VANNPOTENSIAL: KOMPONENTER, METODER OG EKSEMPLER - MILJØ - 2026

Den vannpotensialet er den frie energien eller i stand til å gjøre arbeid, som har et visst volum av vann. Dermed har vannet på toppen av et fossefall eller et fossefall et høyt vannpotensial som for eksempel er i stand til å bevege en turbin.

Symbolet som brukes for å referere til vannpotensialet, er den greske bokstaven kalt psi, som er skrevet Ψ. Vannpotensialet i ethvert system måles med henvisning til vannpotensialet i rent vann under forhold som anses som standard (trykk på 1 atmosfære og samme høyde og temperatur på systemet som skal studeres).

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

Faktorene som bestemmer vannpotensialet er tyngdekraft, temperatur, trykk, hydrering og konsentrasjonen av oppløste stoffer i vannet. Disse faktorene bestemmer dannelsen av vannpotensiale gradienter, og disse gradientene driver diffusjonen av vann.

På denne måten beveger vannet seg fra et sted med høyt vannpotensial til et annet med lavt vannpotensial. Komponentene i vannpotensialet er det osmotiske potensialet (konsentrasjon av oppløste stoffer i vannet), matrikspotensial (vedheft av vann til porøse matriser), gravitasjonspotensial og trykkpotensialet.

Kunnskap om vannpotensialet er viktig for å forstå funksjonen til forskjellige hydrologiske og biologiske fenomener. Disse inkluderer absorpsjon av vann og næringsstoffer fra planter og strømmen av vann i jorda.

Komponenter av vannpotensial

Vannpotensialet består av fire komponenter: osmotisk potensial, matrikkpotensial, gravitasjonspotensial og trykkpotensial. Handlingen til disse komponentene bestemmer eksistensen av hydriske potensiale gradienter.

Osmotisk potensial (Ψs)

Vanligvis er ikke vann i ren tilstand, siden det har oppløste faste stoffer i det (oppløste stoffer), for eksempel mineralsalter. Det osmotiske potensialet gis ved konsentrasjon av oppløste stoffer i løsningen.

Jo høyere mengde oppløste stoffer, det er mindre fri energi i vannet, det vil si mindre vannpotensial. Derfor prøver vann å etablere en likevekt ved å strømme fra løsninger med lav konsentrasjon av løste stoffer til løsninger med en høy konsentrasjon av løste stoffer.

Matrise- eller matrisepotensial (Ψm)

I dette tilfellet er den bestemmende faktoren tilstedeværelsen av en hydratiserbar materialmatrise eller -struktur, det vil si at den har en affinitet for vann. Dette skyldes vedheftskreftene som er skapt mellom molekyler, spesielt hydrogenbindelsene som dannes mellom vannmolekyler, oksygenatomer og hydroksylgrupper.

For eksempel er vedheft av vann til jordleire et tilfelle av vannpotensial basert på matrikkpotensial. Disse matrisene ved å tiltrekke vann genererer et positivt vannpotensial, derfor renner vannet utenfor matrisen mot den og har en tendens til å holde seg inne når det skjer i en svamp.

Høyde eller tyngdekraftpotensial (Ψg)

Jordens gravitasjonskraft er i dette tilfellet den som etablerer den potensielle gradienten, siden vannet vil ha en tendens til å falle nedover. Vann som ligger i en viss høyde har en fri energi bestemt av tiltrekningen som Jorden utøver på sin masse.

Bevegelse av vann etter tyngdekraften. Kilde: Bilal ahmad / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)

For eksempel faller vann i en hevet vanntank fritt ned i røret og beveger seg med den kinetiske (bevegelses) energien til den når kranen.

Trykkpotensial (Ψp)

I dette tilfellet har vannet under trykk større fri energi, det vil si større vannpotensial. Derfor vil dette vannet bevege seg fra der det er under trykk til der det ikke er, og følgelig er det mindre fri energi (mindre vannpotensial).

For eksempel når vi doserer dråper med en dropper, bruker vi et trykk som gir energi til vannet ved å trykke på gummiknappen. På grunn av denne høyere frie energien, beveger vannet seg til utsiden der trykket er lavere.

