VESIPOTENTIAALI: KOMPONENTIT, MENETELMÄT JA ESIMERKIT - YMPÄRISTÖ - 2025

Vesi potentiaali on vapaa energia tai kykenevät tekemään työtä, joka on tietty määrä vettä. Siten vesiputouksen tai vesiputouksen yläosassa olevalla vedellä on korkea vesipotentiaali, joka esimerkiksi pystyy liikuttamaan turbiinia.

Symboli, jota käytetään viittaamaan vesipotentiaaliin, on kreikkalainen iso kirjain psi, joka on kirjoitettu Ψ. Minkä tahansa järjestelmän vesipotentiaali mitataan puhtaan veden vesipotentiaalin suhteen vakiona pidettävissä olosuhteissa (yhden ilmakehän paine ja tutkittavan järjestelmän sama korkeus ja lämpötila).

Osmoottinen potentiaali. Lähde: Kade Kneeland / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)

Veden potentiaalia määrittävät tekijät ovat painovoima, lämpötila, paine, nesteytys ja vedessä olevien liuenneiden aineiden pitoisuus. Nämä tekijät määrittävät vesipotentiaalin muodostumisen ja nämä kaltevuudet ohjaavat veden diffuusiota.

Tällä tavalla vesi siirtyy alueelta, jolla on korkea vesipotentiaali toiseen, jolla on alhainen vesipotentiaali. Vesipotentiaalin komponentit ovat osmoottinen potentiaali (liuenneen aineen pitoisuus vedessä), matriisipotentiaali (veden tarttuminen huokoisiin matriiseihin), painovoimapotentiaali ja painepotentiaali.

Vesipotentiaalin tuntemus on välttämätöntä erilaisten hydrologisten ja biologisten ilmiöiden toiminnan ymmärtämiseksi. Näitä ovat kasvien veden ja ravinteiden imeytyminen ja veden virtaus maaperään.

Vesipotentiaalin komponentit

Vesipotentiaali koostuu neljästä komponentista: osmoottinen potentiaali, matriksipotentiaali, painovoimapotentiaali ja painepotentiaali. Näiden komponenttien toiminta määrää hydristen potentiaaligradienttien olemassaolon.

Osmoottinen potentiaali (Ψs)

Vesi ei normaalisti ole puhtaassa tilassaan, koska siihen on liuennut kiinteitä aineita (liuenneita aineita), kuten mineraalisuoloja. Osmoottinen potentiaali saadaan liuenneiden pitoisuuksien perusteella liuoksessa.

Mitä suurempi määrä liuenneita liuenneita aineita on, sitä vähemmän on veden vapaata energiaa, ts. Vähemmän vesipotentiaalia. Siksi vesi yrittää luoda tasapainon virtaamalla liuoksista, joissa on matala pitoisuus liuenneita aineita, liuoksiin, joissa on suuri liuenneiden pitoisuus.

Matriisin tai matriisin potentiaali (Ψm)

Tässä tapauksessa määräävä tekijä on hydratoitavan materiaalimatriisin tai rakenteen läsnäolo, ts. Sillä on affiniteetti veteen. Tämä johtuu molekyylien, erityisesti vesimolekyylien, happiatomien ja hydroksyyli (OH) -ryhmien, välillä muodostettujen vety sidosten muodostamista tarttuvuusvoimista.

Esimerkiksi veden tarttuvuus maaperäsaviin on tapaus, joka perustuu matriksipotentiaaliin. Nämä matriisit vetämällä vettä tuottavat positiivisen vesipotentiaalin, joten matriisin ulkopuolella oleva vesi virtaa sitä kohti ja pyrkii pysymään sisäpuolella, kuten tapahtuu sienellä.

Korkeus tai painovoimapotentiaali (Ψg)

Maan painovoima on tällöin se, joka vahvistaa potentiaalisen kaltevuuden, koska vedellä on taipumus pudota alaspäin. Tietyllä korkeudella sijaitsevalla vedellä on vapaa energia, jonka määrää vetovoima, jonka Maa kohdistaa massaansa.

Veden liikkuminen painovoiman avulla. Lähde: Bilal ahmad / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)

Esimerkiksi nostetussa vesisäiliössä oleva vesi putoaa vapaasti putkesta ja kulkee kyseisen kineettisen (liike) energian avulla, kunnes se saavuttaa hanan.

Painepotentiaali (Ψp)

Tässä tapauksessa paineistetussa vedessä on enemmän vapaata energiaa, ts. Suurempi vesipotentiaali. Siksi tämä vesi siirtyy paineen alaisesta kohtaan, jossa sitä ei ole, ja näin ollen vapaata energiaa on vähemmän (vähemmän vesipotentiaalia).

Esimerkiksi, kun annostelemme tippoja tiputtajalla, painomme kuminuppia painetta, joka antaa veteen energiaa. Tämän korkeamman vapaan energian ansiosta vesi siirtyy ulkopuolelle, missä paine on alhaisempi.

