POTENȚIAL DE APĂ: COMPONENTE, METODE ȘI EXEMPLE - MEDIU INCONJURATOR - 2025

Potențialul de apă este energia liberă sau capabil de a face locul de muncă, care are un anumit volum de apă. Astfel, apa din vârful unei cascade sau cascade are un potențial ridicat de apă care, de exemplu, este capabil să miște o turbină.

Simbolul care se folosește pentru a face referire la potențialul de apă este litera greacă capitală numită psi, care este scrisă Ψ. Potențialul de apă al oricărui sistem se măsoară cu referire la potențialul de apă al apei pure în condiții considerate standard (presiunea de 1 atmosferă și aceeași înălțime și temperatură a sistemului de studiat).

Potențial osmotic. Sursa: Kade Kneeland / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)

Factorii care determină potențialul apei sunt gravitația, temperatura, presiunea, hidratarea și concentrația solutilor prezenți în apă. Acești factori determină formarea gradienților potențiali ai apei și acești gradienți determină difuzarea apei.

În acest fel, apa se deplasează dintr-un sit cu potențial ridicat de apă în altul cu potențial redus de apă. Componentele potențialului de apă sunt potențialul osmotic (concentrația solutilor în apă), potențialul matric (aderarea apei la matrice poroase), potențialul gravitațional și potențialul de presiune.

Cunoașterea potențialului de apă este esențială pentru a înțelege funcționarea diferitelor fenomene hidrologice și biologice. Acestea includ absorbția apei și a substanțelor nutritive de către plante și a fluxului de apă în sol.

Componentele potențialului de apă

Potențialul de apă este format din patru componente: potențial osmotic, potențial matric, potențial gravitațional și potențial de presiune. Acțiunea acestor componente determină existența gradienților potențiali hidrici.

Potențial osmotic (Ψs)

În mod normal, apa nu este în stare pură, deoarece are solide dizolvate în ea (solutii), cum ar fi sărurile minerale. Potențialul osmotic este dat de concentrația de soluții în soluție.

Cu cât este mai mare cantitatea de soluții dizolvate, cu atât este mai puțină energie liberă a apei, adică un potențial de apă mai mic. Prin urmare, apa încearcă să stabilească un echilibru curgând de la soluții cu o concentrație scăzută de solute până la soluții cu o concentrație mare de soluti.

Potențial matric sau matricial (Ψm)

În acest caz, factorul determinant este prezența unei matrice sau a unei structuri hidratabile, adică are o afinitate pentru apă. Acest lucru se datorează forțelor de aderență create între molecule, în special legăturile de hidrogen formate între moleculele de apă, atomii de oxigen și grupările hidroxil (OH).

De exemplu, adeziunea apei la argilele solului este un caz al potențialului apei bazat pe potențialul matric. Aceste matrice prin atragerea apei generează un potențial pozitiv de apă, de aceea apa din afara matricei curge spre ea și tinde să rămână în interior așa cum se întâmplă într-un burete.

Potențial de înălțime sau gravitațional (Ψg)

Forța gravitațională a Pământului este, în acest caz, cea care stabilește gradientul potențial, deoarece apa va tinde să cadă în jos. Apa situată la o anumită înălțime are o energie liberă determinată de atracția pe care Pământul o exercită asupra masei sale.

Mișcarea apei în funcție de gravitație. Sursa: Bilal ahmad / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)

De exemplu, apa dintr-un rezervor de apă ridicat cade liber pe conductă și călătorește cu acea energie cinetică (mișcare) până când ajunge la robinet.

Potențial de presiune (Ψp)

În acest caz, apa sub presiune are o energie liberă mai mare, adică un potențial de apă mai mare. Prin urmare, această apă se va muta de unde este sub presiune până unde nu este, și, în consecință, există mai puțină energie liberă (mai puțin potențial de apă).

De exemplu, atunci când facem o doză de picături folosind un picurător, apăsând butonul de cauciuc aplicăm o presiune care dă energie apei. Datorită acestei energii libere mai mari, apa se deplasează spre exterior unde presiunea este mai mică.

