So bauen Sie einen Pflanzen-Xylem-Wasserfilter

Ein nützlicher Tipp, um eine Lebensmittelvergiftung auf Reisen zu vermeiden, ist das Essen von Obst, das Sie selbst schälen. Der Gedanke ist, dass Bäume und Pflanzen das Wasser filtern, das sie aus dem Boden saugen, sodass es unwahrscheinlich ist, dass ihre Früchte Bakterien und andere eklige Stoffe enthalten.

Das hat Rohit Karnik und seine Freunde vom Massachusetts Institute of Technology in Cambridge auf eine interessante Idee gebracht. Warum nicht auf genau die gleiche Weise sauberes Trinkwasser herstellen, indem man Pflanzen-Xylem-Filter-Wasser-Bakterien aus der Mischung verwendet?

Es stellt sich heraus, dass Pflanzenbiologen Pflanzen-Xylem zwar detailliert untersucht und die Geschwindigkeit gemessen haben, mit der es Wasser von den Wurzeln zu den Blättern transportieren kann, aber nie daran gedacht haben, es als Filter zu verwenden. Also machten sich Karnik und Co an die Arbeit, um ihre Idee zu testen.



Xylem ist das poröse Gewebe, das in Pflanzen Flüssigkeit leitet. Bei Gehölzen wird es Splint genannt. Von Rinde umgeben, umgibt es oft selbst älteres, inaktives Kernholz. Bei Nadelbäumen wird es aus abgestorbenen Zellen, den sogenannten Tracheiden, gebildet, die im Wesentlichen hohle Röhren mit einem Durchmesser von bis zu 80 µm und einer Länge von bis zu 10 mm sind.

Diese Zellen wachsen parallel und haben geschlossene Enden. Das Wasser gelangt von einem Kanal zum anderen durch Löcher, sogenannte Pits, die von einer Membran mit nanoskaligen Poren bedeckt sind, die wie eine Art Sieb wirken. Alles, was größer als diese Poren ist, kann nicht durchkommen.

Theoretisch sollte das Pflanzen-Xylem von Nadelbäumen also ein effektiver Filter sein.

Um das herauszufinden, haben Karnik und Co. 2,5 cm lange Zweige der Weißkiefer abgeschnitten pinus strobus. Sie schälten die Rinde ab und stopften das restliche Splintholz in ein Röhrchen, wobei alle Lücken mit Epoxidharz versiegelt wurden.

Dann füllten sie das Rohr mit 5 Milliliter entionisiertem Wasser unter einem Druck von 5 Pfund pro Quadratzoll, was einer Gravitationsdruckhöhe von etwa 2 m oder so entspricht, und warteten ab, was passierte.

Tatsächlich wurde das Wasser mit einer Geschwindigkeit von 0,05 Millilitern pro Sekunde durchgefiltert. Diese Durchflussmenge entspricht mehr als 4 Litern pro Tag, genug, um eine Person mit Trinkwasser zu versorgen. Das kommt von einem Filter mit einer Fläche von ca. 1 cm².

Als nächstes untersuchten sie die Filtereigenschaften des Materials. Sie fügten dem Wasser ein rotes Pigment hinzu und maßen die Partikelgrößenverteilung darin. Diese reichte von etwa 70 Nanometer bis 500 Nanometer in der Größe.

Das gefilterte Wasser war jedoch klar. Und die Partikelgrößenverteilung im Filtrat erreichte einen Spitzenwert von etwa 80 Nanometern. Offensichtlich filtert das Xylem größere Partikel heraus. In einem separaten Experiment fügten sie 20 Nanometer fluoreszierende Nanopartikel aus Polystyrol hinzu und fanden heraus, dass das Xylem diese nicht herausfiltern konnte.

Das Fazit ist klar. Wir stellen fest, dass der Xylemfilter Partikel mit einem Durchmesser von mehr als 100 Nanometern hervorragend zurückhält, heißt es.

Um die Fähigkeit des Materials zu testen, Bakterien zu filtern, vermischten sie inaktivierte Escherichia coli Bakterien zu Wasser und leitete es durch das System. E coli haben eine zylindrische Form mit einem Durchmesser von etwa 1 Mikrometer.

Natürlich hat der Filter gut funktioniert. Die Filtration mit drei verschiedenen Xylemfiltern zeigte eine fast vollständige Abstoßung der Bakterien, heißt es.

Um herauszufinden, wie das Xylem genau funktioniert, schnitten sie die Filter auf und untersuchten die innere Struktur des Holzes. Sie fanden heraus, dass der größte Teil der Filterung in den ersten zwei oder drei Millimetern des Filters stattfindet. Das entspricht mehr oder weniger genau der Länge der Tracheidenzellen und lässt vermuten, dass die Holzfilter noch kürzer geschnitten werden können und dennoch effektiv funktionieren.

Sie machten auch elektronenmikroskopische Bilder der Zellgruben, die zeigten, dass sich die Bakterien in der Nähe dieser Gruben sammelten, was darauf hindeutet, dass dies tatsächlich der Mechanismus der Filtration ist.

Diese Art der Filterung unterliegt einigen Einschränkungen. Erstens ist die Grenze von 100 Nanometern zu groß, um Viren zu filtern. Karnik und Co. sagen, dass es möglich sein könnte, andere Anlagen mit kleineren Gruben zu finden, die die Arbeit erledigen könnten.

Zweitens muss das Holz frisch geschnitten sein, um als effektiver Filter zu wirken. Das Team sagt, dass die Kanäle im getrockneten Holz verstopft sind und daher nicht als Filter funktionieren. Das ist ein potenziell ernstes Problem, wenn diese Filter in großem Umfang geliefert werden müssen – sie weltweit zu verteilen und sie frisch zu halten, wird schwierig sein. Es kann jedoch möglich sein, Trocknungstechniken zu entwickeln, die die strukturelle Integrität der Filter erhalten. Hier ist offensichtlich noch mehr Arbeit nötig.

Dennoch ist dies eine beeindruckende Arbeit, die das Potenzial hat, in vielen Teilen der Welt große Wirkung zu erzielen. Nach Angaben der Weltgesundheitsorganisation sterben jedes Jahr etwa 1,6 Millionen Menschen an Krankheiten, die auf den Mangel an sauberem Trinkwasser und sanitärer Grundversorgung zurückzuführen sind. Darüber hinaus sind 90 % davon Kinder unter fünf Jahren, meist in Entwicklungsländern.

Die Xylem-Filtration wird dies nicht von selbst beheben, nicht zuletzt, weil sie derzeit keine wassergetragenen Viren wie Hepatitis, Rotavirus-Adenoviren usw. filtern kann. Aber es könnte einen großen Einfluss haben, indem es bakterielle und protozoische Krankheitserreger wie E. coli, Salmonella typhi, Vibrio-Cholera und Giardien entfernt.

Und das System ist klein, billig und einfach herzustellen. Wie Karnik und Co schlussfolgern: Die einfache Konstruktion von Xylemfiltern in Kombination mit ihrer Herstellung aus einem kostengünstigen, biologisch abbaubaren und wegwerfbaren Material legt nahe, dass weitere Forschung und Entwicklung von Xylemfiltern zu ihrer weit verbreiteten Verwendung führen und das Auftreten von durch Wasser übertragenen Infektionskrankheiten stark reduzieren könnte in der Welt.

Ref: arxiv.org/abs/1310.4814 : Wasserfiltration mit Pflanzen-Xylem

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