WATERPOTENTIEEL: COMPONENTEN, METHODEN EN VOORBEELDEN - MILIEU - 2026

Het waterpotentieel is de vrije energie of in staat om te werken, die een bepaald watervolume heeft. Zo heeft het water op de top van een waterval of waterval een hoog waterpotentieel dat bijvoorbeeld een turbine kan verplaatsen.

Het symbool dat wordt gebruikt om naar het waterpotentieel te verwijzen, is de Griekse hoofdletter psi, die is geschreven Ψ. Het waterpotentieel van elk systeem wordt gemeten in relatie tot het waterpotentieel van zuiver water onder omstandigheden die als standaard worden beschouwd (druk van 1 atmosfeer en dezelfde hoogte en temperatuur van het te bestuderen systeem).

Osmotisch potentieel. Bron: Kade Kneeland / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)

De factoren die het waterpotentieel bepalen, zijn zwaartekracht, temperatuur, druk, hydratatie en de concentratie van opgeloste stoffen in het water. Deze factoren bepalen de vorming van waterpotentiaalgradiënten en deze gradiënten sturen de diffusie van water aan.

Op deze manier verplaatst het water zich van een locatie met een hoog waterpotentieel naar een andere met een laag waterpotentieel. De componenten van het waterpotentieel zijn het osmotische potentieel (concentratie van opgeloste stoffen in het water), matrisch potentieel (adhesie van water aan poreuze matrices), gravitatiepotentieel en het drukpotentieel.

Kennis van het waterpotentieel is essentieel om de werking van verschillende hydrologische en biologische verschijnselen te begrijpen. Deze omvatten de opname van water en voedingsstoffen door planten en de stroming van water in de bodem.

Componenten van waterpotentieel

Het waterpotentieel bestaat uit vier componenten: osmotisch potentieel, matrisch potentieel, gravitatiepotentieel en drukpotentieel. De werking van deze componenten bepaalt het bestaan ​​van hydrische potentiaalgradiënten.

Osmotisch potentieel (Ψs)

Normaal gesproken is water niet in zijn zuivere staat, omdat het er vaste stoffen in heeft opgelost (opgeloste stoffen), zoals minerale zouten. Het osmotische potentieel wordt bepaald door de concentratie van opgeloste stoffen in de oplossing.

Hoe hoger de hoeveelheid opgeloste stoffen, er is minder vrije energie van het water, dat wil zeggen, minder waterpotentieel. Daarom probeert water een evenwicht tot stand te brengen door van oplossingen met een lage concentratie opgeloste stoffen naar oplossingen met een hoge concentratie opgeloste stoffen te stromen.

Matrisch of matrixpotentieel (Ψm)

In dit geval is de bepalende factor de aanwezigheid van een hydrateerbare materiaalmatrix of structuur, dat wil zeggen dat deze een affiniteit heeft voor water. Dit komt door de adhesiekrachten die tussen moleculen worden gecreëerd, vooral de waterstofbruggen die worden gevormd tussen watermoleculen, zuurstofatomen en hydroxylgroepen (OH).

Hechting van water aan bodemkleien is bijvoorbeeld een geval van waterpotentieel op basis van matrisch potentieel. Deze matrices genereren door het aantrekken van water een positief waterpotentieel, daarom stroomt het water buiten de matrix ernaar toe en blijft het meestal binnen zoals in een spons.

Hoogte of zwaartekrachtpotentieel (Ψg)

De zwaartekracht van de aarde is in dit geval degene die de potentiële gradiënt bepaalt, aangezien het water de neiging heeft naar beneden te vallen. Water dat zich op een bepaalde hoogte bevindt, heeft een vrije energie die wordt bepaald door de aantrekkingskracht die de aarde op zijn massa uitoefent.

Beweging van water door zwaartekracht. Bron: Bilal ahmad / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)

Water in een verhoogde watertank valt bijvoorbeeld vrij door de buis en verplaatst zich met die kinetische (bewegings) energie totdat het de kraan bereikt.

Drukpotentiaal (Ψp)

In dit geval heeft het water onder druk meer vrije energie, dat wil zeggen een groter waterpotentieel. Daarom zal dit water zich verplaatsen van waar het onder druk staat naar waar het niet is, en bijgevolg is er minder vrije energie (minder waterpotentieel).

Als we bijvoorbeeld druppels doseren met een druppelaar, oefenen we door op de rubberen knop te drukken een druk uit die energie aan het water geeft. Door deze hogere vrije energie beweegt het water naar buiten waar de druk lager is.

