Calcolatore del Potenziale Idrico - Strumento Gratuito per Soluto e Pressione

Che cos'è il potenziale idrico?

Un calcolatore del potenziale idrico determina il potenziale idrico totale (Ψw) di una cellula vegetale o di una soluzione sommando il potenziale dei soluti (Ψs) e il potenziale di pressione (Ψp). Il potenziale idrico misura la tendenza dell'acqua a spostarsi da un luogo all'altro. Si esprime in megapascal (MPa), un'unità di pressione.

L'acqua si sposta sempre da una regione con potenziale idrico più alto a una regione con potenziale idrico più basso. Questa unica regola spiega come l'acqua entra nelle radici delle piante, risale lungo i fusti ed esce attraverso le foglie.

La formula del potenziale idrico

La formula utilizzata dal calcolatore è:

Ψw = Ψs + Ψp

• Ψw: potenziale idrico, in MPa
• Ψs: potenziale dei soluti (detto anche potenziale osmotico), in MPa
• Ψp: potenziale di pressione, in MPa

L'acqua pura alla pressione atmosferica ha un potenziale idrico pari a 0 MPa. Questo valore è il punto di riferimento. Le sostanze disciolte e la pressione fisica fanno aumentare o diminuire il valore rispetto a quel punto.

Componenti del potenziale idrico

Potenziale dei soluti (Ψs)

Il potenziale dei soluti misura l'effetto delle particelle disciolte, come zuccheri o sali, sull'energia dell'acqua. Le particelle disciolte attirano e trattengono le molecole d'acqua, il che riduce l'energia libera dell'acqua. Per questo motivo il potenziale dei soluti è sempre nullo o negativo. Una soluzione diluita ha un valore vicino a 0 MPa. Una soluzione concentrata raggiunge valori molto più bassi. L'acqua di mare ha una pressione osmotica di circa 2,5 MPa, il che significa un potenziale dei soluti di circa -2,5 MPa.

Potenziale di pressione (Ψp)

Il potenziale di pressione misura la pressione fisica esercitata sull'acqua. All'interno di una cellula vegetale sana e idratata, il contenuto della cellula spinge verso l'esterno contro la parete cellulare. Questa è detta pressione di turgore e produce un potenziale di pressione positivo, tipicamente intorno a +0,6-+0,8 MPa e fino a circa +1,5 MPa in una pianta ben annaffiata. Nei tubi che conducono l'acqua in una pianta (lo xilema), l'acqua è spesso tirata anziché spinta. L'evaporazione dalle foglie può creare una tensione di circa -2 MPa sulla superficie fogliare, un valore che varia a seconda di quanto è secca l'aria.

Come calcolare il potenziale idrico

1. Misurare o determinare il potenziale osmotico del campione, in MPa. Questo valore è generalmente negativo o nullo.
2. Misurare o determinare il potenziale di pressione del campione, in MPa. Questo valore può essere positivo, negativo o nullo.
3. Sommare i due valori. La somma è il potenziale idrico, Ψw.

Il calcolatore esegue automaticamente questa addizione una volta inseriti entrambi i valori.

Esempio pratico

Un campione di foglia ha un potenziale osmotico pari a -0,7 MPa e un potenziale di pressione pari a +0,4 MPa.

Ψw = Ψs + Ψp Ψw = -0,7 + 0,4 Ψw = -0,3 MPa

Il potenziale idrico della foglia è -0,3 MPa. Se immerse in acqua pura (0 MPa), le cellule della foglia assorbirebbero acqua, perché l'acqua si sposta verso il potenziale più elevato. Se poste a contatto con acqua del suolo a -0,5 MPa, le cellule della foglia perderebbero invece acqua, perché -0,5 MPa è inferiore a -0,3 MPa.

Un secondo esempio: una cellula ha Ψs = -1,8 MPa e Ψp = +0,5 MPa.

Ψw = -1,8 + 0,5 = -1,3 MPa

Interpretazione del risultato

Un potenziale idrico più negativo significa che l'acqua è sottoposta a maggiore stress e attira con più forza l'acqua circostante. Un valore meno negativo o positivo significa che l'acqua è disponibile più liberamente. Quando Ψs e Ψp sono uguali e opposti, per esempio -0,5 MPa e +0,5 MPa, il totale è 0 MPa, come per l'acqua pura. Una cellula di questo tipo è completamente turgida e non assorbe acqua dall'acqua pura. All'estremo opposto, quando il potenziale di pressione scende a 0 MPa, il potenziale idrico è uguale al potenziale dei soluti. Le foglie appassiscono quando il loro potenziale di pressione si avvicina a 0 MPa. Se la perdita d'acqua continua oltre quel punto, la membrana cellulare si stacca dalla parete cellulare, una condizione detta plasmolisi.

