Kā izveidot augu Xylem ūdens filtru

Viens noderīgs padoms, kā izvairīties no saindēšanās ar pārtiku ceļojuma laikā, ir ēst augļus, ko nomizo pats. Domājams, ka koki un augi filtrē ūdeni, ko tie iesūc no zemes, tāpēc to augļos, visticamāk, nebūs baktērijas un citas nepatīkamas vielas.

Tas ir devis Rohitam Karnikam un draugiem Masačūsetsas Tehnoloģiju institūtā Kembridžā interesantu ideju. Kāpēc gan neizveidot drošu dzeramo ūdeni tieši tādā pašā veidā, izmantojot augu ksilēma filtra ar ūdeni pārnēsātās baktērijas no maisījuma?

Izrādās, ka, lai gan augu biologi ir sīki izpētījuši augu ksilēmu un izmērījuši ātrumu, ar kādu tas var transportēt ūdeni no saknēm uz lapām, viņi nekad nav domājuši par tā izmantošanu kā filtru. Tāpēc Karniks un citi ķērās pie darba, lai pārbaudītu savu ideju.

Ksilēms ir porains audi, kas vada šķidrumu augos. Kokainos augos to sauc par aplievu. Mizas ieskauts, tas bieži vien ieskauj vecāku, neaktīvu sirsniņu. Skujkokos tas veidojas no atmirušajām šūnām, ko sauc par traheidām, kas būtībā ir dobas caurules ar diametru līdz 80 µm un garumu līdz 10 mm.

Šīs šūnas aug paralēli un tām ir slēgti gali. Ūdens iet no viena kanāla uz otru caur caurumiem, kas pazīstami kā bedrītes, kuras ir pārklātas ar membrānu ar nanomēroga porām, kas darbojas kā sava veida siets. Nekas, kas ir lielāks par šīm porām, nevar tikt cauri.

Tātad teorētiski augu ksilēmam no skujkoku kokiem vajadzētu būt efektīvam filtram.

Lai to noskaidrotu, Karniks un līdzinieks nogrieza 1 collu garas baltās priedes zara daļas pinus strobus. Viņi nolobīja mizu un atlikušo aplievu iebāza caurulītē, visas spraugas noblīvējot ar epoksīda sveķiem.

Pēc tam viņi piepildīja cauruli ar 5 mililitriem dejonizēta ūdens zem 5 mārciņas uz kvadrātcollu spiediena, kas ir līdzvērtīgs gravitācijas spiediena augstumam apmēram 2 m, un gaidīja, lai redzētu, kas notika.

Protams, ūdens filtrējās ar ātrumu 0,05 mililitri sekundē. Šis plūsmas ātrums ir vienāds ar vairāk nekā 4 litriem dienā, kas ir pietiekami, lai viena persona būtu dzeramā ūdenī. Tas ir no filtra, kura laukums ir aptuveni 1 cm².

Pēc tam viņi pētīja materiāla filtrēšanas īpašības. Viņi pievienoja ūdenim sarkanu pigmentu un izmērīja daļiņu izmēra sadalījumu tajā. Tas svārstījās no aptuveni 70 nanometriem līdz 500 nanometriem.

Tomēr filtrētais ūdens bija dzidrs. Un daļiņu izmēra sadalījums filtrātā sasniedza maksimumu aptuveni 80 nanometros. Skaidrs, ka ksilēma filtrē daļiņas, kas ir lielākas par šo. Atsevišķā eksperimentā viņi pievienoja 20 nanometru fluorescējošas nanodaļiņas, kas izgatavotas no polistirola, un atklāja, ka ksilēma tās nevar filtrēt.

Secinājums ir skaidrs. Mēs atklājam, ka ksilēma filtrs lieliski atgrūž daļiņas, kuru diametrs pārsniedz 100 nanometrus.

Lai pārbaudītu materiāla spēju filtrēt baktērijas, tās sajauca inaktivētas Escherichia coli baktērijas ūdenī un izvadīja to caur sistēmu. E coli ir cilindriskas formas, kuru diametrs ir aptuveni 1 mikrometrs.

Protams, filtrs darbojās labi. Viņi saka, ka filtrēšana, izmantojot trīs dažādus ksilēma filtrus, parādīja gandrīz pilnīgu baktēriju noraidīšanu.

Lai precīzi noskaidrotu, kā darbojas ksilēma, viņi izgrieza filtrus un pētīja koka iekšējo struktūru. Viņi atklāja, ka lielākā daļa filtrēšanas notiek pirmajos divos vai 3 filtra milimetros. Izrādās, ka tas ir vairāk vai mazāk tieši traheīdas šūnu garums, un tas liecina, ka koka filtrus var sagriezt vēl īsākus, un tie joprojām darbojas efektīvi.

Viņi arī uzņēma šūnu bedrīšu attēlus ar elektronu mikroskopu, kas parādīja, ka baktērijas savācās šo bedrīšu tuvumā, kas liecina, ka tas patiešām ir filtrēšanas mehānisms.

Šāda veida filtrēšanai ir daži ierobežojumi. Pirmkārt, 100 nanometru ierobežojums ir pārāk liels, lai filtrētu vīrusus. Karniks un kolēģi saka, ka, iespējams, ir iespējams atrast citus augus ar mazākām bedrēm, kas varētu veikt šo darbu.

Otrkārt, koksnei jābūt tikko sagrieztai, lai tā darbotos kā efektīvs filtrs. Komanda apgalvo, ka izžuvušajā kokā esošie cauruļvadi ir aizsprostoti un tāpēc nedarbojas kā filtri. Tā ir potenciāli nopietna problēma, ja šie filtri ir jāpiegādā plašā mērogā — tos izplatīt visā pasaulē, vienlaikus saglabājot tos svaigus, būs grūti. Tomēr var būt iespējams izstrādāt žāvēšanas metodes, kas saglabā filtru strukturālo integritāti. Skaidrs, ka šeit ir vajadzīgs vairāk darba.

Tomēr šis ir iespaidīgs darbs, kam ir potenciāls radīt lielu ietekmi daudzās pasaules daļās. Saskaņā ar Pasaules Veselības organizācijas datiem aptuveni 1,6 miljoni cilvēku katru gadu mirst no slimībām, kas saistītas ar nekaitīga dzeramā ūdens un elementāru sanitāriju trūkumu. Turklāt 90% no tiem ir bērni, kas jaunāki par pieciem gadiem, galvenokārt jaunattīstības valstīs.

Ksilēma filtrēšana pati par sevi to neatrisinās, jo īpaši tāpēc, ka tā pašlaik nevar filtrēt ūdens pārnēsājamos vīrusus, piemēram, hepatītu, rotavīrusu adenovīrusus un citus. Bet tam varētu būt liela ietekme, likvidējot baktēriju un vienšūņu patogēnus, piemēram, E coli, salmonella typhi, vibrio holēru un giardia.

Un sistēma ir maza, lēta un viegli izgatavojama. Kā secina Karniks un kolēģi: vienkāršā ksilēma filtru konstrukcija apvienojumā ar to izgatavošanu no lēta, bioloģiski noārdāma un vienreiz lietojama materiāla liecina, ka turpmāka ksilēma filtru izpēte un izstrāde varētu novest pie to plašas izmantošanas un ievērojami samazināt ūdens izraisītu infekcijas slimību izplatību. pasaulē.

Atsauce: arxiv.org/abs/1310.4814 : Ūdens filtrēšana, izmantojot augu ksilemu

paslēpties