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Die
Erfindung bezieht sich allgemein gesehen auf Verfahren zur Abänderung
des Wachstums von Pflanzenwurzeln, spezifischer gesehen bezieht
sie sich auf Verfahren zur Verbesserung der Erntefähigkeit oder
der Zugänglichkeit
von Pflanzenurzeln durch ein Wachstum in der Nähe einer hydrophilen, nicht
porösen Membran.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Viel
Zeit und große
Anstrengungen sind zum Abändern
des Wachstums von vielen Pflanzenarten investiert worden, dies zur
Erhöhung
der Leichtigkeit des Erntens von oder der Zugänglichkeit zu wirtschaftlich wertvollen
Produkten (wie Früchten,
Samen, Blumen, Blättern
usw.), aber es sind weniger Anstrengungen unternommen worden und
es ist sogar weniger Erfolg erzielt worden hinsichtlich der Abänderung
des Wachstums von Pflanzenwurzeln. Tatsächlich kann die Struktur von
Pflanzenwurzeln von einem großen
wirtschaftlichen Interesse sein; zum Beispiel, weil die Wurzeln
selbst ein wirtschaftliches Produkt sind (oder eine Quelle ein solches)
oder weil ihre Struktur in einem starken Maße die Leichtigkeit des Erntens
einer Pflanze beeinflusst sowie auch die Leichtigkeit und die Erfolgschancen
eine Pflanze mit den Wurzeln herausnehmen und sie dann erfolgreich
wieder einpflanzen zu können.
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Beispiele
von wirtschaftlich wertvollen Wurzeln erstrecken sich auf Ernteerzeugnisse
von landwirtschaftlichen Massenprodukten, etwa auf Karotten oder
auf rote Rüben
usw. und auch auf Wurzeln, die wegen ihrer pharmazeutischen oder
homöopathischen
Eigenschaften angebaut werden. Das Verfahren, das nach der Extraktion
von wirtschaftlich wertvollen Wurzeln erforderlich ist, wird in
einem großen
Maße von
dem beabsichtigten Einsatz abhängig
sein; zum Beispiel ein einfaches Entfernen von der größten Menge
des anhaftenden Wachstumsmediums bei Karotten; oder ein intensives
Säubern,
Zerkleinern bzw. Zerhacken, Wärmebehandeln
und chemisches Extrahieren bei pharmazeutisch wertvollen Wurzeln.
Bei all diesen Fällen
liegt die Wichtigkeit jedoch darauf, wie leicht es ist die größtmögliche Menge
des Wurzelsystems aus dem Erdboden zu entfernen und dann das Wurzelsystem
von dem Wachstumsmedium zu trennen, beides betrachtet sowohl im
Hinblick auf das Volumen der Wiedergewinnung der Wurzeln als auch
im Hinblick auf die späteren
Verfahrenskosten bei der Extraktion.
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Wenn
die Pflanzen in Massen gezüchtet
werden, bevor sie umgepflanzt werden, zum Beispiel als Sämlinge in
einer Pflanzen- und Baumschule, dann ist es wiederum wichtig, dass
man in der Lage ist, einen möglichst
hohen Anteil des sich entwickelnden Wurzelsystems ohne Beschädigung von
dem Wachstumsmedium entfernen kann, so dass die umgepflanzte Pflanze
die beste Chance haben wird, wieder anzuwachsen, während dabei
die Krankheiten vermieden werden, welche durch einen mikrobiellen
Angriff auf gebrochene Wurzeln verursacht werden.
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Eine
weitere Kategorie von Wurzeln, welche wirtschaftlich wertvoll sind,
sind diejenigen, welche wirtschaftlich wertvolle Stoffe in das Wachstumsmedium
hinein freisetzen; zum Beispiel ist es jetzt bekannt, dass die meisten
Wurzelsysteme von Pflanzen spezifische Stoffe (z.B. antimikrobielle
Stoffe, das Wachstum regulierende Stoffe, einschließlich von
natürlichen
Herbiziden, usw.) freisetzen, wenn auch oft in sehr kleinen Mengen.
Mittel zur Verbesserung des Wachstums solcher Wurzelsysteme und
insbesondere Mittel zur Verbesserung des Einsammelns von solchen
ausgeschiedenen Stoffen würden
von einem großen
Nutzen sein.
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Es
sind zahlreiche Stoffe bekannt, welche den Durchtritt von Wasser
erlauben, während
sie den Durchlass von suspendierten oder sogar von aufgelösten Stoffen
beschränken.
Eine erst jüngst
identifizierte Gruppe von Stoffen besteht aus hydrophilen Polymeren.
Membranen aus diesen Materialien sind dafür bekannt, dass sie gegenüber flüssigem Wasser
undurchlässig
sind, dass sie dem Wasserdampf aber einen Durchlass erlauben (ein
Verfahren, welches als Pervaporation bekannt ist). Wenn ein Dampfdruck
quer über einer
hydrophilen Membranen vorhanden ist, dann wird von der Seite mit
dem höheren
Dampfdruck Wasser in der Form von Wasserdampf absorbiert werden,
und es wird quer über
die Membran transportiert werden und als Wasserdampf auf der Seite
mit dem geringeren Dampfdruck freigesetzt; der freigesetzte Wasserdampf kann
direkt genutzt werden oder er kann zurück zu flüssigem Wasser kondensiert werden.
In beiden Fälle
kann es jedoch rein sein (in beiderlei Hinsicht, sowohl chemisch
als auch mikrobiell gesehen), weil irgendwelche Verunreinigungen
entweder auf der anderen Seite der Membran oder (in einigen Fällen) in
der Membran selbst zurückgehalten
werden.
