물 잠재력 : 구성 요소, 방법 및 예 - 환경

물 잠재력은 자유 에너지 또는 물의 특정 볼륨을 가지고 작업을 수행 할 수 있습니다. 따라서 폭포 나 폭포 꼭대기의 물은 예를 들어 터빈을 움직일 수있는 높은 수위를 가지고 있습니다.

물 잠재력을 나타내는 데 사용되는 기호는 Ψ로 쓰여진 psi라는 그리스 대문자입니다. 모든 시스템의 수위는 표준으로 간주되는 조건 (1 기압의 압력과 연구 할 시스템의 동일한 높이 및 온도)에서 순수한 물의 수위를 기준으로 측정됩니다.

삼투 가능성. 출처 : Kade Kneeland / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)

물 잠재력을 결정하는 요인은 중력, 온도, 압력, 수화 및 물에 존재하는 용질의 농도입니다. 이러한 요소는 물 전위 구배의 형성을 결정하고 이러한 구배는 물의 확산을 유도합니다.

이런 식으로 물은 물 잠재력이 높은 곳에서 낮은 물 잠재력을 가진 곳으로 이동합니다. 물 전위의 구성 요소는 삼투 전위 (물 속 용질의 농도), 모체 전위 (물과 다공성 매트릭스에의 접착), 중력 전위 및 압력 전위입니다.

다양한 수 문학적 및 생물학적 현상의 기능을 이해하려면 물 잠재력에 대한 지식이 필수적입니다. 여기에는 식물에 의한 물과 영양소의 흡수와 토양의 물 흐름이 포함됩니다.

물 잠재력의 구성 요소

물 전위는 삼투압 전위, 모체 전위, 중력 전위 및 압력 전위의 네 가지 구성 요소로 구성됩니다. 이러한 구성 요소의 작용은 수화 전위 기울기의 존재를 결정합니다.

삼투 전위 (Ψ)

일반적으로 물은 미네랄 소금과 같은 고체 (용질)가 용해되어 있기 때문에 순수한 상태가 아닙니다. 삼투 가능성은 용액의 용질 농도에 의해 결정됩니다.

용해 된 용질의 양이 많을수록 물의 자유 에너지가 적습니다. 따라서 물은 용질 농도가 낮은 용액에서 용질 농도가 높은 용액으로 흐르면서 평형을 이루려고합니다.

매트릭스 또는 매트릭스 전위 (Ψm)

이 경우 결정 요인은 수화 가능한 재료 매트릭스 또는 구조의 존재, 즉 물에 대한 친화력이 있다는 것입니다. 이는 분자 사이에 생성되는 접착력, 특히 물 분자, 산소 원자 및 하이드 록실 (OH) 그룹 사이에 형성된 수소 결합 때문입니다.

예를 들어, 토양 점토에 대한 물의 접착은 모체 전위에 기반한 물 전위의 경우입니다. 물을 끌어 당김으로써 이러한 매트릭스는 양의 물 전위를 생성하므로 매트릭스 외부의 물이 그쪽으로 흐르고 스폰지에서 발생하는 것처럼 내부에 머무르는 경향이 있습니다.

높이 또는 중력 잠재력 (Ψg)

이 경우 지구의 중력은 물이 아래쪽으로 떨어지는 경향이 있기 때문에 잠재적 인 기울기를 설정하는 힘입니다. 특정 높이에 위치한 물은 지구가 질량에 가하는 인력에 의해 결정되는 자유 에너지를 가지고 있습니다.

중력에 의한 물의 움직임. 출처 : Bilal ahmad / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)

예를 들어, 상승 된 물 탱크의 물은 파이프 아래로 자유롭게 떨어지고 수돗물에 도달 할 때까지 운동 (운동) 에너지와 함께 이동합니다.

압력 전위 (Ψp)

이 경우 압력을받는 물은 더 큰 자유 에너지, 즉 더 큰 물 잠재력을 가지고 있습니다. 따라서이 물은 압력을 받고있는 곳에서 그렇지 않은 곳으로 이동하고 결과적으로 자유 에너지가 적습니다 (물 잠재력이 적음).

예를 들어, 드롭퍼를 사용하여 방울을 투약 할 때 고무 손잡이를 눌러 물에 에너지를 공급하는 압력을가합니다. 이 더 높은 자유 에너지로 인해 물은 압력이 낮은 외부로 이동합니다.

