松树等非开花树木的内部含有边材，边材内布满称为木质部的稻草状导管。
这些木质部导管通过薄膜相互连通，薄膜起到天然筛网的作用。
本文介绍麻省理工学院的工程师如何研究边材的天然过滤过程，并将其应用于水净化领域。
目前正在研究将这一方法应用于更大规模的场景。
松树和银杏等非开花树木的内部含有边材，边材内布满称为木质部的稻草状导管，这些导管将水分向上输送至树干和树枝。木质部导管通过薄膜相互连通，薄膜起到天然筛网的作用，可滤除水和树液中的气泡。
麻省理工学院的工程师一直在研究边材的天然过滤能力，此前他们曾用剥去外皮的边材树枝横截面制作简易过滤器，证明了这种低技术设计能有效过滤细菌。
如今，同一团队已推进该技术，并证明其在真实环境中同样有效。他们制作了新型木质部过滤器，在实验室测试中能够滤除大肠杆菌等病原体大肠杆菌和轮状病毒，并已证明该过滤器可去除受污染的泉水、自来水和地下水中的细菌。他们还开发了延长过滤器保质期的简易技术，使木质圆片在干燥状态下保存至少两年后仍能净化水质。
研究人员将其技术带到印度，使用当地树木制作木质部过滤器，并邀请当地用户进行测试。根据用户反馈，团队开发出一种简易过滤系统原型，配有可更换的木质部过滤器，净水速度为每小时一升。
其研究成果发表于《自然·通讯》（Nature Communications），表明木质部过滤器有潜力在社区环境中应用，去除受污染饮用水中的细菌和病毒。
研究人员正在探索大规模推广木质部过滤器的途径，尤其是在受污染饮用水是疾病和死亡主要原因的地区。该团队已推出一个开源网站，提供以各类树种设计和制作木质部过滤器的指南。该网站旨在支持创业者、组织和领导者向更广泛的社区推广这项技术，并激励学生利用木质部过滤器开展自己的科学实验。
“由于原材料广泛可得，制作工艺也十分简单，人们可以设想让社区参与木质部过滤器的采购、制作和分发，”麻省理工学院机械工程教授、教育副系主任罗希特·卡尼克（Rohit Karnik）表示。“对于唯一选择是饮用未经过滤水的地方，我们预计木质部过滤器将改善健康状况，并使水变得可以饮用。”
卡尼克的研究合著者包括第一作者克里蒂卡·拉姆昌德（Krithika Ramchander）和麻省理工学院机械工程系的王璐达（Luda Wang），以及麻省理工学院D-Lab的梅加·赫格德（Megha Hegde）、阿尼什·安东尼（Anish Antony）、肯德拉·利思（Kendra Leith）和艾米·史密斯（Amy Smith）。
扫清障碍
在此前的木质部研究中，卡尼克及其同事发现，这种木质材料的天然过滤能力也存在一些天然局限。木材干燥后，树枝中的筛状薄膜开始粘附于管壁，降低了过滤器的渗透性，即允许水流通过的能力。随着时间推移，过滤器还似乎会“自我堵塞”，木质物质不断积聚，堵塞导管。
令人惊讶的是，两种简单的处理方法克服了这两种局限。将边材小横截面在热水中浸泡一小时，然后蘸取乙醇并晾干，拉姆昌德发现，该材料保留了渗透性，能够高效过滤水且不易堵塞。根据树种调整过滤器厚度，还可以进一步改善其过滤效果。
研究人员从麻省理工学院校园周边的树枝上切取并处理了白松的小横截面，结果表明，所制成的过滤器渗透性可与商用过滤器相媲美，即使保存长达两年后仍能保持该性能，显著延长了过滤器的保质期。
研究人员还测试了过滤器去除污染物的能力，污染物包括大肠杆菌和轮状病毒（腹泻病的最常见病因）。经处理的过滤器去除了这两种污染物的99%以上，达到了世界卫生组织设定的“两星级全面防护”类别所要求的水处理水平。
“我们认为，这些过滤器可以合理地应对细菌污染，”拉姆昌德表示。“但对于砷和氟化物等化学污染物，我们尚不清楚其影响，”她指出。
基础工作
受实验室结果的鼓舞，研究人员转而在印度进行现场测试。印度是全球因水源性疾病导致死亡率最高的国家之一，超过1.6亿人无法获得安全可靠的饮用水。
两年间，包括麻省理工学院D-Lab研究人员在内的工程师在山区和城市地区开展工作，并得到当地非政府组织Himmotthan Society、Shramyog、Peoples Science Institute和Essmart的协助。他们使用当地松树制作过滤器并进行测试，同时在美国使用银杏树制作的过滤器，对当地饮用水源进行了测试。这些测试证实，过滤器能有效去除当地水源中的细菌。研究人员还开展了访谈、焦点小组和设计工作坊，以了解当地社区目前的用水方式，以及在水处理解决方案方面的挑战和偏好。他们还收集了关于设计的反馈意见。
“人们给予高度评价的一点是，这种过滤器采用的是人人都熟悉的天然材料，”赫格德表示。“我们还发现，低收入家庭更倾向于每日支付较少的金额，而不是较少频次地支付较大金额。这曾是使用现有过滤器的一大障碍，因为更换成本过高。”
基于来自印度1000多名潜在用户的信息，他们设计出一种简易过滤系统原型，顶部配有一个储水容器，用户可向其中注水。水沿着一根1米长的管道流下，经过木质部过滤器，再通过阀门控制的出水口流出。根据家庭需求，木质部过滤器可每日或每周更换。
团队正在探索以更大规模生产木质部过滤器的方法，利用当地可得资源，并采用一种能够鼓励人们将水净化纳入日常生活的方式，例如提供价格亲民、按需付费的替换过滤器包装。
“木质部过滤器由廉价且广泛可得的材料制成，可在当地商店供应，人们无需像其他水过滤滤芯那样进行前期大额投入，即可按需购买，”卡尼克表示。“目前，我们已表明木质部过滤器的性能是切实可行的。”
本研究部分得到了麻省理工学院阿卜杜勒·拉蒂夫·贾米勒水与食品系统实验室（J-WAFS）和麻省理工学院塔塔技术与设计中心的支持。
