ВОДЕН ПОТЕНЦИАЛ: КОМПОНЕНТИ, МЕТОДИ И ПРИМЕРИ - ОКОЛЕН СВЯТ - 2024

В потенциала на водата е най-свободната енергия, или такова, извършване на работа, която има определен обем вода. По този начин водата на върха на водопад или водопад има висок воден потенциал, който например е в състояние да движи турбина.

Символът, който се използва за обозначаване на водния потенциал, е главната гръцка буква, наречена psi, която е написана Ψ. Водният потенциал на всяка система се измерва във връзка с водния потенциал на чиста вода при условия, считани за стандартни (налягане от 1 атмосфера и същата височина и температура на системата, която трябва да се изследва).

Осмотичен потенциал. Източник: Kade Kneeland / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)

Факторите, които определят водния потенциал, са гравитацията, температурата, налягането, хидратацията и концентрацията на присъстващи във водата разтворители. Тези фактори определят образуването на градиенти на потенциала на водата и тези градиенти задвижват дифузията на водата.

По този начин водата се премества от площадка с висок воден потенциал към друга с нисък воден потенциал. Компонентите на водния потенциал са осмотичният потенциал (концентрация на разтворители във водата), матричен потенциал (адхезия на водата към порести матрици), гравитационен потенциал и потенциал за налягане.

Познаването на водния потенциал е от съществено значение за разбирането на функционирането на различни хидрологични и биологични явления. Те включват абсорбцията на вода и хранителни вещества от растенията и притока на вода в почвата.

Компоненти на водния потенциал

Водният потенциал е съставен от четири компонента: осмотичен потенциал, матричен потенциал, гравитационен потенциал и потенциал за налягане. Действието на тези компоненти определя наличието на градиенти на хидричния потенциал.

Осмотичен потенциал (Ψs)

Обикновено водата не е в чисто състояние, тъй като в нея са разтворени твърди вещества (разтворители), като минерални соли. Осмотичният потенциал се дава от концентрацията на разтворени вещества в разтвора.

Колкото по-голямо е количеството на разтворените разтвори, има по-малко свободна енергия на водата, тоест по-малък воден потенциал. Следователно водата се опитва да установи равновесие, като тече от разтвори с ниска концентрация на разтворители към разтвори с висока концентрация на разтворени вещества.

Матричен или матричен потенциал (Ψm)

В този случай определящият фактор е наличието на хидратируема материална матрица или структура, тоест тя има афинитет към водата. Това се дължи на силите на адхезия, създадени между молекулите, по-специално водородните връзки, образувани между водни молекули, кислородни атоми и хидроксилни (ОН) групи.

Например, адхезията на водата към почвените глини е случай на воден потенциал, базиран на матричен потенциал. Тези матрици чрез привличане на вода генерират положителен воден потенциал, следователно водата извън матрицата тече към нея и има тенденция да остава вътре, както се случва в гъбата.

Височина или гравитационен потенциал (Ψg)

Гравитационната сила на Земята в този случай е тази, която установява потенциалния градиент, тъй като водата ще има тенденция да пада надолу. Водата, разположена на определена височина, има свободна енергия, определена от привличането, което Земята упражнява върху своята маса.

Движение на водата чрез гравитация. Източник: Bilal ahmad / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)

Например водата в повдигнат резервоар за вода пада свободно по тръбата и пътува с тази кинетична (движение) енергия, докато стигне до крана.

Потенциал за налягане (Ψp)

В този случай водата под налягане има по-голяма свободна енергия, тоест по-голям воден потенциал. Следователно тази вода ще се премести от мястото, където е под налягане, до мястото, където не е, и следователно има по-малко свободна енергия (по-малък воден потенциал).

Например, когато дозираме капки с помощта на капкомер, чрез натискане на гуменото копче прилагаме налягане, което дава енергия на водата. Благодарение на тази по-висока свободна енергия водата се придвижва навън, където налягането е по-ниско.

