SU POTANSIYELI: BILEŞENLER, YÖNTEMLER VE ÖRNEKLER - ÇEVRE - 2025

Su potansiyel serbest enerji ve su belli bir hacme sahip çalışma, yapma yeteneğine sahiptir. Bu nedenle, bir şelale veya şelalenin tepesindeki su, örneğin bir türbini hareket ettirebilen yüksek bir su potansiyeline sahiptir.

Su potansiyeline atıfta bulunmak için kullanılan sembol, Ψ yazılan, psi adı verilen büyük Yunan harfidir. Herhangi bir sistemin su potansiyeli, standart olarak kabul edilen koşullar altında saf suyun su potansiyeline göre ölçülür (1 atmosferlik basınç ve çalışılacak sistemin aynı yüksekliği ve sıcaklığı).

Ozmotik potansiyel. Kaynak: Kade Kneeland / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)

Su potansiyelini belirleyen faktörler yerçekimi, sıcaklık, basınç, hidrasyon ve suda bulunan çözünen maddelerin konsantrasyonudur. Bu faktörler, su potansiyeli gradyanlarının oluşumunu belirler ve bu gradyanlar suyun difüzyonunu yönlendirir.

Bu şekilde su, su potansiyeli yüksek bir bölgeden düşük su potansiyeline sahip bir diğerine geçer. Su potansiyelinin bileşenleri ozmotik potansiyel (sudaki çözünen madde konsantrasyonu), matrik potansiyel (suyun gözenekli matrislere yapışması), yerçekimi potansiyeli ve basınç potansiyelidir.

Su potansiyeli bilgisi, çeşitli hidrolojik ve biyolojik olayların işleyişini anlamak için gereklidir. Bunlar, su ve besin maddelerinin bitkiler tarafından emilmesini ve topraktaki su akışını içerir.

Su potansiyelinin bileşenleri

Su potansiyeli dört bileşenden oluşur: ozmotik potansiyel, matrik potansiyel, yerçekimi potansiyeli ve basınç potansiyeli. Bu bileşenlerin eylemi, hidrik potansiyel gradyanların varlığını belirler.

Ozmotik potansiyel (Ψs)

Normalde su, içinde mineral tuzlar gibi katı maddeleri (çözünen maddeleri) çözdüğü için saf halde değildir. Ozmotik potansiyel, çözeltideki çözünen maddelerin konsantrasyonu ile verilir.

Çözünmüş çözünen madde miktarı ne kadar yüksekse, suda daha az serbest enerji, yani daha az su potansiyeli vardır. Bu nedenle su, düşük konsantrasyonda çözünen solüsyonlardan yüksek konsantrasyonda çözünen solüsyonlara akarak bir denge kurmaya çalışır.

Matrik veya matris potansiyeli (Ψm)

Bu durumda belirleyici faktör, hidratlanabilir bir malzeme matrisinin veya yapısının varlığı, yani suya afinitesine sahip olmasıdır. Bunun nedeni, moleküller arasında oluşturulan yapışma kuvvetleri, özellikle su molekülleri, oksijen atomları ve hidroksil (OH) grupları arasında oluşan hidrojen bağlarıdır.

Örneğin, suyun toprak killerine yapışması, matrik potansiyele dayalı bir su potansiyeli durumudur. Suyu çekerek bu matrisler pozitif bir su potansiyeli oluşturur, bu nedenle matrisin dışındaki su ona doğru akar ve bir süngerde olduğu gibi içeride kalma eğilimindedir.

Yükseklik veya yerçekimi potansiyeli (Ψg)

Dünyanın yerçekimi kuvveti, bu durumda, su aşağıya doğru düşme eğiliminde olacağından, potansiyel eğimi oluşturan kuvvettir. Belli bir yükseklikte bulunan su, Dünya'nın kütlesine uyguladığı çekimle belirlenen bir serbest enerjiye sahiptir.

Suyun yerçekimi ile hareketi. Kaynak: Bilal ahmad / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)

Örneğin, yükseltilmiş bir su tankındaki su, borudan serbestçe düşer ve musluğa ulaşana kadar bu kinetik (hareket) enerjiyle hareket eder.

Basınç potansiyeli (Ψp)

Bu durumda, basınç altındaki su daha fazla serbest enerjiye, yani daha büyük su potansiyeline sahiptir. Bu nedenle, bu su basınç altında olduğu yerden olmadığı yere hareket edecek ve sonuç olarak daha az serbest enerji (daha az su potansiyeli) olacaktır.

Örneğin damlalık kullanarak damla dozladığımızda lastik topuza basarak suya enerji veren bir basınç uyguluyoruz. Bu yüksek serbest enerji nedeniyle, su, basıncın daha düşük olduğu dışarıya doğru hareket eder.

