Vandpotentielle komponenter, metoder og eksempler

4386
Jonah Lester

Det vandpotentiale Det er den frie energi eller i stand til at udføre arbejde, som har en vis mængde vand. Således har vandet i den øverste del af et vandfald eller vandfald et højt vandpotentiale, som for eksempel er i stand til at bevæge en turbine.

Symbolet, der bruges til at henvise til vandpotentialet, er det græske hovedbogstav kaldet psi, som er skrevet Ψ. Vandpotentialet i ethvert system måles under henvisning til vandpotentialet i rent vand under betingelser, der betragtes som standard (tryk på 1 atmosfære og den samme højde og temperatur i det system, der skal undersøges).

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

De faktorer, der bestemmer vandpotentialet, er tyngdekraft, temperatur, tryk, hydrering og koncentrationen af ​​opløste stoffer i vandet. Disse faktorer bestemmer dannelsen af ​​vandpotentialgradienter, og disse gradienter driver diffusionen af ​​vand..

På denne måde bevæger vandet sig fra et sted med højt vandpotentiale til et andet med lavt vandpotentiale. Komponenterne i vandpotentialet er det osmotiske potentiale (koncentration af opløste stoffer i vandet), matrisk potentiale (vedhæftning af vand til porøse matricer), tyngdepotentiale og trykpotentialet.

Kendskab til vandpotentialet er afgørende for at forstå, hvordan forskellige hydrologiske og biologiske fænomener fungerer. Disse inkluderer absorption af vand og næringsstoffer fra planter og strømmen af ​​vand i jorden..

Artikelindeks

  • 1 Komponenter med vandpotentiale
    • 1.1 Osmotisk potentiale (Ψs)
    • 1.2 Matric- eller matrixpotentiale (Ψm)
    • 1.3 Gravitations- eller højdepotentiale (Ψg)
    • 1.4 Trykpotentiale (Ψp)
  • 2 Metoder til bestemmelse af vandpotentialet
    • 2.1 Trykkammer eller Scholander-pumpe
    • 2.2 Tryksonder
    • 2.3 Variationer i vægt eller volumen
  • 3 eksempler
    • 3.1 Vandabsorption af planter
    • 3.2 En forhøjet vandtank
    • 3.3 Diffusion af vand i jorden
  • 4 Referencer

Komponenter af vandpotentiale

Vandpotentialet består af fire komponenter: osmotisk potentiale, matricepotentiale, tyngdepotentiale og trykpotentiale. Virkningen af ​​disse komponenter bestemmer eksistensen af ​​vandpotentialgradienter.

Osmotisk potentiale (Ψs)

Normalt er vand ikke i sin rene tilstand, da det har faste stoffer opløst i det (opløste stoffer) såsom mineralsalte. Det osmotiske potentiale er givet ved koncentrationen af ​​opløste stoffer i opløsningen.

Jo større mængde opløste opløsninger, der er mindre fri energi af vandet, dvs. mindre vandpotentiale. Derfor forsøger vandet at skabe en ligevægt ved at strømme fra opløsninger med en lav koncentration af opløste stoffer til opløsninger med en høj koncentration af opløste stoffer..

Matric- eller matrixpotentiale (Ψm)

I dette tilfælde er den afgørende faktor tilstedeværelsen af ​​en hydratiserbar matrix eller struktur, dvs. den har en affinitet for vand. Dette skyldes de adhæsionskræfter, der dannes mellem molekyler, især hydrogenbindinger dannet mellem vandmolekyler, iltatomer og hydroxylgrupper (OH)..

For eksempel er vedhæftning af vand til jordler et tilfælde af vandpotentiale baseret på matricepotentiale. Disse matricer, ved at tiltrække vand, genererer et positivt vandpotentiale, derfor strømmer vandet uden for matrixen mod det og har tendens til at blive inde, når det sker i en svamp..

Gravitations- eller højdepotentiale (Ψg)

Jordens tyngdekraft er i dette tilfælde den, der etablerer den potentielle gradient, da vandet har tendens til at falde nedad. Vand placeret i en bestemt højde har en fri energi bestemt af den tiltrækning, som Jorden udøver på sin masse..

Bevægelse af vand ved tyngdekraft. Kilde: Bilal ahmad / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)

For eksempel falder vandet i en hævet vandtank frit gennem røret og bevæger sig med den kinetiske energi (bevægelse), indtil det når vandhanen..