Menetelmät vesipotentiaalin määrittämiseksi

Vesipotentiaalin mittaamiseen on olemassa erilaisia ​​menetelmiä, joista jotkut soveltuvat maaperään, toiset kudoksiin, mekaanisiin hydraulijärjestelmiin ja muut. Vesipotentiaali on yhtä suuri kuin paineyksiköt ja se mitataan ilmakehässä, baareissa, paskalissa tai psi: nä (englanninkielisessä lyhenteessä naulaa neliötuumaa kohti).

Tässä on joitain näistä menetelmistä:

Scholander-pumppu tai painekammio

Jos haluat mitata kasvien lehden vesipotentiaalia, voit käyttää painekammioa tai Scholander-pumppua. Tämä koostuu ilmatiiviisestä kammiosta, johon koko lehti (arkki sen lehden kanssa) asetetaan.

Lehden vesipotentiaalin mittaus painekammion avulla. Lähde: Pressurebomb.svg: Aibdescalzoderirative työ: Aibdescalzo / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

Sitten kammion sisällä olevaa painetta nostetaan lisäämällä paineistettu kaasu, mittaamalla paine, joka saavutetaan manometrin avulla. Kaasun paine lehdessä kasvaa, siihen pisteeseen, että sen sisältämä vesi valuu ulos lehtikierteen verisuonikudoksen läpi.

Paine, jonka manometri osoittaa veden poistuessa lehdestä, vastaa lehden vesipotentiaalia.

Paineanturit

Vesipotentiaalin mittaamiseksi on olemassa useita vaihtoehtoja erityisillä paineanturilla kutsuttuilla välineillä. Ne on suunniteltu mittaamaan maaperän vesipotentiaalia pääasiassa matriisin potentiaalin perusteella.

Esimerkiksi, on olemassa digitaalisia koettimia, jotka toimivat kosteusanturiin kytketyn huokoisen keraamisen matriisin tuomiseksi maaperään. Tämä keraaminen hydratoidaan veden kanssa maaperän sisällä, kunnes se saavuttaa tasapainon keraamisen matriisin sisällä olevan vesipotentiaalin ja maaperän vesipotentiaalin välillä.

Myöhemmin anturi määrittää keraamin kosteuspitoisuuden ja arvioi maaperän vesipotentiaalin.

Mikrokapillaari paineanturilla

On myös koettimia, jotka pystyvät mittaamaan veden potentiaalia kasvakudoksissa, kuten kasvin varressa. Malli koostuu erittäin ohuesta, hienojakoisesta putkesta (mikrokapillaariputki), joka työnnetään kudokseen.

Läpäistyään elävään kudokseen, solujen sisältämä liuos seuraa potentiaalista gradienttia, jonka määrittelee varren sisältämä paine, ja se johdetaan mikropyyliin. Kun varren neste menee putkeen, se työntää siihen sisältyvää öljyä, joka aktivoi paineanturin tai manometrin, joka antaa arvon, joka vastaa vesipotentiaalia

Painon tai tilavuuden vaihtelut

Vesipotentiaalin mittaamiseksi osmoottisen potentiaalin perusteella voidaan määrittää liuoksiin upotetun kudoksen painon vaihtelut liuenneen aineen eri konsentraatioissa. Tätä varten valmistetaan sarja koeputkia, joissa jokaisessa tiedetään kasvavan liuenneen pitoisuuden, esimerkiksi sakkaroosin (sokerin) pitoisuus.

Toisin sanoen, jos jokaisessa viidestä putkesta on 10 cm3 vettä, ensimmäiseen putkeen lisätään 1 mg sakkaroosia, toiseen 2 mg ja siten viimeiseen 5 mg. Joten meillä on nouseva akku sakkaroosipitoisuuksia.

Sitten kudoksesta, jonka vesipotentiaali on määritettävä, leikataan 5 osaa, joiden paino on sama ja tunnettu (esimerkiksi perunanpalat). Leikkaus asetetaan sitten jokaiseen koeputkeen ja 2 tunnin kuluttua kudososat poistetaan ja punnitaan.

Odotetut tulokset ja tulkinta

Joidenkin kappaleiden odotetaan laihduttavan vedenmenetyksestä, toisten tulee painoa, koska ne imevät vettä, ja toiset taas pitävät painoa.

Ne, jotka menettivät vettä, olivat liuoksessa, jossa sakkaroosipitoisuus oli suurempi kuin liuenneen aineen pitoisuus kudoksessa. Siksi vesi virtaa osmoottisen potentiaalin gradientin mukaan korkeimmasta konsentraatiosta pienimmäksi, ja kudos menetti veden ja painon.

Sitä vastoin vettä ja painoa saanut kudos oli liuoksessa, jossa sakkaroosipitoisuus oli pienempi kuin kudoksessa olevan liuenneen aineen pitoisuus. Tässä tapauksessa osmoottinen potentiaaligradientti suosi veden pääsyä kudokseen.