Metoder for å bestemme vannpotensialet

Det finnes en rekke metoder for måling av vannpotensial, noen egner seg for jord, andre for vev, for mekaniske hydrauliske systemer og andre. Vannpotensialet tilsvarer trykkenheter og måles i atmosfærer, barer, pascaler eller psi (kilo per kvadrat tomme i forkortelsen på engelsk).

Her er noen av disse metodene:

Scholander Pump eller Trykkammer

Hvis du vil måle vannpotensialet til et planteblad, kan du bruke et trykkammer eller Scholander-pumpe. Denne består av et lufttett kammer hvor hele bladet (arket med petiolen) er plassert.

Måling av vannpotensialet til et blad med et trykkammer. Kilde: Pressurebomb.svg: Aibdescalzoderivative arbeid: Aibdescalzo / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

Deretter økes trykket inne i kammeret ved å innføre en trykkgass, måle trykket som nås ved hjelp av et manometer. Trykket fra gassen på bladet øker, til det punktet der vannet som er inne i det, siver ut gjennom petioleets vaskulære vev.

Trykket indikert av manometeret når vannet forlater bladet tilsvarer vannpotensialet til bladet.

Trykksonder

Det er flere alternativer for å måle vannpotensialet ved hjelp av spesielle instrumenter som kalles trykkprober. De er designet for å måle vannpotensialet i jorda, hovedsakelig basert på matrikkpotensialet.

For eksempel er det digitale sonder som fungerer på grunnlag av å introdusere en porøs keramisk matrise koblet til en fuktighetssensor i jorda. Denne keramikken er hydrert med vannet inne i jorda til den når en balanse mellom vannpotensialet i den keramiske matrisen og vannpotensialet i jorda.

Deretter bestemmer sensoren fuktighetsinnholdet i keramikken og estimerer jordens vannpotensial.

Mikrokapillær med trykksonde

Det er også sonder som er i stand til å måle vannpotensialet i plantevev, for eksempel stammen til en plante. En modell består av et veldig tynt, fintippet rør (mikropillarrør) som settes inn i vev.

Ved gjennomtrengende levende vev følger løsningen inneholdt i cellene en potensiell gradient definert av trykket inneholdt i stammen og føres inn i mikropylen. Når væsken fra stammen kommer inn i røret, skyver den en olje som er inne i den som aktiverer en trykksonde eller manometer som tildeler en verdi som tilsvarer vannpotensialet

Variasjoner i vekt eller volum

For å måle vannpotensialet basert på det osmotiske potensialet, kan vektvariasjonene til et vev nedsenket i oppløsninger ved forskjellige konsentrasjoner av et oppløst stoff bestemmes. For dette blir en serie prøverør fremstilt, hver med en kjent økende konsentrasjon av et oppløst stoff, for eksempel sukrose (sukker).

Med andre ord, hvis det er 10 cm3 vann i hvert av 5 rør, tilsettes 1 mg sukrose i det første røret, 2 mg i det andre, og dermed opp til 5 mg i det siste. Så vi har et økende batteri av sukrosekonsentrasjoner.

Deretter kuttes 5 seksjoner med lik og kjent vekt fra vevet hvis vannpotensial skal bestemmes (for eksempel potetbiter). En seksjon blir deretter plassert i hvert prøverør og etter 2 timer blir vevsseksjonene fjernet og veid.

Forventet resultat og tolkning

Noen biter forventes å gå ned i vekt på grunn av vanntap, andre vil ha gått opp i vekt fordi de absorberte vann, og atter andre vil opprettholde vekten.

De som mistet vann var i en løsning der sukrosekonsentrasjonen var større enn den løste konsentrasjonen i vevet. Derfor strømmet vannet i henhold til gradienten av det osmotiske potensialet fra den høyeste konsentrasjonen til den laveste, og vevet mistet vann og vekt.

I kontrast var vevet som fikk vann og vekt i en løsning med en lavere konsentrasjon av sukrose enn konsentrasjonen av oppløste stoffer i vevet. I dette tilfellet foretrakk den osmotiske potensielle gradient inntreden av vann i vevet.

