Hur man bygger ett växt Xylem vattenfilter

Ett användbart tips för att undvika matförgiftning när du reser är att äta frukt du skalar själv. Tanken är att träd och växter filtrerar vattnet de suger upp från marken så att deras frukter sannolikt inte innehåller bakterier och andra elaka.

Det har gett Rohit Karnik och kompisar vid Massachusetts Institute of Technology i Cambridge en intressant idé. Varför inte skapa säkert dricksvatten på exakt samma sätt, med hjälp av växtxylemfilter vattenburna bakterier från blandningen?

Det visar sig att medan växtbiologer har studerat växtxylem i detalj och mätt hastigheten med vilken det kan transportera vatten från rötter till blad, har de aldrig tänkt på att använda det som ett filter. Så Karnik och co fick jobba för att testa sin idé.

Xylem är den porösa vävnaden som leder vätska i växter. I vedartade växter kallas det splintved. Omgiven av bark omger den ofta äldre, inaktiv kärnved själv. I barrträd bildas den av döda celler som kallas trakeider, som i huvudsak är ihåliga rör med diametrar på upp till 80 µm och längder på upp till 10 mm.

Dessa celler växer parallellt och har slutna ändar. Vattnet passerar från en ledning till en annan genom hål som kallas gropar, som är täckta av ett membran med nanoskaliga porer som fungerar som ett slags såll. Något större än dessa porer kan inte komma igenom.

Så i teorin borde växtxylem från barrträd vara ett effektivt filter.

För att ta reda på det klippte Karnik och co 1 tum långa delar av grenen av den vita tallen pinus strobus. De skalade bort barken och stoppade återstående splintved i ett rör och tätade eventuella luckor med epoxiharts.

De fyllde sedan röret med 5 milliliter avjoniserat vatten under 5 pund per kvadrattum av tryck, vilket motsvarar en gravitationstryckhöjd på cirka 2 m eller så, och väntade på att se vad som hände.

Visst, vattnet filtrerade igenom med en hastighet av 0,05 milliliter per sekund. Den flödeshastigheten motsvarar mer än 4 liter per dag, tillräckligt för att hålla en person i dricksvatten. Det är från ett filter med en yta på cirka 1 cm².

Därefter studerade de materialets filtreringsegenskaper. De tillsatte ett rött pigment till vattnet och mätte fördelningen av partikelstorlek i det. Detta varierade från cirka 70 nanometer till 500 nanometer i storlek.

Det filtrerade vattnet var dock klart. Och partikelstorleksfördelningen i filtratet nådde en topp på cirka 80 nanometer. Tydligen filtrerar xylem bort partiklar som är större än så här. I ett separat experiment lade de till 20 nanometer fluorescerande nanopartiklar gjorda av polystyren och fann att xylemen inte kunde filtrera bort dessa.

Slutsatsen är tydlig. Vi finner att xylemfiltret uppvisar utmärkt avstötning för partiklar med diametrar som överstiger 100 nanometer, säger de.

För att testa materialets förmåga att filtrera bakterier, blandade de inaktiverade Escherichia coli bakterier till vatten och förde det genom systemet. E coli är cylindriska till formen med en diameter på cirka 1 mikrometer.

Visst fungerade filtret bra. Filtrering med tre olika xylemfilter visade nästan fullständig avstötning av bakterierna, säger de.

För att ta reda på exakt hur xylem fungerar skar de upp filtren och studerade träets inre struktur. De fann att det mesta av filtreringen sker i de första två eller 3 millimeterna av filtret. Det visar sig vara mer eller mindre exakt längden på trakeidcellerna och antyder att träfiltren kan kapas ännu kortare och ändå fungera effektivt.

De tog också elektronmikroskopbilder av cellgroparna, vilket visade att bakterierna samlades nära dessa gropar, vilket tyder på att detta verkligen är mekanismen för filtrering.

Det finns vissa begränsningar för denna typ av filtrering. För det första är gränsen på 100 nanometer för stor för att filtrera virus. Karnik och co säger att det kan vara möjligt att hitta andra växter med mindre gropar som skulle kunna göra jobbet.

För det andra måste träet vara nyhugget för att fungera som ett effektivt filter. Teamet säger att ledningarna i trä som har torkat blir igensatta och därför inte fungerar som filter. Det är ett potentiellt allvarligt problem om dessa filter skulle behöva levereras i stor skala – att distribuera dem runt om i världen samtidigt som de håller dem fräscha blir svårt. Det kan dock vara möjligt att utveckla torktekniker som bibehåller filtrens strukturella integritet. Det är klart att det behövs mer arbete här.

Ändå är detta ett imponerande arbete som har potential att få stort genomslag i många delar av världen. Enligt Världshälsoorganisationen dör cirka 1,6 miljoner människor varje år av sjukdomar som tillskrivs bristen på rent dricksvatten och grundläggande sanitet. Dessutom är 90 % av dessa barn under fem år, mestadels i utvecklingsländer.

Xylemfiltrering kommer inte att fixa detta av sig själv, inte minst eftersom den för närvarande inte kan filtrera vattenburna virus som hepatit, rotavirus adenovirus och så vidare. Men det kan ha en stor inverkan genom att ta bort bakteriella och protozoiska patogener som E coli, salmonella typhi, vibriokolera och giardia.

Och systemet är litet, billigt och lätt att göra. Som Karnik och co drar slutsatsen: Den enkla konstruktionen av xylemfilter, i kombination med deras tillverkning av ett billigt, biologiskt nedbrytbart och engångsmaterial, tyder på att ytterligare forskning och utveckling av xylemfilter skulle kunna leda till att de används i stor utsträckning och avsevärt minska förekomsten av vattenburna infektionssjukdomar. i världen.

Ref: arxiv.org/abs/1310.4814 : Vattenfiltrering med växtxylem

Dölj