Su potansiyelini belirleme yöntemleri

Su potansiyelini ölçmek için, bazıları toprak, diğerleri dokular, mekanik hidrolik sistemler ve diğerleri için uygun olan çeşitli yöntemler vardır. Su potansiyeli basınç birimlerine eşdeğerdir ve atmosfer, bar, paskal veya psi cinsinden ölçülür (İngilizce kısaltmasında inç kare başına pound).

İşte bu yöntemlerden bazıları:

Scholander Pompası veya Basınç Odası

Bir bitki yaprağının su potansiyelini ölçmek istiyorsanız, bir basınç odası veya Scholander pompası kullanabilirsiniz. Bu, tüm yaprağın (yaprak sapı ile yaprak) yerleştirildiği hava geçirmez bir odadan oluşur.

Basınç odası olan bir yaprağın su potansiyelinin ölçülmesi. Kaynak: Pressurebomb.svg: Aibdescalzoderivative çalışma: Aibdescalzo / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

Daha sonra manometre ile ulaşılan basınç ölçülerek, basınçlı bir gaz verilerek hazne içindeki basınç artırılır. Yaprak üzerindeki gazın basıncı, içindeki suyun yaprak sapının damar dokusundan dışarı fışkırdığı noktaya kadar artmaktadır.

Su yapraktan çıktığında manometrenin gösterdiği basınç, yaprağın su potansiyeline karşılık gelir.

Basınç probları

Basınç probları adı verilen özel aletler kullanarak su potansiyelini ölçmek için birkaç alternatif vardır. Esas olarak matrik potansiyele dayalı olarak toprağın su potansiyelini ölçmek için tasarlanmıştır.

Örneğin, bir nem sensörüne bağlı gözenekli bir seramik matrisin toprağa sokulması temelinde çalışan dijital sondalar vardır. Bu seramik, seramik matriks içindeki su potansiyeli ile toprağın su potansiyeli arasında bir dengeye ulaşıncaya kadar toprak içindeki su ile hidratlanır.

Ardından sensör seramiğin nem içeriğini belirler ve toprağın su potansiyelini tahmin eder.

Basınç problu mikrokapiller

Bir bitkinin sapı gibi bitki dokularındaki su potansiyelini ölçebilen problar da vardır. Bir model, dokuya yerleştirilen çok ince, ince uçlu bir tüpten (mikropillar tüp) oluşur.

Canlı dokuya nüfuz ettikten sonra, hücrelerde bulunan çözelti, gövdede bulunan basınçla tanımlanan potansiyel bir gradyanı takip eder ve mikropile verilir. Saptan gelen sıvı tüpe girdiğinde, su potansiyeline karşılık gelen bir değer atayan bir basınç probu veya manometreyi etkinleştiren içinde bulunan bir yağı iter.

Ağırlık veya hacim değişiklikleri

Ozmotik potansiyele dayalı olarak su potansiyelini ölçmek için, farklı konsantrasyonlarda bir çözünen çözelti içine daldırılmış bir dokunun ağırlık değişimleri belirlenebilir. Bunun için, her biri bilinen artan konsantrasyonda çözünen, örneğin sakaroz (şeker) içeren bir dizi test tüpü hazırlanır.

Yani 5 tüpün her birinde 10 cc su varsa ilk tüpe 1 mg, ikinci tüpe 2 mg ve sonuncuya 5 mg kadar sakkaroz eklenir. Yani, artan bir sükroz konsantrasyonları pilimiz var.

Daha sonra su potansiyeli belirlenecek dokudan eşit ve bilinen ağırlıkta 5 parça kesilir (örneğin patates parçaları). Daha sonra her test tüpüne bir bölüm yerleştirilir ve 2 saat sonra doku kesitleri çıkarılır ve tartılır.

Beklenen sonuçlar ve yorumlama

Bazı parçaların su kaybından dolayı kilo vermesi beklenirken, diğerleri suyu emdikleri için kilo almış, bazıları ise ağırlığı koruyacaktır.

Su kaybedenler, sükroz konsantrasyonunun doku içindeki çözünen konsantrasyondan daha büyük olduğu bir çözelti içindeydi. Bu nedenle su, ozmotik potansiyelin gradyanına göre en yüksek konsantrasyondan en düşüğe doğru aktı ve doku su ve ağırlık kaybetti.

Bunun aksine, su ve ağırlık kazanan doku, doku içindeki çözünen madde konsantrasyonundan daha düşük konsantrasyonda sakaroz içeren bir çözelti içindeydi. Bu durumda, ozmotik potansiyel gradyan, suyun dokuya girişini kolaylaştırdı.

Son olarak, dokunun orijinal ağırlığını koruduğu bu durumda, bulunduğu konsantrasyonun aynı çözünen konsantrasyona sahip olduğu sonucuna varılır. Bu nedenle, bu konsantrasyon, incelenen dokunun su potansiyeline karşılık gelecektir.

