VATTENPOTENTIAL: KOMPONENTER, METODER OCH EXEMPEL - MILJÖ - 2025

Den vattenpotentialen är den fria energin eller kapabel att göra arbete, som har en viss mängd vatten. Således har vattnet på toppen av ett vattenfall eller vattenfall en hög vattenpotential som till exempel kan flytta en turbin.

Symbolen som används för att hänvisa till vattenpotentialen är den grekiska bokstaven som heter psi, som är skriven Ψ. Vattenpotentialen i vilket system som helst mäts med hänvisning till vattenpotentialen för rent vatten under förhållanden som anses vara standard (tryck på 1 atmosfär och samma höjd och temperatur för systemet som ska studeras).

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

De faktorer som bestämmer vattenpotentialen är gravitation, temperatur, tryck, hydrering och koncentrationen av lösta ämnen i vattnet. Dessa faktorer bestämmer bildningen av vattenpotentialgradienter och dessa lutningar driver diffusionen av vatten.

På detta sätt flyttar vattnet från en plats med hög vattenpotential till en annan med låg vattenpotential. Komponenterna i vattenpotentialen är den osmotiska potentialen (koncentration av lösta ämnen i vattnet), matrisk potential (vidhäftning av vatten till porösa matriser), gravitationspotential och tryckpotential.

Kunskap om vattenpotentialen är avgörande för att förstå hur hydrologiska och biologiska fenomen fungerar. Dessa inkluderar absorption av vatten och näringsämnen från växter och vattenflödet i jorden.

Komponenter till vattenpotential

Vattenpotentialen består av fyra komponenter: osmotisk potential, matrisk potential, gravitationspotential och tryckpotential. Verkan av dessa komponenter bestämmer förekomsten av hydriska potentialgradienter.

Osmotisk potential (Ψs)

Normalt är vatten inte i dess rena tillstånd, eftersom det har löst fasta ämnen i det (lösta ämnen), såsom mineralsalter. Den osmotiska potentialen ges genom koncentrationen av lösta ämnen i lösningen.

Ju högre mängd lösta lösta ämnen, det är mindre fri energi i vattnet, det vill säga mindre vattenpotential. Därför försöker vatten att upprätta en jämvikt genom att strömma från lösningar med en låg koncentration av lösta ämnen till lösningar med en hög koncentration av lösta ämnen.

Matris- eller matrispotential (Ψm)

I detta fall är den avgörande faktorn närvaron av en hydratiserbar materialmatris eller struktur, dvs den har en affinitet för vatten. Detta beror på vidhäftningskrafter som skapas mellan molekyler, särskilt vätebindningarna som bildas mellan vattenmolekyler, syreatomer och hydroxylgrupper (OH).

Exempelvis är vidhäftning av vatten till jord leror ett fall av vattenpotential baserat på matrisk potential. Dessa matriser genom att attrahera vatten genererar en positiv vattenpotential, därför strömmar vattnet utanför matrisen mot den och tenderar att stanna inne som det händer i en svamp.

Höjd- eller gravitationspotential (Ψg)

Jordens tyngdkraft är i detta fall den som fastställer den potentiella lutningen, eftersom vattnet tenderar att falla nedåt. Vatten beläget i en viss höjd har en fri energi bestämd av attraktionen som jorden utövar på sin massa.

Rörelse av vatten genom gravitation. Källa: Bilal ahmad / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)

Till exempel faller vatten i en upphöjd vattentank fritt ner i röret och rör sig med den kinetiska energin (rörelse) tills den når kranen.

Tryckpotential (Ψp)

I detta fall har vattnet under tryck större fri energi, det vill säga större vattenpotential. Därför kommer detta vatten att flytta från där det är under tryck till där det inte är, och följaktligen finns det mindre fri energi (mindre vattenpotential).

Till exempel, när vi doserar droppar med hjälp av en dropper, genom att trycka på gummiknappen tillämpar vi ett tryck som ger energi till vattnet. På grund av denna högre fria energi rör sig vattnet till utsidan där trycket är lägre.

