DE3530669C2 - Verfahren und Einrichtung zur Erfassung von Gasstoffwechselvorgängen bei intakten Pflanzen - Google Patents
Verfahren und Einrichtung zur Erfassung von Gasstoffwechselvorgängen bei intakten PflanzenInfo
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Abstract
Zur Messung von Gaswechselvorgängen an intakten Pflanzen werden sogenannte Meßküvetten verwendet, in denen Pflanzenteile gasdicht eingeschlossen und einer definierten Licht-, Temperatur- und Gasbeeinflussung ausgesetzt werden. Das Gas aus der Meßküvette wird schließlich den Meßeinrichtungen zugeführt, mit denen sich der Gaswechsel ermitteln läßt. Entscheidend für genaue Meßwerte ist ein exakt dosiertes Gas, mit dem das Pflanzenteil in der Meßküvette umspült wird und die Gaszuführung bis zum Pflanzenteil in der Meßküvette.
Description
- Zur Messung von CO2-Gasstoffwechsel und Transpiration an intakten Pflanzen unter kontrollierten Bedingungen dienen Küvetten-Systeme verschiedener Art. Grundsätzlich werden bei einem solchen System einzelne Blätter, Zweigenden oder dgl., die mit der Mutterpflanze in Verbindung bleiben, in einer Gasstoffwechselkammer - Küvette genannt - gasdicht eingeschlossen. Die Küvette ist temperaturgeregelt, mit einem Durchlaßfenster für das natürliche Sonnenlicht oder für den Ansatz einer regelbaren künstlichen Lichtquelle ausgestaltet und wird mit Außenluft durchströmt, deren Feuchte- und CO2-Gehalt zuvor festgelegt worden ist. Auf diese Weise kann entweder bei Einwirkung natürlicher Bedingungen oder durch Verändern der Lichteinwirkung und der eingeströmten Außenluft-Gasanteile die Licht-, CO2-, Temperatur- und Luftfeuchteabhängigkeit bei der Photosynthese und bei der Atmung der eingeschlossenen Pflanzenteile ermittelt werden. Anschließend werden dann die durch das eingeschlossene Pflanzenteil in der Küvette veränderten Gaswerte speziellen Meßeinrichtungen bzw. Gas- Analysatoren zugeführt, die insbesondere die Feuchte- und CO2- Veränderungen des Gases aus der Küvette messen.
- Genaue Meßwerte der in der Küvette veränderten Gaszustände setzen aber eine genaue Erfassung der Gasstoffwechselvorgänge des eingeschlossenen Pflanzenteils voraus, die wiederum von der Genauigkeit abhängen, mit der die angesaugte Luft zuvor analysiert und schließlich hinsichtlich ihrer einzelnen Gasanteile dosiert worden ist.
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrichtung zur Erfassung von Gasstoffwechselvorgängen von Pflanzen und geht aus von der Anwendung bekannter Einzelelemente wie sie in den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 2 angegeben sind.
- In der DE-OS 33 03 310 ist ein Verfahren und eine Anordnung beschrieben, nach dem ebenfalls die Gasstoffwechselvorgänge von Pflanzen untersucht worden sind. Im wesentlichen wird nach dem Inhalt dieser Durchschrift mittels eines Gasdetektors gearbeitet, der in die Pflanze eingesetzt wird. Ein die Pflanze umgebender Gasraum wird dabei nicht verwendet, weshalb mit dieser Anordnung Gasstoffwechselvorgänge der Pflanzen bei künstlich erzeugten Umgebungsverhältnissen nicht untersucht werden können.