Metode de determinare a potențialului de apă

Există o varietate de metode pentru măsurarea potențialului de apă, unele potrivite pentru sol, altele pentru țesuturi, pentru sisteme hidraulice mecanice și altele. Potențialul apei este echivalent cu unitățile de presiune și se măsoară în atmosfere, baruri, pascali sau psi (kilograme pe centimetru pătrat în acronimul său în engleză).

Iată câteva dintre aceste metode:

Scholander Pump sau Camera de presiune

Dacă doriți să măsurați potențialul de apă al unei frunze de plantă, puteți utiliza o cameră de presiune sau o pompă Scholander. Aceasta constă dintr-o cameră etanșă în care este așezată întreaga frunză (foaia cu petiolul său).

Măsurarea potențialului de apă al unei frunze cu o cameră de presiune. Sursa: Pressurebomb.svg: Lucrare Aibdescalzoderivative: Aibdescalzo / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

Apoi, presiunea din interiorul camerei este crescută prin introducerea unui gaz sub presiune, măsurând presiunea la care se ajunge cu ajutorul unui manometru. Presiunea gazului pe frunză este în creștere, până la punctul în care apa conținută în ea curge prin țesutul vascular al pețiolului.

Presiunea indicată de manometru când apa părăsește frunza corespunde potențialului de apă al frunzei.

Sonde de presiune

Există mai multe alternative pentru a măsura potențialul de apă folosind instrumente speciale numite sonde de presiune. Acestea sunt concepute pentru a măsura potențialul de apă al solului, bazat în principal pe potențialul matric.

De exemplu, există sonde digitale care funcționează pe baza introducerii în sol a unei matrice ceramice poroase conectate la un senzor de umiditate. Această ceramică este hidratată cu apa din sol până atinge un echilibru între potențialul de apă din matricea ceramică și potențialul de apă al solului.

Ulterior, senzorul determină conținutul de umiditate al ceramicii și estimează potențialul de apă al solului.

Microcapilar cu sondă de presiune

Există, de asemenea, sonde capabile să măsoare potențialul de apă în țesuturile plantelor, cum ar fi tulpina unei plante. Un model este format dintr-un tub foarte subțire, cu vârf fin (tubul micropilar) care este introdus în țesut.

La penetrarea țesutului viu, soluția conținută în celule urmează un gradient potențial definit de presiunea conținută în tulpină și este introdusă în microfil. Când lichidul din tulpină intră în tub, el împinge un ulei conținut în acesta care activează o sondă de presiune sau un manometru care atribuie o valoare corespunzătoare potențialului de apă

Variații în greutate sau volum

Pentru a măsura potențialul de apă pe baza potențialului osmotic, pot fi determinate variațiile de greutate ale unui țesut cufundat în soluții la diferite concentrații ale unui solut. Pentru aceasta, sunt pregătite o serie de epruvete, fiecare cu o concentrație crescută cunoscută a unui solut, de exemplu zaharoză (zahăr).

Cu alte cuvinte, dacă în fiecare dintre cele 5 tuburi există 10 cmc de apă, se adaugă 1 mg zaharoză în primul tub, 2 mg în cel de-al doilea, și astfel până la 5 mg în ultimul. Deci avem o baterie în creștere a concentrațiilor de zaharoză.

Apoi, 5 secțiuni de greutate egală și cunoscută sunt tăiate din țesutul al cărui potențial de apă trebuie determinat (de exemplu bucăți de cartof). Se introduce apoi o secțiune în fiecare eprubetă și după 2 ore, secțiunile de țesut sunt îndepărtate și cântărite.

Rezultate și interpretare așteptate

Se preconizează că unele bucăți vor pierde în greutate în urma pierderii de apă, altele vor fi în greutate, deoarece au absorbit apa, iar altele, în același timp, vor menține greutatea.

Cei care pierdeau apa se aflau într-o soluție în care concentrația de zaharoză era mai mare decât concentrația de solut în țesut. Prin urmare, apa curgea în funcție de gradientul potențialului osmotic de la cea mai mare concentrație la cea mai mică, iar țesutul a pierdut apă și greutate.

În schimb, țesutul care a câștigat apă și greutate a fost într-o soluție cu o concentrație mai mică de zaharoză decât concentrația de soluturi din țesut. În acest caz, gradientul potențial osmotic a favorizat intrarea apei în țesut.