물 잠재력을 결정하는 방법

물 잠재력을 측정하는 다양한 방법이 있으며 일부는 토양에 적합하고 다른 일부는 조직, 기계식 유압 시스템 등에 적합합니다. 수위는 압력 단위와 동일하며 대기, 바, 파스칼 또는 psi (영문 약어로 평방 인치당 파운드)로 측정됩니다.

다음은 이러한 방법 중 일부입니다.

Scholander 펌프 또는 압력 챔버

식물 잎의 물 잠재력을 측정하려면 압력 챔버 또는 Scholander 펌프를 사용할 수 있습니다. 이것은 전체 잎 (잎자루가있는 시트)이 놓이는 밀폐 된 챔버로 구성됩니다.

압력 챔버가있는 잎의 물 전위 측정. 출처 : Pressurebomb.svg : Aibdescalzo 파생 작업 : Aibdescalzo / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

그런 다음 압력계를 통해 도달하는 압력을 측정하는 가압 가스를 도입하여 챔버 내부의 압력을 증가시킵니다. 잎에있는 가스의 압력은 잎에 포함 된 물이 잎자루의 혈관 조직을 통해 분출되는 지점까지 증가하고 있습니다.

물이 잎을 떠날 때 압력계에 표시되는 압력은 물의 전위에 해당합니다.

압력 프로브

압력 프로브라는 특수 장비를 사용하여 수위를 측정하는 몇 가지 대안이 있습니다. 그들은 주로 모체 잠재력을 기반으로 토양의 물 잠재력을 측정하도록 설계되었습니다.

예를 들어, 습도 센서에 연결된 다공성 세라믹 매트릭스를 토양에 도입하여 작동하는 디지털 프로브가 있습니다. 이 세라믹은 세라믹 매트릭스 내의 수분 전위와 토양의 수분 전위 사이의 균형에 도달 할 때까지 토양 내부의 물로 수화됩니다.

그 후 센서는 세라믹의 수분 함량을 결정하고 토양의 수분 잠재력을 추정합니다.

압력 프로브가있는 미세 모세관

식물의 줄기와 같은 식물 조직의 수분 전위를 측정 할 수있는 프로브도 있습니다. 모델은 조직에 삽입되는 매우 얇고 끝이가는 튜브 (마이크로 기둥 튜브)로 구성됩니다.

생체 조직에 침투하면 세포에 포함 된 용액은 줄기에 포함 된 압력에 의해 정의 된 전위 구배를 따르고 미세 파일로 도입됩니다. 스템의 액체가 튜브에 들어가면 그 안에 포함 된 오일을 밀어 내 수위에 해당하는 값을 할당하는 압력 프로브 또는 압력계를 활성화합니다.

무게 또는 부피의 변화

삼투 전위를 기반으로 물 전위를 측정하기 위해 다양한 농도의 용질에서 용액에 담근 조직의 무게 변화를 측정 할 수 있습니다. 이를 위해, 각각 알려진 증가하는 농도의 용질, 예를 들어 자당 (설탕)을 가진 일련의 시험관이 준비됩니다.

즉, 5 개의 튜브에 각각 10cc의 물이있는 경우 첫 번째 튜브에 1mg의 자당을 추가하고 두 번째 튜브에 2mg을 추가하여 마지막 튜브에 최대 5mg을 추가합니다. 자당 농도가 증가하는 배터리가 있습니다.

그런 다음 물 잠재력을 측정 할 조직 (예 : 감자 조각)에서 동일하고 알려진 무게의 5 개 섹션을 자릅니다. 그런 다음 섹션을 각 테스트 튜브에 배치하고 2 시간 후 조직 섹션을 제거하고 무게를 측정합니다.

예상 결과 및 해석

일부 조각은 수분 손실로 인해 체중이 감소 할 것으로 예상되고, 다른 일부는 물을 흡수하여 체중이 증가 할 것이며, 다른 일부는 체중을 유지합니다.

물을 잃은 사람들은 자당 농도가 조직 내 용질 농도보다 큰 용액에있었습니다. 따라서 물은 가장 높은 농도에서 가장 낮은 농도로 삼투압의 구배에 따라 흐르고 조직은 수분과 무게를 잃었습니다.

대조적으로 물과 체중을 얻은 조직은 조직 내 용질 농도보다 자당 농도가 낮은 용액에있었습니다. 이 경우, 삼투 전위 구배는 조직으로의 물의 유입을 선호했습니다.