- Durch die DD-PS 2 39 666 ist eine Inkubationsküvette zur Gasstoffwechselbestimmung von Pflanzen bekanntgeworden. Danach wird in einem zylindrischen Hohlkörper (Küvette) die Pflanze gasdicht eingeschlossen und einer ventilierten Gasströmung sowie einer Lichteinwirkung ausgesetzt. Die Messung des Gasstoffwechsels erfolgt dann schließlich durch verschiedene Meßmethoden. Bei diesem Bekannten wird zwar auch ein gleichmäßiges Gasniveau in der Küvette angestrebt, es ist jedoch nicht angegeben, unter welchen Voraussetzungen die Beaufschlagung des zu untersuchenden Pflanzenteils mit den Elementen Gas, Feuchtigkeit und Licht im einzelnen in der Küvette erfolgt.
- Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und die dafür erforderlichen Einrichtungen anzugeben, mit denen die Gasstoffwechselvorgänge zwischen Pflanze und Umgebung unter kontrollierten Umgebungseinflüssen wie Gas, Feuchtigkeit, Wind und Licht möglichst exakt erfaßt werden können.
- Ausgehend von einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 wird diese Aufgabe mit den Verfahrensschritten des Kennzeichnungsteils dieses Anspruches gelöst. Denn durch die Bildung von zwei Strömungen in der Klimakammer werden für den gesamten Kammerraum homogene Strömungsverhältnisse geschaffen, so daß die zu untersuchende Pflanze nur von einem Gas eines bestimmten und gut zu regelnden Zustandes erreicht wird, wobei die Klimatisierung des gesamten Strömungsquerschnittes von den den gesamten Querschnitt der Gasstoffwechselkammer durchsetzenden Wärmeaustauschflächen übernommen werden. Auch wird mit der Unterteilung des Kammerraumes in zwei Strömungsräume und der Anwendung eines geregelten Lüfterrades erreicht, daß das eingeströmte Gas erst nach gründlicher Klimatisierung und mit der für den Gaswechsel erforderlichen Strömungsgeschwindigkeit das Pflanzenteil umspült, um dann unmittelbar ausgeleitet zu werden.
- Die Genauigkeit, mit der die angesaugte Luft hinsichtlich ihrer einzelnen Bestandteile und hinsichtlich ihrer Feuchte zu dosieren ist, wird durch spezielle Aufbereitungsschritte erreicht. Während der Patentanspruch 2 sich auf die Gasstoffwechselkammer zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch 1 bezieht, beinhalten die Patentansprüche 3 bis 8 vorteilhafte Weiterbildungen der Gasstoffwechselkammer nach Patentanspruch 2.
- Anhand von Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt, es zeigt
- Fig. 1 die Gasstoffwechselkammer,
- Fig. 2 die Gasmischeinrichtung (Seitenansicht),
- Fig. 2a die Gasmischeinrichtung (Vorderansicht),
- Fig. 3 die Gasentfeuchteeinrichtung (Seitenansicht),
- Fig. 3a die Gasentfeuchteeinrichtung (Obersicht).
- Die Fig. 1 zeigt die Gasstoffwechselkammer, bestehend aus der topfförmigen Klimakammer (1) und der an der Klimakammer (1) anflanschbaren Pflanzenkammer (2). Die Klimakammer (1) wird über ihren gesamten Querschnitt von den Wärmeaustauschflächen (3) einer Peltierbatterie (4) durchsetzt. Durch Einsetzen eines Trennungskammes zwischen die Rippen des Wärmetauschers (3) wird eine Trennungswand (5) gebildet, die den gesamten Kammerraum in einen Gaseinlaß- (6) und einen Gasauslaßraum (7) unterteilt. Zur Erzeugung einer Gasströmung bzw. einer künstlichen Nachbildung von Windgeschwindigkeiten dient ein von außen über eine Magnetkupplung angetriebenes Lüfterrad (8), das an einem Ende der Trennungswand (5) und in seiner Ebene angeordnet ist.
- Durch die Anordnung der Trennungswand (5) mit dem Lüfterrad (8) in ihrer Ebene wird im Gaseinlaßraum (6) eine Strömungsrichtung (9) und im Gasauslaßraum (7) eine Strömungsrichtung (10) geschaffen.
