Jak zbudować filtr do wody Xylem dla roślin?

Jedną z przydatnych wskazówek, aby uniknąć zatrucia pokarmowego podczas podróży, jest jedzenie owoców, które samemu obierasz. Uważa się, że drzewa i rośliny filtrują wodę, którą wysysają z ziemi, więc ich owoce prawdopodobnie nie zawierają bakterii i innych nieprzyjemnych zapachów.

To podsunęło Rohitowi Karnikowi i kolegom z Massachusetts Institute of Technology w Cambridge interesujący pomysł. Dlaczego nie stworzyć bezpiecznej wody pitnej w dokładnie ten sam sposób, używając ksylemu roślinnego filtrującego bakterie zawarte w wodzie z mieszanki?

Okazuje się, że chociaż biolodzy roślin szczegółowo badali ksylem roślinny i mierzyli szybkość, z jaką może transportować wodę z korzeni do liści, nigdy nie myśleli o użyciu go jako filtra. Karnik i spółka zabrali się więc do pracy, aby przetestować swój pomysł.

Ksylem to porowata tkanka, która przewodzi płyn w roślinach. W roślinach drzewiastych nazywa się to bielem. Otoczony korą, często otacza samą starszą, nieaktywną twardzielę. W drzewach iglastych powstaje z martwych komórek zwanych tracheidami, które są zasadniczo pustymi rurkami o średnicy do 80 µm i długości do 10 mm.

Komórki te rosną równolegle i mają zamknięte końce. Woda przepływa z jednego przewodu do drugiego przez otwory zwane wgłębieniami, które są pokryte membraną z porami w nanoskali, które działają jak rodzaj sita. Nic, co jest większe niż te pory, nie może się przez nie przedostać.

Tak więc teoretycznie ksylem roślinny z drzew iglastych powinien być skutecznym filtrem.

Aby się tego dowiedzieć, Karnik i spółka wycięli 1-calowe odcinki gałęzi sosny białej strobus pinus. Zdarli korę i wrzucili pozostały biel do tuby, uszczelniając wszelkie szczeliny żywicą epoksydową.

Następnie napełnili rurkę 5 mililitrami dejonizowanej wody pod ciśnieniem 5 funtów na cal kwadratowy, co odpowiada ciśnieniu grawitacyjnemu około 2 m i czekali, aby zobaczyć, co się stanie.

Rzeczywiście, woda filtrowana jest z szybkością 0,05 mililitrów na sekundę. To natężenie przepływu jest równoważne ponad 4 litrom dziennie, co wystarczy, aby jedna osoba była w wodzie pitnej. To z filtra o powierzchni około 1 cm².

Następnie zbadali właściwości filtrujące materiału. Dodali do wody czerwony pigment i zmierzyli w niej rozkład wielkości cząstek. Wielkość ta wahała się od około 70 nanometrów do 500 nanometrów.

Jednak przefiltrowana woda była czysta. Rozkład wielkości cząstek w filtracie osiągnął szczyt około 80 nanometrów. Wyraźnie widać, że ksylem odfiltrowuje cząstki większe niż ta. W osobnym eksperymencie dodali 20-nanometrowe fluorescencyjne nanocząstki wykonane z polistyrenu i odkryli, że ksylem nie może ich odfiltrować.

Wniosek jest jasny. Uważamy, że filtr ksylemowy wykazuje doskonałe odrzucanie cząstek o średnicach przekraczających 100 nanometrów.

Aby przetestować zdolność materiału do filtrowania bakterii, zmieszali inaktywowane Escherichia coli bakterie do wody i przepuszczają je przez system. E coli mają kształt cylindryczny o średnicy około 1 mikrometra.

Rzeczywiście filtr działał dobrze. Twierdzą, że filtracja przy użyciu trzech różnych filtrów ksylemowych wykazała prawie całkowite odrzucenie bakterii.

Aby dowiedzieć się dokładnie, jak działa ksylem, rozcięli filtry i zbadali wewnętrzną strukturę drewna. Odkryli, że większość filtrowania zachodzi w pierwszych dwóch lub trzech milimetrach filtra. Okazuje się, że odpowiada to mniej więcej dokładnie długości komórek tchawicy i sugeruje, że filtry do drewna można przyciąć jeszcze krócej i nadal będą działać skutecznie.

Zrobili również zdjęcia jamek komórkowych z mikroskopu elektronowego, które wykazały, że bakterie gromadzą się w pobliżu tych jamek, co sugeruje, że jest to rzeczywiście mechanizm filtracji.

Istnieją pewne ograniczenia tego rodzaju filtracji. Po pierwsze, limit 100 nanometrów jest zbyt duży, aby filtrować wirusy. Karnik i spółka twierdzą, że być może uda się znaleźć inne rośliny z mniejszymi dołami, które spełnią swoje zadanie.

Po drugie, drewno musi być świeżo ścięte, aby działało jako skuteczny filtr. Zespół twierdzi, że przewody w wyschniętym drewnie zostają zablokowane i dlatego nie działają jako filtry. To potencjalnie poważny problem, jeśli te filtry będą musiały być dostarczane na dużą skalę – rozprowadzanie ich na całym świecie przy jednoczesnym utrzymaniu ich świeżości będzie trudne. Jednak może być możliwe opracowanie technik suszenia, które utrzymają integralność strukturalną filtrów. Oczywiście potrzeba tu więcej pracy.

Niemniej jednak jest to imponująca praca, która może wywrzeć duży wpływ w wielu częściach świata. Według Światowej Organizacji Zdrowia co roku około 1,6 miliona ludzi umiera z powodu chorób przypisywanych brakowi bezpiecznej wody pitnej i podstawowych urządzeń sanitarnych. Co więcej, 90% z nich to dzieci poniżej piątego roku życia, głównie w krajach rozwijających się.

Filtracja Xylem sama tego nie naprawi, nie tylko dlatego, że nie może obecnie filtrować wirusów przenoszonych przez wodę, takich jak zapalenie wątroby, adenowirusy rotawirusa i tak dalej. Ale może mieć duży wpływ, usuwając patogeny bakteryjne i pierwotniakowe, takie jak E coli, salmonella typhi, vibrio cholera i giardia.

A system jest mały, tani i łatwy w wykonaniu. Jak konkludują Karnik i współautorzy: Prosta konstrukcja filtrów ksylemowych w połączeniu z ich wytwarzaniem z niedrogiego, biodegradowalnego i jednorazowego materiału sugeruje, że dalsze badania i rozwój filtrów ksylemowych mogą doprowadzić do ich powszechnego stosowania i znacznie zmniejszyć występowanie chorób zakaźnych przenoszonych przez wodę na świecie.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1310.4814 : Filtracja wody za pomocą roślinnego ksylem

ukryć