Als je geen drinkwater meer hebt tijdens een kampeertrip aan het meer, er is een simpele oplossing:breek een tak af van de dichtstbijzijnde pijnboom, schil de schors weg, en giet langzaam meerwater door de stok. Het geïmproviseerde filter moet alle bacteriën opvangen, vers produceren, niet-verontreinigd water.

In feite, een MIT-team heeft ontdekt dat dit low-tech filtersysteem tot vier liter drinkwater per dag kan produceren - genoeg om de dorst van een normaal persoon te lessen.

In een artikel dat deze week in het tijdschrift is gepubliceerd PLoS ONE , de onderzoekers tonen aan dat een klein stukje spinthout meer dan 99 procent van de bacteriën kan filteren E coli uit water. Ze zeggen dat de grootte van de poriën in spinthout - dat xyleemweefsel bevat dat is ontwikkeld om sap over de lengte van een boom te transporteren - ook water doorlaat terwijl het de meeste soorten bacteriën blokkeert.

Co-auteur Rohit Karnik, een universitair hoofddocent werktuigbouwkunde aan het MIT, zegt spinthout is een veelbelovende, goedkoop, en efficiënt materiaal voor waterfiltratie, vooral voor plattelandsgemeenschappen waar meer geavanceerde filtratiesystemen niet gemakkelijk toegankelijk zijn.

"De filtratiemembranen van tegenwoordig hebben poriën op nanoschaal die je niet zo gemakkelijk in een garage kunt maken, " zegt Karnik. "Het idee hier is dat we geen membraan hoeven te fabriceren, omdat het gemakkelijk verkrijgbaar is. Je kunt gewoon een stuk hout nemen en er een filter van maken."

De co-auteurs van het artikel zijn Michael Boutilier en Jongho Lee van MIT, Valerie Chambers van de Fletcher-Maynard Academie in Cambridge, Massa., en Varsha Venkatesh van de Jericho High School in Jericho, NY

Tikken op de stroom van sap

Er zijn tegenwoordig een aantal waterzuiveringstechnologieën op de markt, hoewel veel nadelen hebben:systemen die afhankelijk zijn van chloorbehandeling werken goed op grote schaal, maar zijn duur. Om water te koken om verontreinigingen te verwijderen, is veel brandstof nodig om het water te verwarmen. Op membraan gebaseerde filters, terwijl het in staat is om microben te verwijderen, zijn duur, een pomp nodig, en kan gemakkelijk verstopt raken.

Spinthout biedt mogelijk een goedkope, kleinschalig alternatief. Het hout bestaat uit xyleem, poreus weefsel dat het sap van de wortels van een boom naar de kruin voert via een systeem van vaten en poriën. Elke vaatwand is pokdalig met kleine poriën die putmembranen worden genoemd, waardoor sap in wezen kan hinkelen, stroomt van het ene vat naar het andere terwijl het structuren langs de lengte van een boom voedt. De poriën beperken ook cavitatie, een proces waarbij luchtbellen kunnen groeien en zich verspreiden in xyleem, uiteindelijk het doden van een boom. De kleine poriën van het xyleem kunnen bellen vangen, voorkomen dat ze zich in het hout verspreiden.

"Planten hebben moeten uitzoeken hoe ze bellen kunnen filteren, maar een gemakkelijke sapstroom mogelijk maken, " merkt Karnik op. "Het is hetzelfde probleem met waterfiltratie waarbij we microben willen uitfilteren maar een hoog debiet willen behouden. Het is dus een mooi toeval dat de problemen vergelijkbaar zijn."

Rood zien

Om het waterfilterpotentieel van spinthout te bestuderen, de onderzoekers verzamelden takken van witte den en haalden de buitenste bast eraf. Ze sneden kleine stukken spinthout van ongeveer 2,5 cm lang en 2,5 cm breed, en elk gemonteerd in plastic buizen, verzegeld met epoxy en vastgezet met klemmen.

Alvorens te experimenteren met verontreinigd water, de groep gebruikte water gemengd met rode inktdeeltjes van 70 tot 500 nanometer groot. Nadat alle vloeistof er doorheen was gegaan, de onderzoekers sneden het spinthout in de lengte doormidden, en merkte op dat veel van de rode kleurstof zich in de bovenste lagen van het hout bevond, terwijl het filtraat, of gefilterd water, was duidelijk. Dit experiment toonde aan dat spinthout van nature in staat is om deeltjes groter dan ongeveer 70 nanometer uit te filteren.

Echter, in een ander experiment, het team ontdekte dat spinthout niet in staat was deeltjes van 20 nanometer uit water te scheiden, wat suggereert dat er een limiet is aan de grootte van de deeltjes die naaldspint kan filteren.

De juiste plant kiezen

Eindelijk, het team stroomde geïnactiveerd, E coli -verontreinigd water door de houtfilter. Toen ze het xyleem onder een fluorescentiemicroscoop onderzochten, ze zagen dat zich in de eerste millimeters van het hout bacteriën hadden opgehoopt rond putmembranen. Tellen van de bacteriële cellen in het gefilterde water, de onderzoekers ontdekten dat het spinthout meer dan 99 procent van de E coli uit water.

Karnik zegt dat spinthout waarschijnlijk de meeste soorten bacteriën kan filteren, waarvan de kleinste ongeveer 200 nanometer meet. Echter, het filter kan de meeste virussen waarschijnlijk niet opvangen, die veel kleiner zijn.

Karnik zegt dat zijn groep nu van plan is om het filterpotentieel van andere soorten spinthout te evalueren. In het algemeen, bloeiende bomen hebben kleinere poriën dan naaldbomen, wat suggereert dat ze mogelijk nog kleinere deeltjes eruit kunnen filteren. Echter, vaten in bloeiende bomen zijn meestal veel langer, wat misschien minder praktisch is voor het ontwerpen van een compact waterfilter.

Ontwerpers die geïnteresseerd zijn in het gebruik van spinthout als filtermateriaal, zullen ook manieren moeten vinden om het hout vochtig te houden, of om het te drogen met behoud van de xyleemfunctie. In andere experimenten met gedroogd spinthout, Karnik ontdekte dat water ofwel niet goed doorstroomde, of stroomde door scheuren, maar filterde geen verontreinigingen uit.

"Er is een enorme variatie tussen planten, " zegt Karnik. "Er zouden veel betere planten kunnen zijn die geschikt zijn voor dit proces. Ideaal, een filter zou een dun plakje hout zijn dat je een paar dagen zou kunnen gebruiken, gooi het dan weg en vervang het bijna gratis. Het is een orde van grootte goedkoper dan de high-end membranen die momenteel op de markt zijn."