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Das
Patent
US 4 926 585 offenbart
den Gebrauch von hydrophilen, porösen Membranen für die Bereitstellung
einer Nährstofflösung, welche
durch die Kapillarwirkung durch diese Membranen zu den Wurzeln fließt. Im Gegensatz
dazu können
keine Nährstoffe
freigesetzt werden, aber es kann Wasser aus den betreffenden Membranen
zu den Pflanzenwurzeln gelangen.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Man
hat jetzt herausgefunden, dass, wenn Pflanzenwurzeln in der Nähe von bestimmten
Membranen (d.h. von hydrophilen, nicht porösen Membranen) gezüchtet werden,
aus denen Wasser freigesetzt wird, die Struktur der Wurzeln dann
abgeändert
wird, so dass sie leichter geerntet und/oder im Anschluss an das
Ernten leichter von dem Wachstumsmedium getrennt werden können. Man
hat auch herausgefunden, dass Pflanzenwurzeln, welche in der Nähe solcher
Membranen aufwachsen, aus denen Wasser freigesetzt wird, ein Wachstum
in einem stärker
eingeengten Volumen tolerieren als dies üblich ist und dass es wird
daher weniger wahrscheinlich sein, dass dieselben an einen Blumentopf
gebunden sein werden.
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Es
wird daher ein Verfahren geliefert zur Abänderung des Wachstums von Pflanzenwurzeln,
indem man die Wurzeln in der Nähe
einer Membran aufwachsen lässt,
aus welcher während
des Wachstums der Wurzeln Wasser freigesetzt wird, wobei die Membran
aus einer hydrophilen, nicht porösen
Membran besteht.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die 1 und 4 sind
diagrammatische Darstellungen von Verfahren zum Anbau von Pflanzen, welche
nicht zu einer Wurzelabänderung
führen
(für vergleichende
Zwecke).
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Die 2 und 3 sind
diagrammatische Darstellungen von Verfahren zur Abänderung
des Wachstums von Pflanzenwurzeln der vorliegenden Erfindung.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Unter
Abänderung
des Wurzelwachstums ist gemeint, dass die Größe, die Form, die Morphologie
und die Verteilung der Wurzeln derart beeinflusst werden, dass sie
im Wesentlichen nur in der engen Nähe zu der ausgewählten Membran
wachsen, welche als die größere oder
als die einzige Quelle von Wasser für die Pflanze dient, eher als
dass sie einer zufälligen
Ausbreitung unterliegen, um ein großes Volumen innerhalb des Wachstumsmediums
zu füllen,
wie dies geschieht, wenn Pflanzen auf die herkömmliche Art und Weise berieselt
und bewässert
werden. Eine Wurzelabänderung
kann daher erreicht werden durch die Verwendung einer Membran, welche
die Hauptquelle von Wasser für
die Wurzeln darstellt, während
gleichzeitig unerwünschte Verunreinigungen
(wenn vorhanden) in der Wasserquelle zurückgehalten werden und daran
gehindert werden, in das die Pflanze umgebende Wachstumsmedium einzutreten.
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Die
von dem beanspruchten Verfahren erzeugten Wurzeln werden oft eine
gewebeähnliche
Erscheinung aufweisen. Wurzeln, deren Wachstum nach der Art und
Weise der vorliegenden Erfindung abgeändert worden ist, bilden daher
leichter sichtbare (und daher einsammelbare) Strukturen, welche
der Form der Membran folgen, welche der Pflanze das meiste oder
alles Bewässerungswasser
liefert. Dadurch dass das Züchten auf
diese Weise erfolgt, wird es auch leichter gemacht, die Wurzelsysteme
ohne Beschädigung
derselben auszugraben, da der von den Wurzelsystemen ausgefüllte Raum
vermindert wird. Zum Beispiel, wenn die für die Bewässerung unter der Bodenoberfläche verwendete
Membran an den Wurzeln in der Form einer flachen Folie oder eines
flachen Rohres vorhanden ist, dann kann die Form der auf diese Weise
gewachsenen Wurzeln beschrieben werden als eine dichte, flache bzw.
zylindrische Matte.
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Pflanzen,
welche in der Praxis der vorliegenden Erfindung verwendet werden
können,
schließen
alle Sorten mit ein, für
welche eine Abänderung
des Wurzelwachstums vorteilhaft sein kann. Beispiele von solchen Vorteilen
schließen
mit ein:
- (1) Die Fähigkeit, die Biomasse der Wurzeln
zu steigern, im Vergleich mit der Biomasse der Pflanze über der
Erde, dies für
den Fall von Pflanzen, von denen Wurzeln geerntet werden;
- (2) Die Fähigkeit,
die Form der Wurzeln zu steuern, so dass gleichmäßigere, kommerzielle Ernten
erzielt werden können;
- (3) Die Fähigkeit,
die Art und Weise zu steuern, entsprechend welcher eine Pflanze
in dem Erdboden verankert wird;
- (4) Die Fähigkeit,
auf die Richtung des Wurzelwachstums abzuzielen, was seinerseits
Vorteile bietet, einschließlich
auf
(a) die Fähigkeit,
auf die möglichst
wirkungsvollste Art und Weise Nahrungsmittel, Mineralien, landwirtschaftliche
Chemikalien und dergleichen zu verwenden, welche in spezifischen
Schichten des Wachstumsmediums vorhanden sind, oder welche in spezifische
Zonen des Wachstumsmediums hineingebracht werden können,
(b)
die Fähigkeit,
belastete oder vergiftete oder anderweitig unerwünschte Bereiche des Wachstumsmediums
zu vermeiden,
(c) umgekehrt zu dem obigen Punkt (b), auf die
Fähigkeit,
vergiftete oder anderweitig unerwünschte Bereiche des Wachstumsmediums
zu sanieren und zu verbessern, indem man Pflanzenwurzeln auf diesen
belasteten oder anderweitig unerwünschten Bodenbereichen des
Wachstumsmediums ansiedelt, so dass jene unerwünschten Stoffe in die Pflanze
eingebunden werden und anschließend
diese unerwünschten Stoffe
zusammen mit der Pflanze entsorgt werden,
(d) die Fähigkeit,
das Wachstum von Unkraut zu verhindern, und
(e) die Fähigkeit,
das Wurzelsystem der benachbarten Pflanzen zu vermeiden;
- (5) Ein leichteres Herausnehmen der Wurzeln beim Auspflanzen
und ein leichteres erneutes Wiedereinpflanzen, z.B. bei Sämlingen,
die in einer Pflanzenschule bzw. Baumschule aufgezogen werden, weil
die Wurzeln nicht an dem Bewässerungssystem
anhaften oder in dieses nicht eindringen, und weil die Wurzeln dazu
veranlasst werden können,
in spezifische Gebiete zu wachsen, was ein gegenseitiges Verheddern zwischen
den Wurzeln benachbarter Pflanzen verhindert, und
- (6) Die Fähigkeit,
das Ernten und das Verarbeiten von Wurzeln zu verbessern, indem
man die Menge des Wachstumsmediums vermindert, welches von den Wurzeln
gereinigt werden muss.
