VODNI POTENCIAL: SESTAVINE, METODE IN PRIMERI - OKOLJE - 2026

Vodni potencial je prosta energija ali se lahko opravlja delo, ki ima določeno količino vode. Tako ima voda na vrhu slapa ali slapu velik vodni potencial, ki je na primer zmožen premikati turbino.

Simbol, ki se uporablja za sklicevanje na vodni potencial, je velika grška črka psi, ki se piše is. Vodni potencial katerega koli sistema se meri glede na vodni potencial čiste vode pod pogoji, ki veljajo za standardne (tlak 1 atmosfere in enaka višina in temperatura sistema, ki ga je treba preučevati).

Osmotski potencial. Vir: Kade Kneeland / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)

Dejavniki, ki določajo vodni potencial, so gravitacija, temperatura, tlak, hidracija in koncentracija topljenih snovi v vodi. Ti dejavniki določajo nastanek vodnih potencialov in ti gradienti povzročajo difuzijo vode.

Na ta način se voda premakne z območja z velikim vodnim potencialom na drugo z nizkim vodnim potencialom. Sestavni deli vodnega potenciala so osmotski potencial (koncentracija topil v vodi), matrični potencial (adhezija vode na porozne matrice), gravitacijski potencial in tlačni potencial.

Poznavanje vodnega potenciala je bistvenega pomena za razumevanje delovanja različnih hidroloških in bioloških pojavov. Sem spadajo absorpcija vode in hranilnih snovi rastlin in pretok vode v tleh.

Sestavni deli vodnega potenciala

Vodni potencial sestavljajo štiri komponente: osmotski potencial, matrični potencial, gravitacijski potencial in tlačni potencial. Delovanje teh komponent določa obstoj hidridnih gradientov.

Osmotski potencial (Ψs)

Običajno voda ni v čistem stanju, saj je v njej raztopila trdne snovi (topila), kot so mineralne soli. Osmotski potencial dobimo s koncentracijo topil v raztopini.

Večja količina raztopljenih topljencev je manj proste energije vode, torej manj vodnega potenciala. Zato voda poskuša vzpostaviti ravnovesje s pretokom iz raztopin z nizko koncentracijo topil v raztopine z visoko koncentracijo topljencev.

Matrični ali matrični potencial (Ψm)

V tem primeru je odločilni dejavnik prisotnost matrice ali strukture hidravljivega materiala, to je, da ima afiniteto do vode. To je posledica adhezijskih sil, ustvarjenih med molekulami, zlasti vodikovih vezi, ki nastanejo med molekulami vode, kisikovimi atomi in hidroksilnimi (OH) skupinami.

Na primer, adhezija vode na gline je primer vodnega potenciala, ki temelji na matričnem potencialu. Te matrice s privabljanjem vode ustvarjajo pozitiven vodni potencial, zato voda zunaj matrice teče proti njej in ponavadi ostane znotraj, kot se dogaja v gobici.

Višina ali gravitacijski potencial (Ψg)

Gravitacijska sila Zemlje je v tem primeru tista, ki vzpostavi potencialni gradient, saj bo voda padala navzdol. Voda, ki se nahaja na določeni višini, ima prosto energijo, določeno s privlačnostjo, ki jo Zemlja izvaja na svoji masi.

Gibanje vode z gravitacijo. Vir: Bilal ahmad / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)

Na primer, voda v dvignjenem rezervoarju za vodo pade prosto po cevi in ​​potuje s to kinetično (gibalno) energijo, dokler ne doseže pipe.

Tlačni potencial (Ψp)

V tem primeru ima voda pod pritiskom večjo prosto energijo, torej večji vodni potencial. Zato se bo ta voda premaknila od tam, kjer je pod pritiskom, do tam, kjer je ni, in posledično je manj proste energije (manj vodnega potenciala).

Na primer, ko odmerjamo kapljice s pomočjo kapalke, ko pritisnemo na gumijasti gumb, pritiskamo, ki vodi daje energijo. Zaradi te višje proste energije se voda premakne navzven, kjer je tlak nižji.

Metode za določanje vodnega potenciala

Obstajajo različne metode za merjenje vodnega potenciala, nekatere so primerne za tla, druge za tkiva, za mehanske hidravlične sisteme in druge. Vodni potencial je ekvivalenten tlačnim enotam in se meri v atmosferi, barih, paskalih ali psi (funtov na kvadratni palec v kratici v angleščini).

