수전위

물 퍼텐셜은 기준 조건에서 순수한 물과 상대적인 단위 부피당 물의 잠재 에너지이다.수전위는 삼투, 중력, 기계적 압력 및 모세관 작용(표면 장력에 의해 발생)과 같은 매트릭스 효과로 인해 물이 한 영역에서 다른 영역으로 이동하는 경향을 수량화합니다.물 잠재력의 개념은 식물, 동물, 토양 내의 물의 움직임을 이해하고 계산하는데 유용하다는 것이 입증되었다.물 전위는 일반적으로 단위 부피당 잠재 에너지로 표현되며 그리스 문자 ψ로 표현되는 경우가 많다.

물 전위는 물 이동의 다양한 잠재적 동인을 통합하며, 물 전위는 같거나 다른 방향으로 작동할 수 있습니다.복잡한 생물학적 시스템 내에서는 많은 잠재적 요인이 동시에 작동할 수 있습니다.예를 들어 용질을 추가하면 전위가 낮아지고(음수 벡터), 압력이 증가하면 전위가 높아집니다(양수 벡터).흐름이 제한되지 않으면 물은 잠재력이 높은 지역에서 잠재력이 낮은 지역으로 이동하게 됩니다.일반적인 예로는 바닷물이나 살아있는 세포에 있는 액체 같은 용해된 소금을 가진 물이 있습니다.이러한 용액은 순수 기준치에 비해 음의 물 잠재력이 있습니다.흐름의 제한이 없으면 물은 더 큰 전위의 궤적(순수)에서 더 작은 전위의 궤적(용액)으로 이동한다. 압력이나 상승과 같은 다른 전위 인자에 의해 전위차가 균일해지거나 균형을 이룰 때까지 흐름은 계속된다.

수전위 성분

다양한 요인이 총 물 잠재력에 영향을 미칠 수 있으며, 이러한 잠재력의 합에 따라 전체 물 잠재력과 물 흐름 방향이 결정됩니다.

\Displaystyle \Psi = \Psi _{0}+\Psi _{\pi}+\Psi _{s}+\Psi _{v}+\Psi _{m}

^[1]

여기서:

$\Psi _{0}$ \ $Psi _{$ 0 $\Psi _{0}$ })은 기준 보정입니다.
$\Psi _{\pi }$ （ \ $displaystyle$ \ $Psi$ _ { $\Psi _{\pi }$ \ pi $\Psi _{\pi }$ } ）는 용질 또는 삼투압 전위입니다.
$\Psi _{p}$ \ $displaystyle$ \ $Psi$ _ {p $\Psi _{p}$ }는 $\Psi _{p}$ 성분이다.
$ψ$ s \ $displaystyle$ \ $Psi _{$ s $\Psi _{s}$ }는 중량계 성분입니다.
$\Psi _{v}$ \ $displaystyle$ \ $Psi$ _ { v $\Psi _{v}$ }는 습도에 의한 전위입니다.
$δ$ m \ $displaystyle$ \ $Psi _{$ m $\Psi _{m}$ }은 매트릭스 효과(예: 유체 응집력 및 표면 장력)로 인한 전위입니다.

이러한 모든 인자는 단위 부피당 잠재 에너지로 정량되며, 이러한 용어의 다양한 하위 세트는 특정 애플리케이션(예: 식물 또는 토양)에 사용될 수 있다.용도에 따라 다른 조건도 기준으로 정의된다. 예를 들어 토양에서 기준 조건은 일반적으로 토양 표면의 순수한 물로 정의된다.

압력 전위

압력 퍼텐셜은 기계적 압력에 기초하며 식물 세포 내 총 수분 퍼텐셜의 중요한 구성요소이다.물이 세포로 들어갈수록 압력 잠재력이 높아집니다.물이 세포벽과 세포막을 통과할 때 세포 내부에 존재하는 물의 총량이 증가하여 세포벽의 구조적 강성에 반하는 외부 압력을 가한다.이 압력을 만들어 냄으로써, 식물은 그 강성을 유지할 수 있게 해주는 팽압을 유지할 수 있다.부풀어 오르지 않으면 식물은 구조를 잃고 시들게 될 것이다.

식물 세포의 압력 전위는 보통 양수입니다.플라스마 용해 세포에서 압력 전위는 거의 0입니다.음압 전위는 식물 목질 용기와 같은 개방된 시스템을 통해 물을 끌어당길 때 발생합니다.음압 전위(흔히 장력이라고 함)를 견디는 것은 목질의 중요한 적응입니다.이 장력은 압력 폭탄을 사용하여 경험적으로 측정할 수 있습니다.

삼투압전위(용질전위)

순수한 물은 보통 0의 삼투압 전위( $δ {\$ \ \ $Psi$ _ ${\pi$ })를 갖는 것으로 정의되며, 이 경우 용질 전위는 절대 양수일 수 없다.용질 농도와 용질 전위의 관계는 van't Hoff 방정식에 의해 주어진다.

