VÍZPOTENCIÁL: ÖSSZETEVŐK, MÓDSZEREK ÉS PÉLDÁK - KÖRNYEZET - 2026

A vízpotenciál a szabad energia vagy munkavégzésre képes, amely bizonyos mennyiségű vizet tartalmaz. Így a vízesés vagy a vízesés tetején lévő víznek magas a vízpotenciálja, amely például képes egy turbina mozgatására.

A vízpotenciálra utaló szimbólum a psi nevű nagy görög betű, amelyet Ψ ír. Bármely rendszer vízpotenciálját a tiszta víz vízpotenciáljának függvényében mérjük, szokásosnak ítélt körülmények között (1 atmoszféra nyomás, valamint a vizsgált rendszer azonos magassága és hőmérséklete).

Ozmotikus potenciál. Forrás: Kade Kneeland / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)

A vízpotenciált meghatározó tényezők a gravitáció, a hőmérséklet, a nyomás, a hidratáció és a vízben lévő oldott anyagok koncentrációja. Ezek a tényezők határozzák meg a vízpotenciál gradiensek kialakulását, és ezek a gradiensek mozgatják a víz diffúzióját.

Ilyen módon a víz a magas vízpotenciállal rendelkező helyről az alacsony vízpotenciállal rendelkező helyre mozog. A vízpotenciál összetevői az ozmotikus potenciál (oldott anyag koncentrációja a vízben), a mátrix potenciál (a víz tapadása a porózus mátrixokhoz), a gravitációs potenciál és a nyomáspotenciál.

A vízpotenciál ismerete elengedhetetlen a különféle hidrológiai és biológiai jelenségek működésének megértéséhez. Ezek magukban foglalják a víz és tápanyagok növények általi felszívódását és a víz áramlását a talajban.

A vízpotenciál összetevői

A vízpotenciál négy komponensből áll: ozmotikus potenciál, mátrix potenciál, gravitációs potenciál és nyomáspotenciál. Ezen komponensek hatása meghatározza a hidrális potenciál gradiensek meglétét.

Ozmotikus potenciál (Ψs)

A víz általában nem tiszta állapotban van, mivel oldott szilárd anyagokat (oldott anyagokat) tartalmaz, például ásványi sókat. Az ozmotikus potenciált az oldott anyag koncentrációja adja az oldatban.

Minél nagyobb az oldott oldott anyag mennyisége, annál kevesebb a víz szabad energiája, azaz kevesebb a vízpotenciál. Ezért a víz megkísérli az egyensúly kialakítását oly módon, hogy alacsony oldódású oldódású oldatokból nagy oldódású oldatokra folyik.

Mátrix- vagy mátrixpotenciál (Ψm)

Ebben az esetben a meghatározó tényező egy hidratálható anyagmátrix vagy szerkezet jelenléte, vagyis affinitása van a vízhez. Ennek oka a molekulák, különösen a vízmolekulák, az oxigénatomok és a hidroxil (OH) csoportok között képződött hidrogénkötések közötti adhéziós erők.

Például a víz tapadása a talajsavhoz a mátrixpotenciálon alapuló vízpotenciál. Ezek a mátrixok a víz vonzásával pozitív vízpotenciált generálnak, ezért a mátrixon kívüli víz felé áramlik, és hajlamos benne maradni, mint egy szivacsban történik.

Magasság vagy gravitációs potenciál (Ψg)

A Föld gravitációs ereje ebben az esetben határozza meg a potenciális gradienst, mivel a víz lefelé esik. Egy bizonyos magasságban található víznek szabad energiája van, amelyet a Föld a tömegére gyakorolt ​​vonzerő határoz meg.

A víz mozgása a gravitáció által. Forrás: Bilal ahmad / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)

Például egy emelt víztartályban lévő víz szabadon esik le a csövön, és azzal a kinetikus (mozgás) energiával továbbhalad, amíg el nem éri a csapot.

Nyomáspotenciál (Ψp)

Ebben az esetben a nyomás alatt álló víz nagyobb szabad energiával rendelkezik, azaz nagyobb vízpotenciállal rendelkezik. Ezért ez a víz ott mozog, ahol nyomás alatt van, ahol nem, és ennek következtében kevesebb szabad energia van (kevesebb vízpotenciál).

Például, amikor cseppenként adagolunk cseppeket, amikor megnyomjuk a gumi gombot, olyan nyomást gyakorolunk, amely energiát ad a víznek. A nagyobb szabad energia miatt a víz kívülre kerül, ahol a nyomás alacsonyabb.