- (7) Die Fähigkeit,
Pflanzen in einer Umgebung mit einer kontrollierten Feuchtigkeit
so aufwachsen zu lassen, dass schädliche, pathogene Stoffe aus
dem Ernteprodukt ausgeschlossen werden können, weil sich jene schädlichen,
pathogenen Stoffe nur entwickeln können, wenn die Wurzelbereiche
der Pflanzen zu feucht sind.
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Beim
Umsetzen der vorliegenden Erfindung zieht man es vor, dass die sich
entwickelnde Pflanze in einem Wachstumsmedium gehalten wird, in
welchem die Pflanzenwurzeln wachsen können; bevorzugte Wachstumsmedien
schließen
irgendein herkömmliches
Material mit ein, in welchem Pflanzen normalerweise wachsen, z.B.
natürlich
auftretende Böden,
künstliche
oder künstlich
verbesserte Böden;
Sand (welcher wahlweise hinzugefügte
Pflanzennährstoffe
enthält);
ein im Handel erhältliches
Wachstumsmedium wie es etwa in "Wachstumstaschen" ("growbags") verwendet wird,
oder Vermiculit; Torfmoor; geschredderte Baumrinde (Rindenmulch)
und geschreddertes Farnkraut; zerkleinerte oder geschredderte Baumrinde
oder geschredderte Kokosnusshülsen.
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Die
für den
Gebrauch bei der vorliegenden Erfindung geeigneten Membranen schließen hydrophile, nicht
poröse
Membranen mit ein.
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Geeignete
hydrophile, nicht poröse
Membranen für
den Gebrauch bei der vorliegenden Erfindung sind nicht poröse, hydrophile
Membranen, welche Wasser absorbieren und welche es dem Wasser ermöglichen, nur über den
Weg der Pervaporation hindurch durch die Membran zu treten. Wenn
ein Gradient des Dampfdruckes quer über die hydrophile Membran
hinweg besteht, dann diffundiert das absorbierte Wasser durch die Dicke
der Membran hindurch und wird von der gegenüberliegenden Membranseite emittiert.
Hydrophile, nicht poröse
Membranen oder Beschichtungen zeichnen sich durch das Merkmal ausreichend
hoher Durchlassgeschwindigkeiten für den Wasserdampf aus, so wie
dies unten definiert ist, so dass Wasser, welches hindurch durch
diese Membranen getreten ist, direkt bei der Bewässerung von Pflanzen verwendet
werden kann. Solche Membranen können
eine oder mehrere Schichten umfassen, welche aus Materialien hergestellt
sind, welche dieselben oder verschiedene hydrophile Polymere mit
einschließen,
aber nicht auf diese beschränkt
sind. So lange wie die Durchlassgeschwindigkeit der Membran für den Wasserdampf
insgesamt hoch genug ist, kann dieses Wasser mit einer Geschwindigkeit
geliefert werden, welche konsistent mit dem Verbrauch bei seiner
vorgegebenen praktischen Anwendung ist, so wie dies beschrieben
ist. Die nicht poröse
Natur der Membranen dient dazu, irgendwelche partikulären Verunreinigungen
von dem Durchtritt durch solch eine Membran auszuschließen, einschließlich von
Mikroben, etwa von Bakterien und Viren, und sie verhindert auch
das Durchdringung durch die wachsenden Wurzeln.
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Die
Geschwindigkeit, mit welcher das Wasser durch die hydrophile, nicht
poröse
Membran hindurch pervaporiert, welche aus dem hydrophilen Polymer
hergestellt ist, hängt
unter anderen Faktoren von dem Feuchtigkeitsgehalt auf der Nichtwasserseite
ab. Daher sind die Bewässerungssysteme
gemäß der vorliegenden
Erfindung selbstregulierend und sie können von Natur aus "passiv" sein, wobei sie
die Pflanzen unter trockenen Bedingungen mit mehr Wasser versorgen
und unter feuchten Bedingungen mit weniger Wasser.
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Der
Standardtest zum Messen der Geschwindigkeit, mit welcher eine gegebene
Membran Wasser überträgt und durchlässt, ist
das ASTM E-96-95 – Verfahren
BW, ehemals bekannt und bezeichnet als ASTM E-96-66 – Verfahren
BW, welches verwendet wird, um die Durchlassgeschwindigkeit des
Wasserdampfes (Water Vapor Transmission Rate = WVTR) einer Membran
zu bestimmen.
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Eine
bevorzugte Membran für
die Zwecke des Verfahrens zur Wurzelabänderung gemäß der vorliegenden Erfindung
umfasst eine oder mehrere Schichten hydrophiler, nicht poröser Membranen.
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Unter
dem Begriff "hydrophile
Polymere" sind Polymere
gemeint, welche Wasser absorbieren, wenn sie bei Raumtemperatur
in Kontakt mit flüssigem
Wasser treten, dies entsprechend der Spezifikation der Internationalen
Standards Organisation ISO 62 (äquivalent
zu der Spezifikation der American Society for Testing and Materials
Specification ASTM D 570).
