VODNÝ POTENCIÁL: KOMPONENTY, METÓDY A PRÍKLADY - PROSTREDIE - 2025

Potenciál vody je voľná energia alebo môžu robiť prácu, ktorá má určitý objem vody. Voda na vrchole vodopádu alebo vodopádu má teda vysoký vodný potenciál, ktorý je napríklad schopný pohybovať turbínou.

Symbol, ktorý sa používa na označenie vodného potenciálu, je veľké grécke písmeno s názvom psi, ktoré je napísané Ψ. Vodný potenciál ktoréhokoľvek systému sa meria vo vzťahu k vodnému potenciálu čistej vody za podmienok považovaných za štandardné (tlak 1 atmosféry a rovnaká výška a teplota systému, ktorý sa má študovať).

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

Faktory, ktoré určujú vodný potenciál, sú gravitácia, teplota, tlak, hydratácia a koncentrácia rozpustených látok prítomných vo vode. Tieto faktory určujú tvorbu gradientov vodného potenciálu a tieto gradienty vedú k difúzii vody.

Týmto spôsobom sa voda presúva z miesta s vysokým potenciálom vody na iné miesto s nízkym potenciálom vody. Zložky vodného potenciálu sú osmotický potenciál (koncentrácia rozpustených látok vo vode), matický potenciál (priľnavosť vody k pórovitým matriciam), gravitačný potenciál a tlakový potenciál.

Znalosť vodného potenciálu je nevyhnutná na pochopenie fungovania rôznych hydrologických a biologických javov. Patrí medzi ne absorpcia vody a živín rastlinami a prietok vody v pôde.

Zložky vodného potenciálu

Vodný potenciál pozostáva zo štyroch zložiek: osmotický potenciál, matický potenciál, gravitačný potenciál a tlakový potenciál. Pôsobenie týchto zložiek určuje existenciu gradientov hydrického potenciálu.

Osmotický potenciál (s)

Voda obyčajne nie je v čistom stave, pretože v nej rozpustila pevné látky (soluty), ako sú minerálne soli. Osmotický potenciál je daný koncentráciou rozpustených látok v roztoku.

Čím vyššie je množstvo rozpustených rozpustených látok, tým je menej voľnej energie vody, to znamená, menší vodný potenciál. Voda sa preto snaží dosiahnuť rovnováhu prúdením z roztokov s nízkou koncentráciou rozpustených látok do roztokov s vysokou koncentráciou rozpustených látok.

Matricový alebo maticový potenciál (Ψm)

V tomto prípade je určujúcim faktorom prítomnosť matrice alebo štruktúry hydratovateľného materiálu, to znamená, že má afinitu k vode. Je to spôsobené adhéznymi silami vytvorenými medzi molekulami, najmä vodíkovými väzbami vytvorenými medzi molekulami vody, atómami kyslíka a hydroxylovými skupinami (OH).

Napríklad priľnavosť vody k pôdnym ílom je prípadom vodného potenciálu založeného na matricovom potenciáli. Tieto matrice priťahovaním vody vytvárajú pozitívny vodný potenciál, preto voda mimo matrice tečie smerom k nej a má tendenciu zostať vo vnútri, ako k tomu dochádza v špongii.

Výška alebo gravitačný potenciál (Ψg)

Gravitačná sila Zeme je v tomto prípade tá, ktorá určuje potenciálny gradient, pretože voda bude mať sklon klesať. Voda nachádzajúca sa v určitej výške má voľnú energiu určenú príťažlivosťou, ktorú Zem vyvíja na svoju hmotu.

Pohyb vody pomocou gravitácie. Zdroj: Bilal ahmad / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)

Napríklad voda vo zdvihnutej nádrži na vodu voľne klesá z potrubia a putuje s touto kinetickou (pohybovou) energiou, kým nedosiahne kohútik.

Tlakový potenciál (Ψp)

V tomto prípade má voda pod tlakom väčšiu voľnú energiu, to znamená väčší vodný potenciál. Preto sa táto voda presunie z miesta, kde je pod tlakom, na miesto, kde nie je, a preto je k dispozícii menej voľnej energie (menší vodný potenciál).

Napríklad, keď dávkujeme kvapky pomocou kvapkadla, stlačením gumového gombíka vyvíjame tlak, ktorý dodáva vode energiu. Vďaka tejto vyššej voľnej energii sa voda pohybuje smerom von, kde je tlak nižší.

Metódy na stanovenie vodného potenciálu

Existuje celý rad metód na meranie vodného potenciálu, niektoré vhodné pre pôdu, iné pre tkanivá, pre mechanické hydraulické systémy a iné. Vodný potenciál je ekvivalentný jednotkám tlaku a meria sa v atmosférach, baroch, pascaloch alebo psi (libry na štvorcový palec v jeho skratke v angličtine).