Trykpotentiale (Ψp)

I dette tilfælde har vandet under tryk større fri energi, dvs. større vandpotentiale. Derfor vil dette vand bevæge sig fra det sted, hvor det er under pres, til det, hvor det ikke er, og derfor er der mindre fri energi (mindre vandpotentiale).

For eksempel, når vi doserer dråber ved hjælp af en dropper, ved at trykke på gummiknappen, anvender vi et tryk, der giver energi til vandet. På grund af denne større frie energi bevæger vandet sig udad, hvor trykket er lavere.

Metoder til bestemmelse af vandpotentialet

Der er en række forskellige metoder til måling af vandpotentiale, nogle egnede til jord, andre til væv, til mekaniske hydrauliske systemer og andre. Vandpotentiale svarer til trykenheder og måles i atmosfærer, barer, pascal eller psi (pounds per kvadrattomme)..

Her er nogle af disse metoder:

Scholander-pumpe eller trykkammer

Hvis du vil måle vandpotentialet i et planteblad, kan du bruge et trykkammer eller Scholander-pumpe. Dette består af et lufttæt kammer, hvor hele bladet er placeret (lamina med sin petiole).

Måling af vandpotentialet i et blad med et trykkammer. Kilde: Pressurebomb.svg: Aibdescalzoderivativt arbejde: Aibdescalzo / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

Derefter øges trykket inde i kammeret ved at indføre en trykgas, der måler det tryk, der nås ved hjælp af et manometer. Gastrykket på bladet stiger, til det punkt, hvor vandet inde i det strømmer ud gennem det vaskulære væv i petiolen..

Det tryk, som manometeret angiver, når vandet forlader bladet, svarer til bladets vandpotentiale..

Tryksonder

Der er flere alternativer til at måle vandpotentialet ved hjælp af specielle instrumenter kaldet trykprober. De er designet til at måle jordens vandpotentiale, hovedsageligt baseret på matricens potentiale.

For eksempel er der digitale sonder, der fungerer på basis af at indføre en porøs keramisk matrix, der er forbundet til en fugtighedsføler i jorden. Denne keramik hydratiseres med vandet inde i jorden, indtil den når en balance mellem vandpotentialet i den keramiske matrix og jordens vandpotentiale..

Derefter bestemmer sensoren fugtindholdet i det keramiske materiale og estimerer jordens vandpotentiale.

Mikrokapillær med tryksonde

Der er også sonder, der er i stand til at måle vandpotentialet i plantevæv, såsom stammen af ​​en plante. En model består af et meget tyndt rør med fin spids (mikropillarør), der indsættes i vævet.

Efter gennemtrængning af levende væv følger opløsningen indeholdt i cellerne en potentiel gradient defineret af trykket indeholdt i stammen og indføres i mikropilen. Når væsken fra stammen kommer ind i røret, skubber den en olie indeholdt i den, der aktiverer en tryksonde eller manometer, der tildeler en værdi svarende til vandpotentialet

Variationer i vægt eller volumen

For at måle vandpotentialet baseret på det osmotiske potentiale kan vægtvariationerne af et væv nedsænket i opløsninger i forskellige koncentrationer af et opløst stof bestemmes. Til dette fremstilles en række reagensglas, hver med en kendt stigende koncentration af et opløst stof, for eksempel saccharose (sukker)..

Det vil sige, hvis der er 10 cc vand i hvert af 5 rør, tilsættes 1 mg saccharose i det første rør, 2 mg i det andet og således op til 5 mg i det sidste. Derfor har vi et stigende batteri af saccharosekoncentrationer.

Derefter skæres 5 sektioner med lige og kendt vægt fra vævet, hvis vandpotentiale skal bestemmes (for eksempel kartoffelstykker). En sektion placeres derefter i hvert reagensglas, og efter 2 timer fjernes vævsafsnittene og vejes..

Forventede resultater og fortolkning

Nogle stykker forventes at tabe sig på grund af vandtab, andre vil være gået i vægt, fordi de absorberer vand, og andre vil bevare vægten.

Dem, der mistede vand, var i en opløsning, hvor koncentrationen af ​​saccharose var større end koncentrationen af ​​opløste stoffer i vævet. Derfor strømmede vandet i henhold til gradienten af ​​det osmotiske potentiale fra den højeste koncentration til den laveste, og vævet mistede vand og vægt..

Tværtimod var det væv, der fik vand og vægt, i en opløsning med en lavere koncentration af saccharose end koncentrationen af ​​opløste stoffer i vævet. I dette tilfælde favoriserede den osmotiske potentialgradient indføringen af ​​vand i vævet..