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Das
hydrophile Polymer, welches für
die Herstellung der hydrophilen, nicht porösen Membranen zum Einsatz bei
der vorliegenden Erfindung geeignet ist, kann ein Polymer sein oder
eine Mischung von mehreren Polymeren, zum Beispiel kann das hydrophile
Polymer ein Copolyetheresterelastomer oder eine Mischung von zwei
oder von mehr Copolyetheresterelastomeren sein, so wie dies unten
beschrieben ist, wie etwa Polymere, welche von E. I. du Pont de
Nemours and Company unter dem Handelsnamen Hyrtel® erhältlich sind;
oder ein Polyetherblockpolyamid oder eine Mischung von zwei oder
von mehr Polyetherblockpolyamiden, wie etwa Polymere, welche von
der Elf-Atochem Company aus Paris, Frankreich, unter dem Handelsnamen
PEBAX erhältlich
sind; oder ein Polyetherurethan oder eine Mischung von Polyetherwethanen;
oder Homopolymere oder Copolymere von Polyvinylalkohol oder eine
Mischung von Homopolymeren oder Copolymeren von Polyvinylalkohol.
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Ein
besonders bevorzugtes Polymer für
die Durchlässigkeit
von Wasserdampf gemäß dieser
Erfindung ist ein Copolyetheresterelastomer oder eine Mischung von
zwei oder von mehr Copolyetheresterelastomeren, die eine Mehrzahl
von wiederkehrenden, langkettigen Estereinheiten und kurzkettigen
Estereinheiten umfassen, welche Kopf-an-Fuß durch Esterverbindungen miteinander
verbunden sind, wobei jene langkettigen Estereinheiten dargestellt
sind durch die Formel:
und jene kurzkettigen Estereinheiten
dargestellt sind durch die Formel:
in denen:
- a)
G ein zweiwertiges Radikal ist, welches übrig bleibt nach dem Entfernen
der Hydroxylendgruppen aus einem Polyalkylenoxidglycol mit einem
zahlenmäßigen Durchschnittsmolekulargewicht
von etwa 400–4000;
- b) R ein zweiwertiges Radikal ist, welches übrig bleibt nach der Entfernung
von Carboxylgruppen aus einer Dicarboxylsäure mit einem Molekulargewicht
von weniger als 300;
- c) D ein zweiwertiges Radikal ist, welches übrig bleibt nach der Entfernung
von Hydroxylgruppen aus einem Diol mit einem Molekulargewicht von
weniger als 250; wahlweise
- d) das Copolyetherester 0–68
Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Copolyetheresters, an
Ethylenoxidgruppen enthält,
welche in die langkettigen Estereinheiten des Copolyetheresters
eingebunden sind; und
- e) das Copolyetherester etwa 25–80 Gew.-% an kurzkettigen
Estereinheiten enthält.
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Dieses
bevorzugte Polymer ist geeignet zum Einbau in dünne, aber feste Membranen,
Filme und Beschichtungen. Das bevorzugte Polymer, das Copolyetheresterelastomer
und die Verfahren zu dessen Herstellung, sind nach dem Stand der
Technik bekannt, so wie sie etwa in dem US Patent No 4725481 für ein Copolyetheresterelastomer
mit einer WVTR von mindestens 3500 g/m2/24hr
offenbart sind oder in dem US Patent No 4769273 bezüglich eines
Copolyetheresterelastomers mit einer WVTR von 400–2500 g/m2/24hr.
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Das
Polymer kann zusammengesetzt werden mit Antioxidansstabilisierungsmitteln,
Ultraviolettstabilisierungsmitteln, Hydrolysestabilisierungsmitteln,
mit Farbstoffen oder mit Pigmenten, mit Füllstoffen, mit antimikrobiellen
Reagenzien und dergleichen.
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Die
Verwendung von im Handel erhältlichen
hydrophilen Polymeren als Membranen ist im Zusammenhang mit der
vorliegenden Erfindung möglich,
obwohl man es stärker
vorzieht, Copolyetheresterelastomere mit einer WVTR von mehr als
400 g/m2/24hr zu verwenden, gemessen an
einem Film von einer Dicke von 25 Mikron unter Verwendung von Luft
bei 23 °C
und 50 % relativer Feuchte bei einer Geschwindigkeit von 3 m/s. Am
stärksten
bevorzugt ist die Verwendung von Membranen, welche aus im Handel
erhältlichen
Copolyetheresterelastomeren hergestellt sind mit einer WVTR von
mehr als 3500 g/m2/24hr, gemessen an einem
Film von einer Dicke von 25 Mikron unter Verwendung von Luft bei
23 °C und
50 % relativer Feuchte bei einer Geschwindigkeit von 3 m/s.
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Die
hydrophilen Polymere können
zu Membranen von irgendeiner gewünschten
Dicke durch eine Anzahl von Verfahren hergestellt werden. Ein nützlicher
und gut ausgebauter Weg, um Membranen in der Form von Filmen herzustellen,
besteht in dem Verfahren einer Schmelzextrusion des Polymers auf
einer kommerziellen Extrusionsproduktionslinie. Kurz gesagt, verursacht
dies ein Erhitzen des Polymers auf eine Temperatur oberhalb des
Schmelzpunktes, ein Extrudieren des Polymers durch eine flache oder
ringförmige
Extrusionsdüse
und dann ein Formen eines Filmes unter Verwendung eines Walzensystems
oder ein Blasen eines Filmes aus der Schmelze.
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Membranen
zur Verwendung im Rahmen der vorliegenden Erfindung konnen eine
oder mehrere Schichten von Trägermaterialien
mit einschließen.
