WASSERPOTENTIAL: KOMPONENTEN, METHODEN UND BEISPIELE - UMGEBUNG - 2025

Das Wasserpotential ist die freie Energie oder arbeitsfähig, die ein bestimmtes Wasservolumen hat. Somit hat das Wasser an der Spitze eines Wasserfalls oder Wasserfalls ein hohes Wasserpotential, das beispielsweise eine Turbine bewegen kann.

Das Symbol, das verwendet wird, um sich auf das Wasserpotential zu beziehen, ist der griechische Großbuchstabe psi, der Ψ geschrieben ist. Das Wasserpotential eines Systems wird in Bezug auf das Wasserpotential von reinem Wasser unter Standardbedingungen gemessen (Druck von 1 Atmosphäre und gleiche Höhe und Temperatur des zu untersuchenden Systems).

Osmotisches Potenzial. Quelle: Kade Kneeland / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)

Die Faktoren, die das Wasserpotential bestimmen, sind Schwerkraft, Temperatur, Druck, Hydratation und die Konzentration der im Wasser vorhandenen gelösten Stoffe. Diese Faktoren bestimmen die Bildung von Wasserpotentialgradienten und diese Gradienten treiben die Diffusion von Wasser an.

Auf diese Weise bewegt sich das Wasser von einem Standort mit hohem Wasserpotential zu einem anderen mit niedrigem Wasserpotential. Die Komponenten des Wasserpotentials sind das osmotische Potential (Konzentration der gelösten Stoffe im Wasser), das Matrizenpotential (Adhäsion von Wasser an porösen Matrices), das Gravitationspotential und das Druckpotential.

Die Kenntnis des Wasserpotentials ist wichtig, um die Funktionsweise verschiedener hydrologischer und biologischer Phänomene zu verstehen. Dazu gehören die Aufnahme von Wasser und Nährstoffen durch Pflanzen und der Wasserfluss im Boden.

Komponenten des Wasserpotentials

Das Wasserpotential besteht aus vier Komponenten: osmotisches Potential, matric Potential, Gravitationspotential und Druckpotential. Die Wirkung dieser Komponenten bestimmt das Vorhandensein von Gradienten des Wasserpotentials.

Osmotisches Potential (Ψs)

Normalerweise befindet sich Wasser nicht in seinem reinen Zustand, da darin Feststoffe (gelöste Stoffe) wie Mineralsalze gelöst sind. Das osmotische Potential ergibt sich aus der Konzentration der gelösten Stoffe in der Lösung.

Je größer die Menge an gelösten Stoffen ist, desto weniger freie Energie hat das Wasser, dh weniger Wasserpotential. Daher versucht Wasser, ein Gleichgewicht herzustellen, indem es von Lösungen mit einer geringen Konzentration an gelösten Stoffen zu Lösungen mit einer hohen Konzentration an gelösten Stoffen fließt.

Matric- oder Matrixpotential (Ψm)

In diesem Fall ist der bestimmende Faktor das Vorhandensein einer hydratisierbaren Materialmatrix oder -struktur, dh sie hat eine Affinität zu Wasser. Dies ist auf die zwischen Molekülen erzeugten Adhäsionskräfte zurückzuführen, insbesondere auf die Wasserstoffbindungen, die zwischen Wassermolekülen, Sauerstoffatomen und Hydroxylgruppen (OH) gebildet werden.

Zum Beispiel ist die Adhäsion von Wasser an Bodentonen ein Fall von Wasserpotential basierend auf dem Matrizenpotential. Diese Matrizen erzeugen durch Anziehen von Wasser ein positives Wasserpotential, daher fließt das Wasser außerhalb der Matrix darauf zu und neigt dazu, im Inneren zu bleiben, wie es in einem Schwamm geschieht.

Höhe oder Gravitationspotential (Ψg)

Die Gravitationskraft der Erde ist in diesem Fall diejenige, die den potentiellen Gradienten festlegt, da das Wasser dazu neigt, nach unten zu fallen. Wasser in einer bestimmten Höhe hat eine freie Energie, die durch die Anziehungskraft bestimmt wird, die die Erde auf ihre Masse ausübt.

Bewegung von Wasser durch Schwerkraft. Quelle: Bilal ahmad / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)

Zum Beispiel fällt Wasser in einem erhöhten Wassertank frei in das Rohr und wandert mit dieser kinetischen (Bewegungs-) Energie, bis es den Wasserhahn erreicht.

Druckpotential (Ψp)

In diesem Fall hat das unter Druck stehende Wasser eine größere freie Energie, dh ein größeres Wasserpotential. Daher bewegt sich dieses Wasser von dort, wo es unter Druck steht, dorthin, wo es nicht steht, und folglich gibt es weniger freie Energie (weniger Wasserpotential).

