Kaip sukurti augalų ksilemo vandens filtrą

Vienas naudingas patarimas, kaip išvengti apsinuodijimo maistu keliaujant – valgykite vaisius, kuriuos nulupsite patys. Manoma, kad medžiai ir augalai filtruoja vandenį, kurį jie siurbia iš žemės, todėl jų vaisiuose greičiausiai nebus bakterijų ir kitų nemalonumų.

Dėl to Rohitui Karnikui ir jo draugams iš Masačusetso technologijos instituto Kembridže kilo įdomi idėja. Kodėl nesukūrus saugaus geriamojo vandens lygiai taip pat, naudojant augalinių ksilemo filtrų vandens bakterijas iš mišinio?

Pasirodo, kad nors augalų biologai išsamiai ištyrė augalų ksilemą ir išmatavo greitį, kuriuo jis gali pernešti vandenį nuo šaknų iki lapų, jie niekada negalvojo jo naudoti kaip filtrą. Taigi Karnikas ir kiti ėmėsi darbo, kad išbandytų savo idėją.

Ksilemas yra akytas audinys, kuris augaluose praleidžia skysčius. Sumedėjusiuose augaluose jis vadinamas saku. Apsuptas žievės, dažnai supa senesnę, neaktyvią šerdį. Spygliuočiuose jis susidaro iš negyvų ląstelių, vadinamų tracheidomis, kurios iš esmės yra tuščiaviduriai vamzdeliai, kurių skersmuo yra iki 80 µm, o ilgis - iki 10 mm.

Šios ląstelės auga lygiagrečiai ir turi uždarus galus. Vanduo pereina iš vieno vamzdžio į kitą per skylutes, žinomas kaip duobes, kurios yra padengtos membrana su nanoskalės poromis, kurios veikia kaip savotiškas sietas. Niekas, didesnis už šias poras, negali prasiskverbti.

Taigi teoriškai augalų ksilemas iš spygliuočių medžių turėtų būti veiksmingas filtras.

Norėdami tai išsiaiškinti, Karnikas ir bendradarbiai nupjovė 1 colio ilgio baltosios pušies šakos dalis pinus strobus. Jie nulupo žievę ir likusią sakų medieną prikimšo į vamzdelį, visus tarpus užsandarindami epoksidine derva.

Tada jie užpildė vamzdelį 5 mililitrais dejonizuoto vandens, kurio slėgis buvo 5 svarai kvadratiniame colyje, atitinkančio maždaug 2 m gravitacinio slėgio aukštį, ir laukė, kas atsitiko.

Žinoma, vanduo filtravosi 0,05 mililitro per sekundę greičiu. Toks debitas prilygsta daugiau nei 4 litrams per dieną, tiek vienam žmogui išgerti geriamojo vandens. Tai iš filtro, kurio plotas yra apie 1 cm².

Tada jie ištyrė medžiagos filtravimo savybes. Jie pridėjo raudoną pigmentą į vandenį ir išmatavo dalelių dydžio pasiskirstymą jame. Tai svyravo nuo maždaug 70 nanometrų iki 500 nanometrų.

Tačiau filtruotas vanduo buvo skaidrus. O dalelių dydžio pasiskirstymas filtrate pasiekė aukščiausią tašką – apie 80 nanometrų. Akivaizdu, kad ksilemas išfiltruoja didesnes daleles. Atskirame eksperimente jie pridėjo 20 nanometrų fluorescencinių nanodalelių, pagamintų iš polistireno, ir nustatė, kad ksilemas negali jų išfiltruoti.

Išvada aiški. Mes nustatėme, kad ksilemo filtras puikiai atmeta daleles, kurių skersmuo viršija 100 nanometrų.

Norėdami patikrinti medžiagos gebėjimą filtruoti bakterijas, jos sumaišytos inaktyvuotos Escherichia coli bakterijų į vandenį ir pernešė ją per sistemą. E coli yra cilindro formos, kurių skersmuo yra apie 1 mikrometras.

Žinoma, filtras veikė gerai. Pasak jų, filtravimas naudojant tris skirtingus ksilemo filtrus parodė, kad bakterijos beveik visiškai atmetamos.

Norėdami tiksliai išsiaiškinti, kaip veikia ksilemas, jie atidarė filtrus ir ištyrė vidinę medienos struktūrą. Jie nustatė, kad didžioji dalis filtravimo vyksta per pirmuosius du arba 3 filtro milimetrus. Tai daugiau ar mažiau tiksliai atitinka tracheidinių ląstelių ilgį ir leidžia manyti, kad medienos filtrus galima nupjauti dar trumpiau ir jie vis tiek veiks efektyviai.

Jie taip pat padarė elektroniniu mikroskopu ląstelių duobių vaizdus, ​​​​kurie parodė, kad bakterijos susirinko šalia šių duobių, o tai rodo, kad tai iš tikrųjų yra filtravimo mechanizmas.

Yra tam tikrų šio tipo filtravimo apribojimų. Pirma, 100 nanometrų riba yra per didelė virusams filtruoti. Karnikas ir bendradarbiai teigia, kad gali būti įmanoma rasti kitų augalų su mažesnėmis duobėmis, kurie galėtų atlikti šį darbą.

Antra, mediena turi būti ką tik nupjauta, kad veiktų kaip veiksmingas filtras. Komanda teigia, kad išdžiūvusios medienos vamzdžiai užsikemša ir todėl neveikia kaip filtrai. Tai gali būti rimta problema, jei šiuos filtrus reikėtų tiekti dideliu mastu – bus sunku juos platinti visame pasaulyje ir išlaikyti juos šviežius. Tačiau gali būti įmanoma sukurti džiovinimo būdus, kurie išlaikytų filtrų struktūrinį vientisumą. Aišku, čia reikia daugiau dirbti.

Nepaisant to, tai įspūdingas darbas, galintis padaryti didelį poveikį daugelyje pasaulio vietų. Pasaulio sveikatos organizacijos duomenimis, apie 1,6 milijono žmonių kasmet miršta nuo ligų, kurias sukelia saugaus geriamojo vandens ir pagrindinių sanitarinių sąlygų trūkumas. Be to, 90% jų yra vaikai iki penkerių metų, daugiausia besivystančiose šalyse.

Ksilemo filtravimas pats to neišspręs, ypač todėl, kad šiuo metu jis negali filtruoti vandens plintančių virusų, tokių kaip hepatitas, rotaviruso adenovirusai ir pan. Tačiau tai gali turėti didelį poveikį pašalinant bakterijų ir pirmuonių patogenus, tokius kaip E coli, salmonella typhi, vibrio cholera ir giardia.

O sistema nedidelė, pigi ir lengvai pagaminama. Karnikas ir bendradarbiai daro išvadą: paprasta ksilemo filtrų konstrukcija kartu su jų gamyba iš nebrangios, biologiškai skaidžios ir vienkartinės medžiagos rodo, kad tolesni ksilemo filtrų tyrimai ir tobulinimas gali paskatinti juos plačiai naudoti ir labai sumažinti vandens plintančių infekcinių ligų paplitimą. pasaulyje.

Nuoroda: arxiv.org/abs/1310.4814 : vandens filtravimas naudojant augalinį ksilemą

paslėpti