Viele verschiedene Faktoren können das Gesamtwasserpotential beeinflussen, und die Summe dieser Potentiale bestimmt das Gesamtwasserpotential und die Richtung des Wasserflusses:
Ψ = Ψ 0 + Ψ π + Ψ p + Ψ s + Ψ v + Ψ m {\ Anzeigestil \ Psi = \ Psi _ {0} + \ Psi _ {\ pi} + \ Psi _ {p} + \ Psi _ {s} + \ Psi _ {v} + \ Psi _ {m}}
wobei:
Alle diese Faktoren werden als potenzielle Energien pro Volumeneinheit quantifiziert, und verschiedene Teilmengen dieser Begriffe können für bestimmte Anwendungen verwendet werden ( zB Pflanzen oder Böden). Abhängig von der Anwendung werden auch unterschiedliche Bedingungen als Referenz definiert: In Böden wird die Referenzbedingung beispielsweise typischerweise als reines Wasser an der Bodenoberfläche definiert.
DruckpotentialEdit
Druckpotential basiert auf mechanischem Druck und ist ein wichtiger Bestandteil des gesamten Wasserpotentials in Pflanzenzellen. Das Druckpotential steigt, wenn Wasser in eine Zelle eindringt. Wenn Wasser durch die Zellwand und die Zellmembran fließt, erhöht es die Gesamtmenge an Wasser, die in der Zelle vorhanden ist, was einen Druck nach außen ausübt, dem die strukturelle Steifheit der Zellwand entgegenwirkt. Durch die Erzeugung dieses Drucks kann die Pflanze den Turgor aufrechterhalten, wodurch die Pflanze ihre Steifheit beibehalten kann. Ohne Turgor verlieren Pflanzen Struktur und welken.
Das Druckpotential in einer Pflanzenzelle ist normalerweise positiv. In plasmolysierten Zellen ist das Druckpotential nahezu Null. Unterdruckpotentiale treten auf, wenn Wasser durch ein offenes System wie ein Pflanzen-Xylem-Gefäß gezogen wird. Das Aushalten von Unterdruckpotentialen (häufig als Spannung bezeichnet) ist eine wichtige Anpassung von Xylem. Diese Spannung kann empirisch unter Verwendung der Druckbombe gemessen werden.
Osmotisches Potential (Potential des gelösten Stoffes) Bearbeiten
Reines Wasser hat normalerweise ein osmotisches Potential (Ψ π {\ displaystyle \ Psi) _ {\ pi}}) von Null, und in diesem Fall kann das gelöste Potential niemals positiv sein. Das Verhältnis der Konzentration gelöster Stoffe (in Molarität) zum Potential gelöster Stoffe ist durch die Van-t-Hoff-Gleichung gegeben:
π π = – M i RT {\ displaystyle \ Psi _ {\ pi} = – MiRT}
wobei M {\ displaystyle M} die Molaritätskonzentration des gelösten Stoffes ist, i {\ displaystyle i} der Van-t-Hoff-Faktor ist, das Verhältnis der Menge der in Lösung befindlichen Teilchen zur Menge der gelösten Formeleinheiten, R {\ displaystyle R. } ist die ideale Gaskonstante und T {\ displaystyle T} ist die absolute Temperatur.
Das Wasser diffundiert über die osmotische Membran bis zu einem niedrigeren Wasserpotential
Wenn beispielsweise ein gelöster Stoff in Wasser gelöst wird, diffundieren Wassermoleküle weniger wahrscheinlich über Osmose weg als dort ist kein gelöster Stoff. Eine Lösung hat ein niedrigeres und damit negativeres Wasserpotential als reines Wasser. Darüber hinaus ist das Potential gelöster Stoffe umso negativer, je mehr gelöste Moleküle vorhanden sind. Das osmotische Potential hat wichtige Auswirkungen auf viele lebende Organismen. Wenn eine lebende Zelle von einer konzentrierten Lösung umgeben ist, neigt die Zelle dazu, Wasser an das negativere Wasserpotential (Ψ w {\ displaystyle \ Psi _ {w}}) der Umgebung zu verlieren. Dies kann bei Meeresorganismen der Fall sein, die in Meerwasser leben, und bei halophytischen Pflanzen, die in salzhaltigen Umgebungen wachsen. Im Fall einer Pflanzenzelle kann der Wasserfluss aus der Zelle schließlich dazu führen, dass sich die Plasmamembran von der Zellwand löst, was zu einer Plasmolyse führt. Die meisten Pflanzen haben jedoch die Fähigkeit, den gelösten Stoff in der Zelle zu erhöhen, um den Wasserfluss in die Zelle zu lenken und den Turgor aufrechtzuerhalten.