În cele din urmă, în cazul în care țesutul și-a menținut greutatea inițială, se deduce că concentrația în care a fost găsit are aceeași concentrație de solut. Prin urmare, această concentrație va corespunde potențialului de apă al țesutului studiat.

Exemple

Absorbția apei de către plante

Un copac de 30 m înălțime trebuie să transporte apa de la sol la ultima frunză, iar acest lucru se realizează prin sistemul său vascular. Acest sistem este un țesut specializat format din celule care sunt moarte și arată ca niște tuburi foarte subțiri.

Mișcarea apei în plante. Sursa: Laurel Jules / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

Transportul este posibil datorită diferențelor de potențial de apă care sunt generate între atmosferă și frunză, care la rândul său este transmis către sistemul vascular. Frunza pierde apa în stare gazoasă datorită concentrației mai mari de vapori de apă din ea (potențial de apă mai mare) comparativ cu mediul (potențial de apă mai mic).

Pierderea aburului generează o presiune negativă sau o aspirație care forțează apa din vasele sistemului vascular spre lama frunzei. Această aspirație este transmisă de la vas la vas până la atingerea rădăcinii, unde celulele și spațiile intercelulare sunt imbibate cu apa absorbită din sol.

Apa care vine din sol pătrunde în rădăcină datorită unei diferențe de potențial osmotic între apa din celulele epidermice ale rădăcinii și cea a solului. Acest lucru se întâmplă deoarece celulele radiculare au soluții în concentrații mai mari decât apa din sol.

mucilagii

Multe plante din medii uscate rețin apa producând mucilagii (substanță vâscoasă) care sunt depozitate în vacuole. Aceste molecule retin apa, reducand energia libera (potentialul scazut al apei), in acest caz componenta matrica a potentialului apei fiind decisiva.

Un rezervor de apă ridicat

În cazul unui sistem de alimentare cu apă bazat pe un rezervor ridicat, același lucru este umplut cu apă datorită efectului potențialului de presiune. Compania care furnizează serviciul de apă, exercită presiune asupra acestuia folosind pompe hidraulice și astfel depășește forța de gravitație pentru a ajunge în rezervor.

Odată ce rezervorul este plin, apa este distribuită din acesta datorită unei diferențe de potențial între apa stocată în rezervor și prizele de apă din casă. Deschiderea unui robinet stabilește un gradient potențial gravitațional între apa din robinet și cea a rezervorului.

Prin urmare, apa din rezervor are energie liberă mai mare (potențial de apă mai mare) și scade în principal datorită forței de gravitație.

Difuzia apei în sol

Componenta principală a potențialului de apă al solului este potențialul matric, având în vedere forța de aderență care se stabilește între argile și apă. Pe de altă parte, potențialul gravitației afectează gradientul de deplasare verticală al apei din sol.

Multe procese care au loc în sol depind de energia liberă a apei conținută în sol, adică de potențialul său de apă. Aceste procese includ nutriția și transpirația plantelor, infiltrarea apei de ploaie și evaporarea apei din sol.

În agricultură este important să se determine potențialul de apă al solului pentru a aplica corect irigația și fertilizarea. Dacă potențialul matric al solului este foarte mare, apa va rămâne atașată de argile și nu va fi disponibilă pentru absorbție de către plante.

Referințe

1. Busso, CA (2008). Utilizarea camerei de presiune și a psihometrelor termocuple pentru determinarea relațiilor hidrice în țesuturile plantelor. ΦYTON.
2. Quintal-Ortiz, WC, Pérez-Gutiérrez, A., Latournerie-Moreno, L., May-Lara, C., Ruiz-Sánchez, E. și Martínez-Chacón, AJ (2012). Utilizarea apei, potențialul de apă și randamentul ardeiului habanero (C apsicum chinense J acq.). Revista Fitotecnia Mexicana.
3. Salisbury, FB și Ross, CW (1991). Fiziologia plantelor. Wadsworth Publishing.
4. Scholander, P., Bradstreet, E., Hemmingsen, E. și Hammel, H. (1965). Presiunea de săpun în plantele vasculare: presiunea hidrostatică negativă poate fi măsurată la plante. Ştiinţă.
5. Squeo, FA (2007). Apă și potențial hidric. În: Squeo, FA și Cardemil, L. (Eds.). Fiziologia plantelor. Edițiile Universității La Serena