Nützliche
Trägermaterialien
schließen
gewebte, nicht gewebte oder gebundene Papiere, Textilerzeugnisse
und für
Wasserdampf durchlässige
Gitter mit ein, einschließlich
jener Trägermaterialien,
welche aus Fasern organischer und anorganischer Polymere aufgebaut sind,
welche stabil gegenüber
Feuchtigkeit sind, etwa Polyethylen, Polypropylen, Fiberglas und
dergleichen. Das Trägermaterial
bewirkt beides, es erhöht
sowohl die Festigkeit als auch schützt es die Membran. Das Trägermaterial
kann auf einer Seite der Membran oder auf beiden Seiten der Membran
angeordnet sein oder es kann in einer Sandwichbauweise zwischen
zwei oder mehr Schichten eingeschoben sein. Wenn es nur auf einer
Seite angeordnet ist, dann können
die Trägermaterialien
in Kontakt mit der Wasserquelle treten oder von dieser entfernt
sein. Typischerweise wird das Trägermaterial
auf irgendeiner Oberfläche
der Membran angeordnet, welche der Umgebung ausgesetzt ist, um die
Membran am besten vor einer physikalischen Beschädigung und/oder vor einer Qualitätseinbuße durch
Licht zu schützen.
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Beim
Ausführen
des Verfahrens gemäß der vorliegenden
Erfindung zur Abänderung
des Wachstums von Pflanzenwurzeln ist es notwendig, dass Wasser
aus einer ersten Seite der Membran, an welcher die Wurzeln nahe
gelegen sind, freigesetzt werden kann, so dass es von dem Wurzelsystem
aufgenommen werden kann. Diese Freisetzung von Wasser kann kontinuierlich
oder episodisch sein, abhängig
von den Wasseranforderungen der Pflanze, welche aufwachsen soll,
und von der Natur des Wachstumsmediums, wenn es vorhanden ist. Damit
das Wasser freigesetzt wird, ist es für die zweite Seite der Membran
notwendig, dass sie in Verbindung mit einer Wasserquelle steht.
Diese Wasserquelle kann ein Vorratsbehälter an flüssigem Wasser sein oder sie
kann aus einem Material bestehen, in welchem das Wasser getragen
und transportiert wird, z.B. feuchter Boden usw. Für die vorliegende
Erfindung ist die Qualität
des Wassers im Kontakt mit der zweiten Seite der Membran nicht wichtig,
weil der Durchtritt durch die Membran bedeuten wird, dass nur Wasser
von geeigneter Qualität
die Wurzeln versorgt.
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Man
zieht es beim Ausführen
des Verfahrens gemäß der Erfindung
zur Abänderung
des Wachstums von Pflanzenwurzeln vor, dass die Membran die Hauptversorgungsquelle
für Wasser
während
des Wachstums der Wurzeln ist. Stärker bevorzugt man, dass die
Membran im Wesentlichen die einzige Wasserquelle während des
Wachstums der Wurzeln darstellt. Weiterhin zieht man es vor, dass,
wenn ein Wachstumsmedium vorhanden ist, das Wachstumsmedium nicht
selbst einen wesentlichen Teil der Feuchtigkeit zurückhält (z.B.
wegen der physikalischen Eigenschaften oder weil es mit einem guten
Abfluss versehen ist oder ausreichend gut durchlüftet ist, um dadurch zu verursachen,
dass es austrocknet), so dass die sich entwickelnden Wurzeln im Wesentlichen
alle ihre Feuchtigkeit direkt aus der Membran erhalten und nicht
aus der Feuchtigkeit, welche in dem Wachstumsmedium zurückgehalten
ist.
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Das
Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung zur Abänderung
des Wachstums von Pflanzenwurzeln kann zum Beispiel ausgeführt werden,
indem man einen Behälter
herstellt, welcher mindestens teilweise aus einer geeigneten Membran
aufgebaut ist und welcher Wasser enthält, welcher Behälter dann
auf einer Fläche
des Bodens aufgestellt wird, welche nicht wassergefüllt ist
und welche nicht häufig
Wasser von irgendeiner anderen Quelle empfängt (z.B. Regen, Bewässerungssysteme,
feuchter Boden in der Umgebung), und indem man dann in diesen Boden
mindestens einen Samen oder eine junge Pflanze derart einpflanzt,
dass die Wurzeln, wenn sie wachsen, in die Nähe von mindestens einem Teil
des Behälters
kommen werden, welcher aus einer geeigneten Membran aufgebaut ist,
aus welcher Wasser freigesetzt wird. Der verwendete Boden kann eine
Fläche
eines natürlichen
Bodens sein (Feld, Garten usw.) in einer Fläche, welche nicht häufig Wasser
von irgendeiner anderen Quelle empfängt (z.B. weil die Fläche bedeckt
ist, der Boden sehr trocken oder porös ist oder weil es wenig Regen
gibt); oder es kann eine künstliche
Wachstumsfläche
sein wie etwa eine "Wachstumstasche" ("Growbag") oder eine Mulde,
welche ein nicht flüssiges
Wachstumsmedium enthält,
welches keine Flüssigkeit
aus irgendeiner anderen Quelle aufnimmt.