Lopuksi siinä tapauksessa, että kudos säilytti alkuperäisen painonsa, päätellään, että konsentraatiossa, jossa se havaittiin, on sama liuenneen pitoisuuden pitoisuus. Siksi tämä pitoisuus vastaa tutkitun kudoksen vesipotentiaalia.

esimerkit

Kasvien veden imeytyminen

30 m pitkä puu tarvitsee kuljettaa vettä maasta viimeiseen lehtiin, ja tämä tapahtuu sen verisuoniston kautta. Tämä järjestelmä on erikoistunut kudos, joka koostuu kuolleista soluista, jotka näyttävät erittäin ohutputkilta.

Veden liikkuminen kasveissa. Lähde: Laurel Jules / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

Kuljetus on mahdollista veden potentiaalierot, jotka syntyvät ilmakehän ja lehden välillä, joka puolestaan ​​välittyy verisuonistoon. Lehti menettää vettä kaasumaisessa tilassa, koska siinä on suurempi vesihöyryn pitoisuus (suurempi vesipotentiaali) verrattuna ympäristöön (alhaisempi vesipotentiaali).

Höyryhäviö aiheuttaa negatiivisen paineen tai imun, joka pakottaa veden verisuonijärjestelmän suonista kohti lehtiä. Tämä imu välittyy astiasta suoneen, kunnes juuriin pääsee, missä solut ja solujen väliset tilat imeytyvät maaperän imeytyneen veden kanssa.

Maaperästä tuleva vesi tunkeutuu juureen juuren ja maaperän orvaskeden solujen veden osmoottisen potentiaalin eron vuoksi. Tämä tapahtuu, koska juurisoluissa on liuenneita pitoisuuksia korkeampia kuin maavedessä.

kasviliimat

Monet kuivassa ympäristössä olevat kasvit pidättävät vettä tuottamalla kasvilia (viskoosia ainetta), joka varastoidaan tyhjiöinsä. Nämä molekyylit pitävät vettä vähentäen sen vapaata energiaa (matala vesipotentiaali), tässä tapauksessa vesipotentiaalin matriisikomponentti on ratkaiseva.

Korotettu vesisäiliö

Korotettuun säiliöön perustuvan vesijärjestelmän tapauksessa se täytetään vedellä painepotentiaalin vaikutuksesta. Vesipalveluita tarjoava yritys painostaa sitä hydraulipumppuilla ja ylittää siten painovoiman päästäkseen säiliöön.

Kun säiliö on täynnä, vesi jakaantuu siitä potentiaalieron ansiosta säiliöön varastoidun veden ja talon vedenpoistoaukkojen välillä. Hana avaamalla saadaan aikaan gravitaatiopotentiaalinen gradientti hanaveden ja säiliön veden välillä.

Siksi säiliön vedellä on enemmän vapaata energiaa (suurempi vesipotentiaali) ja se putoaa pääasiassa painovoiman vuoksi.

Veden diffuusio maaperässä

Maaperän vesipotentiaalin pääkomponentti on matriisipotentiaali, kun otetaan huomioon savien ja veden välille muodostuva tarttuvuusvoima. Toisaalta painovoimapotentiaali vaikuttaa veden pystysuuntaiseen siirtymägradientiin maaperässä.

Monet maaperässä tapahtuvat prosessit riippuvat maaperän sisältämän veden vapaasta energiasta, toisin sanoen sen vesipotentiaalista. Näitä prosesseja ovat kasvien ravitsemus ja transpiraatio, sadeveden tunkeutuminen ja veden haihtuminen maaperästä.

Maataloudessa on tärkeää määrittää maaperän vesipotentiaali, jotta kastelu ja lannoitus saadaan asianmukaista. Jos maaperän matriisipotentiaali on erittäin suuri, vesi pysyy kiinnittyneenä saviin eikä sitä ole saatavissa kasvien imeytymistä varten.

Viitteet

1. Busso, Kalifornia (2008). Painekammion ja termoelementtipsykrometrien käyttö kasvien kudosten hydristen suhteiden määrittämisessä. ΦYTON.
2. Quintal-Ortiz, WC, Pérez-Gutiérrez, A., Latournerie-Moreno, L., May-Lara, C., Ruiz-Sánchez, E. ja Martínez-Chacón, AJ (2012). Veden käyttö, vesipotentiaali ja habanero-pippurin saanto (C apsicum chinense J acq.). Aikakauslehti Fitotecnia Mexicana.
3. Salisbury, FB ja Ross, CW (1991). Kasvien fysiologia. Wadsworth Publishing.
4. Scholander, P., Bradstreet, E., Hemmingsen, E. ja Hammel, H. (1965). Sap-paine verisuonikasveissa: Negatiivinen hydrostaattinen paine voidaan mitata kasveissa. Science.
5. Squeo, FA (2007). Vesi- ja vesipotentiaali. Julkaisussa: Squeo, FA ja Cardemil, L. (toim.). Kasvien fysiologia. La Serenan yliopiston painos