VANDPOTENTIALE: KOMPONENTER, METODER OG EKSEMPLER - MILJØ - 2025

Den potentielle vand er den frie energi eller i stand til at gøre arbejdet, som har en vis mængde vand. Således har vandet på toppen af ​​et vandfald eller vandfald et stort vandpotentiale, som for eksempel er i stand til at bevæge en turbin.

Symbolet, der bruges til at henvise til vandpotentialet, er det græske store bogstav kaldet psi, som er skrevet Ψ. Vandpotentialet i ethvert system måles med henvisning til vandpotentialet i rent vand under forhold, der betragtes som standard (tryk på 1 atmosfære og den samme højde og temperatur for det system, der skal undersøges).

Osmotisk potentiale. Kilde: Kade Kneeland / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)

De faktorer, der bestemmer vandpotentialet, er tyngdekraft, temperatur, tryk, hydrering og koncentrationen af ​​opløste stoffer i vandet. Disse faktorer bestemmer dannelsen af ​​vandpotentielle gradienter, og disse gradienter driver diffusionen af ​​vand.

På denne måde bevæger vandet sig fra et sted med stort vandpotentiale til et andet med lavt vandpotentiale. Komponenterne i vandpotentialet er det osmotiske potentiale (koncentration af opløste stoffer i vandet), matricepotentiale (vedhæftning af vand til porøse matrixer), gravitationspotentiale og trykpotentiale.

Kendskab til vandpotentialet er afgørende for at forstå funktionen af ​​forskellige hydrologiske og biologiske fænomener. Disse inkluderer absorption af vand og næringsstoffer fra planter og strømmen af ​​vand i jorden.

Komponenter af vandpotentiale

Vandpotentialet består af fire komponenter: osmotisk potentiale, matricepotentiale, gravitationspotentiale og trykpotentiale. Handlingen af ​​disse komponenter bestemmer eksistensen af ​​hydriske potentielle gradienter.

Osmotisk potentiale (Ψs)

Normalt er vand ikke i sin rene tilstand, da det har opløste faste stoffer i det (opløste stoffer), såsom mineralske salte. Det osmotiske potentiale gives ved koncentrationen af ​​opløste stoffer i opløsningen.

Jo højere mængden af ​​opløste stoffer, der er mindre fri energi i vandet, det vil sige mindre vandpotentiale. Derfor forsøger vand at etablere en ligevægt ved at strømme fra opløsninger med en lav koncentration af opløste stoffer til opløsninger med en høj koncentration af opløste stoffer.

Matrix- eller matrixpotentiale (Ψm)

I dette tilfælde er den bestemmende faktor tilstedeværelsen af ​​en hydratiserbar materiale-matrix eller -struktur, dvs. at den har en affinitet for vand. Dette skyldes de vedhæftningskræfter, der er skabt mellem molekyler, især de hydrogenbindinger, der dannes mellem vandmolekyler, oxygenatomer og hydroxylgrupper (OH).

For eksempel er vedhæftning af vand til jordlejer et tilfælde af vandpotentiale baseret på matricepotentiale. Disse matrixer ved at tiltrække vand genererer et positivt vandpotentiale, derfor strømmer vandet uden for matrixen mod det og har en tendens til at forblive indeni, som det sker i en svamp.

Højde eller tyngdekraftpotentiale (Ψg)

Jordens tyngdekraft er i dette tilfælde den, der fastlægger den potentielle gradient, da vandet vil have en tendens til at falde nedad. Vand beliggende i en bestemt højde har en fri energi bestemt af den tiltrækning, Jorden udøver på sin masse.

Bevægelse af vand efter tyngdekraft. Kilde: Bilal ahmad / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)

F.eks. Falder vand i en hævet vandtank frit ned gennem røret og bevæger sig med den kinetiske (bevægelses) energi, indtil det når hanen.

Trykpotentiale (Ψp)

I dette tilfælde har vandet under tryk større fri energi, dvs. større vandpotentiale. Derfor vil dette vand bevæge sig fra hvor det er under pres til hvor det ikke er, og derfor er der mindre fri energi (mindre vandpotentiale).

For eksempel når vi doserer dråber ved hjælp af en dråber, ved at trykke på gummiknappen anvender vi et tryk, der giver energi til vandet. På grund af denne højere frie energi bevæger vandet sig udefra, hvor trykket er lavere.

