El potencial hídrico es la energía libre o capaz de realizar un trabajo, que posee un volumen de agua determinado. Así, el agua en la parte superior de una cascada o salto de agua tiene un alto potencial hídrico que, por ejemplo, es capaz de mover una turbina.
El símbolo que se emplea para referirse al potencial hídrico es la letra griega mayúscula llamada psi, que se escribe Ψ. El potencial hídrico de cualquier sistema se mide en referencia con el potencial hídrico del agua pura en condiciones consideradas estándar (presión de 1 atmósfera y la misma altura y temperatura del sistema a estudiar).
Los factores que determinan el potencial hídrico son la gravedad, la temperatura, la presión, la hidratación y la concentración de solutos presentes en el agua. Estos factores determinan que se formen gradientes de potencial hídrico y estos gradientes impulsan la difusión del agua.
De esta manera, el agua se mueve desde un sitio con alto potencial hídrico a otro con bajo potencial hídrico. Los componentes del potencial hídrico son el potencial osmótico (concentración de solutos en el agua), potencial mátrico (adherencia del agua a matrices porosas), potencial gravitatorio y el potencial de presión.
El conocimiento del potencial hídrico es fundamental para comprender el funcionamiento de diversos fenómenos hidrológicos y biológicos. Entre estos la absorción de agua y nutrientes por las plantas y el flujo del agua en el suelo.
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Componentes del potencial hídrico
El potencial hídrico está formado por cuatro componentes: potencial osmótico, potencial mátrico, potencial gravitatorio y potencial de presión. La acción de estos componentes determina la existencia de gradientes de potencial hídrico.
Potencial osmótico (Ψs)
Normalmente el agua no se encuentra en estado puro, ya que tiene sólidos disueltos en ella (solutos), como por ejemplo sales minerales. El potencial osmótico viene dado por la concentración de solutos en la solución.
A mayor cantidad de solutos disueltos hay menor energía libre del agua, es decir menor potencial hídrico. Por lo tanto, el agua trata de establecer un equilibrio fluyendo desde soluciones con baja concentración de solutos hacia soluciones con alta concentración de solutos.
Potencial mátrico o matricial (Ψm)
En este caso el factor determinante es la presencia de una matriz o estructura material hidratable, es decir que tiene afinidad por el agua. Esto se debe a las fuerzas de adhesión creadas entre moléculas, especialmente los puentes de hidrógeno formados entre las moléculas de agua, átomos de oxígeno y los grupos hidroxilos (OH).
Por ejemplo, la adhesión del agua a las arcillas del suelo es un caso de potencial hídrico basado en el potencial mátrico. Estas matrices al atraer al agua generan un potencial hídrico positivo, por tanto el agua por fuera de la matriz fluye hacia esta y tiende a quedarse dentro como ocurre en una esponja.
Potencial gravitatorio o de altura (Ψg)
La fuerza gravitatoria de la Tierra es en este caso la que establece el gradiente de potencial, ya que el agua tenderá a caer hacia abajo. El agua situada a cierta altura posee una energía libre determinada por la atracción que ejerce la Tierra sobre su masa.
Por ejemplo, el agua en un tanque de agua elevado cae libremente por la tubería y se desplaza con esa energía cinética (de movimiento) hasta llegar al grifo.
Potencial de presión (Ψp)
En este caso, el agua sometida a presión posee mayor energía libre, es decir mayor potencial hídrico. Por lo tanto, esta agua se desplazará desde donde está sometida a presión hacia donde no la hay y en consecuencia hay menos energía libre (menos potencial hídrico).
Por ejemplo, cuando dosificamos gotas mediante un gotero, al apretar la perilla de goma estamos aplicando una presión que confiere energía al agua. Debido a esta mayor energía libre, el agua se desplaza hacia el exterior donde la presión es menor.
Métodos para determinar el potencial hídrico
Existe una diversidad de métodos para medir el potencial hídrico, algunos adecuados para el suelo, otros para tejidos, para sistemas hidráulicos mecánicos y otros. El potencial hídrico es equivalente a unidades de presión y se mide en atmósferas, bares, pascales o psi (libras por pulgada cuadrada en sus siglas en inglés).
