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Mathematics and Rhizotechnology. Mathematical methods for upscaling of rhizosphere control mechanisms.

Projektleitung
Schnepf Andrea, Projektleiter/in
Kontaktperson:
Klepsch Sabine
Laufzeit:
01.03.2008-31.05.2011
Art der Forschung
Grundlagenforschung
Projektpartner*innen
University of Oxford, Oxford Centre for Industrial and Applied Mathematics and Centre for Mathematical Biology, Mathematical Institute, Vereinigtes Königreich.
Kontaktperson: Dr. Tiina Roose;
Funktion des Projektpartners: Partner
Vienna University of Technology, Faculty of Mathematics and Geoinformation, Institute of Analysis and Scientific Computing, Österreich.
Kontaktperson: Ao.Univ.Prof. DI DDDr. Frank Rattay;
Funktion des Projektpartners: Partner
Mitarbeiter*innen
Klepsch Sabine, Sub-Projektleiter/in (bis 31.01.2018)
Loiskandl Willibald, Projektmitarbeiter/in
Wenzel Walter, Projektmitarbeiter/in
Santner Jakob, Projektmitarbeiter/in
Schweiger Peter, Projektmitarbeiter/in (bis 01.04.2015)
Puschenreiter Markus, Projektmitarbeiter/in
Leitner Johannes Daniel, Projektmitarbeiter/in (bis 31.12.2017)
Beteiligte BOKU-Organisationseinheiten
Institut für Bodenforschung
Institut für Bodenphysik und landeskulturelle Wasserwirtschaft
Gefördert durch
Wiener Wissenschafts-, Forschungs- und Technologiefonds (WWTF), Schlickgasse 3/12, 1090 Wien, Österreich
Abstract
In Gebieten wie der Physik steht die Rolle der Mathematik bei der Entwicklung neuer Methoden außer Frage. Mechanistische Mathematische Modelle und Computersimulationen werden ebenfalls dazu beitragen, neue Rhizosphärentechnologien zu entwickeln. Die Entwicklung solcher Modelle ist das Ziel dieses Projekts. Die Rhizosphäre ist charakterisiert durch mannigfache Wechselwirkungen zwischen Wurzeln, Bodenmikroorganismen und dem Boden. Rhizosphärentechnologien zur Optimierung der pflanzlichen Erzeugungen machen sich diese Prozesse zunutze, indem sie eine oder mehrere Komponenten dieses komplexen Systems direkt oder indirekt beeinflussen. Unsere Haupthypothese beruht auf der Annahme, daß Rhizosphärenprozesse, die auf der Größenordnung einer einzelnen Wurzel von Bedeutung sind, auf der Größenordnung eines Gesamtwurzelsystems verstärkt oder gemindert werden können. Der Effekt von Wurzelausscheidungen auf pflanzliche Phosphoreffizienz, beispielsweise, ist nur im kleinen Maßstab einer Einzelwurzel untersucht worden. Der „wirkliche“ Effekt für das ganze Wurzelsystem kann dadurch nicht richtig eingeschätzt werden. Um den Effekt vieler individueller Rhizosphären auf ein gesamtes Wurzelsystem richtig einschätzen zu können, sind rigorose mathematische Upscaling-Methoden wie Averaging und Homogenisierung notwendig. In diesem Projekt betrachten wir exemplarisch zwei Charakteristiken der Rhizosphäre: Wurzelarchitektur und Wurzelexsudation. Geeignete experimentelle Untersuchungen sowohl auf Einzel- als auch auf Wurzelsystem-Ebene werden die Modellentwicklung unterstützen. Das Simulationstool wird so angelegt, daß zukünftig der kombinierte Einfluß weiterer Rhizosphäreneigenschaften (z.B. Wurzelhaare oder Mykorrhizen) auf die Nährstoffeffizienz modelliert werden kann. Diese Vorgehensweise erlaubt es, auf zeit- und kostengünstige Weise das komplexe Zusammenspiel multipler Rhizosphärenprozesse und ihren Effekt auf das gesamte Wurzelsystem zu erfassen. In diesem Projekt werden die mathematischen Methoden für das Upscaling von der Einzelwurzelebene auf Wurzelsystemebene von Roose und Fowler (2004) angewandt und adaptiert um die Phosphoreffizienz von Raps zu modelliern. Die mathematischen Methoden in diesem Projekt beinhalten die mechanistische Beschreibung der Phänomene, die auf Einzelwurzel-Ebene auftreten, Upscaling-Methodenum in geeigneter Weise deren Effekt in einem gesamten Wurzelsystem zu betrachten, Modellanalyse mit Hilfe von Nichtdimensionalisierung und Asymptotischer Entwicklung, weiters numerische Analysen der Modelle mit den Software-Produkten COMSOL Multiphysics 3.3A und Matlab 7, Modellkalibrierung und –validierung mit Hilfe von Daten aus unabhängigen Experimenten, sowie Sensitivitätsanalyse. Die experimentellen Methoden beinhalten die Auswahl von Rapssorten mit unterschiedlichem Exsudationsverhalten und unterschiedlicher Wurzelarchitektur, der Charakterisierung der Wechselwirkungen zwischen diesen Exsudaten und Phosphor im Boden sowie die Bewertung der Auswirkungen der Wurzelexsudation und -architektur auf die pflanzliche Phosphoreffizienz. Die enge Zusammenarbeit von Modellierern und Experimentalisten innerhalb einer Organisation fördert den Brückenschlag zwischen den Disziplinen Rhizosphärenforschung und Mathematik in Österreich und mehreren EU-Ländern (England, Frankreich, Deutschland). Dies bildet die optimale Voraussetzung für notwendige Modellanpassungen, Veränderungen in Modell-Grundannahmen und das Testen neuer Hypothesen. Diese Vorgehensweise wird unsere Kentnisse der zugrundeliegenden Prozesse vertiefen und zu effizienteren Rhizosphärentechnologien führen, sowie dazu beitragen, Zeit und Kosten bei der Entwicklung dieser Technologien zu minimieren.
Schlagworte
Angewandte Mathematik; Numerische Mathematik; Computerunterstützte Simulation; Biomathematik; Bodenkunde; Geochemie; Naturwissenschaften interdisziplinär; Umweltforschung;
Publikationen