Tu sú niektoré z týchto metód:

Čerpadlo Scholander alebo tlaková komora

Ak chcete zmerať vodný potenciál listov rastlín, môžete použiť tlakovú komoru alebo čerpadlo Scholander. Pozostáva z vzduchotesnej komory, v ktorej je umiestnený celý list (list s jeho stopkou).

Meranie vodného potenciálu listu s tlakovou komorou. Zdroj: Pressurebomb.svg: Aibdescalzoderivatívne práce: Aibdescalzo / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

Potom sa tlak vo vnútri komory zvýši zavedením stlačeného plynu, zmeraním tlaku, ktorý sa dosiahne pomocou manometra. Tlak plynu na liste stúpa až do bodu, keď voda v ňom obsiahnutá prúdi vaskulárnym tkanivom stopky.

Tlak indikovaný manometrom, keď voda opúšťa list, zodpovedá vodnému potenciálu listu.

Tlakové sondy

Existuje niekoľko alternatív na meranie vodného potenciálu pomocou špeciálnych prístrojov nazývaných tlakové sondy. Sú určené na meranie vodného potenciálu pôdy, najmä na základe matického potenciálu.

Napríklad existujú digitálne sondy, ktoré fungujú na základe zavedenia poréznej keramickej matrice pripojenej k senzoru vlhkosti do pôdy. Táto keramika sa hydratuje vodou vo vnútri pôdy, až kým nedosiahne rovnováhu medzi vodným potenciálom v keramickej matrici a vodným potenciálom pôdy.

Senzor následne stanoví obsah vlhkosti v keramike a odhaduje vodný potenciál pôdy.

Mikrokapilárna tlaková sonda

Existujú tiež sondy schopné merať vodný potenciál v rastlinných tkanivách, ako je napríklad stonka rastliny. Model pozostáva z veľmi tenkej trubice s jemným hrotom (mikropilámová trubica), ktorá sa vkladá do tkaniva.

Po preniknutí živým tkanivom roztok obsiahnutý v bunkách sleduje potenciálny gradient definovaný tlakom obsiahnutým v kmeni a je zavedený do mikropyle. Keď tekutina zo stonku vstúpi do trubice, tlačí olej v nej obsiahnutý, ktorý aktivuje tlakovú sondu alebo manometer, ktorý priradí hodnotu zodpovedajúcu vodnému potenciálu.

Zmeny hmotnosti alebo objemu

Na meranie vodného potenciálu na základe osmotického potenciálu je možné určiť zmeny hmotnosti tkaniva ponoreného do roztokov pri rôznych koncentráciách rozpustenej látky. Na tento účel sa pripraví séria skúmaviek, každá so známou zvyšujúcou sa koncentráciou rozpustenej látky, napríklad sacharózy (cukru).

Inými slovami, ak je 10 ml vody v každej z 5 skúmaviek, pridá sa 1 mg sacharózy do prvej skúmavky, 2 mg do druhej skúmavky, a teda do poslednej 5 mg. Máme teda stúpajúcu batériu koncentrácií sacharózy.

Potom sa z tkaniva, ktorého vodný potenciál sa má určiť (napríklad kúsky zemiakov), odreže 5 rezov rovnakej a známej hmotnosti. Potom sa do každej skúmavky vloží rez a po 2 hodinách sa tkanivové rezy odstránia a zvážia.

Očakávané výsledky a interpretácia

Očakáva sa, že niektoré kúsky stratia váhu v dôsledku straty vody, iné budú priberať na váhe, pretože absorbujú vodu, zatiaľ čo iné budú udržiavať hmotnosť.

Tie, ktoré stratili vodu, boli v roztoku, v ktorom bola koncentrácia sacharózy vyššia ako koncentrácia rozpustenej látky v tkanive. Voda preto prúdila podľa gradientu osmotického potenciálu od najvyššej koncentrácie po najnižšiu a tkanivo stratilo vodu a hmotnosť.

Oproti tomu tkanivo, ktoré získalo vodu a hmotnosť, bolo v roztoku s nižšou koncentráciou sacharózy ako koncentrácia rozpustených látok v tkanive. V tomto prípade osmotický potenciálny gradient uprednostňoval vstup vody do tkaniva.

Nakoniec, v tom prípade, keď si tkanivo zachovalo svoju pôvodnú hmotnosť, je možné odvodiť, že koncentrácia, v ktorej bolo nájdené, má rovnakú koncentráciu rozpustenej látky. Preto táto koncentrácia bude zodpovedať vodnému potenciálu študovaného tkaniva.

