Vesipotentiaali

Kokonaisvesipotentiaaliin voi vaikuttaa monia eri tekijöitä, ja näiden potentiaalien summa määrää kokonaisvesipotentiaalin ja veden virtaussuunnan:

Ψ = Ψ 0 + Ψ π + Ψ p + Ψ s + Ψ v + Ψ m {\ displaystyle \ Psi = \ Psi _ {0} + \ Psi _ {\ pi} + \ Psi _ {p} + \ Psi _ {s} + \ Psi _ {v} + \ Psi _ {m}}

missä:

Kaikki nämä tekijät on kvantifioitu potentiaalienergioina tilavuusyksikköä kohti, ja näiden termien eri osajoukkoja voidaan käyttää tietyissä sovelluksissa ( esimerkiksi kasvit tai maaperä). Eri olosuhteet määritellään myös viitteeksi sovelluksesta riippuen: esimerkiksi maaperässä vertailuolosuhteet määritellään tyypillisesti puhtaana vedenä maaperän pinnalla.

PainepotentiaaliMuokkaa

Painepotentiaali perustuu mekaaniseen paineeseen ja on tärkeä osa kasvisolujen kokonaisvesipotentiaalia. Painepotentiaali kasvaa, kun vesi pääsee soluun. Kun vesi kulkee soluseinän ja solukalvon läpi, se lisää solun sisällä olevan veden kokonaismäärää, mikä kohdistaa ulospäin suuntautuvaa painetta, jota soluseinän rakenteellinen jäykkyys vastustaa. Luomalla tämän paineen kasvi voi ylläpitää turgoria, mikä antaa kasville mahdollisuuden säilyttää jäykkyytensä. Ilman turgoria kasvit menettävät rakenteensa ja kuihtumisensa.

Kasvisolun painepotentiaali on yleensä positiivinen. Plasmolysoiduissa soluissa painepotentiaali on melkein nolla. Alipainepotentiaalia esiintyy, kun vettä vedetään avoimen järjestelmän, kuten kasviksylemiastian, läpi. Alipainepotentiaalien (usein kutsutaan jännitykseksi) kestäminen on tärkeä ksyleemin mukautus. Tämä jännitys voidaan mitata empiirisesti painepommilla.

Osmoottinen potentiaali (liuenneen potentiaalin) Muokkaa

Puhtaalla vedellä määritetään yleensä osmoottinen potentiaali (Ψ π {\ displaystyle \ Psi _ {\ pi}}) nollasta, ja tässä tapauksessa liuenneiden aineiden potentiaali ei voi koskaan olla positiivinen. Liukenevan aineen pitoisuuden suhde (molaarisuudessa) liuenneeseen potentiaaliin saadaan van ”t Hoff -yhtälöstä:

Ψ π = – M i RT {\ displaystyle \ Psi _ {\ pi} = – MiRT}

missä M {\ displaystyle M} on liuenneen aineen pitoisuus molaarisuudessa, i {\ displaystyle i} on van ”t Hoff -kerroin, liuoksessa olevien hiukkasten määrän ja liuenneiden kaavayksiköiden määrän suhde, R {\ displaystyle R } on ihanteellinen kaasuvakio ja T {\ displaystyle T} on absoluuttinen lämpötila.

Esimerkiksi, kun liuenne aine liuotetaan veteen, vesimolekyylit eivät todennäköisesti diffundoidu osmoosin kautta kuin silloin, kun ei ole liuotettu aine. Liuoksella on pienempi ja siten negatiivisempi vesipotentiaali kuin puhtaalla vedellä. Lisäksi mitä enemmän liuenneita molekyylejä on läsnä, sitä negatiivisempi liuenneen potentiaali on.

Osmoottisella potentiaalilla on merkittäviä vaikutuksia moniin eläviin organismeihin. Jos elävää solua ympäröi väkevämpi liuos, solu pyrkii menettämään vettä ympäröivän ympäristön negatiivisempaan vesipotentiaaliin (Ψ w {\ displaystyle \ Psi _ {w}}). Näin voi olla merivedessä elävien meren eliöiden ja suolaisessa ympäristössä kasvavien halofyyttisten kasvien tapauksessa. Kasvisolun tapauksessa veden virtaus solusta voi lopulta saada plasmamembraanin vetäytymään soluseinästä, mikä johtaa plasmolyysiin. Suurimmalla osalla kasveista on kuitenkin kyky lisätä solunsisäistä ainetta solun sisällä vesivirtauksen johtamiseksi soluun ja ylläpitää turgoria.

