Фактически, команда Массачусетского технологического института обнаружила, что эта низкотехнологичная система фильтрации может производить до четырех литров питьевой воды в день — этого достаточно, чтобы утолить жажду обычного человека.В статье, опубликованной на этой неделе в журнале PLoS ONE, исследователи демонстрируют, что небольшой кусок заболони может отфильтровать более 99 процентов бактерий E. coli из воды. Они говорят, что размер пор в заболони, которая содержит ткань ксилемы, которая эволюционировала для транспортировки сока по длине дерева, также пропускает воду, блокируя при этом большинство видов бактерий.Соавтор Рохит Карник, доцент кафедры машиностроения Массачусетского технологического института, говорит, что заболонь является многообещающим, недорогим и эффективным материалом для фильтрации воды, особенно для сельских районов, где более совершенные системы фильтрации труднодоступны.
«Сегодняшние фильтрующие мембраны имеют поры нанометрового размера, которые сложно изготовить в гараже», — говорит Карник. «Идея здесь в том, что нам не нужно производить мембрану, потому что она легко доступна. Вы можете просто взять кусок дерева и сделать из него фильтр».
Соавторами статьи являются Майкл Бутилье и Джонгхо Ли из Массачусетского технологического института, Валери Чемберс из Академии Флетчер-Мейнард в Кембридже, штат Массачусетс, и Варша Венкатеш из средней школы Иерихона в Иерихоне, штат Нью-Йорк.Нажатие на поток сокаСегодня на рынке представлен ряд технологий очистки воды, хотя многие из них имеют недостатки: системы, основанные на очистке хлором, хорошо работают в больших масштабах, но являются дорогостоящими. Кипячение воды для удаления загрязнений требует большого количества топлива для нагрева воды.
Мембранные фильтры, хотя и способны удалять микробы, дороги, требуют насоса и могут легко засоряться.Заболонь может быть недорогой альтернативой в небольших масштабах.
Древесина состоит из ксилемы, пористой ткани, которая проводит сок от корней дерева к его кроне через систему сосудов и пор. Каждая стенка сосуда испещрена крошечными порами, называемыми мембранами ямок, через которые сок может, по сути, сливаться в классики, перетекая из одного сосуда в другой, питая структуры по всей длине дерева.
Поры также ограничивают кавитацию — процесс, при котором пузырьки воздуха могут расти и распространяться в ксилеме, что в конечном итоге приводит к гибели дерева. Крошечные поры ксилемы могут задерживать пузырьки, предотвращая их распространение в древесине.«Растения должны были придумать, как отфильтровывать пузырьки, но позволять легко стекать сока», — отмечает Карник. «Это та же проблема с фильтрацией воды, когда мы хотим отфильтровать микробы, но поддерживать высокую скорость потока.
Так что хорошее совпадение, что проблемы схожи».Видя красный
Чтобы изучить способность заболони фильтровать воду, исследователи собрали ветви белой сосны и сняли внешнюю кору. Они вырезали небольшие участки заболони размером около дюйма в длину и полдюйма в ширину и вставляли каждый в пластиковые трубки, запечатанные эпоксидной смолой и закрепленные зажимами.Перед экспериментами с загрязненной водой группа использовала воду, смешанную с частицами красных чернил размером от 70 до 500 нанометров.
После того, как вся жидкость прошла через нее, исследователи разрезали заболонь пополам по длине и обнаружили, что большая часть красного красителя содержалась в самых верхних слоях древесины, в то время как фильтрат, или фильтрованная вода, был прозрачным. Этот эксперимент показал, что заболонь естественным образом способна отфильтровывать частицы размером более 70 нанометров.Однако в другом эксперименте команда обнаружила, что заболонь неспособна отделить 20-нанометровые частицы от воды, предполагая, что существует предел размера частиц, которые хвойная заболонь может фильтровать.Выбор правильного растения
Наконец, группа пропустила инактивированную воду, зараженную кишечной палочкой, через деревянный фильтр. Когда они исследовали ксилему под флуоресцентным микроскопом, они увидели, что бактерии скопились вокруг мембран ямок на первых нескольких миллиметрах древесины. Подсчитав количество бактериальных клеток в отфильтрованной воде, исследователи обнаружили, что заболонь способна отфильтровывать более 99 процентов кишечной палочки из воды.Карник говорит, что заболонь, вероятно, может фильтровать большинство видов бактерий, самые мелкие из которых имеют размер около 200 нанометров.
Однако фильтр, вероятно, не может улавливать большинство вирусов, которые намного меньше по размеру.Карник говорит, что его группа теперь планирует оценить фильтрующий потенциал других видов заболони. В целом, цветущие деревья имеют меньшие поры, чем хвойные, что позволяет предположить, что они могут отфильтровывать даже более мелкие частицы.
Однако сосуды на цветущих деревьях, как правило, намного длиннее, что может быть менее практичным для создания компактного фильтра для воды.Дизайнеры, заинтересованные в использовании заболони в качестве фильтрующего материала, также должны будут найти способы сохранить древесину влажной или сушить ее, сохраняя при этом функцию ксилемы. В других экспериментах с высушенной заболонью Карник обнаружил, что вода либо плохо течет, либо течет через трещины, но не отфильтровывает загрязнения.«Есть огромные различия между растениями», — говорит Карник. «Могли бы быть гораздо лучшие растения, подходящие для этого процесса.
В идеале, фильтр представлял бы собой тонкий кусок дерева, который можно было использовать в течение нескольких дней, а затем выбросить и заменить почти бесплатно. Это на порядки величины. дешевле, чем высококачественные мембраны, представленные сегодня на рынке ».
Это исследование было поддержано Фондом Джеймса Х. Ферри-младшего для инноваций в исследовательском образовании.