Til slutt, i det tilfellet der vevet opprettholdt sin opprinnelige vekt, utledes det at konsentrasjonen som det ble funnet i har den samme konsentrasjonen av løst stoff. Derfor vil denne konsentrasjonen samsvare med vannpotensialet i vevet som er studert.

eksempler

Vannabsorpsjon av planter

Et 30 meter høyt tre trenger å transportere vann fra bakken til det siste bladet, og dette gjøres gjennom dets vaskulære system. Dette systemet er et spesialisert vev som består av celler som er døde og ser ut som veldig tynne rør.

Bevegelse av vann i planter. Kilde: Laurel Jules / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

Transport er mulig takket være forskjellene i vannpotensialet som genereres mellom atmosfæren og bladet, som igjen overføres til det vaskulære systemet. Bladet mister vann i gassform på grunn av den høyere konsentrasjonen av vanndamp i den (høyere vannpotensial) sammenlignet med miljøet (lavere vannpotensial).

Tap av damp genererer et undertrykk eller sug som tvinger vannet fra karene i det vaskulære systemet mot bladbladet. Dette suget overføres fra kar til kar til det kommer til roten, der cellene og de mellomcellulære mellomrommene er innblandet med vannet absorbert fra jorda.

Vannet som kommer fra jorden trenger inn i roten på grunn av en forskjell i osmotisk potensial mellom vannet i overhuden celler i roten og det av jorda. Dette skjer fordi rotcellene har løststoffer i høyere konsentrasjoner enn jordvann.

planteslim

Mange planter i tørre omgivelser beholder vann ved å produsere slimete (tyktflytende stoff) som er lagret i vakuolene sine. Disse molekylene beholder vann og reduserer den frie energien (lavt vannpotensial), i dette tilfellet er matrikkomponenten i vannpotensialet avgjørende.

En forhøyet vanntank

Når det gjelder et vannforsyningssystem basert på en forhøyet tank, fylles det samme med vann på grunn av effekten av trykkpotensialet. Selskapet som leverer vanntjenesten, legger press på det ved hjelp av hydrauliske pumper og overvinner dermed tyngdekraften for å nå tanken.

Når tanken er full, blir vannet fordelt fra den takket være en potensiell forskjell mellom vannet som er lagret i tanken og vannuttakene i huset. Åpning av en kran etablerer en gravitasjonspotensial gradient mellom vannet i springen og tanken.

Derfor har vannet i tanken høyere fri energi (høyere vannpotensial) og faller hovedsakelig på grunn av tyngdekraften.

Diffusjon av vann i jorda

Hovedkomponenten i jordas vannpotensial er matrikkpotensialet, gitt den vedheftekraften som er etablert mellom leirene og vannet. På den annen side påvirker tyngdekraftspotensialet den vertikale forskyvningsgradienten til vannet i jorda.

Mange prosesser som forekommer i jorda er avhengige av den frie energien til vannet som finnes i jorda, det vil si på dets vannpotensial. Disse prosessene inkluderer planteernæring og transpirasjon, infiltrasjon av regnvann og fordamping av vann fra jorda.

I landbruket er det viktig å bestemme jordens vannpotensial for å bruke vanning og gjødsling på riktig måte. Hvis matrikkpotensialet i jorda er veldig høyt, vil vannet forbli festet til leire og vil ikke være tilgjengelig for opptak av planter.

referanser

1. Busso, CA (2008). Bruk av trykkammer og termoelementpsykrometre for bestemmelse av hydriske forhold i plantevev. ΦYTON.
2. Quintal-Ortiz, WC, Pérez-Gutiérrez, A., Latournerie-Moreno, L., May-Lara, C., Ruiz-Sánchez, E. og Martínez-Chacón, AJ (2012). Vannbruk, vannpotensial og utbytte av habanero pepper (C apsicum chinense J acq.). Magasinet Fitotecnia Mexicana.
3. Salisbury, FB og Ross, CW (1991). Plantefysiologi. Wadsworth Publishing.
4. Scholander, P., Bradstreet, E., Hemmingsen, E. og Hammel, H. (1965). Sap Pressure in Vascular Plants: Negativt hydrostatisk trykk kan måles i planter. Vitenskap.
5. Squeo, FA (2007). Vann og vannpotensial. I: Squeo, FA og Cardemil, L. (Eds.). Plantefysiologi. University of La Serena utgaver