Dieser Effekt kann verwendet werden, um ein osmotisches Kraftwerk anzutreiben.
Eine Bodenlösung weist auch ein osmotisches Potenzial auf. Das osmotische Potential wird durch das Vorhandensein sowohl anorganischer als auch organischer gelöster Stoffe in der Bodenlösung ermöglicht. Wenn sich Wassermoleküle zunehmend um gelöste Ionen oder Moleküle verklumpen, wird die Bewegungsfreiheit und damit die potentielle Energie des Wassers verringert. Mit zunehmender Konzentration an gelösten Stoffen verringert sich das osmotische Potential der Bodenlösung. Da Wasser dazu neigt, sich zu niedrigeren Energieniveaus zu bewegen, wird Wasser in Richtung der Zone höherer Konzentrationen gelöster Stoffe wandern wollen. Flüssiges Wasser bewegt sich jedoch nur dann als Reaktion auf solche Unterschiede im osmotischen Potential, wenn zwischen den Zonen mit hohem und niedrigem osmotischem Potential eine semipermeable Membran vorhanden ist. Eine semipermeable Membran ist notwendig, weil sie Wasser durch ihre Membran lässt und gleichzeitig verhindert, dass sich gelöste Stoffe durch ihre Membran bewegen. Wenn keine Membran vorhanden ist, gleicht die Bewegung des gelösten Stoffs anstelle des Wassers die Konzentrationen weitgehend aus.
Da Bodenbereiche normalerweise nicht durch eine semipermeable Membran geteilt werden, hat das osmotische Potential typischerweise einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Massenbewegung von Wasser in Böden. Andererseits hat das osmotische Potential einen extremen Einfluss auf die Geschwindigkeit der Wasseraufnahme durch Pflanzen.Wenn Böden reich an löslichen Salzen sind, ist das osmotische Potenzial in der Bodenlösung wahrscheinlich geringer als in den Pflanzenwurzelzellen. In solchen Fällen würde die Bodenlösung die Geschwindigkeit der Wasseraufnahme durch Pflanzen stark einschränken. In salzigen Böden kann das osmotische Potential des Bodenwassers so gering sein, dass die Zellen in jungen Sämlingen zu kollabieren beginnen (Plasmolyse).
Matrixpotential (Matric Potential) Bearbeiten
Wenn Wasser In Kontakt mit festen Partikeln (z. B. Ton- oder Sandpartikeln im Boden) können die intermolekularen Haftkräfte zwischen Wasser und Feststoff groß und wichtig sein. Die Kräfte zwischen den Wassermolekülen und den festen Partikeln in Kombination mit der Anziehung zwischen Wassermolekülen fördern die Oberflächenspannung und die Bildung von Menisken innerhalb der festen Matrix. Dann ist Kraft erforderlich, um diese Menisken zu brechen. Die Größe des Matrixpotentials hängt von den Abständen zwischen festen Partikeln ab – der Breite der Menisken (auch Kapillarwirkung und unterschiedliches Pa an den Enden der Kapillare) – und der chemischen Zusammensetzung der festen Matrix (Meniskus, makroskopische Bewegung aufgrund ionischer Anziehung).
In vielen Fällen kann der Absolutwert des Matrixpotentials im Vergleich zu den anderen oben diskutierten Komponenten des Wasserpotentials relativ groß sein. Das Matrixpotential reduziert den Energiezustand von Wasser in der Nähe von Partikeloberflächen deutlich. Obwohl die Wasserbewegung aufgrund des Matrixpotentials langsam sein kann, ist sie für die Wasserversorgung von Pflanzenwurzeln und für technische Anwendungen äußerst wichtig. Das Matrixpotential ist immer negativ, da das von der Bodenmatrix angezogene Wasser einen niedrigeren Energiezustand aufweist als reines Wasser. Das Matrixpotential tritt nur in ungesättigten Böden oberhalb des Grundwasserspiegels auf. Wenn sich das Matrixpotential einem Wert von Null nähert, sind fast alle Bodenporen vollständig mit Wasser gefüllt, d. H. Voll gesättigt und mit maximaler Rückhaltekapazität. Das Matrixpotential kann zwischen den Böden erheblich variieren. Für den Fall, dass Wasser in weniger feuchte Bodenzonen mit ähnlicher Porosität abfließt, liegt das Matrixpotential im Allgemeinen im Bereich von –10 bis –30 kPa