- Die Pflanzenkammer (2) ist aus lichtdurchlässigem Material gefertigt, besitzt eine Gaseinlaßöffnung (11) für das Gas (6 a) mit den bestimmten Gasanteilen, eine Gasauslaßöffnung (12) und eine Pflanzeneinführungsöffnung 27. Für den Lichteinfall ist auf einer Seite der Pflanzenkammer ein besonderes Lichteinlaßfenster (13) vorgesehen, unter dem unmittelbar das zu untersuchende Pflanzenteil (14) gehaltert ist.
- Die Gasmischanlage gemäß den Fig. 2 und 2a besteht zunächst aus einem länglichen Metallblock (15), in dessen Achse eine Bohrung (16) vorgesehen ist. Eine Injektionsnadel (17) durchsetzt den Metallblock (15) und zwar so, daß die Spitze bis zur Bohrungsachse reicht.
- In den Fig. 3 und 3a ist der Gasentfeuchter dargestellt, der aus einem Metallblock (18) besteht und von einer Peltierbatterie (19) mit über einen Abstandsklotz (20) verbundenen Kühlrippen (21) gekühlt wird. Ferner wird der Metallblock (18) durch einen Isolationsmantel (22) temperaturgeschützt. Für die Gaseinleitung weist der Metallblock (18) eine erste Sackbohrung (23) und für die Gasausleitung eine parallel zur ersten verlaufende zweite Sackbohrung (24) auf die einenends durch eine Kondenskammer (25) miteinander verbunden sind. Die Kondenskammer (25) besitzt annähernd zylinderförmiges Volumen und ist senkrecht zu den Sackbohrungen 23 und 24 angeordnet. Für eine Reihenschaltung können gemäß Fig. 3a zwei oder auch mehrere Sackbohrungspaare (23, 24) im selben Metallblock (18) angeordnet werden. Zwischen jeweils den Sackbohrungspaaren (23, 24) befindet sich im selben Metallblock (18) ein Temperaturfühler.
Claims (8)
1. Verfahren zur Erfassung von Gasstoffwechselvorgängen bei der Photosynthese und bei der Atmung von Pflanzen, bei dem angesaugte Luft mittels einer CO2 -Gasmischanlage auf einen bestimmten CO2-Gehalt und mittels einer Gasfeuchteregelanlage auf eine bestimmte Luftfeuchtigkeit gebracht wird, diese Luft wird anschließend in die Gasstoffwechselkammer gepumpt, dort durch ein Lüfterrad in Zirkulation versetzt und durch einen Wärmetauscher klimatisiert, dadurch gekennzeichnet,
daß das Gas (6) mit den bestimmten Gasanteilen und mit dem bestimmten Feuchtegehalt in der Gasstoffwechselkammer (1, 2) in zwei parallel aber gegensinnig verlaufenden Strömungen (6, 7) längsseits der Kammerwände geführt wird,
daß die beiden Gasströmungen (6, 7) die den gesamten Querschnitt der Gasstoffwechselkammer (1, 2) durchsetzenden Wärmeaustauschflächen (3) mit unterschiedlichen Strömungsrichtungen (9, 10) umspülen,
daß das Gas (6) in die Gasstoffwechselkammer (1, 2) im Bereich der einen Gasströmung (6 a) eingeleitet und als Auslaßgas (7 a) im Bereich der anderen Gasströmung (7) nach umspülen des zu untersuchenden Pflanzenteils (14) sowie nach erfolgtem Gasaustausch mit dem Pflanzenteil (14) ausgeleitet wird,
daß zur Bildung der erforderlichen Gasströmung (6, 7) die Drehzahl des Lüfterrades (8) geregelt wird,
daß die angesaugte Luft auf einen bestimmten CO2-Gehalt gebracht wird, indem in einer CO2-Gasmischanlage der gesamte CO2-Gehalt des Gases zunächst absorbiert wird, um dann dem Gas bestimmte CO2-Anteile zuzuführen,
daß in der Gasmischanlage (15-17) das CO2-Gas über eine Leitung (17) sehr geringen Querschnitts senkrecht und in Achsrichtung zur Gasströmung in einer Leitung (16) mit gegenüber der CO2-Leitung (17) wesentlich größerem Querschnitt eingeblasen wird,
daß zur genauen Dosierung des CO2-Gehaltes in der angesaugten Luft Stickstoff in den Gasstrom über ein vor oder hinter der Gasmischanlage angeordnetes T-Stück eingeblasen wird.
