Kiedy skończy Ci się zapas wody pitnej podczas wycieczki kempingowej nie musisz już gorączkowo szukać najbliższego sklepu lub stacji benzynowej. Wystarczy, że znajdujesz się w pobliżu jeziora lub rzeki. Naukowcy z Massachusetts Institute of Technology (MIT) w Stanach Zjednoczonych zaprezentowali proste rozwiązanie w postaci filtru z sosnowej gałęzi pozbawionej kory. Improwizowany punkt uzdatniania wody zatrzymuje bakterie, filtrując kilka litrów życiodajnego płynu dziennie.

freedigitalphotos.net

Niedobór wody pitnej jest jedną z głównych przyczyn wysokiej śmiertelności w krajach rozwijających się. Zdatna do wypicia woda jest zdefiniowana jako płyn posiadający odpowiednią jakość pod względem właściwości fizycznych, chemicznych oraz parametrów bakteriologicznych. Jednymi z najbardziej groźnych pośród zanieczyszczeń wody są te pochodzenia biologicznego. Bakterie, wirusy, pierwotniaki lub pasożyty wywołują często choroby zakaźne. Powszechnymi wodnymi patogenami są bakterie (Escherichia coli, Salmonella typhi, Vibrio cholerae), wirusy (np. adenowirusy, enterowirusy, rotawirusy) i pierwotniaki (np. Giardia). Według szacunków Światowej Organizacji Zdrowia (z ang. World Health Organization, WHO) ponad 1,6 miliona ludzi rocznie umiera z powodu chorób biegunkowych bezpośrednio spowodowanych brakiem dostępu do bezpiecznej wody pitnej i podstawowych urządzeń sanitarnych. Około 90% z nich to dzieci poniżej 5 roku życia.

1. plosone.org

Badacze z MIT byli zainteresowani zbadaniem obiecujących, tanich i wydajnych materiałów do filtracji wody, dostępnych szczególnie dla społeczności wiejskich, gdzie ciągle brak jest zaawansowanych systemów filtracyjnych. Typowe technologie do dezynfekcji wody obejmują chlorowanie, filtrację, dezynfekcję UV, pasteryzację lub gotowanie oraz ozonowanie. Powszechnie używany chlor jest skuteczny w uzdatnianiu wody na dużą skalę, ale staje się kosztownym rozwiązaniem dla mniejszych miast i wsi. Pozostałe wymagają dostępu do energii elektrycznej lub wystarczającej ilości paliwa. Odpowiedzią inżynierów na wcześniej wymienione problemy jest wykorzystanie drewnianego, porowatego materiału o nazwie ksylem, który odpowiada za prowadzanie płynów w roślinach z korzeni do pędów. Wyspecjalizowane tkanki w drewnie bielastym okazały się być efektywną membraną do odfiltrowywania biologicznych czynników chorobotwórczych. Szczegółowe wyniki badań zostały opublikowane w otwartym czasopiśmie PLOS ONE, 26 lutego 2014 roku.

Ksylem uformowany w mikroskopijne rurki i cewki odpowiedzialny jest za transport soku w górne partie roślin. Tkanka zajmuje przestrzeń między rdzeniem a korą łodygi lub gałęzi. Małe otwory umieszczone w jej ścianach, umożliwiają przepływ płynu z jednego naczynia do drugiego, przez cały przekrój rośliny. Nanopory ograniczają również proces kawitacji, w którym pęcherzyki powietrza mogłyby rozprzestrzeniać się wewnątrz rośliny, doprowadzając do jej obumarcia.

plosone.org

Zespół do testów wykorzystał drewno z gałęzi sosny białej. Badacze pozbyli się zewnętrznej warstwy kory oraz miazgi, a następnie pocięli je na odcinki o długości 2,54 cm i średnicy 1 cm. Tak przygotowane membrany wprowadzono do wężyków z PVC o średnicy wewnętrznej 3/8 cala. Całość została uszczelniona żywicą epoksydową oraz zabezpieczona zaciskami. Do eksperymentów filtracyjnych użyto czerwonego barwnika, o różnym rozkładzie wielkości cząsteczek pigmentu, a do filtracji bakteryjnej wykorzystano roztwór z 0,08 mg nieaktywnego szczepu bakterii E.coli rozcieńczonego w 20 ml zdejonizowanej wody.

plosone.org

Badania wykazały, że korek z drewna bielastego skutecznie odfiltrował cząsteczki czerwonego barwnika rozpuszczonego w wodzie o rozmiarach większych niż około 70 nm. Elementy poniżej 20 nm nie zostawały na filtrze, co narzuca pewne ograniczenia podczas uzdatniania. W teście biologicznym, po przeliczeniu komórek bakteryjnych E. coli w przefiltrowanej wodzie, naukowy oszacowali skuteczność membrany na 99,9%. Dzięki badaniom drewna pod mikroskopem fluorescencyjnym ujawniono, że bakterie zgromadziły się wokół porów odkrywkowych już na kilku milimetrach grubości korka. Filtr o objętości blisko 3 cm^3 w ciągu doby może oczyścić około 4 litry wody, co w zupełności odpowiada zapotrzebowaniu dorosłej osoby. Naukowcy poinformowali także, że filtracja była skuteczna tylko wtedy, gdy drewno było wilgotne. Osuszone korki z pęknięciami nie zatrzymywały wszystkich zanieczyszczeń.

Zespół planuje obecnie ocenę potencjału membran z innych typów bieli. Inżynierowie chcą wykorzystać tkankę drzew kwitnących, w której pory są jeszcze mniejsze niż w ich iglastych kuzynach. Niedroga i prosta konstrukcja drewnianych, biodegradowalnych filtrów może doprowadzić do ich powszechnego stosowania oraz dalszych badań i rozwoju.

Marcin Włudyka, MaterialyInzynierskie. Prezentacja wideo MIT: Water filtration using plant xylem