Водный потенциал

редактировать

Водный потенциал - это потенциальная энергия воды на единицу относительного объема чистой воде в нормальных условиях. Водный потенциал определяет тенденцию воды перемещаться из одной области в другую из-за осмоса, силы тяжести, механического давления и матричных эффектов, таких как капиллярное действие (что вызвано поверхностным натяжением ). Концепция водного потенциала оказалась полезной для понимания и расчета движения воды внутри растений, животных и почвы. Водный потенциал обычно выражается в потенциальной энергии на единицу объема и очень часто представлен греческой буквой ψ.

Водный потенциал объединяет множество различных потенциальных движущих сил движения воды, которые могут действовать в одном или разных направлениях. В сложных биологических системах многие потенциальные факторы могут действовать одновременно. Например, добавление растворенных веществ снижает потенциал (отрицательный вектор), а увеличение давления увеличивает потенциал (положительный вектор). Если поток не ограничен, вода будет перемещаться из области с более высоким водным потенциалом в область с более низким потенциалом. Типичным примером является вода с растворенной солью, например морская вода или жидкость в живой клетке. Эти растворы имеют отрицательный водный потенциал относительно чистой воды. Без ограничения потока вода будет перемещаться из точки с большим потенциалом (чистая вода) в точку с меньшим (раствор); поток продолжается до тех пор, пока разность потенциалов не будет уравновешена или уравновешена другим фактором водного потенциала, например давлением или высотой.

Содержание

  • 1 Компоненты водного потенциала
    • 1.1 Потенциал давления
    • 1.2 Осмотический потенциал (растворенный потенциал)
    • 1.3 Матричный потенциал (Матричный потенциал)
  • 2 Эмпирические примеры
    • 2.1 Почва- континуум завод-воздух
    • 2.2 Методы измерения
  • 3 См. также
  • 4 Примечания
  • 5 Внешние ссылки

Компоненты водного потенциала

Многие различные факторы могут влиять на общий водный потенциал, а сумма этих потенциалов определяет общий водный потенциал и направление потока воды:

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

где:

Все эти факторы количественно оцениваются как потенциальные энергии на единицу объема, и различные подмножества этих терминов могут использоваться для конкретных приложений (например, для растений или почв). Различные условия также определяются как эталонные в зависимости от применения: например, в почвах эталонное состояние обычно определяется как чистая вода на поверхности почвы.

Потенциал давления

Потенциал давления основан на механическом давлении и является важным компонентом общего водного потенциала в ячейках растения . Потенциал давления увеличивается, когда вода входит в ячейку. Когда вода проходит через клеточную стенку и клеточную мембрану, она увеличивает общее количество воды, присутствующей внутри клетки, что оказывает внешнее давление, которому противодействует структурная жесткость клетки. стена. Создавая это давление, установка может поддерживать тургор, что позволяет установке сохранять свою жесткость. Без тургора растения будут терять структуру и увядать.

Потенциал давления в растительной клетке обычно положительный. В плазменных клетках потенциал давления почти равен нулю. Отрицательные потенциалы давления возникают, когда вода протягивается через открытую систему, такую ​​как сосуд растения ксилема. Выдерживание потенциала отрицательного давления (часто называемого напряжением) является важной адаптацией ксилемы. Это напряжение можно измерить эмпирически с помощью бомбы давления.

Осмотический потенциал (потенциал растворенного вещества)

Чистая вода обычно определяется как имеющая осмотический потенциал (Ψ π {\ displaystyle \ Psi _ {\ pi}}\ Psi _ {\ pi} ) нуля, и в этом случае растворенный потенциал никогда не может быть положительным. Отношение концентрации растворенного вещества (в молярности) к потенциалу растворенного вещества задается уравнением Ван 'т Гоффа :

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

где M {\ displaystyle M}M - молярная концентрация растворенного вещества, i {\ displaystyle i}i - van 't Hoff коэффициент, отношение количества частиц в растворе к количеству растворенных формульных единиц, R {\ displaystyle R}R - постоянная идеального газа, и T {\ displaystyle T}T - абсолютная температура.