A continuación se presentan algunos de estos métodos:
Cámara de presión o bomba de Scholander
Si se desea medir el potencial hídrico de la hoja de una planta, se puede emplear una cámara de presión o bomba de Scholander. Esta consiste en una cámara hermética donde se coloca la hoja entera (lámina con su pecíolo).
Luego se procede a aumentar la presión dentro de la cámara introduciendo un gas presurizado, midiendo mediante manómetro la presión que se va alcanzando. La presión del gas sobre la hoja va en aumento, hasta el punto en que el agua contenida en esta brota por el tejido vascular del pecíolo.
La presión que indique el manómetro cuando el agua sale de la hoja, corresponde al potencial hídrico de la misma.
Sondas de presión
Existen diversas alternativas para medir el potencial hídrico mediante instrumentos especiales llamados sondas de presión. Las hay diseñadas para medir el potencial hídrico del suelo, basadas principalmente en el potencial mátrico.
Por ejemplo, hay sondas digitales que trabajan sobre la base de introducir en el suelo una matriz de cerámica porosa conectada a un sensor de humedad. Esta cerámica se hidrata con el agua en el interior del suelo hasta alcanzar el equilibrio entre el potencial hídrico dentro de la matriz de cerámica y el potencial hídrico del suelo.
Posteriormente, el sensor determina el contenido de humedad de la cerámica y estima el potencial hídrico del suelo.
Microcapilar con sonda de presión
También existen sondas capaces de medir el potencial hídrico en tejidos vegetales, como por ejemplo el tallo de una planta. Un modelo consiste en un tubo muy delgado de punta fina (tubo micropilar) que se introduce en el tejido.
Al penetrar el tejido vivo, la solución contenida en las células sigue un gradiente de potencial definido por la presión contenida en el tallo y se introduce en el micropilar. Al entrar el líquido del tallo en el tubo, empuja un aceite contenido en el mismo que activa una sonda de presión o manómetro que asigna un valor correspondiente al potencial hídrico
Variaciones de peso o volumen
Para medir el potencial hídrico basado en el potencial osmótico, se pueden determinar las variaciones de peso de un tejido sumergido en soluciones a distintas concentraciones de un soluto. Para esto, se prepara una serie de tubos de ensayo, cada uno con una concentración creciente conocida de un soluto, por ejemplo sacarosa (azúcar).
Es decir, si en cada uno de 5 tubos hay 10 cc de agua, se agrega en el primer tubo 1 mg de sacarosa, en el segundo 2mg y así hasta 5 mg en el último. Por tanto tenemos una batería en ascenso de concentraciones de sacarosa.
Luego se cortan 5 secciones de peso igual y conocido del tejido al que se le quiere determinar el potencial hídrico (por ejemplo trozos de patata). A continuación, se coloca una sección en cada tubo de ensayo y pasadas 2 horas, se extraen las secciones de tejido y se pesan.
Resultados esperados e interpretación
Se espera que algunos trozos pierdan peso por pérdida de agua, otros lo habrán aumentado porque absorbieron agua y otros mantendrán el peso.
Los que pierden agua se encontraban en una solución donde la concentración de sacarosa era mayor que la concentración de solutos dentro del tejido. Por tanto el agua fluyó según el gradiente de potencial osmótico de la mayor concentración a la menor, y el tejido perdió agua y peso.
Por el contrario, el tejido que ganó agua y peso, se encontraba en una solución con menor concentración de sacarosa que la concentración de solutos dentro del tejido. En este caso el gradiente de potencial osmótico favoreció el ingreso del agua al tejido.
Por último, en aquel caso en el que el tejido mantuvo su peso original, se infiere que la concentración en la que se encontraba posee igual concentración de soluto. Por tanto, esta concentración corresponderá al potencial hídrico del tejido estudiado.
Ejemplos
La absorción de agua por las plantas
Un árbol de 30 m de altura necesita transportar el agua desde el suelo hasta la última hoja, y esto lo hace a través de su sistema vascular. Este sistema es un tejido especializado formado por células que son muertas y son semejantes a tubos muy delgados.
El transporte es posible gracias a las diferencias de potencial hídrico que se generan entre la atmósfera y la hoja, que a su vez se transmite al sistema vascular. La hoja pierde agua en forma estado gaseoso debido a la mayor concentración de vapor de agua en ella (potencial hídrico mayor) respecto al ambiente (potencial hídrico menor).
La pérdida de vapor genera una presión negativa o succión que impulsa el agua desde los vasos del sistema vascular hacia la lámina de la hoja. Esa succión se transmite de vaso a vaso hasta llegar a la raíz, donde las células y espacios intercelulares están embebidos del agua absorbida del suelo.
El agua proveniente del suelo, penetra a la raíz debido a una diferencia de potencial osmótico entre el agua de las células de epidermis de la raíz y la del suelo. Esto ocurre porque las células de la raíz poseen solutos en mayor concentración que el agua del suelo.
Los mucílagos
Muchas plantas de ambientes secos retienen agua produciendo mucílagos (sustancia viscosa) que se almacenan en sus vacuolas. Estas moléculas retienen agua reduciendo su energía libre (bajo potencial hídrico), siendo en este caso determinante el componente mátrico del potencial hídrico.
Un tanque de agua elevado
En el caso de un sistema de provisión de agua basado en un tanque elevado, el mismo se llena de agua debido al efecto del potencial de presión. La empresa que provee el servicio de agua, la somete a presión mediante bombas hidráulicas y así vence la fuerza de gravedad para llegar al tanque.
Una vez lleno el tanque, el agua se distribuye desde el mismo gracias a una diferencia de potencial entre el agua almacenada en el tanque y las salidas de agua en la casa. Al abrir un grifo se establece un gradiente de potencial gravitatorio entre el agua en la boca del grifo y la del tanque.
Por tanto, el agua del tanque tiene mayor energía libre (mayor potencial hídrico) y cae principalmente debido a la fuerza de gravedad.
La difusión de agua en el suelo
El componente principal del potencial hídrico del suelo es el potencial mátrico, dada la fuerza de adhesión que se establece entre las arcillas y el agua. Por otra parte, el potencial de gravedad incide en el gradiente de desplazamiento vertical del agua en el suelo.
De la energía libre del agua contenida en el suelo, es decir de su potencial hídrico, dependen muchos procesos que se dan en el mismo. Entre estos procesos están la nutrición y transpiración de las plantas, la infiltración del agua de lluvia y la evaporación del agua del suelo.
En la agricultura es importante determinar el potencial hídrico del suelo para aplicar adecuadamente el riego y la fertilización. Si el potencial mátrico del suelo es muy alto, el agua permanecerá adherida a las arcillas y no estará disponible para la absorción por las plantas.
Referencias
- Busso, C.A. (2008). Uso de la cámara de presión y los psicrómetros a termocupla en la determinación de las relaciones hídricas en tejidos vegetales. ΦYTON.
- Quintal-Ortiz, W.C., Pérez-Gutiérrez, A., Latournerie-Moreno, L., May-Lara, C., Ruiz-Sánchez, E. y Martínez-Chacón, A.J.(2012). Uso de agua, potencial hídrico y rendimiento de chile habanero (Capsicum chinense Jacq.). Revista Fitotecnia Mexicana.
- Salisbury, F.B. and Ross, C.W. (1991). Plant Physiology. Wadsworth Publishing.
- Scholander, P., Bradstreet, E., Hemmingsen, E. and Hammel, H. (1965). Sap Pressure in Vascular Plants: Negative hydrostatic pressure can be measured in plants. Science.
- Squeo, F.A. (2007). El Agua y el Potencial Hídrico. En: Squeo, F.A. y Cardemil, L. (Eds.). Fisiología Vegetal. Ediciones Universidad de La Serena