daß zur Entfeuchtung der Gasstrom (6) mit den bestimmten Gasanteilen durch einen von einer Peltierbatterie (19) gekühlten Metallblock (18) gekühlt wird, wobei das Gas (6) zunächst durch eine erste längere Sackbohrung (23) geringeren Querschnitts geführt wird, dann in eine großvolumige Kondenskammer (25) mit einem Sammelbecken mündet und dann durch eine zweite, parallel zur ersten verlaufenden Bohrung (23) ausgeleitet wird.
daß das Gas (6) mit den bestimmten Gasanteilen und mit dem bestimmten Feuchtegehalt in der Gasstoffwechselkammer (1, 2) in zwei parallel aber gegensinnig verlaufenden Strömungen (6, 7) längsseits der Kammerwände geführt wird,
daß die beiden Gasströmungen (6, 7) die den gesamten Querschnitt der Gasstoffwechselkammer (1, 2) durchsetzenden Wärmeaustauschflächen (3) mit unterschiedlichen Strömungsrichtungen (9, 10) umspülen,
daß das Gas (6) in die Gasstoffwechselkammer (1, 2) im Bereich der einen Gasströmung (6 a) eingeleitet und als Auslaßgas (7 a) im Bereich der anderen Gasströmung (7) nach umspülen des zu untersuchenden Pflanzenteils (14) sowie nach erfolgtem Gasaustausch mit dem Pflanzenteil (14) ausgeleitet wird,
daß zur Bildung der erforderlichen Gasströmung (6, 7) die Drehzahl des Lüfterrades (8) geregelt wird,
daß die angesaugte Luft auf einen bestimmten CO2-Gehalt gebracht wird, indem in einer CO2-Gasmischanlage der gesamte CO2-Gehalt des Gases zunächst absorbiert wird, um dann dem Gas bestimmte CO2-Anteile zuzuführen,
daß in der Gasmischanlage (15-17) das CO2-Gas über eine Leitung (17) sehr geringen Querschnitts senkrecht und in Achsrichtung zur Gasströmung in einer Leitung (16) mit gegenüber der CO2-Leitung (17) wesentlich größerem Querschnitt eingeblasen wird,
daß zur genauen Dosierung des CO2-Gehaltes in der angesaugten Luft Stickstoff in den Gasstrom über ein vor oder hinter der Gasmischanlage angeordnetes T-Stück eingeblasen wird.
daß zur Entfeuchtung der Gasstrom (6) mit den bestimmten Gasanteilen durch einen von einer Peltierbatterie (19) gekühlten Metallblock (18) gekühlt wird, wobei das Gas (6) zunächst durch eine erste längere Sackbohrung (23) geringeren Querschnitts geführt wird, dann in eine großvolumige Kondenskammer (25) mit einem Sammelbecken mündet und dann durch eine zweite, parallel zur ersten verlaufenden Bohrung (23) ausgeleitet wird.