Metoder för att bestämma vattenpotentialen

Det finns en mängd olika metoder för att mäta vattenpotential, vissa lämpliga för jord, andra för vävnader, för mekaniska hydraulsystem och andra. Vattenpotentialen motsvarar tryckenheter och mäts i atmosfärer, stänger, pascaler eller psi (kilo per kvadrat tum i dess förkortning på engelska).

Här är några av dessa metoder:

Scholander Pump eller tryckkammare

Om du vill mäta vattenpotentialen hos ett växtblad kan du använda en tryckkammare eller Scholander-pump. Detta består av en lufttät kammare där hela bladet (lakan med dess petiole) är placerat.

Mätning av bladens vattenpotential med en tryckkammare. Källa: Pressurebomb.svg: Aibdescalzoderivative arbete: Aibdescalzo / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

Därefter ökas trycket inuti kammaren genom att införa en trycksatt gas, mäta trycket som nås med hjälp av en manometer. Trycket på gasen på bladet ökar till den punkt där vattnet som finns i det slänger ut genom petiolens kärlvävnad.

Det tryck som manometern indikerar när vattnet lämnar bladet motsvarar bladets vattenpotential.

Trycksonder

Det finns flera alternativ för att mäta vattenpotentialen med hjälp av specialinstrument som kallas tryckprober. De är utformade för att mäta markens vattenpotential, huvudsakligen baserad på matrispotentialen.

Till exempel finns det digitala sonder som fungerar utifrån att införa en porös keramisk matris ansluten till en fuktighetssensor i jorden. Denna keramik hydratiseras med vattnet inuti jorden tills den når en balans mellan vattenpotentialen i den keramiska matrisen och jordens vattenpotential.

Därefter bestämmer sensorn fuktinnehållet i keramiken och uppskattar jordens vattenpotential.

Mikrokapillär med trycksond

Det finns också sonder som kan mäta vattenpotentialen i växtvävnader, till exempel en växts stam. En modell består av ett mycket tunt, fintippat rör (mikropillarrör) som sätts in i vävnaden.

Vid penetrerande levande vävnad följer lösningen i cellerna en potentiell gradient definierad av trycket i stammen och införs i mikropylen. När vätskan från stammen kommer in i röret, trycker den på en olja som finns i den som aktiverar en trycksond eller manometer som tilldelar ett värde som motsvarar vattenpotentialen

Variationer i vikt eller volym

För att mäta vattenpotentialen baserad på den osmotiska potentialen, kan viktvariationerna hos en vävnad nedsänkt i lösningar vid olika koncentrationer av ett löst ämne bestämmas. För detta framställs en serie provrör, var och en med en känd ökande koncentration av ett löst ämne, till exempel sackaros (socker).

Med andra ord, om det finns 10 cm vatten i vart och ett av 5 rör, tillsätts 1 mg sackaros i det första röret, 2 mg i det andra, och därmed upp till 5 mg i det sista. Så vi har ett stigande batteri av sackaroskoncentrationer.

Sedan skärs 5 sektioner med lika och känd vikt från vävnaden vars vattenpotential ska bestämmas (till exempel potatisbitar). En sektion placeras sedan i varje provrör och efter 2 timmar avlägsnas vävnadssektionerna och vägs.

Förväntade resultat och tolkning

Vissa bitar förväntas gå ner i vikt från vattenförlust, andra har gått upp i vikt eftersom de absorberade vatten, och ännu andra kommer att bibehålla vikten.

De som förlorade vatten befann sig i en lösning där sackaroskoncentrationen var större än den lösta koncentrationen i vävnaden. Därför flödade vattnet enligt gradienten av osmotisk potential från den högsta koncentrationen till den lägsta, och vävnaden förlorade vatten och vikt.

Däremot var vävnaden som fick vatten och vikt i en lösning med en lägre koncentration av sackaros än koncentrationen av lösta ämnen i vävnaden. I detta fall gynnade den osmotiska potentialgradienten inträde av vatten i vävnaden.

