VODNÍ POTENCIÁL: SLOŽKY, METODY A PŘÍKLADY - ŽIVOTNÍ PROSTŘEDÍ - 2025

Potenciál vody je volná energie nebo mohou dělat práci, která má určitý objem vody. Voda na vrcholu vodopádu nebo vodopádu má tedy vysoký vodní potenciál, který je například schopen pohybovat turbínou.

Symbol, který se používá k označení vodního potenciálu, je hlavní řecké písmeno zvané psi, které je psáno Ψ. Vodní potenciál jakéhokoli systému se měří ve vztahu k vodnímu potenciálu čisté vody za podmínek považovaných za standardní (tlak 1 atmosféry a stejná výška a teplota studovaného systému).

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

Faktory, které určují vodní potenciál, jsou gravitace, teplota, tlak, hydratace a koncentrace solutů přítomných ve vodě. Tyto faktory určují tvorbu gradientů vodního potenciálu a tyto gradienty řídí difúzi vody.

Tímto způsobem se voda pohybuje z místa s vysokým potenciálem vody do jiného s nízkým potenciálem vody. Složky vodního potenciálu jsou osmotický potenciál (koncentrace rozpuštěných látek ve vodě), matický potenciál (přilnavost vody k porézním matricím), gravitační potenciál a tlakový potenciál.

Znalost vodního potenciálu je nezbytná pro pochopení fungování různých hydrologických a biologických jevů. Patří sem vstřebávání vody a živin rostlinami a průtok vody v půdě.

Složky vodního potenciálu

Vodní potenciál se skládá ze čtyř složek: osmotický potenciál, matický potenciál, gravitační potenciál a tlakový potenciál. Působení těchto složek určuje existenci gradientů hydrického potenciálu.

Osmotický potenciál (s)

Voda obvykle není v čistém stavu, protože v ní rozpouští pevné látky (soluty), jako jsou minerální soli. Osmotický potenciál je dán koncentrací solutů v roztoku.

Čím větší množství rozpuštěných rozpuštěných látek, tím méně volné energie vody, to znamená, menší vodní potenciál. Voda se proto pokouší nastolit rovnováhu proudením z roztoků s nízkou koncentrací solutů do roztoků s vysokou koncentrací solutů.

Matricový nebo maticový potenciál (Ψm)

V tomto případě je určujícím faktorem přítomnost matrice nebo struktury hydratovatelného materiálu, to znamená, že má afinitu k vodě. Je to způsobeno adhezními silami vytvářenými mezi molekulami, zejména vodíkovými vazbami vytvořenými mezi molekulami vody, atomy kyslíku a hydroxylovými (OH) skupinami.

Například adheze vody k půdním jílům je případem vodního potenciálu založeného na matricovém potenciálu. Tyto matrice přitahováním vody vytvářejí pozitivní vodní potenciál, proto voda mimo matici proudí směrem k ní a má sklon zůstat uvnitř, jak se to děje v houbě.

Výška nebo gravitační potenciál (Ψg)

Gravitační síla Země je v tomto případě ta, která vytváří potenciální gradient, protože voda bude mít sklon klesat dolů. Voda umístěná v určité výšce má volnou energii určenou přitažlivostí, kterou Země vyvíjí na svou hmotu.

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

Například voda ve zvednuté vodní nádrži volně padá dolů z potrubí a cestuje s touto kinetickou (pohybovou) energií, dokud nedosáhne vodovodního kohoutku.

Tlakový potenciál (Ψp)

V tomto případě má voda pod tlakem větší volnou energii, tj. Větší vodní potenciál. Proto se tato voda přesune z místa, kde je pod tlakem, na místo, kde není, a v důsledku toho je méně volné energie (menší vodní potenciál).

Například, když dávkujeme kapky pomocí kapátka, stiskem gumového knoflíku vyvíjíme tlak, který dodává energii energii. V důsledku této vyšší volné energie se voda pohybuje směrem ven, kde je tlak nižší.

