Sådan bygger du et plante Xylem-vandfilter

Et nyttigt tip til at undgå madforgiftning, mens du rejser, er at spise frugt, du selv skræller. Tanken er, at træer og planter filtrerer det vand, de suger op af jorden, så deres frugter sandsynligvis ikke indeholder bakterier og andre ubehagelige ting.

Det har givet Rohit Karnik og venner ved Massachusetts Institute of Technology i Cambridge en interessant idé. Hvorfor ikke skabe sikkert drikkevand på nøjagtig samme måde ved at bruge plantexylemfilter vandbårne bakterier fra blandingen?

Det viser sig, at mens plantebiologer har studeret plantexylem i detaljer og målt den hastighed, hvormed det kan transportere vand fra rødder til blade, har de aldrig tænkt på at bruge det som et filter. Så Karnik og co gik i gang med at teste deres idé.

Xylem er det porøse væv, der leder væske i planter. I træagtige planter kaldes det splintved. Omgivet af bark omgiver den ofte selve ældre, inaktive kernetræ. I nåletræer er det dannet af døde celler kaldet tracheider, som i det væsentlige er hule rør med diametre på op til 80 µm og længder på op til 10 mm.

Disse celler vokser parallelt og har lukkede ender. Vandet passerer fra en ledning til en anden gennem huller kendt som pits, som er dækket af en membran med nanoskala porer, der fungerer som en slags si. Noget større end disse porer kan ikke komme igennem.

Så i teorien burde plantexylem fra nåletræer være et effektivt filter.

For at finde ud af det skar Karnik og co 1 tomme lange sektioner af grenen af ​​det hvide fyrretræ pinus strobus. De pillede barken af ​​og stoppede det resterende splintved i et rør, og forseglede eventuelle huller med epoxyharpiks.

De fyldte derefter røret med 5 milliliter deioniseret vand under et tryk på 5 pund pr. kvadrattomme, svarende til en gravitationstrykhøjde på omkring 2 m eller deromkring, og ventede på at se, hvad der skete.

Sikkert nok filtrerede vandet igennem med en hastighed på 0,05 milliliter i sekundet. Denne strømningshastighed svarer til mere end 4 liter om dagen, nok til at holde én person i drikkevand. Det er fra et filter med et areal på omkring 1 cm².

Dernæst studerede de materialets filtreringsegenskaber. De tilføjede et rødt pigment til vandet og målte fordelingen af ​​partikelstørrelse i det. Dette varierede fra omkring 70 nanometer til 500 nanometer i størrelse.

Det filtrerede vand var imidlertid klart. Og partikelstørrelsesfordelingen i filtratet toppede på omkring 80 nanometer. Det er klart, at xylemet bortfiltrerer partikler, der er større end dette. I et separat eksperiment tilføjede de 20 nanometer fluorescerende nanopartikler lavet af polystyren og fandt ud af, at xylemet ikke kunne filtrere disse fra.

Konklusionen er klar. Vi konstaterer, at xylemfilteret udviser fremragende afvisning for partikler med diametre på over 100 nanometer, siger de.

For at teste materialets evne til at filtrere bakterier, blandede de inaktiveret Escherichia coli bakterier til vand og ledte det gennem systemet. E coli er cylindrisk i form med en diameter på omkring 1 mikrometer.

Sikkert nok fungerede filteret godt. Filtrering ved hjælp af tre forskellige xylemfiltre viste næsten fuldstændig afvisning af bakterierne, siger de.

For at finde ud af præcis, hvordan xylem virker, skar de filtrene op og studerede træets indre struktur. De fandt ud af, at det meste af filtreringen sker i de første to eller 3 millimeter af filteret. Det viser sig at være mere eller mindre præcis længden af ​​tracheidcellerne og tyder på, at træfiltrene kan skæres endnu kortere og stadig fungere effektivt.

De tog også elektronmikroskopbilleder af cellegruberne, som viste, at bakterierne blev samlet i nærheden af ​​disse gruber, hvilket tyder på, at dette faktisk er filtreringsmekanismen.

Der er nogle begrænsninger for denne form for filtrering. For det første er grænsen på 100 nanometer for stor til at filtrere virus. Karnik og co siger, at det kan være muligt at finde andre planter med mindre gruber, der kunne klare opgaven.

For det andet skal træet være nyskåret for at fungere som et effektivt filter. Holdet siger, at ledningerne i træ, der er tørret, bliver blokerede og derfor ikke fungerer som filtre. Det er et potentielt alvorligt problem, hvis disse filtre skulle leveres i stor skala - det vil være svært at distribuere dem rundt i verden, mens de holdes friske. Det kan dog være muligt at udvikle tørreteknikker, der opretholder filtrenes strukturelle integritet. Det er klart, at der er brug for mere arbejde her.

Ikke desto mindre er dette et imponerende arbejde, der har potentiale til at få stor indflydelse i mange dele af verden. Ifølge Verdenssundhedsorganisationen dør omkring 1,6 millioner mennesker hvert år af sygdomme, der tilskrives manglen på rent drikkevand og grundlæggende sanitet. Desuden er 90 % af disse børn under fem år, for det meste i udviklingslande.

Xylem-filtrering løser ikke dette af sig selv, ikke mindst fordi den i øjeblikket ikke kan filtrere vandbårne vira såsom hepatitis, rotavirus-adenovira og så videre. Men det kan have en stor indflydelse ved at fjerne bakterielle og protozoiske patogener som E coli, salmonella typhi, vibrio kolera og giardia.

Og systemet er lille, billigt og nemt at lave. Som Karnik og co konkluderer: Den simple konstruktion af xylemfiltre kombineret med deres fremstilling af et billigt, biologisk nedbrydeligt og engangsmateriale tyder på, at yderligere forskning og udvikling af xylemfiltre kan føre til deres udbredte anvendelse og i høj grad reducere forekomsten af ​​vandbårne infektionssygdomme i verden.

Ref: arxiv.org/abs/1310.4814 : Vandfiltrering ved hjælp af plantexylem

skjule