Úloha č. 3: Měření vodního a osmotického potenciálu psychrometricky 1. Co je to vodní potenciál (Ψ w ) systému půda(voda) rostlina atmosféra? Vodní potenciál Ψ w je definován jako aktivita vody v systému. Čisté (destilované) vodě na povrchu země byl určen vodní potenciál nula a tedy Ψ w až na výjimky nabývá negativních hodnot. Čím zápornější Ψ w je, tím nedostatkovější se voda stává a tím více po ní rostlinná buňka prahne. Voda proudí po gradientu Ψ w, tedy z míst s méně záporným Ψ w do míst s jeho negativnější hodnotou. Používaný aditivní vztah pro vodní potenciál rostlinné buňky je následující: Ψ w = Ψ s + Ψ p +Ψ g + Ψ m Kde Ψ w (Ψ se čte [psí]) je vodní potenciál a většina členů rovnice nabývá záporných hodnot! Ψ s je osmotický potenciál (záporná hodnota osmotického tlaku). Je tedy vždy záporný nebo nulový (čistá voda má nulu). Čím vyšší koncentrace látek je ve vodě rozpuštěna, tím zápornější je Ψ s. Např. u 0,1M roztoku NaCl (disociuje na dvě částice), Ψ s = 0,488 MPa, zatímco u 0,1M roztoku sacharózy (nedisociuje) platí, že Ψ s = 0,244 MPa. (Vztah pro výpočet neuvádím, lze ho najít v učebnicích fyzikální chemie a dnes i na Wikipedii a fyzikální nadšenci si jej také snadno odvodí. Pro malé koncentrace je jednoduchý, pro vyšší značně komplikovaný anžto částice na sebe často narážejí což už zde nelze zanedbávat). Ψ p je tlakový potenciál a odpovídá přímo tlaku vody v buňce či jiném kompartmentu. Může být kladný (turgescentní buňka), nulový (volná voda) i záporný (voda pod napětím tenzí jako je tomu například v sacím potrubí čerpadla nebo v cévách kmenů stromů nad zemí). V této souvislosti se hodí zmínit pojem kořenový vztlak. Jde o jev, kdy aktivním transportem osmotik nebo hydrolýzou velkých molekul vzniká kladný tlak v kořenech živých rostlin a tento tlak žene vodu ( mízu ) do nadzemních částí rostlin. Projevuje se například krvácením řezných ploch lodyh či pařezů krytosemenných rostlin a setkáme se s ním především na jaře, kdy je v kořenech štěpen škrob na osmoticky mnohem aktivnější mono a oligosacharidy. Ψ g je gravitační potenciál. Je tím vyšší, čím výše se sledované místo nachází nad zemí (místem hlavního příjmu vody rostlinou). Výšce 10 m přibližně odpovídá Ψ g = 0,1 MPa tedy jedna atmosféra. Vztah opět neuvádím. Jde o fyziku učenou v 5. ročníku ZŠ. Ψ m je naopak velmi složitá věc matriční potenciál. Počítá se nesnadno. Proto zde jen jednoduše: Většina povrchů (celulóza, půdní koloidy) je hydrofilních a váže vodu. Vrstvy molekul vody, které přiléhají k takovému povrchu se tedy nechovají jako volná voda, nýbrž jsou vázány a imobilizovány. V dobře hydratovaném systému, kde je vody výrazně více než povrchů (zjednodušeně) tedy můžeme Ψ m zanedbávat (= považovat za nulový). Naopak v systémech s obrovským povrchem vzhledem k množství vody (jakými je často například vysýchající půda nebo bobtnající semena) může být matriční potenciál nejzápornější složkou vodního potenciálu. Uvádí se např., že pro půdní póry o velikosti 60 µm, které jsou zaplněny vodou činí matriční složka (Ψ m ) 0,005MPa, zatímco pro póry o velikosti 0,2 µm je to už 1,5 MPa. Póry o velikosti menší než 0,2 µm tedy vážou vodu tak pevně, že přestává být pro rostliny dostupná (viz dále). 1
