Come costruire un filtro per l'acqua Xylem per piante?

Un consiglio utile per evitare un'intossicazione alimentare durante il viaggio è quello di mangiare la frutta che sbucciate voi stessi. L'idea è che alberi e piante filtrino l'acqua che aspirano dal terreno, quindi è improbabile che i loro frutti contengano batteri e altri agenti nocivi.

Ciò ha dato a Rohit Karnik e compagni del Massachusetts Institute of Technology di Cambridge un'idea interessante. Perché non creare acqua potabile sicura esattamente allo stesso modo, utilizzando i batteri presenti nell'acqua del filtro xilema vegetale dalla miscela?

Si scopre che mentre i biologi vegetali hanno studiato in dettaglio lo xilema delle piante e misurato la velocità con cui può trasportare l'acqua dalle radici alle foglie, non hanno mai pensato di usarlo come filtro. Quindi Karnik e compagni si sono messi al lavoro per testare la loro idea.

Xylem è il tessuto poroso che conduce il fluido nelle piante. Nelle piante legnose si chiama alburno. Circondato da corteccia, spesso circonda lo stesso durame più vecchio e inattivo. Nelle conifere è formato da cellule morte chiamate tracheidi, che sono essenzialmente tubi cavi con diametro fino a 80 µm e lunghezza fino a 10 mm.

Queste cellule crescono in parallelo e hanno estremità chiuse. L'acqua passa da un condotto all'altro attraverso fori noti come pozzi, che sono ricoperti da una membrana con pori su scala nanometrica che agiscono come una sorta di setaccio. Qualsiasi cosa più grande di questi pori non può passare.

Quindi, in teoria, lo xilema vegetale delle conifere dovrebbe essere un filtro efficace.

Per scoprirlo, Karnik e co hanno tagliato sezioni lunghe 1 pollice di ramo del pino bianco pino strobo. Staccarono la corteccia e infilarono l'alburno rimanente in un tubo, sigillando eventuali spazi vuoti con resina epossidica.

Hanno quindi riempito il tubo con 5 millilitri di acqua deionizzata sotto 5 libbre per pollice quadrato di pressione, equivalente a una pressione gravitazionale di circa 2 m circa, e hanno aspettato di vedere cosa succedeva.

In effetti, l'acqua filtrava alla velocità di 0,05 millilitri al secondo. Quella portata è equivalente a più di 4 litri al giorno, sufficienti per mantenere una persona in acqua potabile. Questo proviene da un filtro con un'area di circa 1 cm².

Successivamente, hanno studiato le proprietà di filtraggio del materiale. Hanno aggiunto un pigmento rosso all'acqua e misurato la distribuzione delle dimensioni delle particelle al suo interno. Questo variava da circa 70 nanometri a 500 nanometri di dimensione.

L'acqua filtrata era comunque limpida. E la distribuzione delle dimensioni delle particelle nel filtrato ha raggiunto un picco di circa 80 nanometri. Chiaramente, lo xilema filtra le particelle più grandi di questa. In un esperimento separato, hanno aggiunto nanoparticelle fluorescenti di 20 nanometri fatte di polistirene e hanno scoperto che lo xilema non poteva filtrarle.

La conclusione è chiara. Troviamo che il filtro xilema mostra un'eccellente reiezione per le particelle con diametri superiori a 100 nanometri, dicono.

Per testare la capacità del materiale di filtrare i batteri, hanno mescolato inattivato Escherichia coli batteri nell'acqua e lo hanno fatto passare attraverso il sistema. E coli sono di forma cilindrica con un diametro di circa 1 micrometro.

Abbastanza sicuro, il filtro ha funzionato bene. La filtrazione utilizzando tre diversi filtri xilematici ha mostrato il rigetto quasi completo dei batteri, dicono.

Per scoprire esattamente come funziona lo xilema, hanno aperto i filtri e studiato la struttura interna del legno. Hanno scoperto che la maggior parte del filtraggio si verifica nei primi due o 3 millimetri del filtro. Questa risulta essere più o meno esattamente la lunghezza delle cellule tracheidi e suggerisce che i filtri di legno possono essere tagliati ancora più corti e continuare a funzionare efficacemente.

Hanno anche preso immagini al microscopio elettronico delle fosse cellulari, che hanno mostrato che i batteri si sono raccolti vicino a queste fosse, suggerendo che questo è davvero il meccanismo di filtrazione.

Ci sono alcune limitazioni a questo tipo di filtrazione. Innanzitutto, il limite di 100 nanometri è troppo grande per filtrare i virus. Karnik e co dicono che potrebbe essere possibile trovare altre piante con fosse più piccole che potrebbero fare il lavoro.

In secondo luogo, il legno deve essere appena tagliato per funzionare come un filtro efficace. Il team afferma che i condotti in legno essiccato si ostruiscono e quindi non funzionano come filtri. Questo è un problema potenzialmente serio se questi filtri devono essere forniti su larga scala: distribuirli in tutto il mondo mantenendoli freschi sarà difficile. Tuttavia, potrebbe essere possibile sviluppare tecniche di essiccazione che mantengano l'integrità strutturale dei filtri. Chiaramente, è necessario più lavoro qui.

Tuttavia, questo è un lavoro impressionante che ha il potenziale per avere un grande impatto in molte parti del mondo. Secondo l'Organizzazione mondiale della sanità, circa 1,6 milioni di persone muoiono ogni anno a causa di malattie attribuite alla mancanza di acqua potabile e servizi igienici di base. Inoltre, il 90% di questi sono bambini di età inferiore ai cinque anni, per lo più nei paesi in via di sviluppo.

La filtrazione Xylem non risolverà questo problema da sola, non ultimo perché attualmente non può filtrare virus trasmessi dall'acqua come epatite, adenovirus rotavirus e così via. Ma potrebbe avere un grande impatto rimuovendo batteri e protozoi patogeni come E coli, salmonella typhi, vibrio cholera e giardia.

E il sistema è piccolo, economico e facile da realizzare. Come Karnik e co concludono: La semplice costruzione di filtri xilematici, combinata con la loro fabbricazione da un materiale economico, biodegradabile e usa e getta suggerisce che ulteriori ricerche e sviluppi di filtri xilematici potrebbero portare al loro uso diffuso e ridurre notevolmente l'incidenza di malattie infettive trasmesse dall'acqua nel mondo.

Rif: arxiv.org/abs/1310.4814 : Filtrazione dell'acqua utilizzando Plant Xylem

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