Methoden om het waterpotentieel te bepalen

Er zijn verschillende methoden om het waterpotentieel te meten, sommige geschikt voor aarde, andere voor weefsels, voor mechanische hydraulische systemen en andere. Het waterpotentieel is gelijk aan drukeenheden en wordt gemeten in atmosferen, bar, pascal of psi (pond per vierkante inch in het Engelse acroniem).

Hier zijn enkele van deze methoden:

Scholander pomp of drukkamer

Wil je het waterpotentieel van een plantenblad meten, dan kun je een drukkamer of Scholander pomp gebruiken. Deze bestaat uit een luchtdichte kamer waarin het hele blad (blad met bladsteel) wordt geplaatst.

Meting van het waterpotentieel van een blad met een drukkamer. Bron: Pressurebomb.svg: Aibdescalzoderivative werk: Aibdescalzo / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

Vervolgens wordt de druk in de kamer verhoogd door een gas onder druk te introduceren, waarbij de druk wordt gemeten die wordt bereikt door middel van een manometer. De druk van het gas op het blad neemt toe, tot het punt waarop het water erin door het vaatweefsel van de bladsteel naar buiten stroomt.

De druk die de manometer aangeeft wanneer het water het blad verlaat, komt overeen met het waterpotentieel van het blad.

Druksondes

Er zijn verschillende alternatieven om het waterpotentieel te meten met behulp van speciale instrumenten, druksondes genaamd. Ze zijn ontworpen om het waterpotentieel van de bodem te meten, voornamelijk gebaseerd op het matrische potentieel.

Zo zijn er digitale sondes die werken op basis van het inbrengen van een poreuze keramische matrix verbonden met een vochtigheidssensor in de bodem. Dit keramiek wordt gehydrateerd met het water in de grond totdat het een evenwicht bereikt tussen het waterpotentieel binnen de keramische matrix en het waterpotentieel van de bodem.

Vervolgens bepaalt de sensor het vochtgehalte van de keramiek en schat hij het waterpotentieel van de bodem in.

Microcapillair met druksonde

Er zijn ook sondes die het waterpotentieel in plantenweefsels kunnen meten, zoals de stengel van een plant. Een model bestaat uit een zeer dunne buis met fijne punt (micropillaire buis) die in weefsel wordt ingebracht.

Bij het binnendringen van levend weefsel volgt de oplossing in de cellen een potentiële gradiënt die wordt bepaald door de druk in de stengel en wordt deze in de micropyle gebracht. Terwijl de vloeistof uit de steel de buis binnenkomt, duwt het een olie erin die een druksonde of manometer activeert die een waarde toekent die overeenkomt met het waterpotentieel

Variaties in gewicht of volume

Om het waterpotentieel te meten op basis van het osmotische potentieel, kunnen de gewichtsvariaties van een weefsel ondergedompeld in oplossingen met verschillende concentraties van een opgeloste stof worden bepaald. Hiervoor wordt een serie reageerbuisjes gemaakt, elk met een bekende oplopende concentratie van een opgeloste stof, bijvoorbeeld sucrose (suiker).

Dat wil zeggen, als er 10 cc water in elk van de 5 buisjes zit, wordt 1 mg sucrose toegevoegd aan de eerste buis, 2 mg in de tweede en tot 5 mg in de laatste. We hebben dus een stijgende batterij sucroseconcentraties.

Vervolgens worden 5 secties van gelijk en bekend gewicht gesneden uit het weefsel waarvan het waterpotentieel moet worden bepaald (bijvoorbeeld aardappelstukjes). In elke reageerbuis wordt dan een coupe geplaatst en na 2 uur worden de weefselcoupes verwijderd en gewogen.

Verwachte resultaten en interpretatie

Van sommige stukken wordt verwacht dat ze afvallen door waterverlies, andere zullen zijn aangekomen omdat ze water hebben opgenomen en weer andere zullen het gewicht behouden.

Degenen die water verloren, bevonden zich in een oplossing waar de sucroseconcentratie hoger was dan de opgeloste stofconcentratie in het weefsel. Daarom stroomde het water volgens de gradiënt van osmotisch potentieel van de hoogste concentratie naar de laagste, en verloor het weefsel water en gewicht.

Daarentegen bevond het weefsel dat water en gewicht won, zich in een oplossing met een lagere concentratie sucrose dan de concentratie opgeloste stoffen in het weefsel. In dit geval bevorderde de osmotische potentiaalgradiënt het binnendringen van water in het weefsel.

