Tudományos kutatásmódszertani, elemzési és közlési ismeretek modul a g zG d á s lk tn o u im y e rI.ö K
Adatgyőjtés, mérési alapok, a környezetgazdálkodás fontosabb mőszerei É S IÖ c E V K M Z T N R Á L D O Y G A
KÖRNYEZETGAZDÁLKODÁSI MÉRNÖKI MSc 1
Vízpotenciál a talaj, növény, légkör rendszerben 90. Lecke
2
A víz kémiai potenciálja (µw) 1 mólnyi mennyiségre jutó szabadenergia, vagyis egy rendszer energiakészletének munkavégzésre fordítható része. Egysége: [J/mol] A víz szabadenergiája, vagyis munkavégzı képessége. µ w = µ0w + RT(lna w ) + VwP + mw gh µ0w − a víz kémiai potenciálja standard körülmények között Vw a víz parciális moláris térfogata (l/mol) P - relatív nyomás (abszolút nyomás - légköri nyomás) (Pa) a w - kémiai aktivitás (dimenzió nélküli) m w - 1 mól víz tömege (kg/mol) g - gravitációs gyorsulás (m/s2 ) h - magasság a referencia ponthoz képest (m)
3
Vízpotenciál
Ψw =
µ w − µ w0 Vw
Egy vizes oldat és a tiszta víz kémiai potenciáljának különbsége, parciális moláris térfogatra (18x10-6 m3/mol) vonatkoztatva. Egysége: [J/m3] vagy [Pa, vagy MPa]. A vízpotenciál akkor a legnagyobb, ha csak vízmolekulák vannak a rendszerben, vagyis tiszta víz esetén. A tiszta víz kémiai potenciálja (µw0)= 0 (1 bar nyomáson, 25 °C-on, megegyezés szerint). Ebbıl adódik, hogy egy sejtben -ahol oldott anyagok mindig jelen vannak- a vízpotenciál kisebb, mint a tiszta vízé, vagyis negatív érték.
4
A vízpotenciál összetevıi A sejt vízpotenciálját három faktor határozza meg: konc.
nyomás gravitáció
Ψw = Ψπ + Ψ p + Ψg
+ Ψm
Ozmotikus Nyomás potenciál potenciál
Mátrix potenciál
Gravitációs potenciál
5
Ψπ – ozmotikus potenciál Az oldott anyagok hatása a vízpotenciálra. Az oldott anyag csökkenti a víz szabadenergiáját (munkavégzı képességét), mert csökkenti a szabad vízmolekulák számát. Ez entrópia hatás, mert az oldott anyagok jelenléte megbontja a vízmolekulák között kialakult rendezett szerkezetet, így csökkenti a rendszer rendezettségi fokát (=entrópia). Híg oldatok esetén:
Ψπ = − RTcs (van’t Hoff egyenlet)
ahol R = 8,32 J mol-1 K-1, T abszolút h mérséklet [K], cs molaritás [mol L-1]
Az ozmotikus potenciál az oldott anyag természetétıl független. A negatív eljel azt mutatja, hogy az oldott anyag csökkenti a vízpotenciált a tiszta vízhez képest. 6
Ψp – nyomáspotenciál vagy falpotenciál A sejtfal jelenlétébıl adódó komponens. Ha zárt térben lévı vízre nyomást gyakorolunk, akkor a vízben hidrosztatikai nyomás alakul ki. Ez akkor is jelentkezik, ha zárt térben nagy mennyiségő vízmolekula halmozódik fel. Ez történik a vakuólumban is, ahol a jelenlévı víznek hidrosztatikai nyomása van, ami a sejtfalra nehezedik. Ez a sejt belsejébıl a sejtfalra nehezedı hidrosztatikai nyomás a turgor. A turgor nyomás a sejtbıl kifelé irányuló vízmozgást indítana el, de jelen van a sejtfal, ami ellenerıvel hat a vakuolum víztartalmára. Ez a nyomás a turgorral megegyezı nagyságú és ellentétes irányú (+ elıjelő) nyomáspotenciál. Csak félig áteresztı membránokkal határolt zárt térben lép fel! 7
Ψg – gravitációs potenciál Ψg= ρwgh
h - a víz magassága a referencia állapotú víz felett ρw- a víz sőrősége g - a gravitációs gyorsulás
Ha h = 10 m, akkor ez +0,1 MPa változást jelent a vízpotenciálban. Sejtszinten Ψg elhanyagolható, csak magas fák esetén van létjogosultsága, ekkor Ψw = Ψπ + Ψp
8
Ψm – mátrix potenciál • A növényekben a mátrix potenciál (kötıerık mőködése) elhanyagolható, ezért nem is számolunk vele. • Nagyon száraz magvakban és termıtalajban, azonban fontos komponens. • A talaj vízpotenciálját teljes mértékben a mátrix potenciállal azonosítjuk= Ψm= talaj vízpotenciál A talaj vízpotenciál meghatározása pF készülékekben történik. Értéke 0-tól -1,5 MPa-ig változik. Ezt a legnegatívabb értéket csak mesterséges szárítással lehet elıidézni, vagyis a természetes talajok ennél mindig magasabb vízpotenciállal rendelkeznek. 9
A vízpotenciál gradiens kialakulása •
A talaj – növény – légkör rendszerben un. vízpotenciál gradiens áll fenn. Elsısorban ez szabályozza a vízmozgások irányát, a vízszállítás és vízleadás folyamatait.
•
A legnagyobb vízpotenciál különbség a növényi lombozat és azzal érintkezı légtér között van, ezért a hajtás vizet ad le a légtérbe, amely jelentıs szívóerıt fejt ki. A vízleadás következtében a hajtás vízpotenciálja átmenetileg süllyed, amely a talaj irányából a gyökereken keresztül igyekszik a hiányt pótolni. A viszonylag nedves közegő talaj és száraz levegı között a növényzettıl függetlenül is vízpotenciál-gradiens alakul ki, amit a növények vízfelvételre tudnak használni.
•
A gyökerek csak akkor képesek vízfelvételre, ha vízpotenciáljuk negatívabb a talajénál. Ez lomb nélküli állapotban (tavasz) tisztán ozmotikus szabályozással is elérhetı.
10
A vízpotenciál-gradiens határozza meg a vízmozgás irányát bármely nedves közeg és a légkör között! Talaj: 0- -1,5 MPa Növény: 0- -5 Mpa Légkör: 0- -120 MPa 11
Kérdések a leckéhez • Kémiai potenciál • Vízpotenciál értelmezése • Vízpotenciál gradiens
12
KÖSZÖNÖM FIGYELMÜKET!
13
