El interior de los árboles no florales, como el pino, contiene albura revestida de conductos semejantes a pajas, llamados xilema.
Estos conductos de xilema están interconectados mediante finas membranas que actúan como tamices naturales.
Este artículo explica cómo los ingenieros del MIT han estado investigando el proceso natural de filtrado de la albura y lo han aplicado en el ámbito de la purificación del agua.
Se está investigando una aplicación de este método a mayor escala.
El interior de los árboles no florales, como el pino y el ginkgo, contiene albura revestida de conductos semejantes a pajas, conocidos como xilema, que hacen subir el agua por el tronco y las ramas del árbol. Los conductos de xilema están interconectados mediante finas membranas que actúan como tamices naturales, filtrando las burbujas del agua y de la savia.
Los ingenieros del MIT han estado investigando la capacidad natural de filtrado de la albura y han fabricado previamente filtros sencillos a partir de secciones transversales peladas de ramas de albura, demostrando que el diseño de bajo coste tecnológico filtra eficazmente las bacterias.
Ahora, el mismo equipo ha perfeccionado la tecnología y ha demostrado que funciona en situaciones reales. Han fabricado nuevos filtros de xilema capaces de retener patógenos como E. coli y rotavirus en pruebas de laboratorio, y han demostrado que el filtro puede eliminar bacterias de aguas subterráneas, de manantial y del grifo contaminadas. También desarrollaron técnicas sencillas para prolongar la vida útil de los filtros, lo que permite que los discos leñosos purifiquen el agua tras haber sido almacenados en forma seca durante al menos dos años.
Los investigadores llevaron sus técnicas a la India, donde fabricaron filtros de xilema a partir de árboles autóctonos y los probaron con usuarios locales. Basándose en sus comentarios, el equipo desarrolló un prototipo de sistema de filtración sencillo, equipado con filtros de xilema reemplazables que purificaban el agua a razón de un litro por hora.
Sus resultados, publicados en Nature Communications, demuestran que los filtros de xilema tienen potencial para su uso en entornos comunitarios con el fin de eliminar bacterias y virus del agua potable contaminada.
Los investigadores están estudiando opciones para hacer que los filtros de xilema estén disponibles a gran escala, en particular en zonas donde el agua potable contaminada es una causa importante de enfermedades y muertes. El equipo ha puesto en marcha un sitio web de código abierto, con directrices para diseñar y fabricar filtros de xilema a partir de distintos tipos de árboles. El sitio web pretende apoyar a emprendedores, organizaciones y líderes para dar a conocer la tecnología a comunidades más amplias, e inspirar a los estudiantes a realizar sus propios experimentos científicos con filtros de xilema.
“Dado que las materias primas están ampliamente disponibles y los procesos de fabricación son sencillos, se podría imaginar la participación de las comunidades en la adquisición, fabricación y distribución de filtros de xilema”, afirma Rohit Karnik, profesor de ingeniería mecánica y jefe adjunto del departamento de educación del MIT. “En los lugares donde la única opción ha sido beber agua sin filtrar, esperamos que los filtros de xilema mejoren la salud y hagan que el agua sea potable.”
Los coautores del estudio de Karnik son la autora principal, 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.
Allanando el camino
En sus estudios previos sobre el xilema, Karnik y sus colegas descubrieron que la capacidad natural de filtrado de este material leñoso también presentaba algunas limitaciones naturales. Al secarse la madera, las membranas semejantes a tamices de las ramas empezaron a adherirse a las paredes, reduciendo la permeabilidad del filtro, es decir, su capacidad para permitir el paso del agua. Además, los filtros parecían “autobloquearse” con el tiempo, acumulando materia leñosa que obstruía los conductos.
Sorprendentemente, dos tratamientos sencillos superaron ambas limitaciones. Al sumergir pequeñas secciones transversales de albura en agua caliente durante una hora, y luego sumergirlas en etanol y dejarlas secar, Ramchander comprobó que el material conservaba su permeabilidad, filtrando el agua de manera eficiente sin obstruirse. Además, su capacidad de filtrado podía mejorarse adaptando el grosor del filtro según el tipo de árbol.
Los investigadores cortaron y trataron pequeñas secciones transversales de pino blanco de ramas del campus del MIT y demostraron que los filtros resultantes mantenían una permeabilidad comparable a la de los filtros comerciales, incluso después de almacenarlos durante hasta dos años, lo que prolonga significativamente 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 enfermedades diarreicas. Los filtros tratados eliminaron más del 99 por ciento de ambos contaminantes, un nivel de tratamiento del agua que cumple la categoría de “protección integral de dos estrellas” establecida por la Organización Mundial de la Salud.
“Creemos que estos filtros pueden hacer frente de forma razonable a los contaminantes bacterianos”, afirma Ramchander. “Pero existen contaminantes químicos, como el arsénico y el fluoruro, cuyo efecto todavía desconocemos”, añade.
Trabajo de base
Animados por sus resultados en el laboratorio, los investigadores pasaron a probar sus diseños sobre el terreno en la India, un país que ha registrado la tasa de mortalidad más alta del mundo por enfermedades transmitidas por el agua, y donde más de 160 millones de personas no tienen acceso a agua potable segura y fiable.
Durante dos años, los ingenieros, entre ellos investigadores del MIT D-Lab, trabajaron en regiones montañosas y urbanas, con la colaboración de las ONG locales Himmotthan Society, Shramyog, Peoples Science Institute y Essmart. Fabricaron filtros a partir de pinos autóctonos y los probaron, junto con filtros fabricados con árboles de ginkgo en Estados Unidos, utilizando fuentes locales de agua potable. Estas pruebas confirmaron que los filtros eliminaban eficazmente las bacterias presentes en el agua local. Los investigadores también realizaron entrevistas, grupos de discusión y talleres de diseño para comprender las prácticas actuales de las comunidades locales en materia de agua, así como los retos y preferencias en relación con las soluciones de tratamiento del agua. También recopilaron comentarios sobre el diseño.
“Una de las cosas que más valoró la gente fue el hecho de que este filtro es un material natural que todo el mundo reconoce”, afirma Hegde. “También comprobamos que las personas de hogares de bajos ingresos prefieren pagar una cantidad menor a diario, en lugar de una cantidad mayor con menor frecuencia. Eso era un obstáculo para utilizar los filtros existentes, porque el coste de reposición era demasiado elevado.”
Con información de más de 1000 posibles usuarios de toda la India, diseñaron un prototipo de sistema de filtración sencillo, equipado con un recipiente en la parte superior que los usuarios pueden llenar de agua. El agua desciende por un tubo de 1 metro de longitud, atraviesa un filtro de xilema y sale por un grifo con válvula. El filtro de xilema puede cambiarse a diario o semanalmente, según las necesidades de cada hogar.
El equipo está estudiando formas de producir filtros de xilema a mayor escala, con recursos disponibles localmente y de un modo que anime a las personas a practicar la purificación del agua como parte de su vida diaria; por ejemplo, proporcionando filtros de repuesto en paquetes asequibles de pago por uso.
“Los filtros de xilema se fabrican con materiales económicos y muy disponibles, que podrían ponerse a la venta en comercios locales, donde la gente puede comprar lo que necesita, sin requerir una inversión inicial como es habitual con otros cartuchos de filtro de agua”, afirma Karnik. “Por ahora, hemos demostrado que los filtros de xilema ofrecen un rendimiento realista.”
Esta investigación contó en parte con el apoyo del Abdul Latif Jameel Water and Food Systems Lab (J-WAFS) del MIT y del MIT Tata Center for Technology and Design.