Jistě neuškodí připomenout typické vodní potenciály některých systémů: Vzduch při 50% relativní vlhkosti (RH): 95 MPa Vzduch v průduchové štěrbině (95% RH): 7 MPa Buňečná šťáva v listu v 10m výšce: 0,8MPa Půda v blízkosti kořenů: 0,5MPa Půda s nasycenou kapilární kapacitou: 0,005MPa Půda na bodu trvalého vadnutí: 1,5 MPa Nasycená kapilární kapacita půdy: Půda, která obsahuje největší možné množství vody, kterou váže v pórech o největší velikosti (asi 60 µm), jejichž matriční potenciál ještě právě stačí k tomu, aby voda neodtekla. Bod trvalého vadnutí: Jedná se o vodní potenciál půdy (snížený především matriční složkou potenciálu), ze které již rostlina nejen není schopna přijímat vodu a udržovat turgescentní pletiva, ale při dosažení této suchosti už ani po navlhčení neobnoví turgor a umírá. Proto je tato hodnota ekologicky i zemědělsky velmi důležitá. Arbitrární hodnota 1,5MPa je však dohodnutá (typická pro mesofyta), ale ve skutečnosti závisí i na druhu rostliny. Obsah vody v půdě při dosažení tohoto potenciálu velmi záleží na vlastnostech půdy, především na velikosti pórů, které poutají vodu. Zatímco v písčité půdě při Ψ w = 1,5MPa zůstává jen několik procent vody, v půdě jílovité může být ještě přes 25% vody, která ovšem pro kořeny rostlin není dostupná, protože je pevně vázána na obrovské plochy jílových minerálů a humusu. 2. Otázky k zamyšlení (kdo mi je před praktikem hezky zodpoví, ten mi udělá radost a budu na něj během praktika nadprůměrně milý ): 1/ Dovedete z uvedených pojmů a výkladu vysvětlit, co je to zadržovací kapacita půdy pro vodu a na čem závisí? 2/ Napadají vás strategie, kterými rostlina může zlepšit příjem vody ze suchých či zasolených půd? 3/ Co to je mykorhiza a jak může rostlině pomoci s jejím vodním provozem? 4/ Rozumíte a dovedete vysvětlit pojmy: rosný bod, turgor, osmotický tlak, polopropustná membrána, osmóza, plasmolýza, kapilární elevace, koloidy, kořenový vztlak, xylém, cévy, cévice, kavitace, průduchy, kutikula, transpirace a transpirační proud v souvislosti s rostlinami? 2
3. Měření vodního potenciálu psychrometricky (psychrometr = přistroj k měření relativní vlhkosti vzduchu) Velmi zjednodušeně: Wescor HR 33T, je mikrovoltmetr, který měří malá napětí termočlánkového spoje, která jsou vyvolána vysycháním vody na jeho povrchu (nebo ustalováním rovnováhy mezi plynnou a kapalnou fází vody). Přístroj se bez velké změny vyrábí už přes 30 let a jeho citlivost je na měření rostlinného materiálu plně vyhovující. Mnohem více omezující je pomalost ustalování měřících komor, které jsou velmi citlivé na ustavení rovnováhy a na výkyvy teploty (i výkyv o 0,001 C během měření může způsobit chybu měření). Princip měření je jednoduchý, praxe jak to tak bývá složitější Princip měření Pokud uzavřeme kapku vody do malého prostůrku kde je nad ní vzduch, potom se voda postupně odpařuje a zvlhčuje vzduch nad ní. Funguje ale i opačný proces čím je vzduch vlhčí, tím víc molekul H 2 O se vrací zase do vodní fáze. Asi je jasné, že se tyhle děje jednou vyrovnají. Pak mluvíme o nasycené vodní páře ve vzduchu a jeho relativní vlhkost (RH) je rovna 100%. Pokud voda obsahuje osmotika, která se nevypařují (nejčastěji soli), je tím takříkajíc zředěna, její aktivita je snížena a rovnováha se ustaví při nižší RH vzduchu. Je to proto, že se vypařuje o něco méně (vody je v roztoku méně), ale návrat molekul vody ze vzduchu do kapalného skupenství je prakticky stejně rychlý. Pokud tedy dokážeme dostatečně přesně měřit relativní vlhkost vzduchu nad naším vzorkem, který je se vzduchem v rovnováze, máme vyhráno. Pak už stačí jen RH vzduchu přepočítat na vodní potenciál našeho systému, který je se vzduchem v rovnovéze. Toto právě dělá Wescor na principu velmi přesného měření teploty. Možná vás napadne proč přímo neměřit vlhkost?! Je to proto, že ta je velmi blízká 100% a zjistit přímo tyto nepatrné rozdíly je téměř nemožné. Pro ilustraci: čistá voda má z definice vodní potenciál 0 a relativní vlhkost nad ní bude 100%. List, který má vodní potenciál 5 MPa a ten už u většiny druhů rostlin není slučitelný se životem - nad sebou vytvoří ustálenou relativní vlhkost (RH) přibližně 96%. Většina normálních listů bude vlhčích a my se budeme tedy pohybovat v rozmezí RH přibližně 98 až 100%. Tady nám meteorologický vlhkoměr nepomůže a musíme se vydat jinou cestou. Termočlánek, který přístroj pro měření používá, má dva spoje různých kovů (kovů s rozdílnou výstupní prací elektronů) a je zdrojem napětí, které je úměrné rozdílu teplot mezi jeho spoji. Pokud budeme schopni měřit dost malá napětí, budeme moci měřit i malé rozdíly teploty. Teď zbývá jen vysvětlit, jak se k sobě má RH vzduchu a teplota. Tady si pomůžeme malým obrázkem. Ve vzorkové komůrce je uzavřen vzorek pletiva, voda v něm je v rovnováze se vzduchem nad vzorkem. Jeden spoj termočlánku je pevně spojen s hliníkovým masivním blokem, který vnitřnímu prostoru skýtá vysokou teplotní stabilitu (i kolísání teploty o ± 0,001 C může být rušivé). Naproti tomu druhý spoj je exponován ve vnitřním prostoru a jeho teplota se může měnit. Ale proč by se měla lišit a jak to souvisí s vlhkostí??? řeknete si asi. A v tom právě spočívá způsob jak převést drobný rozdíl ve vlhkosti na teplotu. Když na tomto konci vytvoříme malou kapičku čisté vody, bude se odpařovat, pokud okolní vzduch v rovnováze se vzorkem má menší než 100% relativní vlhkost. Tento výpar bude spoj ochlazovat a toto ochlazování bude nepřímo úměrné vlhkosti vzduchu a vodnímu potenciálu vzorku. Čím sušší vzorek a vzduch, tím rychleji se bude kapka odpařovat a tím více také termočlánek ochlazovat. Naopak pokud vzorek bude 3
mít nulový vodní potenciál (čistá voda), bude nad ním 100% RH a kapka se nemá takříkajíc kam vypařovat. Takže nevznikne žádný rozdíl teplot a přístroj bude indikovat 0 hodnotu jak teploty, tak vodního potenciálu. Opět připomínám, že měříme rozdíly teplot řádu 0,01 až 0,1 C, takže nároky na teplotní ustálení jsou extrémní. Proti očekávání ale toto nebrání využití metody a tohoto přístroje v terénu při troše pečlivosti a dostatku času do jde i když v laboratoři je to jednodušší. Teď už zbývá jen vysvětlit, kde se vezme kapka čisté vody na volném spoji termočlánku. Není to složité Termočlánek totiž dovede ještě jednu, a to přesně opačnou věc, než jsme popsali. Pokud rozdíl teploty mezi spoji generuje na výstupu z termočlánku napětí, pak napětí přiložené na vývody musí generovat rozdíl teploty mezi těmito dvěma spoji. Co víc, nejenže jeden spoj hřeje, druhý dokonce chladne pod teplotu okolí! Tahle nezvyklá vlastnost se v praxi využívá v chladící technice a říká se ji Peltierův jev. Speciálně upravené termočlánky pak Peltierovy články. Asi je znáte pokud jste počítačoví nadšenci, protože tuningátoři je používají na chlazení CPUs, ale to už odbočujeme moc. Takže kapku uděláme na volném konci tak, že do termočlánku pustíme na chvíli proud takové polarity, že se volný konec ochladí. Protože je kolem něj vysoká vlhkost, stačí