I det tilfælde, hvor vævet opretholdt sin oprindelige vægt, udledes det endelig, at den koncentration, hvori det blev fundet, har den samme koncentration af opløst stof. Derfor vil denne koncentration svare til vandpotentialet i det undersøgte væv..

Eksempler

Vandabsorption af planter

Et 30 m højt træ skal transportere vand fra jorden til det sidste blad, og dette gøres gennem dets vaskulære system. Dette system er et specialiseret væv, der består af celler, der er døde og ligner meget tynde rør..

Bevægelse af vand i planter. Kilde: Laurel Jules / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

Transport er mulig takket være forskellene i vandpotentiale, der genereres mellem atmosfæren og bladet, som igen overføres til det vaskulære system. Bladet mister vand i luftform på grund af den højere koncentration af vanddamp i det (højere vandpotentiale) sammenlignet med miljøet (lavere vandpotentiale).

Tabet af damp genererer et negativt tryk eller sug, der tvinger vandet fra karret i det vaskulære system mod bladbladet. Denne sugning overføres fra glas til glas, indtil den når roden, hvor cellerne og de intercellulære rum er indlejret i det vand, der absorberes fra jorden..

Vand fra jorden trænger ind i roden på grund af en forskel i osmotisk potentiale mellem vandet i epidermiscellerne i roden og jordens. Dette sker, fordi rodceller har opløste stoffer i højere koncentration end jordvand..

Svampe

Mange planter i tørre omgivelser bevarer vand, der producerer slim (tyktflydende stof), der opbevares i deres vakuoler. Disse molekyler bevarer vand, hvilket reducerer dets frie energi (lavt vandpotentiale), i dette tilfælde er den matriske komponent af vandpotentialet afgørende..

En forhøjet vandtank

I tilfælde af et vandforsyningssystem baseret på en forhøjet tank fyldes det med vand på grund af virkningen af ​​trykpotentialet. Virksomheden, der leverer vandtjenesten, lægger pres på den ved hjælp af hydrauliske pumper og overvinder således tyngdekraften for at nå tanken..

Når tanken er fuld, fordeles vandet fra den takket være en potentiel forskel mellem vandet, der er lagret i tanken, og vandudløbene i huset. Åbning af en vandhane etablerer en gravitationspotentialgradient mellem vandet i vandhanen og tankens..

Derfor har vandet i tanken større fri energi (større vandpotentiale) og falder hovedsageligt på grund af tyngdekraften..

Diffusion af vand i jorden

Hovedkomponenten i jordens vandpotentiale er det matriske potentiale i betragtning af den vedhæftningskraft, der er etableret mellem lerene og vandet. På den anden side påvirker tyngdepotentialet den lodrette forskydningsgradient af vandet i jorden..

Mange processer, der forekommer i jorden, afhænger af den frie energi af vandet inde i jorden, det vil sige på dets vandpotentiale. Blandt disse processer er ernæring og transpiration af planter, infiltration af regnvand og fordampning af vand fra jorden..

I landbruget er det vigtigt at bestemme jordens vandpotentiale til korrekt anvendelse af kunstvanding og befrugtning. Hvis jordens matriske potentiale er meget højt, forbliver vandet fastgjort til lerene og vil ikke være tilgængeligt for absorption af planter..

Referencer

  1. Busso, C.A. (2008). Anvendelse af trykkammer og termoelementpsykrometre til bestemmelse af vandforhold i plantevæv. ΦYTON.
  2. Quintal-Ortiz, W.C., Pérez-Gutiérrez, A., Latournerie-Moreno, L., May-Lara, C., Ruiz-Sánchez, E. og Martínez-Chacón, A.J. (2012). Vandforbrug, vandpotentiale og udbytte af habanero peber (Capsicum chinense Jacq.). Mexicansk Fitotecnia Magazine.
  3. Salisbury, F.B. og Ross, C.W. (1991). Plantefysiologi. Wadsworth Publishing.
  4. Scholander, P., Bradstreet, E., Hemmingsen, E. og Hammel, H. (1965). Saptryk i vaskulære planter: Negativt hydrostatisk tryk kan måles i planter. Videnskab.
  5. Squeo, F.A. (2007). Vand- og vandpotentiale. I: Squeo, F.A. og Cardemil, L. (red.). Plantefysiologi. University of La Serena udgaver

Endnu ingen kommentarer