\Displaystyle \Psi _{\pi}=-MiRT}

$M$ 서 M $({displaystyle$ M $)$ 은 $M$ 용질 몰 농도, $i$ (\ $displaystyle$ i $)$ 는 $i$ van't Hoff 계수, 용액 내 입자량과 용존식 단위량의 비율, $(\displaystyle$ R $)$ 은 $R$ 이상적인 기체 상수, $T$ (\ $displaystyle$ T $)$ 는 $T$ 절대 온도이다.

물은 삼투막을 가로질러 물의 잠재력이 더 낮은 곳으로 확산된다.

예를 들어, 용질이 물에 용해될 때, 물 분자는 용질이 없을 때보다 삼투압을 통해 확산될 가능성이 낮다.용액은 순수한 물보다 더 낮고, 따라서 더 많은 음의 물 전위를 가질 것이다.또한 용질 분자가 많을수록 용질 전위는 더욱 음이 됩니다.

삼투압 잠재력은 많은 생물들에게 중요한 영향을 끼친다.살아있는 셀이 보다 농축된 용액에 둘러싸여 있는 경우 셀은 주변 환경의 보다 음의 수전위( $\Psi _{w}$ w $\displaystyle$ \ $Psi _{$ w $\Psi _{w}$ 로 인해 수분을 손실하는 경향이 있습니다.바닷물에 사는 해양 생물과 염수 환경에서 자라는 할로피식물의 경우가 이에 해당할 수 있다.식물세포의 경우 세포에서 나오는 물의 흐름은 결국 혈장막을 세포벽에서 떼어내 플라스마 용해를 일으킬 수 있다.그러나 대부분의 식물은 세포로 물의 흐름을 유도하고 팽만감을 유지하기 위해 세포 내부의 용질을 증가시킬 수 있는 능력을 가지고 있습니다.

이 효과는 삼투압 ^[2]발전소에 전력을 공급하는 데 사용할 수 있습니다.

토양 용액도 삼투압 전위를 경험한다.삼투압 전위는 토양 용액에 무기 및 유기 용질이 존재하기 때문에 가능합니다.물 분자가 용질 이온 또는 분자 주위에 점점 더 뭉쳐지면서 물의 이동 자유, 즉 잠재 에너지가 낮아집니다.용질 농도가 높아짐에 따라 토양용액의 삼투압 전위가 저하된다.물은 낮은 에너지 수준으로 이동하는 경향이 있기 때문에, 물은 높은 용질 농도의 영역으로 이동하기를 원할 것입니다.그러나 액체 물은 높은 삼투압 전위와 낮은 삼투압 전위 영역 사이에 반투압 막이 존재하는 경우에만 삼투압 전위의 차이에 반응하여 움직인다.반투과성 막이 필요한 이유는 물이 막을 통과하도록 하면서 용질이 막을 통과하지 못하도록 하기 때문이다.막이 존재하지 않으면 물보다는 용질이 움직이면 농도가 크게 같아집니다.

흙의 영역은 보통 반투과성 막에 의해 분할되지 않기 때문에, 일반적으로 삼투압 전위는 토양 내 물의 질량 이동에 무시해도 될 정도의 영향을 미친다.반면에 삼투압 전위는 식물의 수분 흡수 속도에 극단적인 영향을 미친다.토양에 수용성 소금이 많으면 식물의 뿌리 세포보다 토양 용액에서 삼투압 잠재력이 낮을 수 있습니다.이러한 경우 토양 용액은 식물의 수분 흡수 속도를 심각하게 제한할 것이다.염분이 많은 토양에서는 토양수의 삼투압 잠재력이 너무 낮아 어린 묘목의 세포가 붕괴하기 시작할 수 있다.

행렬 퍼텐셜(매트릭 퍼텐셜)

물이 고체 입자(예: 토양 내의 점토 또는 모래 입자)와 접촉할 경우 물과 고체 사이의 접착성 분자 간 힘이 크고 중요할 수 있습니다.물 분자와 고체 입자 사이의 힘은 물 분자 간의 흡인력과 결합하여 표면 장력과 고체 매트릭스 내의 메니시의 형성을 촉진합니다.그런 다음 이러한 메니시를 깨기 위해 힘이 필요하다.매트릭스 전위의 크기는 고체 입자 사이의 거리(메니시(menisci, 모세관 작용 및 모세관 끝의 다른 Pa)와 고체 매트릭스(meniscus, 이온 흡인으로 인한 거시적 움직임)에 따라 달라진다.