Metody stanovení vodního potenciálu

Existuje celá řada metod pro měření vodního potenciálu, některé vhodné pro půdu, jiné pro tkáně, pro mechanické hydraulické systémy a další. Vodní potenciál je ekvivalentní jednotkám tlaku a měří se v atmosférách, barech, pascalech nebo psi (libry na čtvereční palec v jeho zkratce v angličtině).

Zde jsou některé z těchto metod:

Čerpadlo Scholander nebo tlaková komora

Pokud chcete měřit vodní potenciál listů rostlin, můžete použít tlakovou komoru nebo čerpadlo Scholander. Skládá se z vzduchotěsné komory, kde je umístěn celý list (list s jeho řapíkem).

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

Potom se tlak v komoře zvýší zavedením stlačeného plynu, změřením tlaku, kterého se dosáhne pomocí manometru. Tlak plynu na listu roste, až voda, která v něm obsažená, proudí cévní tkání řapíku.

Tlak indikovaný manometrem, když voda opouští list, odpovídá vodnímu potenciálu listu.

Tlakové sondy

Existuje několik alternativ pro měření vodního potenciálu pomocí speciálních přístrojů zvaných tlakové sondy. Jsou určeny k měření vodního potenciálu půdy, a to hlavně na základě matického potenciálu.

Například existují digitální sondy, které fungují na základě zavedení porézní keramické matrice připojené k senzoru vlhkosti do půdy. Tato keramika je hydratována vodou uvnitř půdy, dokud nedosáhne rovnováhy mezi vodním potenciálem v keramické matrici a vodním potenciálem půdy.

Následně senzor určí obsah vlhkosti v keramice a odhadne vodní potenciál půdy.

Mikrokapilára s tlakovou sondou

Existují také sondy schopné měřit vodní potenciál v rostlinných tkáních, jako je stonek rostliny. Model se skládá z velmi tenké trubky s jemným hrotem (mikropilární trubice), která je vložena do tkáně.

Po proniknutí živé tkáně sleduje roztok obsažený v buňkách potenciální gradient definovaný tlakem obsaženým ve stonku a je zaveden do mikropyle. Když kapalina ze stonku vstoupí do trubice, tlačí olej v ní obsažený, který aktivuje tlakovou sondu nebo manometr, který přiřadí hodnotu odpovídající vodnímu potenciálu

Změny hmotnosti nebo objemu

Pro měření vodního potenciálu na základě osmotického potenciálu lze stanovit hmotnostní odchylky tkáně ponořené do roztoků při různých koncentracích rozpuštěné látky. K tomu se připraví řada zkumavek, každá se známou rostoucí koncentrací solutu, například sacharózy (cukr).

To znamená, že pokud je v každé zkumavce 10 ml vody, přidá se v první zkumavce 1 mg sacharózy, v druhé zkumavce 2 mg a v poslední zkumavce až 5 mg. Máme tedy rostoucí koncentraci sacharosy.

Potom se z tkáně, jejíž vodní potenciál má být určen (například kousky brambor), vyřízne 5 sekcí stejné a známé hmotnosti. Do každé zkumavky se poté vloží řez a po 2 hodinách se tkáňové řezy odstraní a zváží.

Očekávané výsledky a interpretace

Očekává se, že některé kusy zhubnou po ztrátě vody, jiné budou mít na váze, protože absorbují vodu, a jiné si váhu udržují.

Ti, kteří ztratili vodu, byli v roztoku, kde koncentrace sacharózy byla vyšší než koncentrace rozpuštěné látky v tkáni. Voda proto tekla podle gradientu osmotického potenciálu od nejvyšší koncentrace k nejnižší a tkáň ztratila vodu a hmotnost.

Naproti tomu tkáň, která získala vodu a hmotnost, byla v roztoku s nižší koncentrací sacharózy než koncentrace rozpuštěných látek v tkáni. V tomto případě osmotický potenciální gradient upřednostňoval vstup vody do tkáně.

Konečně, v tom případě, kdy si tkáň udržela svou původní hmotnost, je odvozeno, že koncentrace, ve které byla nalezena, má stejnou koncentraci rozpuštěné látky. Proto tato koncentrace bude odpovídat vodnímu potenciálu studované tkáně.