Вода диффундирует через осмотическую мембрану туда, где водный потенциал ниже

Например, когда растворенное вещество растворяется в воде, молекулы воды с меньшей вероятностью диффундируют через осмос, чем при отсутствии растворенного вещества. Раствор будет иметь более низкий и, следовательно, более отрицательный водный потенциал, чем у чистой воды. Кроме того, чем больше присутствует растворенных молекул, тем отрицательнее потенциал растворенного вещества.

Осмотический потенциал имеет важное значение для многих живых организмов. Если живая клетка окружена более концентрированным раствором, клетка будет терять воду из-за более отрицательного водного потенциала (Ψ w {\ displaystyle \ Psi _ {w}}\ Psi _ {w} ) окружающая среда. Это может относиться к морским организмам, живущим в морской воде, и галофитным растениям, растущим в соленой среде. В случае растительной клетки поток воды из клетки может в конечном итоге вызвать отрыв плазматической мембраны от клеточной стенки, что приведет к плазмолизу. Однако большинство растений обладают способностью увеличивать количество растворенных веществ внутри клетки, чтобы управлять потоком воды в клетку и поддерживать тургор.

Этот эффект можно использовать для питания осмотической электростанции..

Почвенный раствор также обладает осмотическим потенциалом. Осмотический потенциал стал возможным благодаря присутствию в почвенном растворе как неорганических, так и органических растворенных веществ. Поскольку молекулы воды все больше слипаются вокруг ионов или молекул растворенных веществ, свобода движения и, следовательно, потенциальная энергия воды снижается. По мере увеличения концентрации растворенных веществ осмотический потенциал почвенного раствора снижается. Поскольку вода имеет тенденцию двигаться к более низким уровням энергии, вода будет стремиться перейти в зону более высоких концентраций растворенных веществ. Хотя жидкая вода будет двигаться только в ответ на такие различия в осмотическом потенциале, если полупроницаемая мембрана существует между зонами высокого и низкого осмотического потенциала. Полупроницаемая мембрана необходима, поскольку она пропускает воду через свою мембрану, не позволяя растворенным веществам проходить через ее мембрану. Если мембраны нет, движение растворенного вещества, а не воды, в значительной степени выравнивает концентрации.

Поскольку участки почвы обычно не разделены полупроницаемой мембраной, осмотический потенциал обычно имеет незначительное влияние на массовое движение воды в почве. С другой стороны, осмотический потенциал имеет огромное влияние на скорость поглощения воды растениями. Если в почве много растворимых солей, осмотический потенциал в почвенном растворе, вероятно, будет ниже, чем в клетках корней растений. В таких случаях почвенный раствор сильно ограничивал бы скорость поглощения воды растениями. В засоленных почвах осмотический потенциал почвенной воды может быть настолько низким, что клетки молодых проростков начинают разрушаться (плазмолиз ).

Матричный потенциал (Матричный потенциал)

Когда вода находится в контакте с твердыми частицами (например, глина или песок частицы в почве ), адгезионные межмолекулярные силы между водой и твердым телом могут быть большими и важными. Силы между молекулами воды и твердыми частицами в сочетании с притяжением между молекулами воды способствуют поверхностному натяжению и образованию менисков внутри твердой матрицы. Затем требуется сила, чтобы сломать эти мениски. Величина потенциала матрицы зависит от расстояний между твердыми частицами - ширины менисков (также капиллярное действие и разное Па на концах капилляра) - и химического состава твердой матрицы (мениск, макроскопическое движение из-за ионного притяжения).

