beeinflussen können. Dabei arbeiten die Wurzeln mit den Bodenbakterien zusammen, indem sie ihnen Nährstoffe zur Verfügung stellen und dafür die Eisenversorgung verbessern oder sogar sicherstellen. Man kann also von einem Kleinökosystem sprechen, das sich an der Wurzeloberfläche ausbildet, in dem ein symbiotisches Miteinander mit vielfältigen Beziehungen und Konsequenzen besteht. Da die Vorgänge bis heute noch nicht in allen Einzelheiten geklärt sind, ist eine Forschung in diesem Bereich zur ökologisch sanfteren Sicherung und Verbesserung der Nahrungsproduktion landwirtschaftlich von großer Bedeutung und kann so auch helfen, die Erträge in Entwicklungsländern unter den dort gegebenen Bedingungen kostenneutal zu verbessern. 
Insgesamt wurden die Versuchsbedingungen immer wieder im Detail variiert und so verändert, so dass verbesserte und damit eindeutigere Ergebnisse zustande kamen. Experimente, die durch besonders deutliche und kontrastreiche Farbumschläge aufgefallen sind, haben wir zum Nachweis und zur Illustration fotografiert und punktuell auch für die Präsentation vorbereitet. Insgesamt war die Untersuchung inhaltlich sehr interessant, in der Durchführung sehr spannend und vom Ergebnis her sehr ansprechend, so dass wir sagen können, dass sich die umfangreiche Arbeit gelohnt hat.