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Alternativ
kann das Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung zur Abänderung
des Wachstums von Pflanzenwurzeln ausgeführt werden, indem man das sich
entwickelnde Wurzelsystem und wahlweise das unterstützende Wachstumsmedium
in einem undurchlässigen
Material einschließt,
von dem mindestens ein Teil eine geeignete Membran derart umfasst,
dass Wasser im Wesentlichen nur die Wurzeln erreichen kann, indem es
durch die Membran hindurch tritt. Bei dieser Ausführung kann
das Material, welches die Pflanzenwurzeln umgibt, vollständig aus
einer geeigneten Membran zusammengesetzt sein oder die geeignete
Membran kann einen wesentlichen Teil des Materials bilden. Wie vorher
diskutiert, ist es notwendig für
mindestens einen Teil der Membran, die dem Wurzelsystem nicht gegenüberliegt,
in Verbindung mit der Wasserversorgung zu stehen. Ein Mittel zur
Durchführung
dieser Ausführung
der Erfindung besteht darin, ein Loch in eine Fläche des Bodens zu graben und
das Loch mit einer geeigneten Membran auszukleiden. Das Loch kann
dann aufgefüllt werden
(entweder unter Verwendung des vorher ausgehobenen Materials oder
indem man es mit einem geeigneten Wachstumsmedium ersetzt) und mindestens
ein Saatkorn oder ein junger Sämling
können
dann in das wieder aufgefüllte
Loch gepflanzt werden. Wasser kann dann zu der Membran durch ein
natürliches Durchsickern
geliefert werden (wenn die Bodenfläche normal feucht ist) oder
durch die künstliche
Anwendung von Wasser in den Boden, außerhalb des von der Membran
begrenzten Gebietes. Dieses Wasser wird dann durch die Membran in
das Wachstumsmedium und zu den Wurzeln hindurch treten. Alternativ
kann eine starre Stuktur (z.B. eine poröser Pflanzentopf oder ein nicht
poröser
Pflanzentopf mit Löchern
darin) mit einer Membran ausgekleidet werden und dann mit einem
Wachstumsmedium aufgefüllt
werden, in welches mindestens ein Saatkorn oder ein junger Sämling eingepflanzt
wird. Die Struktur wird dann direkt im Wasser aufgestellt oder in
einem feuchtem Medium, welches Wasser liefern wird, so dass Wasser
durch die starre Struktur hindurch tritt, durch die Membran, und
in das Wachstumsmedium hinein, wo es von den Wurzeln der Pflanze
aufgenommen wird, wenn sie wachsen. Alternativ kann die starre Stuktur
selbst, zumindest teilweise, aus einer Membran so zusammengesetzt
sein, dass der Bedarf für
eine getrennte Membran aufgehoben ist.
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In
den obigen Ausführungen
des Verfahrens gemäß der vorliegenden
Erfindung zur Abänderung
des Wachstums von Pflanzenwurzeln sind die Größe und die Gestalt der Löcher und/oder
der starren Behälter nicht
relevant mit Ausnahme davon, dass sie in ihren Proportionen der
Pflanze insofern angepasst sein müssen, dass die Wurzeln der
Pflanzen in der Nähe
zu der geeigneten Membran während
ihrer Entwicklung sein werden. In ähnlicher Weise ist es im Hinblick
auf die Größe der Membran
lediglich notwendig, dass sie eine ausreichende Oberfläche aufweist,
um ausreichend Wasser für
die sich entwickelnden Wurzelsysteme zu liefern. Die bevorzugte
Dicke der Membran wird von den Materialien abhängen, welche bei ihrer Herstellung
verwendet worden sind, und von der erforderlichen Geschwindigkeit
des Wasserdurchtritts; bevorzugte Dicken liegen jedoch im Allgemeinen
zwischen 10 Mikron und 500 Mikron, zum Beispiel bei 25 Mikron.
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Dadurch
dass die sich entwickelnden Wurzeln eng in einer geeigneten Membran
gemäß dem Verfahren
der vorliegenden Erfindung eingeschlossen werden, kann die Gestalt
der Wurzeln eng gesteuert werden, was von Vorteil sein kann (Optimierung
oder Standardisierung von Größe, Gestalt
usw.), wenn die Wurzeln selbst ein kommerzielles Produkt sind (z.B.
Rettich bzw. Radieschen oder Karotten).
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Ein
weiteres Mittel zur Ausführung
des Verfahrens gemäß der vorliegenden
Erfindung zur Abänderung des
Wachstums von Pflanzenwurzeln besteht darin, ein oder mehrere Samenkörner direkt
auf eine erste Seite einer geeigneten Membran zu verstreuen. Die
umgekehrte Seite der Membran wird dann im Kontakt mit einer Wasserquelle
aufgestellt (zum Beispiel, indem man der Membran ermöglicht,
auf einer Wasseroberfläche
zu schwimmen) und den Samen wird es ermöglicht zu keimen, so dass die
Wurzeln in enger Nähe
zu der Membran wachsen. Wahlweise kann ein Wachstumsmedium bereitgestellt
werden (anfänglich
oder nach dem Keimen), um die Pflanzen zu unterstützen, wenn
sie wachsen.
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Unter
der Ausdrucksweise, die Wurzeln wachsen in der Nähe zu einer geeigneten Membran,
ist gemeint, dass ein großer
Anteil der Wurzeln, wenn sie erst einmal gewachsen sind, in einem
direkten Kontakt mit der Membran oder sehr nahe bei dieser stehen.
Vorzugsweise befinden sich mindestens 25 Gew.-% der gewachsenen
Wurzeln in Kontakt mit der Membran oder sie stehen vorzugsweise
innerhalb eines Bereiches von 10 mm von der Membran; stärker bevorzugt
man, dass sich mindestens 50 Gew.-% der gewachsenen Wurzeln in Kontakt
mit der Membran befinden oder innerhalb eines Bereiches von 10 mm
von der Membran stehen, und am stärksten bevorzugt man, dass
sich mindestens 75 Gew.-% der gewachsenen Wurzeln in Kontakt mit der
Membran befinden oder innerhalb eines Bereiches von 10 mm von der
Membran stehen.
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Es
ist ein Wesensmerkmal der vorliegenden Erfindung, dass die Wurzeln
so wachsen, um den geeigneten Membranen sehr nahe zu sein oder um
sich in Kontakt mit den Membranen zu befinden, aber dass sie die
Membranen nicht durchdringen werden, so dass die Wurzeln von den
Membranen ohne merkliche Beschädigung
entfernt werden können.