Příklady

Absorpce vody rostlinami

30 metrů vysoký strom musí transportovat vodu ze země do posledního listu, a to prostřednictvím vaskulárního systému. Tento systém je specializovaná tkáň složená z buněk, které jsou mrtvé a vypadají jako velmi tenké zkumavky.

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

Transport je možný díky rozdílům ve vodním potenciálu, které jsou vytvářeny mezi atmosférou a listem, který je zase přenášen do cévního systému. List ztrácí vodu v plynném stavu díky vyšší koncentraci vodní páry v něm (vyšší vodní potenciál) ve srovnání s prostředím (nižší vodní potenciál).

Ztráta páry vytváří podtlak nebo sání, které tlačí vodu z cév vaskulárního systému směrem k listu listu. Toto sání je přenášeno z nádoby do nádoby až do dosažení kořene, kde jsou buňky a mezibuněčné prostory absorbovány vodou absorbovanou z půdy.

Voda přicházející z půdy proniká do kořene v důsledku rozdílu osmotického potenciálu mezi vodou v buňkách epidermis v kořeni a v půdě. K tomu dochází, protože kořenové buňky mají rozpuštěné látky ve vyšších koncentracích než půdní voda.

Slizy

Mnoho rostlin v suchém prostředí zadržuje vodu tím, že produkuje sliz (viskózní látku), která je uložena v jejich vakuolách. Tyto molekuly zadržují vodu a snižují její volnou energii (nízký vodní potenciál), v tomto případě je rozhodující matricová složka vodního potenciálu.

Zvýšená vodní nádrž

V případě vodovodního systému založeného na zvýšené nádrži je tato nádrž naplněna vodou kvůli účinku tlakového potenciálu. Společnost poskytující vodohospodářskou službu, vyvíjí na ni tlak pomocí hydraulických čerpadel, a tak překonává gravitační sílu k dosažení nádrže.

Jakmile je nádrž plná, voda je z ní distribuována díky potenciálnímu rozdílu mezi vodou uloženou v nádrži a odtoky vody v domě. Otevřením kohoutku se vytvoří gradient gravitačního potenciálu mezi vodou v kohoutku a vodou nádrže.

Voda v nádrži má proto vyšší volnou energii (vyšší vodní potenciál) a padá hlavně v důsledku gravitační síly.

Difúze vody v půdě

Hlavní složkou vodního potenciálu půdy je matický potenciál, vzhledem k adhezní síle, která je stanovena mezi jíly a vodou. Na druhé straně potenciál gravitace ovlivňuje vertikální gradient přemístění vody v půdě.

Mnoho procesů, které se vyskytují v půdě, závisí na volné energii vody obsažené v půdě, tj. Na jejím vodním potenciálu. Mezi tyto procesy patří výživa a transplantace rostlin, infiltrace dešťové vody a odpařování vody z půdy.

V zemědělství je důležité určit vodní potenciál půdy, aby bylo možné správně zavlažovat a hnojit. Pokud je matický potenciál půdy velmi vysoký, voda zůstane připojena k jílu a nebude k dispozici pro absorpci rostlinami.

Reference

1. Busso, CA (2008). Využití psychrometrů tlakové komory a termočlánku při stanovení hydrických vztahů v rostlinných tkáních. ΦYTON.
2. Quintal-Ortiz, WC, Pérez-Gutiérrez, A., Latournerie-Moreno, L., May-Lara, C., Ruiz-Sánchez, E. a Martínez-Chacón, AJ (2012). Využití vody, vodní potenciál a výtěžek pepře habanero (C apsicum chinense J acq.). Časopis Fitotecnia Mexicana.
3. Salisbury, FB a Ross, CW (1991). Fyziologie rostlin. Wadsworth Publishing.
4. Scholander, P., Bradstreet, E., Hemmingsen, E. a Hammel, H. (1965). Sap tlak ve vaskulárních rostlinách: Negativní hydrostatický tlak lze měřit v rostlinách. Věda.
5. Squeo, FA (2007). Potenciál vody a hydratace. In: Squeo, FA a Cardemil, L. (Eds.). Fyziologie rostlin. Vydání University of La Serena