VODENI POTENCIJAL: KOMPONENTE, METODE I PRIMJERI - OKOLIŠ - 2025

Potencijal voda je slobodna energija ili sposoban za obavljanje posla, koji ima određenu količinu vode. Tako voda na vrhu vodopada ili vodopada ima visoki potencijal vode koji je, na primjer, sposoban pomicati turbinu.

Simbol koji se koristi za upućivanje na vodeni potencijal je veliko grčko slovo zvano psi, koje je napisano Ψ. Vodeni potencijal bilo kojeg sustava mjeri se u odnosu na vodeni potencijal čiste vode pod uvjetima koji se smatraju standardnim (tlak od 1 atmosfere i ista visina i temperatura sustava koji se proučava).

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

Čimbenici koji određuju vodni potencijal su gravitacija, temperatura, tlak, hidratacija i koncentracija otopljenih tvari u vodi. Ti čimbenici određuju formiranje gradijenta vodenih potencijala i ti gradijenti pokreću difuziju vode.

Na taj se način voda premješta s područja s velikim vodenim potencijalom na drugo s niskim vodenim potencijalom. Sastavni dijelovi vodenog potencijala su osmotski potencijal (koncentracija otopljenih tvari u vodi), matrični potencijal (prianjanje vode na porozne matrice), gravitacijski potencijal i potencijal tlaka.

Poznavanje vodnog potencijala neophodno je za razumijevanje funkcioniranja različitih hidroloških i bioloških pojava. Oni uključuju apsorpciju vode i hranjivih tvari u biljkama i protok vode u tlu.

Komponente vodnog potencijala

Vodeni potencijal sastoji se od četiri komponente: osmotskog potencijala, matričnog potencijala, gravitacijskog potencijala i tlačnog potencijala. Djelovanje ovih komponenti određuje postojanje gradijenata hidričnih potencijala.

Osmotski potencijal (Ψs)

Normalno je da voda nije u svom čistom stanju, budući da je u njoj otopila krute tvari (solute), poput mineralnih soli. Osmotski potencijal se daje koncentracijom otopljenih tvari u otopini.

Što je veća količina otopljenih otopljenih tvari, manje je slobodne energije vode, odnosno manje je vodenog potencijala. Stoga voda pokušava uspostaviti ravnotežu tečeći iz otopina s malom koncentracijom topljenih tvari u otopine s visokom koncentracijom otopljenih tvari.

Matrični ili matrični potencijal (Ψm)

U ovom slučaju, odlučujući faktor je prisutnost matrice ili strukture hidratibilnog materijala, to jest ima afinitet prema vodi. To je zbog sila adhezije stvorenih između molekula, posebno vodikovih veza formiranih između molekula vode, atoma kisika i hidroksilnih (OH) skupina.

Na primjer, adhezija vode na gline tla slučaj je vodenog potencijala temeljenog na matričnom potencijalu. Ove matrice privlačenjem vode stvaraju pozitivan vodeni potencijal, pa voda izvan matrice teče prema njoj i ima tendenciju da ostane unutra kao što se događa u spužvi.

Visina ili gravitacijski potencijal (Ψg)

Gravitaciona sila Zemlje u ovom je slučaju ona koja uspostavlja potencijalni gradijent, jer će voda težiti prema dolje. Voda koja se nalazi na određenoj visini ima slobodnu energiju koja se određuje privlačenjem koje Zemlja vrši na svojoj masi.

Kretanje vode gravitacijom. Izvor: Bilal ahmad / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)

Na primjer, voda u podignutom spremniku vode pada slobodno niz cijev i putuje s tom kinetičkom (pokretnom) energijom dok ne dospije do slavine.

Potencijalni tlak (Ψp)

U ovom slučaju voda pod pritiskom ima veću slobodnu energiju, odnosno veći vodeni potencijal. Stoga će se ta voda pomaknuti od mjesta gdje je pod pritiskom, do mjesta gdje je nema, te je prema tome manje slobodne energije (manji vodeni potencijal).

Na primjer, kada doziramo kapljice pomoću kapalica, pritiskom na gumenu tipku primjenjujemo pritisak koji vodi daje energiju. Zbog ove veće slobodne energije voda se kreće prema van gdje je tlak niži.

