211service.com
Hoe een plant Xylem-waterfilter te bouwen?
Een handige tip om voedselvergiftiging tijdens het reizen te voorkomen, is het eten van fruit dat je zelf schilt. De gedachte is dat bomen en planten het water filteren dat ze uit de grond opzuigen, zodat het onwaarschijnlijk is dat hun fruit bacteriën en andere narigheden bevat.
Dat heeft Rohit Karnik en vrienden van het Massachusetts Institute of Technology in Cambridge op een interessant idee gebracht. Waarom niet op precies dezelfde manier veilig drinkwater maken, met behulp van planten xyleem filter watergedragen bacteriën uit de mix?
Het blijkt dat, hoewel plantenbiologen plantenxyleem in detail hebben bestudeerd en de snelheid hebben gemeten waarmee het water van wortels naar bladeren kan transporteren, ze er nooit aan hebben gedacht om het als filter te gebruiken. Dus gingen Karnik en co aan de slag om hun idee te testen.
Xyleem is het poreuze weefsel dat vloeistof in planten geleidt. Bij houtige planten wordt het spinthout genoemd. Omgeven door schors, omringt het vaak ouder, inactief kernhout zelf. In coniferen wordt het gevormd uit dode cellen, tracheïden genaamd, die in wezen holle buizen zijn met een diameter tot 80 µm en een lengte tot 10 mm.
Deze cellen groeien parallel en hebben gesloten uiteinden. Het water gaat van de ene leiding naar de andere door gaten die bekend staan als putten, die zijn bedekt met een membraan met poriën op nanoschaal die als een soort zeef werken. Alles wat groter is dan deze poriën kan er niet doorheen.
Dus in theorie zou het plantxyleem van naaldbomen een effectief filter moeten zijn.
Om daar achter te komen, sneden Karnik en co 1 inch lange delen van de tak van de witte dennenboom pinus strobus. Ze pelden de bast eraf en stopten het resterende spint in een buis, waarbij ze eventuele openingen dichtden met epoxyhars.
Vervolgens vulden ze de buis met 5 milliliter gedeïoniseerd water onder een druk van 5 pond per vierkante inch, wat overeenkomt met een zwaartekrachtsdrukhoogte van ongeveer 2 m of zo, en wachtten om te zien wat er gebeurde.
En ja hoor, het water gefilterd door met een snelheid van 0,05 milliliter per seconde. Dat debiet komt overeen met ruim 4 liter per dag, genoeg om één persoon in het drinkwater te houden. Dat is van een filter met een oppervlakte van ongeveer 1 cm².
Vervolgens bestudeerden ze de filtereigenschappen van het materiaal. Ze voegden een rood pigment aan het water toe en maten de verdeling van de deeltjesgrootte daarin. Dit varieerde van ongeveer 70 nanometer tot 500 nanometer groot.
Het gefilterde water was echter helder. En de deeltjesgrootteverdeling in het filtraat piekte op ongeveer 80 nanometer. Het is duidelijk dat het xyleem deeltjes uitfiltert die groter zijn dan dit. In een apart experiment voegden ze fluorescerende nanodeeltjes van 20 nanometer gemaakt van polystyreen toe en ontdekten dat het xyleem deze er niet uit kon filteren.
De conclusie is duidelijk. We vinden dat het xyleemfilter een uitstekende afstoting vertoont voor deeltjes met een diameter van meer dan 100 nanometer, zeggen ze.
Om het vermogen van het materiaal om bacteriën te filteren te testen, mengden ze geïnactiveerd Escherichia coli bacteriën in water en voerde het door het systeem. E coli zijn cilindrisch van vorm met een diameter van ongeveer 1 micrometer.
Inderdaad, het filter werkte goed. Filtratie met behulp van drie verschillende xyleemfilters toonde bijna volledige afstoting van de bacteriën, zeggen ze.
Om erachter te komen hoe het xyleem precies werkt, sneden ze de filters open en bestudeerden ze de interne structuur van het hout. Ze ontdekten dat de meeste filtering plaatsvindt in de eerste twee of 3 millimeter van het filter. Dat blijkt min of meer precies de lengte van de tracheïdecellen te zijn en suggereert dat de houtfilters nog korter gesneden kunnen worden en toch goed functioneren.
Ze namen ook elektronenmicroscoopbeelden van de celputten, waaruit bleek dat de bacteriën zich in de buurt van deze putten verzamelden, wat suggereert dat dit inderdaad het filtratiemechanisme is.
Er zijn enkele beperkingen aan dit soort filtratie. Ten eerste is de limiet van 100 nanometer te groot om virussen te filteren. Karnik en co zeggen dat het misschien mogelijk is om andere planten met kleinere kuilen te vinden die het werk kunnen doen.
Ten tweede moet het hout vers gekapt zijn om als een effectief filter te werken. Het team zegt dat de leidingen in opgedroogd hout verstopt raken en dus niet als filters werken. Dat is een potentieel ernstig probleem als deze filters op grote schaal moeten worden geleverd - het zal moeilijk zijn om ze over de hele wereld te distribueren terwijl ze vers blijven. Het kan echter mogelijk zijn om droogtechnieken te ontwikkelen die de structurele integriteit van de filters behouden. Hier is duidelijk meer werk nodig.
Desalniettemin is dit indrukwekkend werk dat de potentie heeft om een grote impact te maken in vele delen van de wereld. Volgens de Wereldgezondheidsorganisatie sterven jaarlijks zo'n 1,6 miljoen mensen aan ziekten die worden toegeschreven aan het gebrek aan veilig drinkwater en sanitaire voorzieningen. Bovendien zijn 90% hiervan kinderen onder de vijf jaar, voornamelijk in ontwikkelingslanden.
Xylem-filtratie lost dit niet vanzelf op, niet in de laatste plaats omdat het momenteel geen watergedragen virussen zoals hepatitis, rotavirus-adenovirussen enzovoort kan filteren. Maar het zou een grote impact kunnen hebben door bacteriële en protozoaire pathogenen zoals E coli, salmonella typhi, vibrio cholera en giardia te verwijderen.
En het systeem is klein, goedkoop en gemakkelijk te maken. Zoals Karnik en co concluderen: De eenvoudige constructie van xyleemfilters, gecombineerd met hun fabricage van goedkoop, biologisch afbreekbaar en wegwerpmateriaal, suggereert dat verder onderzoek en ontwikkeling van xyleemfilters zou kunnen leiden tot een wijdverbreid gebruik ervan en de incidentie van door water overgedragen infectieziekten aanzienlijk zou kunnen verminderen. in de wereld.
Referentie: arxiv.org/abs/1310.4814 : Waterfiltratie met behulp van plantenxyleem