Metoder til bestemmelse af vandpotentialet

Der er forskellige metoder til måling af vandpotentiale, nogle er egnede til jord, andre til væv, til mekaniske hydrauliske systemer og andre. Vandpotentialet svarer til trykenheder og måles i atmosfærer, stænger, pascaler eller psi (pund pr. Kvadrat tomme i dets forkortelse på engelsk).

Her er nogle af disse metoder:

Scholander Pump eller Trykkammer

Hvis du vil måle et planteblads vandpotentiale, kan du bruge et trykkammer eller Scholander-pumpe. Dette består af et lufttæt kammer, hvor hele bladet (arket med dens petiole) er placeret.

Måling af et blads vandpotentiale med et trykkammer. Kilde: Pressurebomb.svg: Aibdescalzoderivative arbejde: Aibdescalzo / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

Derefter øges trykket inde i kammeret ved at indføre en trykgas, der måler det tryk, der nås ved hjælp af et manometer. Trykket af gassen på bladet øges, til det punkt, hvor vandet indeholdt i det skubber ud gennem petiolens vaskulære væv.

Det tryk, som manometeret angiver, når vandet forlader bladet, svarer til bladets vandpotentiale.

Trykprober

Der er flere alternativer til at måle vandpotentialet ved hjælp af specielle instrumenter kaldet trykprober. De er designet til at måle jordens vandpotentiale, hovedsageligt baseret på matricepotentialet.

For eksempel er der digitale sonder, der fungerer på basis af at indføre en porøs keramisk matrix, der er forbundet med en fugtighedsføler i jorden. Denne keramik hydratiseres med vandet inde i jorden, indtil den når en balance mellem vandpotentialet i den keramiske matrix og vandpotentialet i jorden.

Efterfølgende bestemmer sensoren fugtindholdet i keramikken og estimerer jordens vandpotentiale.

Mikrokapillær med trykprobe

Der er også sonder, der er i stand til at måle vandpotentialet i plantevæv, såsom en plantes stilk. En model består af et meget tyndt, fintippet rør (mikropillarrør), der indsættes i vævet.

Efter gennemtrængning af levende væv følger opløsningen indeholdt i cellerne en potentiel gradient defineret af trykket indeholdt i stilken og indføres i mikropylen. Når væsken fra stilken kommer ind i røret, skubber den en olie indeholdt i det, der aktiverer en trykprobe eller manometer, der tildeler en værdi, der svarer til vandpotentialet

Variationer i vægt eller volumen

For at måle vandpotentialet baseret på det osmotiske potentiale kan vægtvariationerne af et væv nedsænket i opløsninger ved forskellige koncentrationer af et opløst stof bestemmes. Til dette fremstilles en række prøverør, hver med en kendt stigende koncentration af et opløst stof, for eksempel sucrose (sukker).

Med andre ord, hvis der er 10 cm3 vand i hvert af 5 rør, tilsættes 1 mg saccharose i det første rør, 2 mg i det andet og dermed op til 5 mg i det sidste. Så vi har et stigende batteri af saccharosekoncentrationer.

Derefter skæres 5 sektioner med lige og kendt vægt ud fra det væv, hvis vandpotentiale skal bestemmes (for eksempel kartoffelstykker). En sektion anbringes derefter i hvert reagensglas, og efter 2 timer fjernes vævssektionerne og vejes.

Forventede resultater og fortolkning

Nogle stykker forventes at tabe sig ved vandtab, andre vil have fået vægt, fordi de absorberede vand, og endnu andre vil opretholde vægten.

De, der mistede vand, var i en opløsning, hvor saccharosekoncentrationen var større end koncentrationen af ​​opløst stof i vævet. Derfor flydede vandet i henhold til gradienten af ​​det osmotiske potentiale fra den højeste koncentration til den laveste, og vævet mistede vand og vægt.

I modsætning hertil var det væv, der fik vand og vægt, i en opløsning med en lavere koncentration af saccharose end koncentrationen af ​​opløste stoffer i vævet. I dette tilfælde favoriserede den osmotiske potentielle gradient indgangen af ​​vand i vævet.