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Typen
von Pflanzen, welche aus dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung
zur Abänderung der
Wurzeln Vorteile ziehen, schließen
mit ein:
- (a) kommerzielle Massennahrungsfrüchte, einschließlich, aber
nicht darauf beschränkt,
Erdnüsse,
Karotten, Kartoffeln, rote Rüben,
Pastinaks, Rettiche bzw. Radieschen und dergleichen;
- (b) Früchte
mit Wurzeln, welche für
Geschmacks-/Aromastoffe wachsen und angebaut werden, einschließlich, aber
nicht darauf beschränkt,
Ginger, Kurkuma, Meerrettich, Lakritze und dergleichen;
- (c) Früchte
mit Wurzeln, welche für
die Extraktion von Farbstoffen geerntet werden, einschließlich, aber nicht
darauf beschränkt,
Kurkuma, Indigo und dergleichen;
- (d) Früchte
mit Wurzeln, welche für
die Extraktion von Stoffen mit pharmazeutischen oder homöopathischen
Eigenschaften geerntet werden, einschließlich, aber nicht darauf beschränkt, Große Klette,
Schwarzwurz, Enzian, Ginseng, Wurzel der Ipecacuanhapflanze, Baldrian
und dergleichen (siehe Tabelle 1), und
- (e) Früchte
mit Wurzeln, welche durch Absonderung in den Erdboden nützliche
Stoffe produzieren, welche verwendet werden können, um das Wachstum anderer
Pflanzen zu steuern oder um das
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Entstehen
von Unkraut und dergleichen zu verhindern. Diese Substanzen, welche
als allelopathische Chemikalien oder als Allelochemikalien bekannt
sind, werden von Pflanzen erzeugt, welche mit einschließen, aber
nicht darauf beschränkt
sind, Roggen, Reis, Sorghum, Senfpflanzen, Manzanitasträucher, schwarze
Walnussbäume
oder Wolfsmilch (siehe Tabelle 2).
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TABELLE
1 EINE
AUSWAHL MEDIZINISCHER WURZELN UND IHRER VERWENDUNGEN
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TABELLE
2 EINE
AUSWAHL VON PFLANZEN, WELCHE
ALLELOPATHISCHE CHEMIKALIEN PRODUZIEREN
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BEISPIEL 1
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Fünf aus Kunststoff
hergestellte, nicht poröse
Pflanzentöpfe 1 von
8 cm Höhe
und mit einem Durchmesser von 8 cm, mit 8 in die Topfböden gebohrten
Löchern 2 wurden
mit Blumentopferde 3 gefüllt und es wurden zwei Rettichsamen
darin gepflanzt, wie dies schematisch in der 1 gezeigt
ist. Alle Töpfe
wurden regulär
mit Leitungswasser bewässert.
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Nach
zwei Wochen hatten alle Pflanzen gekeimt und jeder Topf enthielt
zwei Rettichsämlinge 4.
Ein Topf wurde zufällig
ausgewählt
und der Topf wurde sorgfältig
von dem Wurzelballen und von dem Erdboden getrennt. Eine nicht poröse, hydrophile
Membran 5 von 50 Mikron Dicke, hergestellt aus einem extrudierten Film
eines Polyetheresterelastomers, wurde verwendet, um den Wurzelballen
und die Erde einzuwickeln und die Anordnung wurde dann wieder in
dem Pflanzentopf 1 aufgestellt, so dass der Erdboden 3 vollständig von dieser
Membranauskleidung 5 des Topfes umgeben war. Der Topf wurde
dann in einem größeren Kunststoffbehälter 6 derart
aufgestellt, dass dieser Behälter 6 den
Pflanzentopf 1 umgab. Leitungswasser 7 wurde in
die Lücke
zwischen dem umgebenden Behälter 6 und
dem Pflanzentopf 1 gegossen, so dass die hydrophile Membran 5 das
flüssige
Wasser daran hinderte, den Erdboden 3 zu erreichen, wie
dies in der 2 schematisch gezeigt ist. Die
Wasserhöhe
in dem umgebenden Behälter
wurde soweit oben gehalten, dass die Wasserhöhe gerade eben bis unterhalb
der Erde in dem Pflanzentopf reichte, aber kein weiteres Wasser
wurde direkt zu dem (Erd-)Boden hinzugefügt. Die anderen vier Pflanzentöpfe 1,
welche Rettichsämlinge 4 enthielten,
wurden herkömmlich
bewässert,
d.h. indem man Wasser in den Erdboden 3 in Abständen goss,
welche für
die Rettichpflanzen geeignet waren, um normal zu wachsen. Alle fünf Pflanzen
wurden bei Umgebungstemperatur und Feuchtigkeit gehalten und täglich überwacht.
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Nach
ungefähr
weiteren vier Wochen waren alle fünf Rettichpflanzen gut gewachsen
und keine Unterschiede waren erkennbar zwischen den Pflanzen, welche
in den (mit einer Membran) ausgekleideten und in den nicht ausgekleideten
Töpfen
aufwuchsen.
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Das
die Pflanzen enthaltende, wachsende Medium wurde dann sorgfältig aus
einem jeden Topf entfernt, so dass der Zustand der Wurzeln untersucht
werden konnte, und man fand heraus, dass es größere Unterschiede zwischen
den ausgekleideten und den nicht ausgekleideten Töpfen gab.
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In
den nicht ausgekleideten Töpfen
war das Wachstumsmedium sehr feucht und die Wurzeln der Pflanzen
hatten sich in einer herkömmlichen
Art und Weise entwickelt, so dass die Gesamtheit des Wachstumsmediums
durchdrungen war von einer ineinander verknäuelten, verstrickten Masse
haarähnlicher
Wurzeln. Eine Trennung dieser Wurzeln von dem Wachstumsmediumn war
sehr schwierig und die meisten der feinen Wurzeln wurden beschädigt oder
vollständig
von den Pflanzen losgelöst.
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In
den ausgekleideten Töpfen
war das Wachstumsmedium viel trockener und die Wurzeln hatten sich in
einer merklich unterschiedlichen Weise entwickelt, so dass sie sofort
als dünne,
scheibenförmige
Strukturen sichtbar waren, welche in enger Nähe zu und in einem direkten
Kontakt mit der hydrophilen Membran wuchsen. Sehr wenige Wurzeln
drangen in den Körper
des Wachstumsmediums ein und die Wurzeln waren daher sehr leicht
von dem Wachstumsmedium mit einer sehr kleinen Beschädigung zu
trennen. Ein weit höherer
Anteil der Wurzeln war von dem Wachstumsmedium einsammelbar ohne
das intensive Sieben und Trennen, welches im Falle der nicht ausgekleideten
Töpfe erforderlich
war.
