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Los interiores de los árboles que no florecen, como el pino y el ginkgo, contienen albura revestida con conductos en forma de paja llamados xilema, que extraen agua a través del tronco y las ramas de un árbol. Los conductos del xilema están interconectados a través de membranas delgadas que actúan como tamices naturales, filtrando el agua y las burbujas de savia.
Los ingenieros del MIT han estudiado la capacidad de filtrado natural de la albura y ya han hecho filtros simples a partir de secciones transversales peladas de ramas de albura, lo que demuestra que el diseño de baja tecnología filtra eficazmente las bacterias.
Ahora, el mismo equipo ha avanzado la tecnología y ha demostrado que funciona en situaciones del mundo real. Hicieron nuevos filtros de xilema capaces de filtrar patógenos como E. coli y rotavirus en pruebas de laboratorio, y han demostrado que el filtro puede eliminar las bacterias de manantiales, grifos y aguas subterráneas contaminados. También desarrollaron técnicas simples para extender la vida útil de los filtros, permitiendo que los discos leñosos purifiquen el agua después de almacenarse en forma seca durante al menos dos años.
Los investigadores llevaron sus técnicas a India, donde hicieron filtros de xilema a partir de árboles nativos y probaron los filtros con usuarios locales. Basándose en sus comentarios, el equipo desarrolló un prototipo de sistema de filtración simple, equipado con filtros de xilema reemplazables que purificaban el agua a una velocidad de un litro por hora.
Sus resultados, publicados hoy en Comunicaciones de la naturaleza, muestran que los filtros de xilema se pueden usar en entornos comunitarios para eliminar bacterias y virus del agua potable contaminada.
Los investigadores están explorando opciones para hacer que los filtros de xilema estén disponibles a gran escala, especialmente en áreas donde el agua potable contaminada es una de las principales causas de enfermedad y muerte. El equipo lanzó un sitio web de código abierto, con pautas para el diseño y fabricación de filtros de xilema de diferentes tipos de árboles. El sitio web está destinado a ayudar a empresarios, organizaciones y ejecutivos a presentar la tecnología a comunidades más grandes e inspirar a los estudiantes a realizar sus propios experimentos científicos con filtros de xilema.
"Debido a que las materias primas están ampliamente disponibles y los procesos de fabricación son sencillos, uno podría imaginar involucrar a las comunidades en la compra, fabricación y distribución de filtros de xilema", dice Rohit Karnik, profesor de ingeniería mecánica y jefe del Departamento Asociado de Educación del MIT. . "Para los lugares donde la única opción ha sido beber agua sin filtrar, esperaríamos que los filtros de xilema mejoren la salud y hagan que el agua sea segura para beber".
Los coautores del estudio de Karnik son los autores principales Krithika Ramchander y Luda Wang del Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT, así como Megha Hegde, Anish Antony, Kendra Leith y Amy Smith del MIT D-Lab.
Despejar el camino
En sus estudios anteriores sobre el xilema, Karnik y sus colegas encontraron que la capacidad de filtrado natural del material leñoso también estaba acompañada de ciertas limitaciones naturales. A medida que la madera se secaba, las membranas en forma de tamiz de las ramas comenzaron a adherirse a las paredes, reduciendo la permeabilidad del filtro o la capacidad de pasar el agua. Los filtros también parecían "autobloquearse" con el tiempo, acumulando material leñoso que obstruía los conductos.
Sorprendentemente, dos tratamientos simples superaron ambas limitaciones. Al remojar pequeñas secciones transversales de albura en agua caliente durante una hora, luego sumergirlas en etanol y dejarlas secar, Ramchander descubrió que el material conservaba su permeabilidad, filtrando eficazmente el agua sin atascarse. Su filtrado también podría mejorarse adaptando el grosor de un filtro según su tipo de árbol.
Los investigadores cortaron y procesaron pequeñas secciones transversales de pino blanco de las ramas alrededor del campus del MIT y demostraron que los filtros resultantes mantuvieron una permeabilidad comparable a los filtros comerciales, incluso después de haber sido almacenados por hasta dos años, extendiendo considerablemente la vida útil de los filtros. .
Los investigadores también probaron la capacidad de los filtros para eliminar contaminantes como E. coli y rotavirus, la causa más común de enfermedad diarreica. Los filtros tratados eliminaron más del 99 por ciento de ambos contaminantes, un nivel de tratamiento de agua que cumple con la categoría de "protección total de dos estrellas" establecida por la Organización Mundial de la Salud.
“Creemos que estos filtros pueden manejar de manera razonable contaminantes bacterianos”, dice Ramchander. "Pero hay contaminantes químicos como el arsénico y el fluoruro de los que aún no conocemos el efecto", señala.
Trabajo de fondo
Animados por sus resultados de laboratorio, los investigadores se dispusieron a probar en campo sus diseños en India, un país que ha experimentado la tasa de mortalidad más alta del mundo por enfermedades transmitidas por el agua, y donde el agua potable segura y confiable es inaccesible para más de 160 personas. un millón de personas.
Durante dos años, los ingenieros, incluidos los investigadores del MIT D-Lab, trabajaron en áreas montañosas y urbanas, con la ayuda de las ONG locales Himmotthan Society, Shramyog, Peoples Science Institute y Essmart. Hicieron filtros de pinos nativos y los probaron, así como filtros hechos de ginkgo en los Estados Unidos, con fuentes locales de agua potable. Estas pruebas confirmaron que los filtros eliminaron eficazmente las bacterias presentes en el agua local. Los investigadores también llevaron a cabo entrevistas, grupos focales y talleres de diseño para comprender las prácticas actuales de agua de las comunidades locales, así como los desafíos y preferencias para las soluciones de tratamiento de agua. También recopilaron comentarios sobre el diseño.
"Una de las cosas que obtuvo una calificación realmente alta de la gente fue el hecho de que este filtro es un material natural que todos reconocen", dice Hegde. “También hemos descubierto que las personas que viven en hogares de bajos ingresos prefieren pagar una cantidad menor al día, en comparación con una cantidad mayor con menor frecuencia. Fue un obstáculo para usar los filtros existentes, ya que los costos de reemplazo eran demasiado altos. "
Con información de más de 1000 usuarios potenciales en toda la India, diseñaron un prototipo de un sistema de filtración simple, equipado con un recipiente en la parte superior que los usuarios pueden llenar con agua. El agua fluye a un tubo de 1 metro de largo, a través de un filtro de xilema y a través de un pico controlado por válvula. El filtro de xilema se puede reemplazar diaria o semanalmente, según las necesidades del hogar.
El equipo está explorando formas de producir filtros de xilema a mayor escala, con recursos disponibles localmente y de una manera que alentaría a las personas a practicar la purificación del agua como parte de su vida diaria, por ejemplo, proporcionando filtros de reemplazo a precios asequibles y pagados. precios. paquetes que vas.
"Los filtros de xilema están hechos de materiales económicos y abundantes, que podrían estar disponibles en las tiendas locales, donde la gente puede comprar lo que necesita, sin requerir una inversión inicial como es. Generalmente es el caso de otros cartuchos de filtro de agua", explica Karnik. . "Hasta ahora, hemos demostrado que los filtros de xilema proporcionan un rendimiento realista".
Esta investigación fue apoyada, en parte, por Abdul Latif Jameel Water and Food Systems Lab (J-WAFS) en MIT y el MIT Tata Center for Technology and Design.