** Santner, J; Smolders, E; Wenzel, WW; Degryse, F; First observation of diffusion-limited plant root phosphorus uptake from nutrient solution..

Plant Cell Environ. 2012; 35(9):1558-1566 WoS PubMed FullText FullText_BOKU

** Santner, J; Zhang, H; Leitner, D; Schnepf, A; Prohaska, T; Puschenreiter, M; Wenzel, WW High-resolution chemical imaging of labile phosphorus in the rhizosphere of Brassica napus L. cultivars.

ENVIRON EXP BOT. 2012; 77: 219-226. WoS FullText FullText_BOKU

** Santner, J; Prohaska, T; Luo, J; Zhang, H Ferrihydrite Containing Gel for Chemical Imaging of Labile Phosphate Species in Sediments and Soils Using Diffusive Gradients in Thin Films.

ANAL CHEM. 2010; 82(18): 7668-7674. WoS PubMed PUBMED Central FullText FullText_BOKU

Santner, J.,Zhang, H., Leitner, D., Prohaska, T., Puschenreiter, M., Wenzel W. W. (2010): Chemical imaging of dissolved phosphorus reveals complex P dynamics in the rhizosphere of Brassica napus.
[6th International Phosphorus Workshop IPW6 2010, Seville, Spain, 27.09.2010 - 03.10.2010]

In: Delgado, A., Gil Sotres, F., Torrent, J., 6th International Phosphorus Workshop (IPW6) - Book of Abstracts, p. 43

A. Schnepf and D.Leitner (2009): FEM simulation of below ground processes on a 3-dimensional root system geometry using DISTMESH and COMSOL Multiphysics.
[18th Conference on Scientific Computing ALGORITMY 2009, Podbanske, Slovak Republic, 15.03.2009 - 20.03.2009]

In: Slovak University of Technology in Bratislava, Publishing House of STU, Proceedings of contributed papers and posters; ISBN: 978-80-227-3032-7

Santner, J., Zhang, H., Davison, W., Puschenreiter, M., Wenzel, W.W. (2009): High resolution determination of soil solution P concentrations in the vicinity of Brassica napus L. roots.
[7th ISRR Symposium Root Research and Applications RootRAP 2009, Vienna, Austria, 02.09.2009 - 04.09.2009]

In: Himmelbauer, M., Loiskandl, W., Eds., 7th ISRR Symposium Root Research and Applications, p. 228

Santner, J., Zhang, H., Prohaska, T., Puschenreiter, M., Wenzel, W. W. (2009): Measuring soil solution phosphorus depletion in the rhizosphere of Brassica napus at very high resolution using DGT.
[Conference on DGT and the Environment 2009, Santa Margherita di Pula, Italy, 07.10.2009 - 09.10.2009]

In: Davison, W., Royset, O., Schintu, M. Zhang, H., Eds., Conference on DGT and the Environment, p. 24

Vorträge
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