Potencial hídrico

El potencial de presión se basa en la presión mecánica y es un componente importante del potencial hídrico total dentro de las células vegetales . Este potencial aumenta a medida que el agua entra en la célula. Al atravesar la pared celular y la membrana celular , aumenta la cantidad total de agua presente en el interior de la célula, lo que ejerce una presión hacia afuera que se contrarresta con la rigidez estructural de la pared celular. Al generar esta presión, la planta puede mantener la turgencia , lo que le permite conservar su rigidez. Sin turgencia, las plantas pierden estructura y se marchitan .

El potencial de presión en una célula vegetal suele ser positivo. En las células plasmolizadas , el potencial de presión es casi cero. Los potenciales de presión negativos se producen cuando el agua es arrastrada a través de un sistema abierto, como un vaso del xilema vegetal . Resistir potenciales de presión negativos (frecuentemente denominados tensión ) es una adaptación importante del xilema. Esta tensión se puede medir empíricamente utilizando la bomba de presión .

El agua pura se define generalmente como aquella que tiene un potencial osmótico (${\displaystyle \Psi _{\pi }}$) de cero, y en este caso, el potencial del soluto nunca puede ser positivo. La relación entre la concentración del soluto (en molaridad) y el potencial del soluto viene dada por la ecuación de van 't Hoff :

${\displaystyle \Psi _{\pi }=-MiRT}$

dónde${\displaystyle M}$es la concentración en molaridad del soluto,${\displaystyle i}$es el factor de van 't Hoff , la relación entre la cantidad de partículas en solución y la cantidad de unidades de fórmula disueltas,${\displaystyle R}$es la constante de los gases ideales y${\displaystyle T}$es la temperatura absoluta.

Por ejemplo, cuando un soluto se disuelve en agua, las moléculas de agua tienen menos probabilidades de difundirse por ósmosis que cuando no hay soluto. Una disolución tendrá un potencial hídrico menor y, por lo tanto, más negativo que el del agua pura. Además, cuantas más moléculas de soluto haya, más negativo será el potencial hídrico.

El potencial osmótico tiene implicaciones importantes para muchos organismos vivos . Si una célula viva está rodeada por una solución más concentrada, la célula tenderá a perder agua hacia el potencial hídrico más negativo (${\displaystyle \Psi _{w}}$) del entorno circundante. Este puede ser el caso de los organismos marinos que viven en agua de mar y de las plantas halófitas que crecen en ambientes salinos . En el caso de una célula vegetal, el flujo de agua hacia fuera de la célula puede eventualmente provocar que la membrana plasmática se separe de la pared celular, lo que conduce a la plasmólisis . Sin embargo, la mayoría de las plantas tienen la capacidad de aumentar la concentración de solutos dentro de la célula para impulsar el flujo de agua hacia el interior y mantener la turgencia.

Este efecto puede utilizarse para alimentar una central eléctrica osmótica . ^{[ 2 ]}

Una solución del suelo también experimenta potencial osmótico. Este potencial osmótico es posible gracias a la presencia de solutos tanto inorgánicos como orgánicos en la solución. A medida que las moléculas de agua se agrupan alrededor de los iones o moléculas de soluto, la libertad de movimiento del agua, y por lo tanto su energía potencial, disminuye. Al aumentar la concentración de solutos, el potencial osmótico de la solución del suelo se reduce. Dado que el agua tiende a moverse hacia niveles de energía más bajos, tenderá a desplazarse hacia la zona de mayor concentración de solutos. Sin embargo, el agua líquida solo se moverá en respuesta a estas diferencias de potencial osmótico si existe una membrana semipermeable entre las zonas de alto y bajo potencial osmótico. Una membrana semipermeable es necesaria porque permite el paso del agua a través de ella, impidiendo el paso de los solutos. Si no hay membrana, el movimiento de los solutos, en lugar del del agua, es lo que equilibra las concentraciones.