Во многих случаях абсолютное значение матричного потенциала может быть относительно большим по сравнению с другими компонентами водного потенциала, описанными выше. Потенциал матрицы заметно снижает энергетическое состояние воды вблизи поверхностей частиц. Хотя движение воды из-за матричного потенциала может быть медленным, оно все же чрезвычайно важно для подачи воды к корням растений и в инженерных приложениях. Потенциал матрицы всегда отрицателен, потому что вода, притягиваемая матрицей почвы, имеет более низкое энергетическое состояние, чем чистая вода. Матричный потенциал возникает только в ненасыщенной почве над уровнем грунтовых вод. Если потенциал матрицы приближается к нулю, почти все поры почвы полностью заполнены водой, т.е. полностью насыщены и имеют максимальную удерживающую способность. Матричный потенциал может значительно различаться в зависимости от почвы. В случае, если вода стекает в менее влажные зоны почвы с аналогичной пористостью, потенциал матрицы обычно находится в диапазоне от -10 до -30 кПа.

Эмпирические примеры

Континуум почва-растение-воздух

При потенциале 0 кПа почва находится в состоянии насыщения. При насыщении все поры почвы заполнены водой, и вода обычно стекает из крупных пор под действием силы тяжести. При потенциале -33 кПа или -1/3 бара (-10 кПа для песка) почва находится на уровне полевой емкости. Обычно при полевой емкости воздух находится в макропорах, а вода - в микропорах. Емкость поля рассматривается как оптимальное условие для роста растений и микробной активности. При потенциале -1500 кПа почва находится в своей точке постоянного увядания, что означает, что вода в почве удерживается твердыми частицами в виде «водяной пленки», которая удерживается слишком плотно, чтобы ее могли поглотить растения.

Напротив, атмосферные водные потенциалы гораздо более отрицательны - типичное значение для сухого воздуха составляет -100 МПа, хотя это значение зависит от температуры и влажности. Потенциал воды в корнях должен быть более отрицательным, чем у почвы, а потенциал воды в стебле должен быть на промежуточное значение ниже, чем у корней, но выше, чем потенциал воды в листьях, чтобы создать пассивный поток воды от почвы к корням, вверх по стеблю., к листьям и затем в атмосферу.

Методы измерения

A тензиометр, гипсовый блок электрического сопротивления, нейтронные зонды или рефлектометрия во временной области (TDR) можно использовать для определения потенциальной энергии воды в почве. Тензиометры ограничены значением от 0 до -85 кПа, блоки электрического сопротивления ограничены диапазоном от -90 до -1500 кПа, нейтронные датчики ограничены значением от 0 до -1500 кПа, а TDR ограничивается значением от 0 до -10 000 кПа. Весы можно использовать для оценки веса (процентного состава) воды, если под рукой нет специального оборудования.

См. Также

Примечания

  1. ^Taiz; Зейгер (2002). Физиология растений (Четвертое изд.). Sinauer Associates.
  2. ^Statkraft построит первую в мире осмотическую электростанцию ​​
  3. ^Beerling, D.J. (2015). «Газовые клапаны, леса и глобальные изменения: комментарий к Джарвису (1976)« Интерпретация вариаций водного потенциала листьев и устьичной проводимости, обнаруженных в пологах в поле »». Философские труды Королевского общества B: биологические науки. 370 (1666): 20140311. doi : 10.1098 / rstb.2014.0311. ISSN 0962-8436. PMC 4360119. PMID 25750234.
  4. ^Джарвис, П.Г. (1976). «Интерпретация вариаций водного потенциала листьев и устьичной проводимости, обнаруженных в пологах в полевых условиях». Философские труды Королевского общества B: биологические науки. 273 (927): 593–610. Bibcode : 1976RSPTB.273..593J. doi : 10.1098 / rstb.1976.0035. ISSN 0962-8436.
  5. ^Джонс, Хэмлин Г. (12 декабря 2013 г.). Растения и микроклимат: количественный подход к экологической физиологии растений. Издательство Кембриджского университета. п. 93. ISBN 9781107511637.

Внешние ссылки

Последняя правка сделана 2021-06-20 09:29:58
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте