Lexikon der Biologie: Wasserpotential
Wasserpotentials, Symbol Ψ, thermodynamische Größe (Thermodynamik), welche die Wassersättigung eines Systems (Boden, Luft, Zelle, Pflanze, Flüssigkeiten) beschreibt. Das Wasserpotential ist die Arbeit, die geleistet werden muß, um eine Volumeneinheit Wasser aus dem betrachteten System auf das Potentialniveau (Potential) des Bezugssystems (reines Wasser bei Atmosphären-Druck [Atmosphäre] und gleicher Höhe über dem Meeresspiegel) zu überführen. Das Wasserpotential von reinem Wasser ist definitionsgemäß Ψ = 0. Das Wasserpotential wird in Druck-Einheiten angegeben (Energie/Volumen, entspricht Kraft/Fläche). Es ist der negative Wert der Saugspannung (früher auch Saugkraft genannt). Das Wasserpotential steht mit der Hydratur (hy) in folgender Beziehung: Ψ = (RT/V) · ln (hy/100); R = allgemeine Gaskonstante, T = Temperatur, V = Volumen des Systems. – Pflanzenzelle: Das Wasserpotential Ψ der vakuolisierten Pflanzenzelle ( vgl. Abb. 1 ) setzt sich aus 3 Komponenten zusammen: dem durch die Zellwand verursachten Druckpotential Ψp (positiv), dem negativen Matrixpotential Ψτ (Quellungsdruck; Quellung), das durch quellfähige Substanzen im Cytoplasma verursacht wird, und dem negativen osmotischen Potential Ψπ der Vakuole (osmotischer Druck) mit den darin gelösten Stoffen. Es gilt: Ψ = Ψp + Ψτ + Ψπ. Das Matrixpotential ist meist vernachlässigbar klein. In einer wassergesättigten Zelle ist der Wanddruck gleich groß wie der osmotische Druck (= Potential), so daß die Saugspannung S = 0 (Turgor). In einem hypertonen Medium (anisotonische Lösungen, Osmose) verliert die Zelle Wasser. Löst sich der Protoplast von der Zellwand (Grenz-Plasmolyse), so ist der Wanddruck = 0. Das Wasserpotential der Zelle wird nur durch das osmotische Potential bestimmt. Im Gewebsverband baut sich durch die Turgeszenz (Turgor) ein von außen auf die Zelle einwirkender Druck auf, der den Wanddruck verstärkt. Häufig entsteht dadurch eine durch die Nachbarschaft aufgezwungene „Zwangslage“, die oft als Gewebespannung bezeichnet wird. Dies läßt sich sichtbar machen, wenn man einen turgeszenten Stengel spaltet und in Wasser legt: dann rollt er sich nach außen, weil zuvor die Epidermis gedehnt war und nun „zusammenschnurrt“. Diese Gewebespannung wird aktiv gesteuert und ist die Grundlage vieler Wachstumsbewegungen. – Die Pflanze ist in das Wasserpotentialgefälle zwischen Boden und Atmosphäre eingespannt ( vgl. Abb. 2 und 3 ; Wasserkreislauf [Abb.], Wasserhaushalt der Pflanze ). Dieses Gefälle ist der Motor des Wassertransports in der Pflanze. Das Wasserpotential in einem Pflanzenorgan ist um so negativer, je niedriger das Bodenwasserpotential (s.u.) ist, je größer die Leitungswiderstände in der Pflanze sind (d.h., je weiter der Transportweg ist) und je größer die Höhe ist, die überwunden werden muß. Eine Pflanze kann nur so lange Wasser aus dem Boden aufnehmen, wie das Wasserpotential der Wurzel niedriger ist als das des umgebenden Bodens. Ist dies nicht mehr der Fall, so welkt (welken) sie permanent. Das entsprechende Wasserpotential wird permanenter Welkepunkt genannt. Die erreichbaren maximalen Wurzelsaugspannungen sind art- und standortspezifisch. Hygrophyten können bis 10 bar erreichen, Xerophyten