ochlazení menší než 1 C a orosí se jako brýle, se kterými přijdete ze zimy. Poté proud vypneme a termočlánek používáme k měření teploty jak jsme si popsali výše. Dvě metody měření, které Wescor umí A/ psychrometrická Měří se ochlazování vlhkého termočlánku výparem přesně tak, jak je to popsáno výše. B/ metoda rosného bodu Mít ve Wescoru zdroj chladícího proudu jen pro vytvoření kapičky na volném spoji by bylo skoro marnotratné. Pokud vzniklou kapku necháme volně vypařovat, dosáhne spoj jisté míry podchlazení, kterou zaznamenáme, kapička se postupně vypaří a poté teplotní rozdíl vymizí. Pokud budeme naopak spoj stále chladit plným chladícím výkonem, bude se množství kondenzované vody zvyšovat. Je zřejmé, že musí existovat nějaký kompromis, při kterém se kapička ani nezvětšuje ani neodpařuje. K tomuto bodu přísluší určitá teplota a určitý chladící proud. Pokud víte něco o meteorologii, už vám svítá, že jde o teplotu rosného bodu, kterou bude velmi výhodné měřit, protože je přesně tabelována a na rozdíl od ochlazovacího efektu 4
vypařující se vody nezávisí na konstrukci termočlánku (jeho odvodu či přijímání tepla z okolí). Převod z teploty na vlhkost tak bude mít u všech termočlánků a měřících komor stejnou konstantu. Co naopak závisí na termočlánku, je jeho chladící účinnost, která musí být na přístroji nastavena, aby poznal jaký chladící proud má do termočlánku pouštět a kdy je dosaženo rovnovážné teploty rosného bodu. Ukážeme si Obecně platí, že metoda rosného bodu je vhodnější a přesnější pro více vlhké vzorky (list, osmotické roztoky), psychrometrická zase pro sušší (půda). Zkusíme si obě. Popis přístroje Přístroj si popíšeme společně. Myslím, že je důležitější znát do začátku spíše princip, než kterým knoflíkem se točí. Přesto přikládám jeho fotografii, abyste věděli do čeho jdete Nejde zde o celý přístroj, ale o jeho část, která zodpovídá za vyhodnocování a řízení. Vlastní měřící termočlánek je vždy v kovové isotermní komoře, kterých je několik typů a s každou se trochu jinak pracuje. Ukážeme si. Závěrem pro zajímavost uveďme, že termočlánek je zhotoven z vodiče o průměru 0,02 mm (asi 3x tenčí než lidský vlas) a množství kondenzované a vypařované vody na něm je tak mikroskopické, že shora používaný pojem kapička je téměř nadnesený. 5
4. Zadání 1/ Změřte vodní potenciál předložených vzorků rostlinného pletiva (listu) a interpretujte získané hodnoty ve fyziologické terminologii. - které rostliny jsou pravděpodobně více stresovány suchem? - jsou větší rozdíly mezi druhy rostlin, nebo mezi způsoby pěstování? 2/ Poté vylisujte ze vzorků buněčnou šťávu a změřte její osmotický potenciál. - jsou získané hodnoty stejné jako u vodního potenciálu listů, ze kterých pocházejí? - pokud ne, které složky vodního potenciálu zodpovídají za odlišnosti? 5. Vyhotovení protokolu Preferuji protokoly stručné, ale logické s dostatečnou diskusní částí. Obsah je důležitější než forma, ale musím to přečíst a pochopit! Myslím, že není třeba do nich ani opisovat či vkopírovávat ten sáhodlouhý princip měření. Jestli jste si ho přečetli a dostatečně mu rozumíte si ostatně ověřím když ke mně přijdete. Pokud budete mít dobré nápady a závěry, můžeme protokol udělat hned na místě, ušetříme si čas následným vzájemným naháněním. Pokud budete preferovat samostatnou práci s daty, vezmete si naměřené údaje s sebou a protokol mi ke schválení přinesete později. 6