마지막으로 조직이 원래의 무게를 유지 한 경우 발견 된 농도는 동일한 농도의 용질을 가지고있는 것으로 추론됩니다. 따라서이 농도는 연구 된 조직의 수분 전위에 해당합니다.

예

식물에 의한 수분 흡수

높이가 30m 인 나무는 땅에서 마지막 잎까지 물을 운반해야하며, 이는 혈관계를 통해 이루어집니다. 이 시스템은 매우 얇은 튜브처럼 보이는 죽은 세포로 구성된 특수 조직입니다.

식물에서 물의 움직임. 출처 : Laurel Jules / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

대기와 잎 사이에서 생성되는 물 전위의 차이로 인해 수송이 가능하며, 이는 다시 혈관계로 전달됩니다. 잎은 환경 (낮은 수위)에 비해 더 높은 수증기 농도 (높은 수위)로 인해 기체 상태에서 물을 잃습니다.

증기의 손실은 혈관계의 혈관에서 잎사귀쪽으로 물을 강제하는 음압 또는 흡입을 생성합니다. 이 흡입은 세포와 세포 간 공간이 토양에서 흡수 된 물로 흡수되는 뿌리에 도달 할 때까지 용기에서 용기로 전달됩니다.

토양에서 나오는 물은 뿌리의 표피 세포의 물과 토양의 물 사이의 삼투 전위차로 인해 뿌리를 관통합니다. 이것은 뿌리 세포가 토양 물보다 더 높은 농도의 용질을 가지고 있기 때문에 발생합니다.

점액

건조한 환경의 많은 식물은 액포에 저장되는 점액 (점성 물질)을 생성하여 수분을 보유합니다. 이 분자는 물을 보유하여 자유 에너지 (낮은 물 전위)를 감소시킵니다.이 경우 물 전위의 모체 성분이 결정적입니다.

높은 수조

상승 된 탱크를 기반으로하는 급수 시스템의 경우 압력 전위의 영향으로 동일한 물이 채워집니다. 상수도 서비스를 제공하는 회사는 유압 펌프를 사용하여 압력을 가하고 중력을 극복하여 탱크에 도달합니다.

탱크가 가득 차면 탱크에 저장된 물과 집의 배수구 사이의 전위차로 인해 물이 분배됩니다. 수도꼭지를 열면 수도꼭지의 물과 탱크의 물 사이에 중력 전위 기울기가 설정됩니다.

따라서 탱크의 물은 더 높은 자유 에너지 (높은 물 잠재력)를 가지며 주로 중력으로 인해 떨어집니다.

토양의 물 확산

토양의 수분 전위의 주요 구성 요소는 점토와 물 사이에 형성되는 접착력을 고려할 때 모체 전위입니다. 반면 중력의 잠재력은 토양에있는 물의 수직 변위 구배에 영향을 미칩니다.

토양에서 발생하는 많은 과정은 토양에 포함 된 물의 자유 에너지, 즉 물의 잠재력에 의존합니다. 이러한 과정에는 식물 영양 및 증산, 빗물 침투 및 토양에서 수분 증발이 포함됩니다.

농업에서는 관개와 시비를 적절히 적용하기 위해 토양의 물 잠재력을 결정하는 것이 중요합니다. 토양의 모체 잠재력이 매우 높으면 물이 점토에 부착 된 채로 남아 식물에 흡수되지 않습니다.

참고 문헌

캘리포니아 부소 (2008). 식물 조직에서 수화 관계를 결정하는 데 압력 챔버 및 열전대 사이 크로머 사용. ΦYTON.
Quintal-Ortiz, WC, Pérez-Gutiérrez, A., Latournerie-Moreno, L., May-Lara, C., Ruiz-Sánchez, E. 및 Martínez-Chacón, AJ (2012). 물 사용, 물 잠재력 및 하바네로 고추 (C apsicum chinense J acq.)의 수확량. 잡지 Fitotecnia Mexicana.
Salisbury, FB and Ross, CW (1991). 식물 생리학. Wadsworth Publishing.
Scholander, P., Bradstreet, E., Hemmingsen, E. 및 Hammel, H. (1965). 혈관 식물의 수액 압력 : 음의 정수압은 식물에서 측정 할 수 있습니다. 과학.
Squeo, FA (2007). 물과 하이드 릭 잠재력. 에서 : Squeo, FA 및 Cardemil, L. (Eds.). 식물 생리학. 라 세레나 대학교 에디션

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