2. Gasstoffwechselkammer bzw. Gasstoffwechsel-Meßküvette zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 für die Erfassung der Gasstoffwechselvorgänge eines in dieser Kammer gasdicht abgeschlossenen, jedoch nicht von der Mutterpflanze abgetrennten Pflanzenteils, die aus einer Klimakammer und aus einer Pflanzenkammer mit einem Lichteinlaßfenster besteht, wobei die Klimakammer zur thermoelektrischen Temperaturregelung mit einer Peltierbatterie und zur Aufrechterhaltung einer Gaszirkulation im Inneren der Kammer mit einem Lüfterrad ausgestattet ist, dadurch gekennzeichnet,
daß die gesamte Raumbreite der Klimakammer (1) von Wärmeaustauschflächen (3) und Peltierbatterien (4) durchsetzt ist,
daß eine Trennwand ( 5) den Innenraum der Gasstoffwechselkammer (1, 2) in Längsrichtung in zwei gleich große Raumhälften (6, 7) unterteilt, nämlich in einen Gaseinlaß- (6) und einen Gasauslaßraum (7),
daß für eine Strömungsrichtungsumkehr die Trennwandenden von den Schmalseiten der Gasstoffwechselkammer (1, 2) beabstandet sind,
daß an dem einen Trennwandende und in ihrer Ebene das Lüfterrad (8) angeordnet ist,
daß im Bereich des anderen Trennwandendes im Raum der Pflanzenkammer (2) auf der anderen Seite der Trennwand (5) die Gaseinlaßöffnung (11) und auf der anderen Seite sowohl die Gasauslaßöffnung (12) als auch die Pflanzeneinführungsöffnung (27) vorgesehen ist, und daß in der Pflanzenkammer (27) unter dem Lichteinlaßfenster (13) und im Bereich des Gasauslaßraumes (7) Haltemittel unf diverse Meßfühler für das zu untersuchende Pflanzenteil (14) vorgesehen sind, daß an die Gaseinlaßöffnung (11) eine Gasmischanlage angeschlossen ist, die aus aus einem Metallblock (15) mit einer axialgeführten zylindrischen Bohrung (16) und einer Injektionsnadel (17) besteht,
daß die Injektionsnadel (17) in der Mitte des Metallblocks (15) und senkrecht zur Achse der Bohrung (16) den Metallblock (15) durchsetzt,
daß die Spitze der Injektionsnadel (17) bis zur Achse der Bohrung (16) reicht,
daß der Strömungsquerschnitt der Bohrung (16) mindestens um das 104fache größer ist als der der Injektionsnadel (17), daß vor der Gasmischanlage eine Entfeuchtungseinrichtung zwischengeschaltet ist, bei der in einem Metallblock (18) zwei parallel geführte Sackbohrungen (23, 24) als Eingangs- und Ausgangsleitungen angebracht sind, die an ihren Enden über eine zylindervolumige und senkrecht zu den Sackbohrungen (23, 24) angeordnete Kondenskammer (25) verbunden sind,
daß der Querschnitt der Kondenskammer (25) mindestens dreimal größer ist als der der Sackbohrungen(23, 24) und
daß der Metallblock (18) über eine Peltierbatterie (19) mit über einen Abstandsklotz (20) verbundenen Kühlrippen (21) kühlbar und durch einen Isolationsmantel (22) temperaturgeschützt ist.
daß die gesamte Raumbreite der Klimakammer (1) von Wärmeaustauschflächen (3) und Peltierbatterien (4) durchsetzt ist,
daß eine Trennwand ( 5) den Innenraum der Gasstoffwechselkammer (1, 2) in Längsrichtung in zwei gleich große Raumhälften (6, 7) unterteilt, nämlich in einen Gaseinlaß- (6) und einen Gasauslaßraum (7),
daß für eine Strömungsrichtungsumkehr die Trennwandenden von den Schmalseiten der Gasstoffwechselkammer (1, 2) beabstandet sind,
daß an dem einen Trennwandende und in ihrer Ebene das Lüfterrad (8) angeordnet ist,