dagegen bis 60 bar. Für mitteleuropäische Bäume liegt der Grenzwert bei ca. 30 bar. – Im Boden setzt sich das Wasserpotential zusammen aus dem Matrixpotential (auch Wasserspannung des Bodens genannt), dem osmotischen Potential und dem meist vernachlässigbaren hydrostatischen Druck auf das Bodenwasser. Das osmotische Potential kann in Salzböden beträchtliche Werte erreichen, ansonsten aber ist das Matrixpotential die wesentlichste Komponente. Es ist die Kraft, mit der Haftwasser adsorptiv (Adsorption) an Bodenpartikeln und kapillar in Bodenporen (Porung [Tab.]) festgehalten wird. Ist ein Boden nicht wassergesättigt, so fällt das Wasserpotential auf zunehmend negative Werte. Die Wasserbindung und damit die Bodensaugspannung (positiver Wert des Bodenwasserpotentials; pF-Wert) nehmen stark zu, wenn die Grob- und Mittelporen des Bodens entleert sind und nur noch die Feinporen Wasser enthalten (Bodenwasser). Das Bodenwasserpotential hängt nicht nur vom Wassergehalt ab, sondern auch von der Bodenart. Bodenluft, Wasserstreß.
Ch.H./P.N.
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Wasserpotential
Abb. 1: Schematische Darstellung des Wasserpotentials und seiner Komponenten einer vakuolisierten Planzenzelle in Abhängigkeit vom Wassergehalt
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Wasserpotential
Abb. 2 und 3: Das Wasserpotential ist ein guter Indikator zur Charakterisierung des pflanzlichen Wasserhaushalts und somit des Gesamtzustands einer Pflanze in Bezug auf Wachstum (Streckungswachstum), Umweltfaktoren (Pflanzenstreß) und Ernteerträge, da Pflanzen in das Wasserpotentialgefälle zwischen Boden und Luft „eingespannt“ sind (Transpiration). (Abb. 2 zeigt die Pflanze im Wasserpotentialgefälle zwischen Boden und Luft; die Werte für das Wasserpotential der Luft gelten für eine Temperatur von 20 °C; die anderen Werte beziehen sich auf Böden und Kulturpflanzen der feucht-gemäßigten Klimate; rF = relative Luftfeuchtigkeit, MPa = Megapascal [Druck].) Aus diesem Grund steht eine Reihe von Verfahren zur Bestimmung des Wasserpotentials zur Verfügung. Neben dem Psychrometer kann das Wasserpotential auch mit Hilfe einer Druckkammer bestimmt werden. Sie mißt den negativen hydrostatischen Druck (= Sog) im Xylem der meisten Pflanzen, da davon ausgegangen wird, daß dieses in etwa dem Wasserpotential der Gesamtpflanze entspricht. Das zu messende Organ (z.B. Blatt) wird zunächst abgetrennt und mit der Schnittfläche nach außen in die Druckkammer eingespannt, die mit einem komprimierten Gas gefüllt werden kann. Dieses wird so lange in die Druckkammer eingeleitet, bis durch den Überdruck Wasser an der Schnittfläche austritt. Der Ausgleichsdruck hat denselben Wert – allerdings mit entgegengesetztem Vorzeichen – wie der hydrostatische Druck des Xylems. Ist zudem das osmotische Potential bekannt, kann das Wasserpotential gut abgeschätzt werden. Abb. 3 zeigt die Bestimmung des Wasserpotentials mit Hilfe der Druckkammer; a intakter Schößling, das Xylem besitzt ein negatives Wasserpotential; b nach dem Schnitt wird das Wasser durch den Sog ins Xylem zurückgezogen; c durch Anlegen eines Überdrucks gelangt das Wasser zurück an die Schnittfläche.
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