Tätä vaikutusta voidaan käyttää osmoottisen voimalaitoksen käyttämiseen.

Maaliuoksella on myös osmoottista potentiaalia. Osmoottinen potentiaali on mahdollista, koska maaperäliuoksessa on sekä epäorgaanisia että orgaanisia liuenneita aineita. Kun vesimolekyylit kasaantuvat yhä enemmän liukoisten ionien tai molekyylien ympärillä, veden liikkumisvapaus ja siten potentiaalinen energia vähenevät. Kun liuenneiden aineiden pitoisuus kasvaa, maaliuoksen osmoottinen potentiaali pienenee. Koska vedellä on taipumus liikkua kohti alempia energiatasoja, vesi haluaa kulkea kohti suurempien liuenneiden aineiden pitoisuuksien vyöhykettä. Vaikka nestemäinen vesi liikkuu vastauksena tällaisiin osmoottisen potentiaalin eroihin, jos korkean ja matalan osmoottisen potentiaalin vyöhykkeiden välillä on puoliläpäisevä kalvo. Puoliläpäisevä kalvo on välttämätön, koska se päästää vettä kalvonsa läpi estäen samalla liuenneita aineita liikkumasta kalvonsa läpi. Jos kalvoa ei ole, liuenneen aineen liike veden sijasta tasaa suurimmaksi osaksi pitoisuuksia.

Koska maaperän alueita ei yleensä jaeta puoliläpäisevällä kalvolla, osmoottisella potentiaalilla on yleensä merkityksetön vaikutus veden massa liikkuminen maaperässä. Toisaalta osmoottisella potentiaalilla on äärimmäinen vaikutus kasvien vedenottonopeuteen.Jos maaperässä on paljon liukoisia suoloja, osmoottinen potentiaali on todennäköisesti pienempi maaliuoksessa kuin kasvin juurisoluissa. Tällaisissa tapauksissa maaperäliuos rajoittaisi vakavasti kasvien vedenottoa. Suolaisessa maaperässä maaperän veden osmoottinen potentiaali voi olla niin alhainen, että nuorten taimien solut alkavat romahtaa (plasmolysoitua).

Matriisipotentiaali (matriisipotentiaali) on kosketuksessa kiinteiden hiukkasten (esim. saven tai hiekan partikkeleiden kanssa maaperässä), veden ja kiinteän aineen väliset tarttuvat molekyylien väliset voimat voivat olla suuria ja tärkeitä. Vesimolekyylien ja kiinteiden hiukkasten väliset voimat yhdessä vetemolekyylien vetovoiman kanssa edistävät pintajännitystä ja meniskien muodostumista kiinteässä matriisissa. Voimaa tarvitaan sitten rikkomaan nämä meniskit. Matriisipotentiaalin suuruus riippuu kiinteiden hiukkasten välisestä etäisyydestä – meniskien leveydestä (myös kapillaaritoiminnasta ja erilaisesta Pa: sta kapillaarin päissä) – ja kiinteän matriisin kemiallisesta koostumuksesta (meniski, makroskooppinen liike ionisen vetovoiman vuoksi).

Monissa tapauksissa matriisipotentiaalin absoluuttinen arvo voi olla suhteellisen suuri verrattuna muihin yllä mainittuihin vesipotentiaalin komponentteihin. Matriisipotentiaali vähentää huomattavasti veden energiatilaa lähellä hiukkasten pintoja. Vaikka matriisipotentiaalista johtuva veden liike voi olla hidasta, se on silti erittäin tärkeää veden saannissa kasvien juurille ja tekniikan sovelluksissa. Matriisipotentiaali on aina negatiivinen, koska maaperän matriisin vetämän veden energiatila on pienempi kuin puhtaan veden. Matriisipotentiaali esiintyy vain tyydyttymättömässä maaperässä vesipohjan yläpuolella. Jos matriisipotentiaali lähestyy arvoa nolla, lähes kaikki maaperän huokoset ovat täysin täytetty vedellä, ts. Täysin tyydyttyneillä ja maksimaalisella pidätyskyvyllä. Matriisipotentiaali voi vaihdella huomattavasti maaperässä. Jos vesi valuu vähemmän kosteaan maaperään, jolla on samanlainen huokoisuus, matriisipotentiaali on yleensä välillä −10 – −30 kPa.