Nichtinvasive Detektion von Mikroplastikpartikeln im Boden - Analyse der Auswirkungen von Mikroplastik auf Bodenaggregate, Wurzeln und Infiltrationsverhalten

Description: Weltweit werden Böden zunehmend mit Plastikmüll belastet. Der kontinuierliche Eintrag von Mikroplastik beeinflusst Lebensbedingungen von Pflanzen und Bodenorganismen. Bislang verstehen wir nur unzureichend, wie sich die Anwesenheit von Mikroplastik auf Struktur und Funktionsweise des Bodens auswirkt. Es ist unklar, wie stark die Rhizosphäre dadurch beeinflusst wird und welche Risiken sich daraus für die Pflanzen ergeben. Inzwischen gibt es verschiedene Analyseverfahren, um unterschiedliche Aspekte der Mikroplastikverschmutzung des Bodens zu untersuchen. Allerdings beinhalten diese Verfahren üblicherweise Prozessschritte, bei denen die Integrität der Probe zerstört wird, wodurch sich der Zusammenhang zwischen der Verteilung von Mikroplastik in der Probe und der Mikrostruktur und Hydraulik des Bodens nicht mehr erschließen lässt. Vor kurzem haben wir jedoch einen nicht-invasiven Ansatz entwickelt, mit dem Mikroplastik in sandigen Böden nachgewiesen werden kann. Mittels komplementärer Neutronen- und Röntgentomographie lassen sich Mikroplastikpartikeln im trockenen Boden detektieren und gleichzeitig die dreidimensionale Struktur der Bodenmatrix analysieren. In diesem Projekt wird die Methode getestet, optimiert und dann angewandt, um besser zu verstehen, wie Mikroplastik unterschiedlicher Größe und Form die Mikrostruktur und Eigenschaften des Bodens beeinflusst. Außerdem wird untersucht, ob in die Rhizosphäre eingelagertes Mikroplastik die Bedingungen für das Wurzelwachstum und die Wasseraufnahme verändert und welchen Einfluss Mikroplastik unterschiedlicher Größe und Form auf die Infiltration und Wasserbewegung im Boden hat. Zunächst wird die Auflösung der Methode optimiert, um auch sehr feine Strukturen, wie Mikroplastikfasern und Folienfragmente, detektieren zu können. Die Segmentierung der 3D Bilddaten wird durch die Berücksichtigung von Form-Deskriptoren sowie durch Maschinelles Lernen unterstützt, um Mikroplastikpartikeln von organischen Bodenbestandteilen zu unterscheiden. In einem Aggregationsexperiment mit wird für einen natürlichen Sandboden der Einfluss von Mikroplastikfasern auf die Bildung und Stabilität von Bodenaggregaten mittels hochauflösender Dual-mode Tomographie analysiert. Im nächsten Schritt wird die Rhizosphäre junger Mais- und Lupinenpflanzen untersucht, um potentielle Einflüsse verschieden geformter Mikroplastikpartikel auf lokale Strukturen der Bodenmatrix, Wurzeln und Wasserpfade zu ermitteln. Schließlich werden wir High-Speed Neutronentomographie einsetzen, um dynamischen 3D-Infiltrationsmuster in Bodensäulen mit und ohne Wurzelsysteme zu erfassen. Die Form und Geschwindigkeit der Wasserfront wird zeigen, ob und wie die Bodenbenetzbarkeit durch eingelagerte Mikroplastikpartikel beeinflusst wird. Das vorgeschlagene Projekt wird einzigartige neue Einblicke in die durch Mikroplastik modifizierte Struktur der Bodenmatrix geben, die für das mechanistische Verständnis der resultierenden Bodeneigenschaften gebraucht werden.

SupportProgram

Origins: /Bund/UBA/UFORDAT

Tags: Bilddaten ? Bodenkunde ? Bodenstruktur ? Habitat ? Hydraulik ? Kunststoffabfall ? Pflanzenproduktion ? Rhizosphäre ? Sandboden ? Mikroplastik ? Plastikverschmutzung ? Analyseverfahren ? Bodenbelastung ? Bodenorganismen ? Bodenuntersuchung ? Künstliche Intelligenz ? Pflanzenernährung ? Pflanze ? Agrartechnik ? Pflanzenernährung, ? Plant Cultivation ? Soil Sciences ?