Методи за определяне на водния потенциал

Съществуват разнообразни методи за измерване на воден потенциал, някои подходящи за почвата, други за тъкани, за механични хидравлични системи и други. Водният потенциал е еквивалентен на единици налягане и се измерва в атмосфери, барове, паскали или psi (паунда на квадратен инч в съкращението му на английски).

Ето някои от тези методи:

Scholander помпа или камера под налягане

Ако искате да измерите водния потенциал на листното растение, можете да използвате камера под налягане или помпа Scholander. Състои се от херметична камера, в която е поставено цялото листо (лист с неговия дръжка).

Измерване на воден потенциал на листа с камера под налягане. Източник: Pressurebomb.svg: Aibdescalzoderivative work: Aibdescalzo / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

Тогава налягането вътре в камерата се увеличава чрез въвеждане на газ под налягане, измерване на налягането, което се достига с помощта на манометър. Налягането на газа върху листа се увеличава до точката, в която съдържащата се в него вода изтича през съдовата тъкан на дръжката.

Налягането, посочено от манометъра, когато водата напусне листа, съответства на водния потенциал на листа.

Датчици под налягане

Има няколко алтернативи за измерване на водния потенциал с помощта на специални инструменти, наречени сонди за налягане. Те са предназначени за измерване на водния потенциал на почвата въз основа главно на матричния потенциал.

Например, има цифрови сонди, които работят на базата на въвеждане на пореста керамична матрица, свързана със сензор за влажност в почвата. Тази керамика се хидратира с водата вътре в почвата, докато достигне баланс между водния потенциал в керамичната матрица и водния потенциал на почвата.

Впоследствие сензорът определя съдържанието на влага в керамиката и оценява водния потенциал на почвата.

Микрокапиларна с сонда за налягане

Съществуват и сонди, способни да измерват водния потенциал в растителните тъкани, като стъблото на растението. Моделът се състои от много тънка тръба с фини връхчета (микропилотна тръба), която се вкарва в тъканта.

При проникване в жива тъкан разтворът, съдържащ се в клетките, следва потенциален градиент, определен от налягането, съдържащо се в стъблото, и се въвежда в микропила. Когато течността от стъблото навлезе в тръбата, тя изтласква съдържащото се в нея масло, което активира сонда за налягане или манометър, която присвоява стойност, съответстваща на водния потенциал

Отклонения в теглото или обема

За да се измери водният потенциал въз основа на осмотичния потенциал, могат да бъдат определени вариациите на теглото на тъкан, потопена в разтвори в различни концентрации на разтворено вещество. За целта се приготвят поредица от епруветки, всяка с известна нарастваща концентрация на разтворител, например захароза (захар).

С други думи, ако има 10 cc вода във всяка от 5 епруветки, 1 mg захароза се добавя в първата епруветка, 2 mg във втората и по този начин до 5 mg в последната. Така че имаме нарастваща батерия от концентрации на захароза.

След това от тъканта се изрязват 5 секции с еднаква и известна маса, чийто воден потенциал трябва да се определи (например картофени парчета). След това се поставя секция във всяка епруветка и след 2 часа тъканните секции се отстраняват и претеглят.

Очаквани резултати и интерпретация

Очаква се някои парчета да отслабнат от загуба на вода, други ще наддават на тегло, защото са погълнали вода, а други ще поддържат теглото.

Тези, които губиха вода, бяха в разтвор, в който концентрацията на захароза беше по-голяма от концентрацията на разтвореното вещество в тъканта. Следователно водата течеше според градиента на осмотичния потенциал от най-високата концентрация до най-ниската, а тъканта загуби вода и тегло.

За разлика от тях, тъканта, която набира вода и тегло, е в разтвор с по-ниска концентрация на захароза, отколкото концентрацията на разтворители в тъканта. В този случай градиентът на осмотичния потенциал благоприятства навлизането на вода в тъканта.

И накрая, в този случай, в който тъканта е запазила първоначалното си тегло, се заключава, че концентрацията, в която е намерена, има същата концентрация на разтворено вещество. Следователно тази концентрация ще съответства на водния потенциал на изследваната тъкан.