Tu je nekaj teh metod:

Scholander črpalka ali tlačna komora

Če želite izmeriti vodni potencial rastlinskega lista, lahko uporabite tlačno komoro ali črpalko Scholander. Sestavljen je iz zrakotesne komore, v katero je nameščen celoten list (list s pecivom).

Merjenje vodnega potenciala lista s tlačno komoro. Vir: Pressurebomb.svg: Aibdescalzoderivativno delo: Aibdescalzo / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

Nato se tlak v komori poveča z uvajanjem plina pod tlakom, ki meri pritisk, ki se doseže s pomočjo manometra. Tlak plina na listu narašča, do te mere, da voda, ki je v njem, odteka skozi vaskularno tkivo peclja.

Tlak, ki ga manometer pokaže, ko voda zapusti list, ustreza vodnemu potencialu lista.

Tlačne sonde

Obstaja več možnosti za merjenje vodnega potenciala s pomočjo posebnih instrumentov, imenovanih tlačne sonde. Zasnovani so za merjenje vodnega potenciala tal, ki temelji predvsem na matričnem potencialu.

Na primer, obstajajo digitalne sonde, ki delujejo na podlagi vnosa porozne keramične matrice, povezane s senzorjem vlažnosti v tla. Ta keramika se hidrira z vodo znotraj zemlje, dokler ne doseže ravnotežja med vodnim potencialom v keramični matrici in vodnim potencialom zemlje.

Nato senzor določi vsebnost vlage v keramiki in oceni vodni potencial tal.

Mikrokapilarna s tlačno sondo

Obstajajo tudi sonde, ki lahko merijo vodni potencial v rastlinskih tkivih, na primer steblo rastline. Model je sestavljen iz zelo tanke cevke z natančnim vrhom (mikropiralna cev), ki je vstavljena v tkivo.

Po prodoru v živo tkivo raztopina, ki jo vsebujejo celice, sledi potencialnemu gradientu, ki ga določi tlak v steblu in se vnese v mikropil. Ko tekočina iz stebla vstopi v cev, potisne v njej olje, ki aktivira tlačno sondo ali manometer, ki dodeli vrednost, ki ustreza vodnemu potencialu

Odstopanja v teži ali prostornini

Za merjenje vodnega potenciala na podlagi osmotskega potenciala je mogoče določiti variacije teže tkiva, potopljenega v raztopine v različnih koncentracijah topljene snovi. Za to se pripravi serija epruveta, v katerih je vsaka z znano povečano koncentracijo topljenca, na primer saharoze (sladkorja).

To je, če je v vsaki epruveti 10 ccm vode, se v prvo epruveto doda 1 mg saharoze, v drugi 2 mg, v zadnji pa do 5 mg. Tako imamo naraščajočo baterijo koncentracij saharoze.

Nato iz tkiva odrežemo 5 odsekov enake in znane teže, katerih vodni potencial je treba določiti (na primer koščki krompirja). Nato se v vsako epruveto položi odsek in po 2 urah se tkivni odseki odstranijo in stehtajo.

Pričakovani rezultati in interpretacija

Nekateri kosi naj bi izgubili kilograme zaradi izgube vode, drugi bodo pridobili na teži, ker so absorbirali vodo, drugi pa bodo težo vzdrževali.

Tisti, ki so izgubili vodo, so bili v raztopini, kjer je bila koncentracija saharoze večja od koncentracije topljenca v tkivu. Zato je voda tekla glede na gradient osmotskega potenciala od najvišje koncentracije do najnižje, tkivo pa je izgubilo vodo in težo.

Nasprotno je bilo tkivo, ki je pridobivalo vodo in težo, v raztopini z nižjo koncentracijo saharoze kot koncentracijo topljencev v tkivu. V tem primeru je gradient osmotskega potenciala favoriziral vstop vode v tkivo.

Nazadnje, v tem primeru, ko je tkivo ohranilo prvotno težo, sklepamo, da ima koncentracija, v kateri je bilo, enako koncentracijo topljene snovi. Zato bo ta koncentracija ustrezala vodnemu potencialu preučenega tkiva.