Príklady

Absorpcia vody rastlinami

30 metrov vysoký strom musí prepravovať vodu zo zeme do posledného listu, a to prostredníctvom vaskulárneho systému. Tento systém je špecializované tkanivo zložené z buniek, ktoré sú mŕtve a vyzerajú ako veľmi tenké tuby.

Pohyb vody v rastlinách. Zdroj: Laurel Jules / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

Transport je možný vďaka rozdielom vo vodnom potenciáli, ktorý sa vytvára medzi atmosférou a listom, ktorý sa zasiela do cievneho systému. List stráca vodu v plynnom stave kvôli vyššej koncentrácii vodnej pary v ňom (vyšší vodný potenciál) v porovnaní s prostredím (nižší vodný potenciál).

Strata pary generuje podtlak alebo odsávanie, ktoré tlačí vodu z ciev cievneho systému smerom k listovej čepeli. Toto odsávanie sa prenáša z nádoby do nádoby až do dosiahnutia koreňa, kde sú bunky a medzibunkové priestory absorbované vodou absorbovanou z pôdy.

Voda prichádzajúca z pôdy preniká do koreňa v dôsledku rozdielu v osmotickom potenciáli medzi vodou v bunkách epidermis v koreňoch a v pôde. K tomu dôjde, pretože koreňové bunky majú rozpustené látky vo vyšších koncentráciách ako pôdna voda.

slizy

Mnoho rastlín v suchom prostredí zadržiava vodu vytváraním slizu (viskóznej látky), ktorý sa ukladá v ich vakuolách. Tieto molekuly zadržiavajú vodu, znižujúc tak svoju voľnú energiu (nízky vodný potenciál), v tomto prípade je rozhodujúca matricová zložka vodného potenciálu.

Zvýšená nádrž na vodu

V prípade vodovodného systému založeného na vyvýšenej nádrži je táto naplnená vodou v dôsledku účinku tlakového potenciálu. Spoločnosť, ktorá poskytuje vodohospodárske služby, na ňu vyvíja tlak pomocou hydraulických čerpadiel, a tak prekonáva gravitačnú silu na dosiahnutie nádrže.

Keď je nádrž plná, voda sa z nej distribuuje vďaka možnému rozdielu medzi vodou uloženou v nádrži a odtokmi vody v dome. Otvorením kohútika sa vytvorí gradient gravitačného potenciálu medzi vodou v kohútiku a vodou z kohútika.

Voda v nádrži má preto vyššiu voľnú energiu (vyšší vodný potenciál) a padá najmä v dôsledku gravitačnej sily.

Difúzia vody v pôde

Hlavnou zložkou vodného potenciálu pôdy je matický potenciál vzhľadom na adhéznu silu, ktorá sa vytvára medzi ílom a vodou. Na druhej strane potenciál gravitácie ovplyvňuje vertikálny gradient vody v pôde.

Mnoho procesov, ktoré sa vyskytujú v pôde, závisí od voľnej energie vody obsiahnutej v pôde, to znamená od jej vodného potenciálu. Tieto procesy zahŕňajú výživu a transplantáciu rastlín, infiltráciu dažďovej vody a odparovanie vody z pôdy.

V poľnohospodárstve je dôležité určiť vodný potenciál pôdy, aby sa správne aplikovalo zavlažovanie a hnojenie. Ak je matricový potenciál pôdy veľmi vysoký, voda zostane pripojená k ílom a nebude k dispozícii na absorpciu rastlinami.

Referencie

1. Busso, CA (2008). Použitie psychrometrov tlakových komôr a termočlánkov pri určovaní hydrických vzťahov v rastlinných tkanivách. ΦYTON.
2. Quintal-Ortiz, WC, Pérez-Gutiérrez, A., Latournerie-Moreno, L., May-Lara, C., Ruiz-Sánchez, E. a Martínez-Chacón, AJ (2012). Využitie vody, potenciál vody a výťažok z habanero korenia (C apsicum chinense J acq.). Časopis Fitotecnia Mexicana.
3. Salisbury, FB a Ross, CW (1991). Fyziológia rastlín. Wadsworth Publishing.
4. Scholander, P., Bradstreet, E., Hemmingsen, E. a Hammel, H. (1965). Sap tlak vo vaskulárnych rastlinách: Negatívny hydrostatický tlak sa môže merať v rastlinách. Science.
5. Squeo, FA (2007). Potenciál vody a hydratácie. In: Squeo, FA a Cardemil, L. (Eds.). Fyziológia rastlín. Vydania University of La Serena