많은 경우에 매트릭스 전위의 절대값은 위에서 설명한 다른 물 전위 성분과 비교하여 상대적으로 클 수 있다.매트릭스 전위는 입자 표면 근처의 물의 에너지 상태를 현저하게 감소시킵니다.매트릭스 전위로 인한 물의 이동은 느릴 수 있지만, 식물 뿌리에 물을 공급하고 엔지니어링 용도로 사용하는 데 있어 여전히 매우 중요합니다.토양 매트릭스에 의해 이끌리는 물은 순수한 물보다 낮은 에너지 상태를 가지기 때문에 매트릭스 전위는 항상 음수이다.매트릭스 전위는 물 테이블 위의 불포화 토양에서만 발생합니다.매트릭스 전위가 0 값에 근접하면 거의 모든 토양 모공이 물로 완전히 채워집니다. 즉, 완전 포화 상태이며 최대 리텐트 용량입니다.매트릭스 전위는 토양에 따라 상당히 다를 수 있다.유사한 다공성의 습기가 적은 토양 구역으로 물이 빠져나가는 경우 매트릭스 전위는 일반적으로 -10 ~ -30 kPa 범위이다.

경험적 예

토양-식물-공기 연속체

0kPa의 전위에서는 토양이 포화 상태에 있다.포화 상태에서는 모든 토양 기공이 물로 채워지고 일반적으로 중력에 의해 큰 기공에서 물이 빠져나갑니다.-33kPa 또는 -1/3bar의 전위(모래의 경우 -10kPa)에서 토양은 현장 용량입니다.일반적으로 현장 용량에서 공기는 매크로포어에 있고 물은 마이크로포어에 있습니다.현장 용량은 식물의 성장과 미생물 활동을 위한 최적의 조건으로 간주됩니다.-1500kPa의 전위에서는 토양이 영구 시들해지기 때문에 식물 뿌리가 삼투압 확산을 통해 물을 추출할 수 없다.토양 수로는 여전히 더 많은 음의 전위로 증발하여 흡습성 수준까지 내려가며, 토양 수로는 분자 접착력에 의해 얇은 막의 고체 입자에 의해 유지된다.

이와는 대조적으로, 대기 중 수분 잠재력은 훨씬 더 부정적이다. 건조한 공기의 일반적인 값은 -100 MPa이지만, 이 값은 온도와 습도에 따라 달라진다.뿌리 물 전위는 토양보다 더 부정적이어야 하며, 줄기 물 전위는 뿌리보다 중간 정도 낮은 값이어야 하지만 잎 물 전위보다 높아야 하며, 토양에서 뿌리, 줄기 위로, 잎 위로, 그리고 ^[3]^[4]^[5]대기로의 수동적인 물의 흐름을 생성해야 한다.

측정 기술

장력계, 전기저항 석고블록, 중성자 프로브 또는 시간영역반사계(TDR)를 사용하여 토양수 전위에너지를 결정할 수 있다.장력계는 0~-85kPa, 전기저항블록은 -90~-1500kPa, 중성자 프로브는 0~-1500kPa, TDR은 0~-10,000kPa로 제한된다.특수 장비가 없을 경우 저울을 사용하여 물의 중량(백분율 구성)을 추정할 수 있습니다.

「」를 참조해 주세요.

메모들

^ Taiz; Zeiger (2002). Plant Physiology (Fourth ed.). Sinauer Associates.
^ Statkraft, 세계 최초 삼투압 발전소 건설
^ Beerling, D. J. (2015). "Gas valves, forests and global change: a commentary on Jarvis (1976) 'The interpretation of the variations in leaf water potential and stomatal conductance found in canopies in the field'". Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences. 370 (1666): 20140311. doi:10.1098/rstb.2014.0311. ISSN 0962-8436. PMC 4360119. PMID 25750234.
^ Jarvis, P. G. (1976). "The Interpretation of the Variations in Leaf Water Potential and Stomatal Conductance Found in Canopies in the Field". Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences. 273 (927): 593–610. Bibcode:1976RSPTB.273..593J. doi:10.1098/rstb.1976.0035. ISSN 0962-8436.
^ Jones, Hamlyn G. (2013-12-12). Plants and Microclimate: A Quantitative Approach to Environmental Plant Physiology. Cambridge University Press. p. 93. ISBN 9781107511637.

외부 링크

http://lawr.ucdavis.edu/classes/ssc107/SSC107Syllabus/chapter2-00.pdf

[1] Taiz; Zeiger (2002). Plant Physiology (Fourth ed.). Sinauer Associates.

[2] Statkraft, 세계 최초 삼투압 발전소 건설

[Beerling2015-3] Beerling, D. J. (2015). "Gas valves, forests and global change: a commentary on Jarvis (1976) 'The interpretation of the variations in leaf water potential and stomatal conductance found in canopies in the field'". Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences. 370 (1666): 20140311. doi:10.1098/rstb.2014.0311. ISSN 0962-8436. PMC 4360119. PMID 25750234.

[Jarvis1976-4] Jarvis, P. G. (1976). "The Interpretation of the Variations in Leaf Water Potential and Stomatal Conductance Found in Canopies in the Field". Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences. 273 (927): 593–610. Bibcode:1976RSPTB.273..593J. doi:10.1098/rstb.1976.0035. ISSN 0962-8436.

[5] Jones, Hamlyn G. (2013-12-12). Plants and Microclimate: A Quantitative Approach to Environmental Plant Physiology. Cambridge University Press. p. 93. ISBN 9781107511637.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

Search

수전위

네임스페이스

더

목차