Оказавшись в экстремальных условиях без доступа к чистой воде, можно использовать простой и гениальный метод, основанный на природных свойствах растений. Исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) совершили открытие, доказав, что обычная ветка дерева способна превратить загрязненную воду в пригодную для питья. Ключ к этому процессу лежит в уникальной внутренней структуре древесины.
Инженер-механик Рохит Карник и его команда обратили внимание на ткань ксилемы, которая в живых растениях отвечает за транспортировку воды и питательных веществ от корней к листьям. Ученые выяснили, что эта ткань, помимо своей основной функции, естественным образом фильтрует пузырьки воздуха. Оказалось, что те же самые микроскопические поры могут эффективно задерживать и патогенные бактерии. Для создания прототипа фильтра исследователи сняли кору с небольшого отрезка сосновой ветки и поместили очищенную заболонь (молодую, активную часть древесины) в пластиковую трубку.
Как работает природный фильтр
Процесс изготовления такого фильтра невероятно прост: достаточно удалить кору с ветки и вставить полученный цилиндр из ксилемы в подходящий корпус, например, трубку. Лабораторные испытания с использованием цветных пигментов показали, что фильтр задерживает частицы размером более 100 нанометров, причем основная работа по очистке происходит в самом верхнем слое древесины толщиной всего 2–3 миллиметра. Наиболее впечатляющим результатом стала способность ксилемы удалять из воды бактерии с эффективностью, превышающей 99,9%.
Для демонстрации эффективности Карник провел наглядный эксперимент: через изготовленный фильтр пропустили воду, искусственно загрязненную бактериями и мельчайшими частицами. Результаты подтвердили теоретические расчеты — фильтр на основе обычной сосновой ветки справился с очисткой на уровне промышленных стандартов.
Насколько безопасна такая вода?
Несмотря на выдающийся показатель в 99,9%, оставшиеся 0,1% бактерий все же представляют потенциальный риск для здоровья. Эксперт в области экологии Роберт Джексон в интервью NPR пояснил, что подобные фильтры стоит рассматривать исключительно как средство для ситуаций выживания, когда другие способы очистки воды недоступны. Кроме того, важно понимать, что вирусы, как правило, значительно мельче большинства бактерий и могут беспрепятственно проходить через поры ксилемы. Эффективность в 99% кажется высокой, но если в одном литре воды содержатся миллионы патогенов, даже небольшой процент, прошедший через фильтр, может быть опасен.
Практическое применение: от выживания до помощи сообществам
В критической ситуации в лесу вряд ли найдется под рукой пластиковая трубка и зажим, но они и не являются строго необходимыми. Фильтрационные свойства ксилемы работают, даже если просто пить воду, пропуская ее через свежесрезанную и очищенную от коры ветку. По оценкам исследователей, отрезок древесины длиной всего 3 сантиметра способен отфильтровать несколько литров воды в сутки. Хотя эта технология не решает глобальных проблем водоснабжения, она может стать настоящим спасением для небольших сельских общин в развивающихся странах, не имеющих доступа к сложным системам очистки. Подробнее с исследованием можно ознакомиться в научной статье, опубликованной в журнале PLOS ONE, и в обзоре на сайте MIT News.
Важно отметить, что такой фильтр предназначен только для очистки воды от бактериальных загрязнений и не должен использоваться для фильтрации химических отходов, соленой воды или мочи.
Источник: https://macgyverisms.wonderhowto.com/
Выдержка из статьи ученых
Научное обоснование: как ксилема задерживает бактерии
В рамках эксперимента ученые исследовали способность ксилемного фильтра удалять из воды бактерии Escherichia coli (кишечная палочка). Для удобства наблюдения использовались флуоресцентно меченные и инактивированные бактерии цилиндрической формы диаметром около 1 микрона. Флуоресцентная метка позволила точно подсчитать концентрацию бактерий до и после фильтрации, а также визуализировать, в каком именно месте фильтра они задерживаются. Трехкратные испытания на разных фильтрах показали практически полное удержание бактерий. Подсчет с помощью гемоцитометра подтвердил, что эффективность отсева составляет не менее 99,9%.
Рисунок. Фильтрация модельных бактерий фильтром ксилемы.
а) Сравнение концентраций бактерий в исходном растворе и в фильтрате. На вставке представлены флуоресцентные изображения обоих растворов. Масштабная линейка составляет 200 мкм. Столбики ошибок указывают стандартное отклонение для экспериментов, выполненных на трех разных фильтрах. б) Флуоресцентное изображение поперечного сечения фильтра, демонстрирующее скопление бактерий на пористых мембранах ямок (поровых мембранах между клетками ксилемы). Масштабная линейка — 20 мкм. в) Изображение с меньшим увеличением показывает, что бактерии задерживаются в нижней части трахеид (водопроводящих клеток) в пределах первых нескольких миллиметров от входной поверхности. Масштабная линейка — 400 мкм. Стрелка указывает на верхнюю поверхность фильтра и направление потока. Автофлуоресценция самой древесины также вносит вклад в общий сигнал на изображениях (b) и (c). d), e) Сканирующие электронно-микроскопические (СЭМ) изображения, наглядно показывающие бактерии, застрявшие на мембранах ямок после процесса фильтрации. Масштабные линейки 10 мкм и 2 мкм соответственно.
Для изучения механизма фильтрации готовый фильтр разрезали вдоль направления потока. Флуоресцентная микроскопия выявила, что бактерии накапливались именно на пористых мембранах ямок, что прямо указывает на них как на ключевые функциональные элементы, обеспечивающие фильтрацию. Как и в опытах с красителем, бактерии обнаруживались только в самом верхнем слое фильтра, что говорит о высокой скорости и эффективности процесса.
Дополнительные исследования с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) окончательно подтвердили, что отдельные бактериальные клетки застревают непосредственно на пористой структуре мембран ямок. Эти данные доказывают, что именно ямки и их мембраны являются теми природными «ситами», которые делают ксилемный фильтр столь эффективным в борьбе с бактериальным загрязнением воды.
journals.plos.org