Dado que las regiones del suelo generalmente no están separadas por una membrana semipermeable, el potencial osmótico suele tener una influencia insignificante en el movimiento de masas de agua en los suelos. Por otro lado, el potencial osmótico influye enormemente en la tasa de absorción de agua por las plantas. Si los suelos tienen un alto contenido de sales solubles, es probable que el potencial osmótico sea menor en la solución del suelo que en las células de la raíz de la planta. En tales casos, la solución del suelo restringiría severamente la tasa de absorción de agua por las plantas. En suelos salinos, el potencial osmótico del agua del suelo puede ser tan bajo que las células de las plántulas jóvenes comienzan a colapsar ( plasmólisis ).

Cuando el agua entra en contacto con partículas sólidas (por ejemplo, arcilla o arena en el suelo ), las fuerzas intermoleculares adhesivas entre el agua y el sólido pueden ser grandes e importantes. Las fuerzas entre las moléculas de agua y las partículas sólidas, junto con la atracción entre las moléculas de agua, promueven la tensión superficial y la formación de meniscos dentro de la matriz sólida. Se requiere entonces una fuerza para romper estos meniscos. La magnitud del potencial de la matriz depende de las distancias entre las partículas sólidas (el ancho de los meniscos, así como la acción capilar y la diferencia de Pa en los extremos del capilar) y de la composición química de la matriz sólida (menisco, movimiento macroscópico debido a la atracción iónica).

En muchos casos, el valor absoluto del potencial de matriz puede ser relativamente grande en comparación con los otros componentes del potencial hídrico analizados anteriormente. El potencial de matriz reduce notablemente el estado energético del agua cerca de las superficies de las partículas. Aunque el movimiento del agua debido al potencial de matriz puede ser lento, sigue siendo extremadamente importante para el suministro de agua a las raíces de las plantas y en aplicaciones de ingeniería. El potencial de matriz siempre es negativo porque el agua atraída por la matriz del suelo tiene un estado energético inferior al del agua pura. El potencial de matriz solo se produce en suelos no saturados por encima del nivel freático. Si el potencial de matriz se aproxima a un valor de cero, casi todos los poros del suelo están completamente llenos de agua, es decir, totalmente saturados y con la máxima capacidad de retención . El potencial de matriz puede variar considerablemente entre suelos. En el caso de que el agua drene hacia zonas de suelo menos húmedas con porosidad similar, el potencial de matriz generalmente se encuentra en el rango de −10 a −30 kPa.

A un potencial de 0 kPa, el suelo se encuentra en estado de saturación. En la saturación , todos los poros del suelo están llenos de agua, y esta generalmente drena de los poros grandes por gravedad. A un potencial de −33 kPa, o −1/3 bar, (−10 kPa para arena), el suelo está a capacidad de campo . Típicamente, a capacidad de campo, el aire se encuentra en los macroporos y el agua en los microporos. La capacidad de campo es la condición óptima para el crecimiento de las plantas y la actividad microbiana. A un potencial de −1500 kPa, el suelo se encuentra en su punto de marchitamiento permanente , en el cual las raíces de las plantas no pueden extraer el agua por difusión osmótica. Los canales de agua del suelo aún se evaporan a potenciales más negativos hasta un nivel higroscópico, en el cual el agua del suelo es retenida por partículas sólidas en una película delgada por fuerzas de adhesión molecular.

Por el contrario, los potenciales hídricos atmosféricos son mucho más negativos; un valor típico para el aire seco es de -100 MPa, aunque este valor depende de la temperatura y la humedad. El potencial hídrico de la raíz debe ser más negativo que el del suelo, y el del tallo debe tener un valor intermedio inferior al de las raíces pero superior al de las hojas para crear un flujo pasivo de agua desde el suelo hasta las raíces, subiendo por el tallo hasta las hojas y luego hacia la atmósfera. ^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]}

Para determinar la energía potencial del agua en el suelo, se puede utilizar un tensiómetro , un bloque de yeso con resistencia eléctrica , sondas de neutrones o reflectometría en el dominio del tiempo (TDR). Los tensiómetros tienen un rango de medición de 0 a -85 kPa, los bloques de resistencia eléctrica de -90 a -1500 kPa, las sondas de neutrones de 0 a -1500 kPa y la TDR de 0 a -10 000 kPa. Si no se dispone de equipo especializado, se puede utilizar una balanza para estimar el peso del agua (porcentaje de composición).