Wenn wir beispielsweise Tropfen mit einer Pipette dosieren, üben wir durch Drücken des Gummiknopfs einen Druck aus, der dem Wasser Energie verleiht. Aufgrund dieser höheren freien Energie bewegt sich das Wasser nach außen, wo der Druck niedriger ist.

Methoden zur Bestimmung des Wasserpotentials

Es gibt eine Vielzahl von Methoden zur Messung des Wasserpotentials, von denen einige für den Boden, andere für Gewebe, für mechanische Hydrauliksysteme und andere geeignet sind. Das Wasserpotential entspricht Druckeinheiten und wird in Atmosphären, Balken, Pascal oder psi (Pfund pro Quadratzoll im englischen Akronym) gemessen.

Hier sind einige dieser Methoden:

Scholander Pumpe oder Druckkammer

Wenn Sie das Wasserpotential eines Pflanzenblattes messen möchten, können Sie eine Druckkammer oder eine Scholanderpumpe verwenden. Diese besteht aus einer luftdichten Kammer, in der das gesamte Blatt (Blatt mit seinem Blattstiel) platziert ist.

Messung des Wasserpotentials eines Blattes mit einer Druckkammer. Quelle: Pressurebomb.svg: Aibdescalzoderivative Arbeit: Aibdescalzo / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

Dann wird der Druck in der Kammer durch Einleiten eines Druckgases erhöht, wobei der Druck gemessen wird, der mit einem Manometer erreicht wird. Der Druck des Gases auf das Blatt steigt bis zu dem Punkt an, an dem das darin enthaltene Wasser durch das Gefäßgewebe des Blattstiels herausspritzt.

Der vom Manometer angezeigte Druck, wenn das Wasser das Blatt verlässt, entspricht dem Wasserpotential des Blattes.

Drucksonden

Es gibt verschiedene Alternativen, um das Wasserpotential mit speziellen Instrumenten zu messen, die als Drucksonden bezeichnet werden. Sie dienen zur Messung des Wasserpotentials des Bodens, hauptsächlich basierend auf dem Matric-Potential.

Beispielsweise gibt es digitale Sonden, die auf der Einführung einer porösen Keramikmatrix, die mit einem Feuchtigkeitssensor verbunden ist, in den Boden arbeiten. Diese Keramik wird mit dem Wasser im Boden hydratisiert, bis ein Gleichgewicht zwischen dem Wasserpotential in der Keramikmatrix und dem Wasserpotential des Bodens erreicht ist.

Anschließend ermittelt der Sensor den Feuchtigkeitsgehalt der Keramik und schätzt das Wasserpotential des Bodens.

Mikrokapillare mit Drucksonde

Es gibt auch Sonden, mit denen das Wasserpotential in Pflanzengeweben wie dem Stamm einer Pflanze gemessen werden kann. Ein Modell besteht aus einem sehr dünnen Rohr mit feiner Spitze (Mikropillarrohr), das in das Gewebe eingeführt wird.

Beim Eindringen in lebendes Gewebe folgt die in den Zellen enthaltene Lösung einem Potentialgradienten, der durch den im Stamm enthaltenen Druck definiert ist, und wird in die Mikropyle eingeführt. Wenn die Flüssigkeit aus dem Schaft in das Rohr gelangt, drückt sie ein darin enthaltenes Öl, das eine Drucksonde oder ein Manometer aktiviert, die bzw. das einen dem Wasserpotential entsprechenden Wert zuweist

Variationen in Gewicht oder Volumen

Um das Wasserpotential basierend auf dem osmotischen Potential zu messen, können die Gewichtsschwankungen eines Gewebes, das in Lösungen mit unterschiedlichen Konzentrationen eines gelösten Stoffes eingetaucht ist, bestimmt werden. Hierzu wird eine Reihe von Reagenzgläsern hergestellt, die jeweils eine bekannte zunehmende Konzentration eines gelösten Stoffes aufweisen, beispielsweise Saccharose (Zucker).

Das heißt, wenn 10 ml Wasser in jedem der 5 Röhrchen enthalten sind, wird 1 mg Saccharose in das erste Röhrchen, 2 mg in das zweite und bis zu 5 mg in das letzte Röhrchen gegeben. Wir haben also eine steigende Batterie von Saccharosekonzentrationen.

Dann werden 5 Abschnitte mit gleichem und bekanntem Gewicht aus dem Gewebe geschnitten, dessen Wasserpotential bestimmt werden soll (zum Beispiel Kartoffelstücke). Ein Abschnitt wird dann in jedes Reagenzglas gelegt und nach 2 Stunden werden die Gewebeschnitte entfernt und gewogen.

Erwartete Ergebnisse und Interpretation

Es wird erwartet, dass einige Teile durch Wasserverlust an Gewicht verlieren, andere haben an Gewicht zugenommen, weil sie Wasser absorbiert haben, und wieder andere halten das Gewicht.