Region: Brandenburg Berlin

Bounding boxes: 13.01582° .. 13.01582° x 52.45905° .. 52.45905°

License: cc-by-nc-nd/4.0

Language: Deutsch

Organisations

• Freie Universität Berlin (Projektverantwortung)
• Umweltbundesamt (Bereitstellung)
• Universität Potsdam (Projektverantwortung)

Time ranges: 2022-01-01 - 2026-01-25

Alternatives

• Language: Englisch/English
  Title: Detection of microplastics in soil by non-invasive imaging - Analyzing microplastic effects on soil properties and root-soil interaction
  Description: Soils around the world are increasingly polluted with anthropogenic contaminants such as microplastics. The continuous input of microplastics changes the conditions in the soil habitat and affects soil biota. However, our understanding of how microplastics alters the structure and functioning of soil is still very limited. It is unclear how microplastics affect processes in the rhizosphere and what risks this poses for plants. Various analytic methods have become available to study different aspects of microplastics in soil. However, all of these methods involve sampling or processing steps that destroy the integrity of the sample. Thus, essential information about the relationship of the distribution of microplastics in the sample and soil microstructure and hydraulics is inevitably lost. Recently, however, we have developed a non-invasive approach that can detect microplastics in sandy soil. Complementary neutron and X-ray tomography allows for detection of microplastic particles in the dry soil and simultaneous mapping of the 3D structure of soil matrix and pore space. In this project, the method will be tested, optimized, and then applied to develop a better mechanistic understanding of how microplastics of different sizes and shapes affect soil microstructure and properties. We will investigate the incorporation of microplastic fibers in soil aggregates and explore their possible effects. We will also study whether the presence of microplastics modify the conditions in the rhizosphere relevant for root growth and water uptake and track water movements in soil in the presence of different sizes, shapes of microplastics. To begin with, the resolution of the combined tomography will be optimized for detection of fine structures such as microplastic fibers and film fragments. The consideration of shape descriptors and the integration of machine learning will support the segmentation of microplastic particles by distinguishing them from soil organic matter. For a natural sandy soil, the influence of microplastic fibers on the formation and stability of soil aggregates is analyzed in an aggregation experiment using high-resolution dual-mode tomography. The next step is to study the rhizosphere of young maize and lupine plants growing in sandy soil containing microplastics of various shapes to determine local changes in root structure, soil matrix structure and water movement. Finally, we will use high-speed neutron tomography to capture the dynamic water infiltration patterns in soil columns in 3D, with and without root systems. Evaluation of the shape and propagation speed of infiltration fronts will provide new insights into whether and how soil wettability is affected by embedded microplastic particles. Implementation of the non-invasive analytical approach will provide unique insights into soil microstructure and hydraulics modified by microplastics and provide a better mechanistic understanding of their shape-mediated effects on sandy soil. https://ufordat.uba.de/UFORDAT/pages/PublicRedirect.aspx?TYP=PR&DSNR=1140680

Resources

• Webseite zum Förderprojekt

  https://gepris.dfg.de/gepris/projekt/516672636 (Webseite)

Status

Aktiv

Quality score

• Overall: 0.50
• Findability: 0.68

  • Title: 1.00
  • Description: 0.20
  • Identifier: false
  • Keywords: 0.86
  • Spatial: RegionIdentified (1.00)
  • Temporal: true
• Accessibility: 0.67

  • Landing page: Specific (1.00)
  • Direct access: false
  • Publicly accessible: true
• Interoperability: 0.00

  • Open file format: false
  • Media type: false
  • Machine-readable metadata: false
  • Machine-readable data: false
• Reusability: 0.67

  • License: ClearlySpecifiedAndFree (1.00)
  • Contact info: false
  • Publisher info: true

Accessed 1 times.