Örnekler

Bitkiler tarafından su emilimi

30 m boyundaki bir ağacın suyu zeminden son yaprağa taşıması gerekir ve bu da damar sistemi aracılığıyla yapılır. Bu sistem, ölü hücrelerden oluşan ve çok ince tüpler gibi görünen özel bir dokudur.

Bitkilerde suyun hareketi. Kaynak: Laurel Jules / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

Atmosfer ile yaprak arasında oluşan su potansiyeli farklılıkları sayesinde taşıma mümkündür ve bu da vasküler sisteme iletilir. Yaprak, çevreye kıyasla (daha düşük su potansiyeli) içindeki su buharı konsantrasyonunun daha yüksek olması (daha yüksek su potansiyeli) nedeniyle gaz halinde su kaybeder.

Buhar kaybı, suyu vasküler sistemin damarlarından yaprak bıçağa doğru zorlayan bir negatif basınç veya emme oluşturur. Bu emme, hücrelerin ve hücreler arası boşlukların topraktan emilen su ile emildiği köke ulaşana kadar kaptan damara iletilir.

Topraktan gelen su, kökün epidermis hücrelerindeki su ile toprağınki arasındaki ozmotik potansiyel farkı nedeniyle köke nüfuz eder. Bunun nedeni, kök hücrelerin toprak suyundan daha yüksek konsantrasyonlarda çözünen maddelere sahip olmasıdır.

Müsilajlar

Kuru ortamlardaki birçok bitki, vakuollerinde depolanan müsilaj (yapışkan madde) üreterek suyu tutar. Bu moleküller suyu tutar ve serbest enerjisini azaltır (düşük su potansiyeli), bu durumda su potansiyelinin temel bileşeni belirleyicidir.

Yükseltilmiş bir su deposu

Yükseltilmiş bir tanka dayalı bir su temin sistemi durumunda, aynı şey basınç potansiyelinin etkisinden dolayı suyla doldurulur. Su servisini sağlayan firma hidrolik pompalar ile üzerine baskı uygulamakta ve böylece tanka ulaşmak için yerçekimi kuvvetinin üstesinden gelmektedir.

Depo dolduğunda, depoda depolanan su ile kümes içindeki su çıkışları arasındaki potansiyel fark sayesinde su ondan dağıtılır. Bir musluğun açılması, musluktaki su ile tankınki arasında bir yerçekimi potansiyeli gradyanı oluşturur.

Bu nedenle, tanktaki su daha yüksek serbest enerjiye sahiptir (daha yüksek su potansiyeli) ve esas olarak yerçekimi kuvveti nedeniyle düşer.

Suyun toprakta yayılması

Toprağın su potansiyelinin ana bileşeni, killer ve su arasında oluşturulan yapışma kuvveti göz önüne alındığında, matrik potansiyeldir. Öte yandan, yerçekimi potansiyeli topraktaki suyun düşey yer değiştirme gradyanını etkiler.

Toprakta meydana gelen birçok işlem, toprakta bulunan suyun serbest enerjisine, yani su potansiyeline bağlıdır. Bu süreçler arasında bitki beslenmesi ve terleme, yağmur suyunun süzülmesi ve topraktan suyun buharlaşması yer alır.

Tarımda, sulama ve gübrelemenin doğru şekilde uygulanabilmesi için toprağın su potansiyelinin belirlenmesi önemlidir. Toprağın matrik potansiyeli çok yüksekse, su killere bağlı kalacak ve bitkiler tarafından emilmeyecektir.

Referanslar

1. Busso, CA (2008). Bitki dokularındaki hidrik ilişkilerin belirlenmesinde basınç odası ve termokupl psikrometrelerinin kullanımı. ΦYTON.
2. Quintal-Ortiz, WC, Pérez-Gutiérrez, A., Latournerie-Moreno, L., May-Lara, C., Ruiz-Sánchez, E. ve Martínez-Chacón, AJ (2012). Su kullanımı, su potansiyeli ve habanero biber verimi (C apsicum chinense J acq.). Dergi Fitotecnia Mexicana.
3. Salisbury, FB ve Ross, CW (1991). Bitki Fizyolojisi. Wadsworth Publishing.
4. Scholander, P., Bradstreet, E., Hemmingsen, E. ve Hammel, H. (1965). Damarlı Bitkilerde Bitki Özsuyu Basıncı: Bitkilerde negatif hidrostatik basınç ölçülebilir. Bilim.
5. Squeo, FA (2007). Su ve Hidrik Potansiyel. İçinde: Squeo, FA ve Cardemil, L. (Eds.). Bitki Fizyolojisi. La Serena Üniversitesi sürümleri