daß im Bereich des anderen Trennwandendes im Raum der Pflanzenkammer (2) auf der anderen Seite der Trennwand (5) die Gaseinlaßöffnung (11) und auf der anderen Seite sowohl die Gasauslaßöffnung (12) als auch die Pflanzeneinführungsöffnung (27) vorgesehen ist, und daß in der Pflanzenkammer (27) unter dem Lichteinlaßfenster (13) und im Bereich des Gasauslaßraumes (7) Haltemittel unf diverse Meßfühler für das zu untersuchende Pflanzenteil (14) vorgesehen sind, daß an die Gaseinlaßöffnung (11) eine Gasmischanlage angeschlossen ist, die aus aus einem Metallblock (15) mit einer axialgeführten zylindrischen Bohrung (16) und einer Injektionsnadel (17) besteht,
daß die Injektionsnadel (17) in der Mitte des Metallblocks (15) und senkrecht zur Achse der Bohrung (16) den Metallblock (15) durchsetzt,
daß die Spitze der Injektionsnadel (17) bis zur Achse der Bohrung (16) reicht,
daß der Strömungsquerschnitt der Bohrung (16) mindestens um das 104fache größer ist als der der Injektionsnadel (17), daß vor der Gasmischanlage eine Entfeuchtungseinrichtung zwischengeschaltet ist, bei der in einem Metallblock (18) zwei parallel geführte Sackbohrungen (23, 24) als Eingangs- und Ausgangsleitungen angebracht sind, die an ihren Enden über eine zylindervolumige und senkrecht zu den Sackbohrungen (23, 24) angeordnete Kondenskammer (25) verbunden sind,
daß der Querschnitt der Kondenskammer (25) mindestens dreimal größer ist als der der Sackbohrungen(23, 24) und
daß der Metallblock (18) über eine Peltierbatterie (19) mit über einen Abstandsklotz (20) verbundenen Kühlrippen (21) kühlbar und durch einen Isolationsmantel (22) temperaturgeschützt ist.
3. Gasstoffwechselkammer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Flächenteile im Inneren der Klimakammer (1) nickelplattiert sind.
4. Gasstoffwechselkammer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Wandungen der Pflanzenkammer (2) aus lichtdurchlässigem Material bestehen, und
daß das Lichteinlaßfenster (13) aus einem Spezialglas gefertigt ist.
daß die Wandungen der Pflanzenkammer (2) aus lichtdurchlässigem Material bestehen, und
daß das Lichteinlaßfenster (13) aus einem Spezialglas gefertigt ist.
5. Gasstoffwechselkammer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Innenwandungen der Pflanzenkammer (2) beschichtet sind, und
daß die Pflanzenkammer (2) anflanschbar und in ihren Abmessungen an das jeweils zu untersuchende Pflanzenteil (14) anpaßbar ist.
daß die Innenwandungen der Pflanzenkammer (2) beschichtet sind, und
daß die Pflanzenkammer (2) anflanschbar und in ihren Abmessungen an das jeweils zu untersuchende Pflanzenteil (14) anpaßbar ist.
6. Gasstoffwechselkammer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Nachbildung natürlicher Sonneneinstrahlung für die eingeschlossenen Pflanzenteile (14) eine Lichtquelle auf das Lichteinlaßfenster (13) aufsetzbar ist, deren Lichtintensität regelbar ist.
7. Gasstoffwechselkammer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß das Lüfterrad (8) in der Klimakammer (1) von außen über eine Magnetkupplung angetrieben und drehzahlgeregelt ist.
daß das Lüfterrad (8) in der Klimakammer (1) von außen über eine Magnetkupplung angetrieben und drehzahlgeregelt ist.
8. Gasstoffwechselkammer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß mehrere parallel verlaufende Sackbohrungen (23, 24) mit Kondenskammern (25) nebeneinander in dem Metallblock (18) der Entfeuchtungseinrichtung vorgesehen und für eine Reihenschaltung geeignet sind, und
daß zwischen jedem Paar von Sackbohrungen (23, 24) ein Temperaturfühler (26) vorgesehen ist.
daß mehrere parallel verlaufende Sackbohrungen (23, 24) mit Kondenskammern (25) nebeneinander in dem Metallblock (18) der Entfeuchtungseinrichtung vorgesehen und für eine Reihenschaltung geeignet sind, und
daß zwischen jedem Paar von Sackbohrungen (23, 24) ein Temperaturfühler (26) vorgesehen ist.
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