Metode za određivanje vodnog potencijala

Postoje razne metode za mjerenje vodnog potencijala, neke prikladne za tlo, druge za tkiva, za mehaničke hidrauličke sustave i druge. Vodeni potencijal ekvivalentan je jedinicama pritiska i mjeri se u atmosferi, barovima, paskalima ili psi (funti po kvadratnom inču u engleskoj kratici).

Evo nekih od ovih metoda:

Scholander pumpa ili tlačna komora

Ako želite izmjeriti vodni potencijal biljke, možete koristiti tlačnu komoru ili Scholander pumpu. Sastoji se od nepropusne komore u koju je smješten čitav list (list s peteljkom).

Mjerenje vodenog potencijala lista sa komorom pod pritiskom. Izvor: Pressurebomb.svg: Aibdescalzoderivativni rad: Aibdescalzo / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

Tada se tlak unutar komore povećava uvođenjem plina pod tlakom, mjerenjem tlaka koji se postiže pomoću manometra. Pritisak plina na listu raste, do te mjere da voda koja se nalazi u njemu istječe kroz vaskularno tkivo petiola.

Tlak naznačen manometrom kada voda napusti list odgovara vodenom potencijalu lista.

Sonde za pritisak

Postoji nekoliko alternativa za mjerenje vodnog potencijala pomoću posebnih instrumenata koji se nazivaju tlačne sonde. Izrađeni su za mjerenje vodnog potencijala tla, temeljen uglavnom na matričnom potencijalu.

Na primjer, postoje digitalne sonde koje djeluju na temelju uvođenja porozne keramičke matrice spojene na senzor vlage u tlo. Ta keramika hidrira se vodom unutar tla dok ne postigne ravnotežu između vodnog potencijala unutar keramičke matrice i vodenog potencijala tla.

Nakon toga, senzor određuje udio vlage u keramici i procjenjuje vodeni potencijal tla.

Mikrokapilara s tlačnom sondom

Postoje i sonde koje mogu mjeriti potencijal vode u tkivima biljaka, poput stabljike biljke. Model se sastoji od vrlo tanke cijevi s finim vrhom (mikropiralna cijev) koja se umetne u tkivo.

Nakon prodiranja u živo tkivo, otopina koja se nalazi u stanicama slijedi potencijalni gradijent definiran tlakom koji se nalazi u stabljici i uvodi se u mikropil. Kad tekućina iz stabljike uđe u cijev, ona gura ulje koje se nalazi u njoj i aktivira tlačnu sondu ili manometar koji daje vrijednost koja odgovara vrijednosti vode

Varijacije u težini ili količini

Za mjerenje vodnog potencijala na temelju osmotskog potencijala, mogu se odrediti razlike u težini tkiva uronjenog u otopine u različitim koncentracijama rastvora. Za to se priprema niz epruveta, od kojih svaka ima povećanu koncentraciju rastvora, na primjer saharoze (šećera).

Drugim riječima, ako u svakoj od 5 epruveta ima 10 ccm vode, u prvu se epizodu doda 1 mg saharoze, u drugu 2 mg, a u posljednju do 5 mg. Tako imamo sve veću koncentraciju saharoze.

Zatim se iz tkiva izrezuje 5 odseka jednake i poznate težine čiji se vodeni potencijal treba utvrditi (na primjer, komadići krumpira). Odjeljak se zatim postavi u svaku epruvetu, a nakon 2 sata odsječci tkiva uklone se i odvaže.

Očekivani rezultati i interpretacija

Očekuje se da će neki komadi izgubiti kilograme od gubitka vode, drugi će dobiti na težini jer su upili vodu, a drugi će zadržati težinu.

Oni koji su izgubili vodu bili su u otopini u kojoj je koncentracija saharoze bila veća od koncentracije rastvora u tkivu. Stoga je voda tekla prema gradijentu osmotskog potencijala od najveće koncentracije do najniže, a tkivo je izgubilo vodu i težinu.

Suprotno tome, tkivo koje je dobivalo vodu i težinu nalazilo se u otopini s nižom koncentracijom saharoze u odnosu na koncentraciju topljenih tvari u tkivu. U ovom slučaju, gradijent osmotskog potencijala pogodovao je ulasku vode u tkivo.

Konačno, u tom slučaju u kojem je tkivo zadržalo svoju izvornu težinu, zaključuje se da koncentracija u kojoj je pronađena ima istu koncentraciju rastvora. Stoga će ova koncentracija odgovarati vodenom potencijalu ispitivanog tkiva.