Ten slotte wordt in dat geval waarin het weefsel zijn oorspronkelijke gewicht behield, geconcludeerd dat de concentratie waarin het werd aangetroffen dezelfde concentratie opgeloste stof heeft. Daarom zal deze concentratie overeenkomen met het waterpotentieel van het bestudeerde weefsel.

Voorbeelden

Wateropname door planten

Een 30 m hoge boom moet water van de grond naar het laatste blad transporteren, en dit gebeurt via zijn vasculaire systeem. Dit systeem is een gespecialiseerd weefsel dat bestaat uit cellen die dood zijn en eruit zien als hele dunne buisjes.

Beweging van water in planten. Bron: Laurel Jules / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

Transport is mogelijk dankzij de verschillen in waterpotentiaal die worden gegenereerd tussen de atmosfeer en het blad, dat op zijn beurt wordt doorgegeven aan het vaatstelsel. Het blad verliest water in gasvormige toestand door de hogere concentratie waterdamp erin (hoger waterpotentieel) vergeleken met de omgeving (lager waterpotentieel).

Het verlies van stoom genereert een onderdruk of zuiging die het water uit de vaten van het vaatstelsel naar het blad duwt. Deze zuigkracht wordt overgebracht van vat naar vat totdat het de wortel bereikt, waar de cellen en intercellulaire ruimtes worden opgezogen met het water dat uit de grond wordt opgenomen.

Het water dat uit de grond komt, dringt de wortel binnen door een verschil in osmotisch potentieel tussen het water in de epidermiscellen van de wortel en dat van de grond. Dit komt doordat de wortelcellen opgeloste stoffen in hogere concentraties hebben dan bodemwater.

Slijmstoffen

Veel planten in droge omgevingen houden water vast door slijm (stroperige substantie) te produceren die in hun vacuolen wordt opgeslagen. Deze moleculen houden water vast en verminderen de vrije energie ervan (laag waterpotentieel), in dit geval is de matrische component van het waterpotentieel doorslaggevend.

Een verhoogde watertank

In het geval van een watervoorzieningssysteem op basis van een verhoogde tank, wordt deze gevuld met water vanwege het effect van het drukpotentiaal. Het bedrijf dat de waterdienst levert, oefent er met hydraulische pompen druk op uit en overwint zo de zwaartekracht om de tank te bereiken.

Als de tank vol is, wordt het water eruit gedistribueerd dankzij een potentiaalverschil tussen het water dat in de tank is opgeslagen en de wateruitlaten in het huis. Door een kraan te openen, ontstaat er een gravitatiepotentiaalgradiënt tussen het water in de kraan en dat van de tank.

Daarom heeft het water in de tank een hogere vrije energie (hoger waterpotentieel) en valt het voornamelijk als gevolg van de zwaartekracht.

Verspreiding van water in de bodem

De belangrijkste component van het waterpotentieel van de bodem is het matrische potentieel, gezien de adhesiekracht die tot stand wordt gebracht tussen de kleien en het water. Aan de andere kant beïnvloedt het zwaartekrachtpotentieel de verticale verplaatsingsgradiënt van het water in de bodem.

Veel processen die in de bodem plaatsvinden, zijn afhankelijk van de vrije energie van het water in de bodem, dat wil zeggen van het waterpotentieel. Deze processen omvatten plantenvoeding en transpiratie, infiltratie van regenwater en verdamping van water uit de bodem.

In de landbouw is het belangrijk om het waterpotentieel van de bodem te bepalen om goed te kunnen irrigeren en bemesten. Als het matrisch potentieel van de grond erg hoog is, blijft het water aan de kleien gehecht en is het niet beschikbaar voor opname door planten.

Referenties

1. Busso, Californië (2008). Gebruik van de drukkamer en thermokoppel psychrometers bij het bepalen van hydrische relaties in plantenweefsels. ΦYTON.
2. Quintal-Ortiz, WC, Pérez-Gutiérrez, A., Latournerie-Moreno, L., May-Lara, C., Ruiz-Sánchez, E. en Martínez-Chacón, AJ (2012). Watergebruik, waterpotentieel en opbrengst van habanero-peper (C apsicum chinense J acq.). Tijdschrift Fitotecnia Mexicana.
3. Salisbury, FB en Ross, CW (1991). Plantenfysiologie. Wadsworth Publishing.
4. Scholander, P., Bradstreet, E., Hemmingsen, E. en Hammel, H. (1965). Sapdruk in vaatplanten: Negatieve hydrostatische druk kan in planten worden gemeten. Wetenschap.
5. Squeo, FA (2007). Water en hydratisch potentieel. In: Squeo, FA en Cardemil, L. (Eds.). Plantenfysiologie. Edities van de Universiteit van La Serena