Diejenigen, die Wasser verloren, befanden sich in einer Lösung, in der die Saccharosekonzentration größer war als die Konzentration des gelösten Stoffes im Gewebe. Daher floss das Wasser gemäß dem Gradienten des osmotischen Potentials von der höchsten zur niedrigsten Konzentration, und das Gewebe verlor Wasser und Gewicht.

Im Gegensatz dazu befand sich das Gewebe, das Wasser und Gewicht gewann, in einer Lösung mit einer niedrigeren Konzentration an Saccharose als die Konzentration an gelösten Stoffen im Gewebe. In diesem Fall begünstigte der osmotische Potentialgradient den Eintritt von Wasser in das Gewebe.

Schließlich wird in dem Fall, in dem das Gewebe sein ursprüngliches Gewicht beibehielt, gefolgert, dass die Konzentration, in der es gefunden wurde, die gleiche Konzentration an gelöstem Stoff aufweist. Daher entspricht diese Konzentration dem Wasserpotential des untersuchten Gewebes.

Beispiele

Wasseraufnahme durch Pflanzen

Ein 30 m hoher Baum muss Wasser vom Boden bis zum letzten Blatt transportieren, und dies geschieht über sein Gefäßsystem. Dieses System ist ein spezialisiertes Gewebe aus Zellen, die tot sind und wie sehr dünne Röhrchen aussehen.

Bewegung von Wasser in Pflanzen. Quelle: Laurel Jules / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

Der Transport ist dank der Unterschiede im Wasserpotential möglich, die zwischen der Atmosphäre und dem Blatt erzeugt werden, das wiederum auf das Gefäßsystem übertragen wird. Das Blatt verliert im gasförmigen Zustand Wasser aufgrund der höheren Wasserdampfkonzentration (höheres Wasserpotential) im Vergleich zur Umwelt (niedrigeres Wasserpotential).

Der Dampfverlust erzeugt einen Unterdruck oder eine Ansaugung, die das Wasser aus den Gefäßen des Gefäßsystems in Richtung der Blattspreite drückt. Diese Absaugung wird von Gefäß zu Gefäß bis zur Wurzel übertragen, wo die Zellen und Zwischenräume mit dem aus dem Boden absorbierten Wasser aufgenommen werden.

Das aus dem Boden kommende Wasser dringt aufgrund eines Unterschieds im osmotischen Potential zwischen dem Wasser in den Epidermiszellen der Wurzel und dem des Bodens in die Wurzel ein. Dies liegt daran, dass die Wurzelzellen gelöste Stoffe in höheren Konzentrationen als Bodenwasser enthalten.

Schleim

Viele Pflanzen in trockenen Umgebungen halten Wasser zurück, indem sie Schleim (viskose Substanz) produzieren, die in ihren Vakuolen gespeichert sind. Diese Moleküle halten Wasser zurück und reduzieren seine freie Energie (niedriges Wasserpotential). In diesem Fall ist die matric Komponente des Wasserpotentials entscheidend.

Ein erhöhter Wassertank

Bei einem Wasserversorgungssystem auf der Basis eines Hochbehälters wird dieses aufgrund der Wirkung des Druckpotentials mit Wasser gefüllt. Das Unternehmen, das den Wasserservice anbietet, übt mit Hydraulikpumpen Druck auf ihn aus und überwindet so die Schwerkraft, um den Tank zu erreichen.

Sobald der Tank voll ist, wird das Wasser dank einer Potentialdifferenz zwischen dem im Tank gespeicherten Wasser und den Wasserauslässen im Haus verteilt. Durch Öffnen eines Hahns wird ein Gravitationspotentialgradient zwischen dem Wasser im Hahn und dem des Tanks hergestellt.

Daher hat das Wasser im Tank eine höhere freie Energie (höheres Wasserpotential) und fällt hauptsächlich aufgrund der Schwerkraft ab.

Diffusion von Wasser in den Boden

Die Hauptkomponente des Wasserpotentials des Bodens ist das Matrizenpotential angesichts der Adhäsionskraft, die zwischen den Tonen und dem Wasser hergestellt wird. Andererseits beeinflusst das Schwerkraftpotential den vertikalen Verschiebungsgradienten des Wassers im Boden.

Viele Prozesse, die im Boden ablaufen, hängen von der freien Energie des im Boden enthaltenen Wassers ab, dh von seinem Wasserpotential. Diese Prozesse umfassen Pflanzenernährung und -transpiration, Infiltration von Regenwasser und Verdunstung von Wasser aus dem Boden.

In der Landwirtschaft ist es wichtig, das Wasserpotential des Bodens zu bestimmen, um Bewässerung und Düngung richtig anzuwenden. Wenn das matric Potential des Bodens sehr hoch ist, bleibt das Wasser an den Tonen haften und steht nicht zur Aufnahme durch Pflanzen zur Verfügung.

Verweise

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