A vízpotenciál meghatározásának módszerei

Különféle módszerek vannak a vízpotenciál mérésére, néhány alkalmas talajra, mások szövetekre, mechanikai hidraulikus rendszerekre és mások. A vízpotenciál megegyezik a nyomás egységekkel, és atmoszférában, rudakban, paszkalokban vagy psi-ben mérik (angol betűszóban font négyzet hüvelykben kifejezve).

Íme néhány a következő módszerekből:

Scholander szivattyú vagy nyomáskamra

Ha meg akarja mérni egy növénylevél vízpotenciálját, akkor használjon nyomókamrát vagy Scholander szivattyút. Ez egy légmentes kamrából áll, amelybe az egész levél (lap a levélével) kerül.

A levél vízpotenciáljának mérése nyomáskamrával. Forrás: Pressurebomb.svg: Aibdeskalzoderivatív munka: Aibdescalzo / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

Ezután a kamrában belüli nyomást megemeljük egy nyomás alatt álló gáz bevezetésével, és a manométer segítségével megmérjük a nyomást. A gáz nyomása a levélre növekszik, egészen addig a pontig, amikor a benne levő víz kijön a levélnyél érrendszerén.

A nyomás, amelyet a manométer mutat, amikor a víz elhagyja a levelet, megfelel a levél vízpotenciáljának.

Nyomás érzékelők

Számos alternatíva létezik a vízpotenciál mérésére speciális műszerekkel, úgynevezett nyomásszondákkal. Ezeket a talaj vízpotenciáljának mérésére tervezték, elsősorban a mátrixpotenciál alapján.

Például vannak olyan digitális szondák, amelyek alapja a nedvességérzékelőhöz csatlakoztatott porózus kerámia mátrix bevezetése a talajba. Ezt a kerámiát a talaj belsejében lévő vízzel hidratálják, amíg el nem éri az egyensúlyt a kerámia mátrixon belüli vízpotenciál és a talaj vízpotenciálja között.

Ezt követően az érzékelő meghatározza a kerámia nedvességtartalmát és megbecsüli a talaj vízpotenciálját.

Mikrokapilláris nyomásmérővel

Vannak olyan szondák is, amelyek képesek megmérni a növényi szövetek, például a növény szárának vízpotenciálját. A modell egy nagyon vékony, finomcsúcsú csőből (mikrokapilláris csőből) áll, amelyet a szövetbe helyeznek be.

Az élő szövet behatolásakor a sejtekben levő oldat a szárban levő nyomás által meghatározott potenciális gradienst követi, és bevezetik a mikropileomba. Amikor a szárból származó folyadék bekerül a csőbe, elnyomja az abban lévő olajat, amely aktiválja a nyomásmérőt vagy a manométert, amely a vízpotenciálnak megfelelő értéket ad hozzá

Súly vagy térfogatváltozások

A vízpotenciál mérése az ozmotikus potenciál alapján meghatározható az oldatba merített szövet tömegváltozása az oldott anyag különböző koncentrációinál. Ehhez kémcsövek sorozatát készítjük, mindegyik ismert, növekvő koncentrációjú oldott anyaggal, például szacharózzal (cukor).

Más szavakkal, ha 5 cső mindegyikében 10 cm3 víz van, az első csőbe 1 mg szacharózt, a másodikban 2 mg, az utolsóban pedig 5 mg-ot adunk. Tehát egyre növekszik a szacharóz koncentráció.

Ezután 5 azonos és ismert tömegű részt vágunk ki a szövetből, amelynek vízpotenciálját meg kell határozni (például burgonyadarabok). Ezután mindegyik kémcsőbe egy szekciót helyezünk, és 2 óra múlva a szövet szakaszokat eltávolítjuk és lemértük.

Várt eredmények és értelmezés

Egyes darabok várhatóan fogyni fognak a vízvesztés miatt, mások fogyni fognak, mert felszívják a vizet, mások pedig megtartják a súlyát.

A vízveszteséget oldatban végezték, ahol a szacharóz koncentráció nagyobb volt, mint a szövetben lévő oldott anyag koncentrációja. Ezért a víz az ozmotikus potenciál gradiensének megfelelően folyott a legmagasabb koncentrációtól a legalacsonyabbig, és a szövetek elveszítették a vizet és a súlyt.

Ezzel szemben a víz- és súlytömegű szövet oldatban volt, amelynek szacharózkoncentrációja alacsonyabb, mint a szövetben lévő oldott anyag koncentrációja. Ebben az esetben az ozmotikus potenciálgradiens elősegítette a víz bejutását a szövetbe.

Végül, abban az esetben, amikor a szövet megtartotta eredeti súlyát, arra következtethetünk, hogy abban a koncentrációban, amelyben találták, az oldott anyag koncentrációja azonos. Ezért ez a koncentráció megfelel a vizsgált szövet vízpotenciáljának.

Példák

A növények vízfelvétele

Egy 30 m magas fának a talajból az utolsó levélbe kell szállítania vizet, és ezt érrendszerén keresztül kell megtenni. Ez a rendszer egy speciális szövet, amely halott sejtekből áll, és nagyon vékony csöveknek tűnik.

A víz mozgása a növényekben. Forrás: Laurel Jules / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

A szállítás a vízpotenciál-különbségeknek köszönhető, amelyek a légkör és a levél között keletkeznek, amely viszont továbbjut az érrendszerbe. A levél gáznemű vizet veszít, mivel a vízgőz koncentrációja magasabb (magasabb vízpotenciál) a környezethez képest (alacsonyabb vízpotenciál).

A gõzveszteség negatív nyomást vagy szívást eredményez, amely a vizet az érrendszer edényeirõl a levélpenge felé irányítja. Ezt a szívást az edényről az érre továbbítják a gyökér eléréséig, ahol a sejteket és az intercelluláris tereket a talajból felszívódó vízbe beitatják.

A talajból származó víz behatol a gyökérbe, a gyökér és a talaj epidermisz sejtjeiben lévő víz közötti ozmotikus potenciál különbsége miatt. Ennek oka az, hogy a gyökérsejtek oldott anyag nagyobb koncentrációban vannak, mint a talajvíz.

nyálka

Száraz környezetben sok növény visszatartja a vizet, nyálka (viszkózus anyag) előállításával, amelyet vákuumban tárolnak. Ezek a molekulák visszatartják a vizet, csökkentve a szabad energiáját (alacsony vízpotenciál), ebben az esetben a vízpotenciál mátrix komponense döntő.

Emelt víztartály

Egy emelt tartályon alapuló vízellátó rendszer esetén a nyomáspotenciál hatása miatt ez vízzel van feltöltve. A vízszolgáltatást nyújtó vállalat nyomást gyakorol rá hidraulikus szivattyúk segítségével, és így legyőzi a gravitációs erőt, hogy elérje a tartályt.

Miután a tartály megtelt, a víz eloszlik belőle a tartályban tárolt víz és a házban lévő kimenetek közötti potenciális különbségnek köszönhetően. A csap kinyitása gravitációs potenciálgradienst hoz létre a csapban lévő víz és a tartály vízje között.

Ezért a tartályban lévő víznek nagyobb a szabad energiája (nagyobb vízpotenciál), és elsősorban a gravitációs erő miatt esik le.

A víz diffúziója a talajban

A talaj vízpotenciáljának fő alkotóeleme a mátrixpotenciál, tekintettel a agyag és a víz között kialakuló tapadási erőre. Másrészt a gravitációs potenciál befolyásolja a víz függőleges elmozdulási gradienst a talajban.

A talajban zajló sok folyamat függ a talajban lévő víz szabad energiájától, azaz a vízpotenciáljától. Ezek a folyamatok magukban foglalják a növények táplálkozását és transzpirációját, az esővíz beszivárgását és a víz elpárolgását a talajból.

A mezőgazdaságban az öntözés és a műtrágyázás megfelelő alkalmazásához fontos meghatározni a talaj vízpotenciálját. Ha a talaj mátrixos potenciálja nagyon magas, akkor a víz agyaghoz kötődik és nem lesz képes a növények felszívódására.

Irodalom

1. Busso, Kalifornia (2008). A nyomáskamra és a hőelem pszichrométerek használata a növényi szövetek hidrikus kapcsolatának meghatározására. ΦYTON.
2. Quintal-Ortiz, WC, Pérez-Gutiérrez, A., Latournerie-Moreno, L., May-Lara, C., Ruiz-Sánchez, E. és Martínez-Chacón, AJ (2012). Vízfelhasználás, vízpotenciál és a habanero paprika hozama (C apsicum chinense J acq.). Fitotecnia Mexicana magazin.
3. Salisbury, FB és Ross, CW (1991). Növényi élettan. Wadsworth Publishing.
4. Scholander, P., Bradstreet, E., Hemmingsen, E. és Hammel, H. (1965). Szappannyomás érrendszeri növényekben: A növények negatív hidrosztatikus nyomását meg lehet mérni. Tudomány.
5. Squeo, FA (2007). Víz- és hidrogénpotenciál. In: Squeo, FA és Cardemil, L. (szerk.). Növényi élettan. A La Serena Egyetem kiadásai