Slutligen, i det fallet där vävnaden bibehöll sin ursprungliga vikt, dras det slutsatsen att koncentrationen i vilken den hittades har samma koncentration av löst ämne. Därför kommer denna koncentration att motsvara vattenpotentialen i den studerade vävnaden.

exempel

Vattenabsorption av växter

Ett 30 m högt träd behöver transportera vatten från marken till det sista bladet, och detta görs genom dess kärlsystem. Detta system är en specialvävnad som består av celler som är döda och ser ut som mycket tunna rör.

Rörelse av vatten i växter. Källa: Laurel Jules / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

Transport är möjlig tack vare skillnaderna i vattenpotential som genereras mellan atmosfären och bladet, som i sin tur överförs till kärlsystemet. Bladet tappar vatten i gasformigt tillstånd på grund av den högre koncentrationen av vattenånga i den (högre vattenpotential) jämfört med miljön (lägre vattenpotential).

Förlusten av ånga genererar ett negativt tryck eller sug som tvingar vattnet från kärlsystemets kärl mot bladbladet. Detta sug överförs från kärl till kärl tills det når roten, där cellerna och de intercellulära utrymmena sänks med vattnet absorberat från jorden.

Vattnet som kommer från jorden penetrerar roten på grund av en skillnad i osmotisk potential mellan vattnet i rotens överhudsceller och jordens. Detta inträffar eftersom rotcellerna har lösta ämnen i högre koncentrationer än markvatten.

mucilago

Många växter i torra miljöer kvarhåller vatten genom att producera mucilage (viskös substans) som lagras i sina vakuoler. Dessa molekyler kvarhåller vatten, vilket minskar dess fria energi (låg vattenpotential), i detta fall den matriska komponenten i vattenpotentialen är avgörande.

En förhöjd vattentank

När det gäller ett vattenförsörjningssystem baserat på en upphöjd tank fylls samma med vatten på grund av effekten av tryckpotentialen. Företaget som tillhandahåller vattentjänsten, sätter press på det med hjälp av hydraulpumpar och övervinner således tyngdkraften för att nå tanken.

När tanken är full, fördelas vattnet från den tack vare en potentiell skillnad mellan vattnet lagrat i tanken och vattenuttagen i huset. Genom att öppna en kran fastställs en gravitationspotentialgradient mellan vattnet i kranen och tankens.

Därför har vattnet i tanken högre fri energi (högre vattenpotential) och faller främst på grund av tyngdkraften.

Diffusion av vatten i jorden

Huvudkomponenten i jordens vattenpotential är matrispotentialen med tanke på vidhäftningskraften som upprättas mellan lerorna och vattnet. Å andra sidan påverkar gravitationspotentialen den vertikala förskjutningsgradienten för vattnet i jorden.

Många processer som sker i jorden beror på den fria energin i vattnet som finns i jorden, det vill säga på dess vattenpotential. Dessa processer inkluderar växtnäring och transpiration, infiltration av regnvatten och förångning av vatten från jorden.

Inom jordbruket är det viktigt att fastställa markens vattenpotential för att applicera bevattning och gödsling korrekt. Om jordens matriskpotential är mycket hög förblir vattnet fast vid lerorna och kommer inte att vara tillgängligt för absorption av växter.

referenser

1. Busso, CA (2008). Användning av tryckkammaren och termoelementets psykrometrar för bestämning av hydriska förhållanden i växtvävnader. ΦYTON.
2. Quintal-Ortiz, WC, Pérez-Gutiérrez, A., Latournerie-Moreno, L., May-Lara, C., Ruiz-Sánchez, E. och Martínez-Chacón, AJ (2012). Vattenanvändning, vattenpotential och utbyte av habanero peppar (C apsicum chinense J acq.). Tidsskrift Fitotecnia Mexicana.
3. Salisbury, FB och Ross, CW (1991). Växtfysiologi. Wadsworth Publishing.
4. Scholander, P., Bradstreet, E., Hemmingsen, E. och Hammel, H. (1965). Saptryck i vaskulära växter: Negativt hydrostatisk tryck kan mätas i växter. Vetenskap.
5. Squeo, FA (2007). Vatten och vattenkraftpotential. I: Squeo, FA och Cardemil, L. (Eds.). Växtfysiologi. University of La Serena-utgåvor