Primeri

Absorpcija vode rastlin

30 m visoko drevo mora prenašati vodo od tal do zadnjega lista, in to poteka prek svojega ožilja. Ta sistem je specializirano tkivo, sestavljeno iz mrtvih celic in je videti kot zelo tanke cevke.

Gibanje vode v rastlinah. Vir: Laurel Jules / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

Prevoz je mogoč zaradi razlik v vodnem potencialu, ki nastajajo med atmosfero in listom, ta pa se prenaša na ožilje. List izgublja vodo v plinastem stanju zaradi večje koncentracije vodne pare v njem (večji vodni potencial) v primerjavi z okoljem (manjši vodni potencial).

Izguba pare ustvarja negativen tlak ali sesanje, ki sili vodo iz posod žilnega sistema proti listnemu rezilu. To sesanje se prenaša od posode do posode, dokler ne doseže korenine, kjer se celice in medcelični prostori prepojijo z vodo, absorbirano iz zemlje.

Voda, ki prihaja iz zemlje, prodira v korenino zaradi razlike v osmotskem potencialu med vodo v celicah povrhnjice in korenino. Do tega pride, ker imajo koreninske celice v večjih koncentracijah topljenca kot voda v tleh.

Sluzi

Mnoge rastline v suhem okolju zadržujejo vodo s proizvodnjo sluzi (viskozne snovi), ki je shranjena v njihovih vakuolih. Te molekule zadržujejo vodo in zmanjšujejo njeno prosto energijo (nizek vodni potencial), v tem primeru je odločilna matrična komponenta vodnega potenciala.

Povišan rezervoar za vodo

V primeru vodovoda, ki temelji na povišanem rezervoarju, se ta zaradi učinka tlačnega potenciala napolni z vodo. Podjetje, ki zagotavlja vodno storitev, nanjo pritiska s pomočjo hidravličnih črpalk in tako premaga silo teže, da doseže rezervoar.

Ko je rezervoar poln, se voda razdeli iz njega zahvaljujoč potencialni razliki med vodo, ki je shranjena v rezervoarju, in odtoki vode v hiši. Z odpiranjem pipe se ugotovi gravitacijski potencialni gradient med vodo v pipi in rezervoarjem.

Zato ima voda v rezervoarju več proste energije (večji vodni potencial) in pada predvsem zaradi sile gravitacije.

Razprševanje vode v tleh

Glavni sestavni del vodnega potenciala tal je matrični potencial glede na adhezijsko silo, ki se vzpostavi med gline in vodo. Po drugi strani potencial gravitacije vpliva na navpični gradient pomika vode v tleh.

Številni procesi, ki se dogajajo v tleh, so odvisni od proste energije vode, ki jo vsebuje zemlja, torej od njenega vodnega potenciala. Ti procesi vključujejo prehrano in transpiracijo rastlin, infiltracijo deževnice in izhlapevanje vode iz zemlje.

V kmetijstvu je pomembno določiti vodni potencial tal za pravilno uporabo namakanja in gnojenja. Če je matrski potencial tal zelo velik, bo voda ostala pritrjena na gline in ne bo na voljo za absorpcijo rastlin.

Reference

1. Busso, Kalifornija (2008). Uporaba tlačne komore in psihrometrov termoelementa pri določanju hidričnih razmerij v rastlinskih tkivih. ΦYTON.
2. Quintal-Ortiz, WC, Pérez-Gutiérrez, A., Latournerie-Moreno, L., May-Lara, C., Ruiz-Sánchez, E. in Martínez-Chacón, AJ (2012). Poraba vode, vodni potencial in donos habanero paprike (C apsicum chinense J acq.). Revija Fitotecnia Mexicana.
3. Salisbury, FB in Ross, CW (1991). Fiziologija rastlin. Wadsworth Publishing.
4. Scholander, P., Bradstreet, E., Hemmingsen, E. in Hammel, H. (1965). Sočni tlak v vaskularnih rastlinah: Negativni hidrostatični tlak je mogoče izmeriti v rastlinah. Znanost.
5. Squeo, FA (2007). Vodni in vodni potencial. V: Squeo, FA in Cardemil, L. (ur.). Fiziologija rastlin. Izdaje Univerze v La Sereni