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BEISPIEL 2
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Unter
Bezugnahme auf die 3 und 4 (von denen
eine jede einen einzelnen Pflanzentopf 31 darstellt), wurde
eine Gesamtheit von 12 Pflanzentöpfen,
hergestellt aus Terrakotta oder aus Kunststoff mit einer Länge von
60 cm, einer Breite von 15 cm und einer Höhe von 15 cm, mit Acrylfenstern 32 entlang
einer langen Seite passend versehen, was den Wurzeln 30 ermöglichte,
gesehen und betrachtet zu werden, wenn die Pflanzen, welche hinter
den Fenstern in den Töpfen
wuchsen, sich entwickelten. Pflanzentöpfe aus Terrakotta ermöglichten
der Feuchtigkeit, durch die Wände
der Pflanzentöpfe
auf dem schnellsten Wege hindurchzudiffundieren, was die Wirkung
eines größeren Volumens
von Erde rund um die wachsenden Pflanzen herum simulierte, wobei
hingegen Pflanzentöpfe
aus Kunststoff die Bodenfeuchtigkeit mehr zurückhielten und so eine günstigere
Wachstumsumgebung bereitstellten. Der in diesen Pflanzentöpfen verwendete
Erdboden 33 bestand aus sandigem Sassafras Lehm mit 1 %
N-P-K Dünger,
welcher in Pelletform hinzugefügt
worden war, und mit einem Feuchtigkeitsgehalt zwischen 10 % und
15 %. Die Töpfe
wurden hergestellt und Mais, Sorghum- und Alfalfasämlinge wurden
gepflanzt, wie unten beschrieben. Diese drei Pflanzen wurden verwendet,
weil sie sich durch ihre Merkmalseigenschaften weit unterschiedlicher
Wirkungsgrade der Wasseraufnahme unterscheiden – wobei Sorghum am wirkungsvollsten
ist (d.h. sie verwendet die kleinste Menge an Wasser, um eine Einheit
an Biomasse durch ihr Wachstum zu erzeugen) und Alfalfa ist am wenigsten
effizient und der Wirkungsgrad der Wasserverwendung von Mais liegt
zwischen diesen zweien. Alle Töpfe
wurden über
die Sommermonate in eine Gewächshaus
gestellt. Die gemessenen maximalen Lufttemperaturen in dem Gewächshaus
lagen typischerweise über
30 °C.
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Unter
Bezugnahme auf die 3 wurde in jedem der Experimente,
1, 2, 5, 6, 9 und 10 Erde von etwa 1 cm Tiefe auf dem Boden des
Pflanzentopfes angeordnet. Dann wurde eine abgedichtete, zylindrische
Membrantasche 34 mit einer Länge von etwa 30 cm und einer
Oberfläche
von etwa 265 cm2, hergestellt aus einer Folie
aus einem Polyetheresterelastomer von einer Dicke von etwa 50 Mikron,
so angeordnet, dass sie horizontal auf der Erdbodenschicht ruhte.
Jede zylindrische Membrantasche wurde mit einer Länge eines
Plastikschlauches 35 ausgestattet, welcher durch ein kleines,
an der Topfseite gebohrtes Loch 36 nach außerhalb des
Topfes geführt
wurde und dort mit einer wasserdichten Dichtung (nicht gezeigt)
mit einer Wasserflasche 37 verbunden wurde. Der Pflanzentopf
wurde dann mit Erde gefüllt,
so dass die Membrantasche in einer Tiefe von etwa 10 cm unter der
Erdhöhe
begraben wurde. Die Taschen wurden täglich mit entionisiertem Wasser 38 nachgefüllt und
dies in einer Weise, dass die einzige Wasserquelle in der Erde in
den Töpfen
durch die Wand der Meinbrantaschen lief. Drei Pflanzensämlinge 39 wuchsen
auf, an den Enden und in der Mitte eines jeden Pflanzentopfes angeordnet,
so wie es in der 3 gezeigt ist.
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Ein
jeder der Töpfe
in den Experimenten 3, 4, 7, 8 11 und 12 wurde mit Erde gefüllt und
die drei Pflanzensämlinge 41 wuchsen
auf, an den Enden und in der Mitte von den Pflanzentöpfen angeordnet,
so wie es in der 4 gezeigt ist. Die Wurzeln 40 waren
durch die Acrylfenster sichtbar. Die Pflanzen wurden auf eine herkömmliche
Art und Weise mit entionisiertem Wasser von oben bewässert.
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Das
Muster des Wurzelwachstums der zwölf Experimente wurde über die
Zeit hinweg beobachtet. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 3 gegeben.
Die Ergebnisse zeigen deutlich, dass die Wurzeln in den Pflanzentöpfen, welche
durch eine hydrophile Membrantasche bewässert wurden, grundsätzlich um
die Oberfläche
dieser Tasche herumwuchsen, unabhängig von der Natur und Art
der Pflanze und des verwendeten Topfes. Die Form der Wurzeln in
diesen Experimenten 1, 2, 5, 6, 9 und 10 bestand aus einer matten
Struktur mit einigen groben und einigen feinen Wurzeln, welche der
Oberfläche
der Tasche folgen, aber ohne das Material der Tasche zu durchdringen.
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Im
Gegensatz dazu wuchsen die Wurzeln der Pflanzen, welche auf eine
herkömmliche
Art und Weise bewässert
wurden, in einer Art, welche alle Bereiche des Erdbodens für die Aufnahme
von Wasser und von Nährstoffen
erforschte.
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TABELLE
3 Ausgewählte Experimente,
um die Morphologie der Wurzeln auszuwerten (Beispiel 2)