Unità del potenziale idrico

I megapascal (MPa) sono l'unità standard nella fisiologia vegetale moderna. Altre due unità compaiono nella letteratura più antica o correlata:

• Bar: 1 bar = 0,1 MPa
• Kilopascal (kPa), comuni nella pedologia: 1 MPa = 1.000 kPa

Perché il potenziale idrico è importante

Il potenziale idrico spiega diversi processi quotidiani delle piante. Le radici assorbono acqua quando il loro potenziale idrico è inferiore a quello del terreno circostante. Le foglie appassiscono quando non riescono a mantenere un potenziale idrico abbastanza basso da tenere turgide le proprie cellule. I ricercatori usano il potenziale idrico per confrontare quanto bene diverse varietà di colture tollerano la siccità, e i responsabili dell'irrigazione lo usano per decidere quando un campo ha bisogno d'acqua. Più il potenziale idrico di una pianta scende, maggiore è lo stress da siccità a cui è sottoposta. Gli intervalli sani variano a seconda della specie e dell'ora del giorno.

Poiché la formula combina soltanto il potenziale osmotico e quello di pressione, comprende i componenti più rilevanti per le cellule vegetali e le soluzioni semplici. Il potenziale idrico del suolo comprende anche il potenziale matriciale, che descrive l'acqua trattenuta dalle particelle del suolo, e che viene escluso da questo calcolo semplificato a due termini.

Domande frequenti

Che cos'è il potenziale idrico in parole semplici? È una misura della tendenza dell'acqua presente in un sistema a spostarsi. L'acqua fluisce dal potenziale idrico alto a quello basso, in modo simile al calore, che passa dal caldo al freddo.

Qual è la formula del potenziale idrico? Ψw = Ψs + Ψp, dove Ψw è il potenziale idrico, Ψs è il potenziale osmotico e Ψp è il potenziale di pressione. Tutti e tre si misurano in megapascal.

Perché il potenziale osmotico è generalmente negativo? Le particelle disciolte legano le molecole d'acqua e riducono la quantità di acqua libera disponibile a spostarsi, diminuendo l'energia dell'acqua. I valori nulli o negativi sono tipici; il potenziale osmotico non è mai positivo.

Il potenziale idrico può essere positivo? Sì, quando il potenziale di pressione è positivo e maggiore del valore assoluto del potenziale dei soluti negativo. Per esempio, Ψs = -0,3 MPa e Ψp = +0,5 MPa danno Ψw = +0,2 MPa. Il calcolatore accetta tali valori e restituisce la somma positiva.

Qual è la differenza tra potenziale idrico e contenuto d'acqua? Il contenuto d'acqua è la quantità d'acqua presente. Il potenziale idrico indica quanto quell'acqua è disponibile a spostarsi. Due suoli possono contenere la stessa quantità d'acqua, ma avere potenziali idrici molto diversi, perché la tessitura del suolo influisce su quanto fortemente l'acqua viene trattenuta.

Il calcolatore tiene conto del potenziale matriciale del suolo? No. Somma soltanto il potenziale osmotico e il potenziale di pressione, il che è accurato per le cellule vegetali e le soluzioni semplici. Il potenziale idrico del suolo non saturo dipende anche dal potenziale matriciale, che richiede una misurazione separata.

Riferimenti

1. OpenStax. Biology 2e, 30.5 Transport of Water and Solutes in Plants. Trasporto di acqua e soluti nelle piante — l'acqua si sposta da un potenziale idrico più alto a uno più basso; l'acqua pura ha 0 MPa; il potenziale dei soluti è negativo in una cellula e nullo nell'acqua pura; potenziali di pressione di circa 0,6-0,8 MPa, fino a 1,5 MPa; circa -2 MPa di tensione sulla superficie fogliare; il potenziale di pressione si avvicina a 0 MPa al punto di appassimento.
2. Harvard Medical School, BioNumbers. Osmotic pressure of sea water (BNID 108541). Pressione osmotica dell'acqua di mare — l'acqua di mare ha una pressione osmotica di circa 2,5 MPa, con riferimento a Nobel, Physicochemical and Environmental Plant Physiology.
3. National Institute of Standards and Technology. NIST Guide to the SI (Special Publication 811), Appendix B.8. Fattori per le unità elencate in ordine alfabetico — 1 bar = 100 kPa = 0,1 MPa.
4. OpenStax. Biology 2e, 5.2 Passive Transport. Trasporto passivo — in una cellula vegetale che continua a perdere acqua, la membrana cellulare si stacca dalla parete cellulare; questa è la plasmolisi, e la pianta perde la pressione di turgore e appassisce.