Endelig, i det tilfælde, hvor vævet opretholdt sin oprindelige vægt, udledes det, at den koncentration, hvori det blev fundet, har den samme koncentration af opløst stof. Derfor vil denne koncentration svare til vandpotentialet i det studerede væv.

eksempler

Vandoptagelse af planter

Et 30 m højt træ skal transportere vand fra jorden til det sidste blad, og det gøres gennem dets vaskulære system. Dette system er et specialiseret væv, der består af celler, der er døde og ligner meget tynde rør.

Bevægelse af vand i planter. Kilde: Laurel Jules / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

Transport er mulig takket være forskellene i vandpotentiale, der genereres mellem atmosfæren og bladet, som igen overføres til det vaskulære system. Bladet mister vand i gasformig tilstand på grund af den højere koncentration af vanddamp deri (højere vandpotentiale) sammenlignet med miljøet (lavere vandpotentiale).

Tab af damp genererer et negativt tryk eller sugning, der tvinger vandet fra karene i det vaskulære system mod bladbladet. Denne sugning overføres fra kar til kar indtil den når roden, hvor cellerne og det intercellulære rum indstøves med vandet, der absorberes fra jorden.

Vandet, der kommer fra jorden, trænger ind i roden på grund af en forskel i osmotisk potentiale mellem vandet i overfladecellerne i roden og jordens. Dette sker, fordi rodcellerne har opløste stoffer i højere koncentrationer end jordvand.

planteslimer

Mange planter i tørre omgivelser bevarer vand ved at producere slim (viskos stof), der opbevares i deres vakuoler. Disse molekyler tilbageholder vand, hvilket reducerer dets frie energi (lavt vandpotentiale), i dette tilfælde er matricekomponenten i vandpotentialet afgørende.

En forhøjet vandtank

I tilfælde af et vandforsyningssystem baseret på en forhøjet tank, fyldes det samme med vand på grund af effekten af ​​trykpotentialet. Virksomheden, der leverer vandservice, lægger pres på den ved hjælp af hydrauliske pumper og dermed overvinder tyngdekraften for at nå tanken.

Når tanken er fuld, fordeles vandet derfra takket være en potentiel forskel mellem vandet, der er lagret i tanken og vandudløbene i huset. Åbning af en kran etablerer en gravitationspotentialgradient mellem vandet i hanen og tankens.

Derfor har vandet i tanken højere fri energi (højere vandpotentiale) og falder hovedsageligt på grund af tyngdekraften.

Diffusion af vand i jorden

Hovedkomponenten i jordens vandpotentiale er matricepotentialet i betragtning af den vedhæftningskraft, der er etableret mellem lererne og vandet. På den anden side påvirker tyngdekraftens potentiale den lodrette forskydningsgradient af vandet i jorden.

Mange processer, der forekommer i jorden, afhænger af den frie energi i vandet indeholdt i jorden, det vil sige af dets vandpotentiale. Disse processer inkluderer plantenæring og transpiration, infiltration af regnvand og fordampning af vand fra jorden.

I landbruget er det vigtigt at bestemme jordens vandpotentiale for korrekt anvendelse af kunstvanding og befrugtning. Hvis jordens matricepotentiale er meget højt, forbliver vandet fastgjort på lerterne og vil ikke være tilgængeligt til absorption af planter.

Referencer

1. Busso, CA (2008). Anvendelse af trykkammeret og termoelementets psykrometre til bestemmelse af hydriske forhold i plantevæv. ΦYTON.
2. Quintal-Ortiz, WC, Pérez-Gutiérrez, A., Latournerie-Moreno, L., May-Lara, C., Ruiz-Sánchez, E. og Martínez-Chacón, AJ (2012). Vandforbrug, vandpotentiale og udbytte af habanero-peber (C apsicum chinense J acq.). Magasin Fitotecnia Mexicana.
3. Salisbury, FB og Ross, CW (1991). Plantefysiologi. Wadsworth Publishing.
4. Scholander, P., Bradstreet, E., Hemmingsen, E. og Hammel, H. (1965). Sap Pressure in Vascular Plants: Negativt hydrostatisk tryk kan måles i planter. Videnskab.
5. Squeo, FA (2007). Vand og vandpotentiale. I: Squeo, FA og Cardemil, L. (Eds.). Plantefysiologi. University of La Serena udgaver