Примери

Поглъщане на вода от растенията

30 м високо дърво трябва да транспортира вода от земята до последното листо и това става чрез съдовата му система. Тази система е специализирана тъкан, съставена от клетки, които са мъртви и приличат на много тънки тръбички.

Движение на водата в растенията. Източник: Laurel Jules / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

Транспортирането е възможно благодарение на разликите във водния потенциал, които се генерират между атмосферата и листата, която от своя страна се предава на съдовата система. Листът губи вода в газообразно състояние поради по-високата концентрация на водна пара в него (по-висок воден потенциал) в сравнение с околната среда (по-нисък воден потенциал).

Загубата на пара генерира отрицателно налягане или всмукване, което принуждава водата от съдовете на съдовата система към листната лопатка. Това изсмукване се предава от съд в съд до достигане на корена, където клетките и междуклетъчните пространства се всмукват с водата, погълната от почвата.

Водата от почвата прониква в корена поради разлика в осмотичния потенциал между водата в клетките на епидермиса на корена и тази на почвата. Това се случва, защото в кореновите клетки има разтворители в по-високи концентрации от почвените води.

Лепила

Много растения в суха среда задържат вода, като произвеждат слуз (вискозно вещество), които се съхраняват във вакуолите им. Тези молекули задържат вода, намалявайки нейната свободна енергия (нисък воден потенциал), като в този случай матричният компонент на водния потенциал е определящ.

Повишен резервоар за вода

В случай на водоснабдителна система, основана на повишен резервоар, същият се пълни с вода поради ефекта на потенциала за налягане. Компанията, която предоставя услугата вода, оказва натиск върху нея с помощта на хидравлични помпи и по този начин преодолява силата на гравитация, за да достигне резервоара.

След като резервоарът се напълни, водата се разпределя от него благодарение на потенциална разлика между водата, съхранявана в резервоара, и изводите за вода в къщата. Отварянето на крана установява гравитационен градиент на потенциала между водата в крана и тази на резервоара.

Следователно водата в резервоара има по-висока свободна енергия (по-висок воден потенциал) и пада главно поради силата на гравитацията.

Дифузия на водата в почвата

Основният компонент на водния потенциал на почвата е матричният потенциал, като се има предвид силата на сцепление, която се установява между глините и водата. От друга страна, потенциалът на гравитацията влияе върху вертикалния градиент на изместване на водата в почвата.

Много процеси, които протичат в почвата, зависят от свободната енергия на съдържащата се в почвата вода, тоест от нейния воден потенциал. Тези процеси включват хранене и транспирация на растенията, инфилтрация на дъждовна вода и изпаряване на вода от почвата.

В селското стопанство е важно да се определи водния потенциал на почвата, за да се прилага правилно напояване и торене. Ако матричният потенциал на почвата е много висок, водата ще остане прикрепена към глините и няма да бъде достъпна за усвояване от растенията.

Препратки

1. Бусо, Калифорния (2008). Използване на психрометрите на камерата под налягане и термодвойката при определяне на хидричните връзки в растителните тъкани. ΦYTON.
2. Quintal-Ortiz, WC, Pérez-Gutiérrez, A., Latournerie-Moreno, L., May-Lara, C., Ruiz-Sánchez, E. и Martínez-Chacón, AJ (2012). Използване на водата, воден потенциал и добив на пипер хабанеро (C apsicum chinense J acq.). Списание Fitotecnia Mexicana.
3. Солсбъри, FB и Ross, CW (1991). Физиология на растенията. Wadsworth Publishing.
4. Scholander, P., Bradstreet, E., Hemmingsen, E. and Hammel, H. (1965). Налягане на сока във съдовите растения: Отрицателното хидростатично налягане може да бъде измерено в растенията. Science.
5. Squeo, FA (2007). Воден и воден потенциал. В: Squeo, FA и Cardemil, L. (ред.). Физиология на растенията. Издания на Университета в Ла Серена