Primjeri

Apsorpcija vode od strane biljaka

30 m visoko stablo mora transportirati vodu od zemlje do zadnjeg lista, a to se događa preko njegovog krvožilnog sustava. Ovaj sustav je specijalizirano tkivo sastavljeno od mrtvih stanica i izgledaju kao vrlo tanke epruvete.

Kretanje vode u biljkama. Izvor: Laurel Jules / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

Transport je moguć zahvaljujući razlikama u vodenom potencijalu koji nastaju između atmosfere i lišća, a koji se zauzvrat prenose u vaskularni sustav. List gubi vodu u plinovitom stanju zbog veće koncentracije vodene pare u njemu (veći vodeni potencijal) u odnosu na okoliš (manji vodeni potencijal).

Gubitak pare stvara negativan pritisak ili usisavanje koji prisiljava vodu iz žila krvožilnog sustava prema lisnoj lopatici. Ovo usisavanje prenosi se iz posude u posudu sve do korijena, gdje se stanice i međućelijski prostori imbiraju vodom apsorbiranom iz tla.

Voda koja dolazi iz tla prodire u korijen zbog razlike u osmotskom potencijalu između vode u stanicama epidermisa korijena i one u tlu. To se događa jer stanice korijena imaju topljene tvari u većim koncentracijama od vode iz tla.

sluzi

Mnoge biljke u suhom okruženju zadržavaju vodu stvarajući sluz (viskoznu tvar) koja se čuva u njihovim vakuumima. Te molekule zadržavaju vodu smanjujući njenu slobodnu energiju (mali vodeni potencijal), u ovom slučaju presudna je matrična komponenta vodnog potencijala.

Povišeni spremnik vode

U slučaju vodoopskrbnog sustava temeljenog na povišenom spremniku, isti se puni vodom zbog utjecaja tlačnog potencijala. Tvrtka koja pruža vodenu uslugu, vrši pritisak na nju hidrauličnim crpkama i na taj način nadvladava silu gravitacije da dođe do spremnika.

Nakon što se rezervoar napuni, voda se iz njega distribuira zahvaljujući potencijalnoj razlici između vode spremljene u spremniku i ispusta za vodu u kući. Otvaranjem slavine uspostavlja se gravitacijski gradijent između vode u slavini i one u spremniku.

Stoga voda u spremniku ima veću slobodnu energiju (veći potencijal vode) i pada uglavnom zbog sile gravitacije.

Difuzija vode u tlu

Glavna komponenta vodnog potencijala tla je matrični potencijal s obzirom na silu adhezije koja se uspostavlja između gline i vode. S druge strane, potencijal gravitacije utječe na vertikalni gradijent pomicanja vode u tlu.

Mnogi procesi koji se događaju u tlu ovise o slobodnoj energiji vode sadržane u tlu, to jest o njegovom vodenom potencijalu. Ti procesi uključuju prehranu i transpiraciju biljaka, infiltraciju kišnice i isparavanje vode iz tla.

U poljoprivredi je važno odrediti vodni potencijal tla kako bi se pravilno primijenila navodnjavanje i gnojidba. Ako je potencijal tlaka u tlu vrlo visok, voda će ostati vezana za gline i neće biti na raspolaganju biljkama za apsorpciju.

Reference

1. Busso, CA (2008). Upotreba tlačne komore i termometra termoelementa u određivanju hidričnih odnosa u biljnim tkivima. ΦYTON.
2. Quintal-Ortiz, WC, Pérez-Gutiérrez, A., Latournerie-Moreno, L., May-Lara, C., Ruiz-Sánchez, E. i Martínez-Chacón, AJ (2012). Potrošnja vode, potencijal vode i prinos habanero papra (C apsicum chinense J acq.). Magazin Fitotecnia Mexicana.
3. Salisbury, FB i Ross, CW (1991). Fiziologija biljaka. Wadsworth Publishing.
4. Scholander, P., Bradstreet, E., Hemmingsen, E. i Hammel, H. (1965). Tlak soka u vaskularnim biljkama: Negativni hidrostatski tlak se može mjeriti u biljkama. Znanost.
5. Squeo, FA (2007). Vodeni i hidrirani potencijal. U: Squeo, FA i Cardemil, L. (ur.). Fiziologija biljaka. Izdanja Sveučilišta La Serena