マツなどの裸子植物の内部には、ストロー状の導管であるキシレムで満たされた辺材がある。
これらのキシレムの導管は、天然の篩（ふるい）として働く薄い膜によって相互に連結されている。
本記事では、MITの技術者らが辺材の天然のろ過プロセスをどのように研究し、それを水浄化の分野でどのように活用してきたかを解説する。
この方法のより大規模な応用に向けた研究が進行中である。
マツやイチョウなどの裸子植物の内部には、ストロー状の導管であるキシレムで満たされた辺材があり、これが樹幹や枝を通じて水を吸い上げている。キシレムの導管は、水や樹液から気泡を取り除く天然の篩として働く薄い膜によって相互に連結されている。
MITの技術者らは辺材の天然のろ過能力を研究してきており、これまでに皮をむいた辺材の枝の断面から、単純なフィルターを製作していた。この低技術の設計が細菌を効果的にろ過することを実証していた。
現在、同じチームがこの技術を発展させ、実際の状況でも機能することを示した。彼らは、次のような病原体をろ過できる新しいキシレムフィルターを製作した。大腸菌およびロタウイルスを実験室での試験でろ過でき、汚染された湧水、水道水、地下水から細菌を除去できることを示した。また、フィルターの保存期間を延ばすための簡単な手法も開発し、木質のディスクを乾燥した状態で少なくとも2年間保存した後も、水を浄化できるようにした。
研究者らはこれらの手法をインドに持ち込み、現地の樹木からキシレムフィルターを製作し、地域の利用者とともにフィルターを試験した。利用者からのフィードバックに基づき、チームは簡易ろ過システムの試作品を開発した。これには交換可能なキシレムフィルターが取り付けられており、1時間あたり1リットルの割合で水を浄化できた。
その成果はNature Communicationsに掲載されており、キシレムフィルターが、汚染された飲料水から細菌やウイルスを除去するために、地域社会の現場で活用される可能性があることを示している。
研究者らは、特に汚染された飲料水が病気や死亡の主要な原因となっている地域において、キシレムフィルターを大規模に提供する方法を模索している。チームはオープンソースのウェブサイトを立ち上げた。そこでは、さまざまな樹木の種類からキシレムフィルターを設計・製作するためのガイドラインを提供している。このウェブサイトは、起業家、組織、リーダーがこの技術をより広いコミュニティに導入することを支援するとともに、学生がキシレムフィルターを用いて独自の科学実験を行う意欲を喚起することを目的としている。
「原材料が広く入手可能であり、製造工程が単純であるため、キシレムフィルターの調達、製造、流通にコミュニティを関与させることが考えられます」とMIT機械工学科教授兼教育担当副学科長のRohit Karnik氏は述べている。「ろ過されていない水を飲むしか選択肢がない地域では、キシレムフィルターによって健康が改善され、水を飲用可能にできると期待しています。」
Karnik氏の研究の共同執筆者は、筆頭著者であるKrithika Ramchander氏とMITの機械工学科のLuda Wang氏、ならびにMIT D-LabのMegha Hegde氏、Anish Antony氏、Kendra Leith氏、Amy Smith氏である。
道を切り開く
キシレムに関する先行研究において、KarnikらはこのWoody素材の天然のろ過能力には、天然の限界も伴うことを発見していた。木材が乾燥すると、枝の篩状の膜が壁に付着し始め、フィルターの透過性、すなわち水が流れる能力が低下した。また、フィルターは時間の経過とともに「自己閉塞」を起こし、導管を詰まらせる木質成分が蓄積するようであった。
驚くべきことに、2つの簡単な処理によって両方の限界を克服できた。辺材の小さな断面を1時間熱湯に浸し、その後エタノールに浸して乾燥させることで、Ramchander氏は、この素材が透過性を保持し、詰まることなく効率的に水をろ過できることを見出した。また、ろ過性能は、樹木の種類に応じてフィルターの厚さを調整することでも向上させることができた。
研究者らは、MITのキャンパス周辺の枝から採取した白マツの小さな断面を切り分けて処理し、製作されたフィルターが、最長2年間保存した後も、市販のフィルターに匹敵する透過性を維持することを示した。これにより、フィルターの保存期間を大幅に延ばすことができた。
研究者らはまた、フィルターが次のような汚染物質を除去する能力も試験した。大腸菌およびロタウイルス。ロタウイルスは下痢性疾患の最も一般的な原因である。処理されたフィルターは、両方の汚染物質を99パーセント以上除去し、これは世界保健機関（WHO）が定めた「2つ星の包括的保護」カテゴリーに該当する水処理水準である。2つ星の包括的保護」カテゴリーに該当する水処理水準である。
「これらのフィルターは細菌性の汚染物質に対して、合理的に対処できると考えています」とRamchander氏は述べている。「しかし、ヒ素やフッ化物のような化学的汚染物質については、その影響がまだわかっていません」と同氏は指摘している。
基礎づくり
実験室での結果に勇気づけられ、研究者らはインドで設計の現地試験に移った。インドは、水を介した疾病による死亡率が世界で最も高い国の一つであり、安全で信頼できる飲料水を1億6,000万人以上が利用できない状況にある。
2年間にわたり、MIT D-Labの研究者を含む技術者らは、現地のNGOであるHimmotthan Society、Shramyog、Peoples Science Institute、Essmartの協力を得て、山間部と都市部で活動した。彼らは現地の松から製作したフィルターを、米国でイチョウから製作したフィルターとともに、現地の飲料水源を用いて試験した。これらの試験により、フィルターが現地の水に含まれる細菌を効果的に除去できることが確認された。研究者らはまた、地域社会の現在の水利用の実態、ならびに水処理方法に対する課題や好みを理解するため、インタビュー、フォーカスグループ、デザインワークショップを実施した。さらに、設計についてのフィードバックも収集した。
「人々から非常に高い評価を得た点の一つは、このフィルターが誰もが認識している天然素材であるという事実でした」とHegde氏は述べている。「また、低所得世帯の人々は、より高額な金額を頻度少なく支払うよりも、少額を毎日支払うことを好むことも分かりました。既存のフィルターを使用する上での障壁は、交換費用が高すぎることでした。」
インド全土の1,000人以上の潜在的な利用者からの情報をもとに、研究者らは簡易ろ過システムの試作品を設計した。これは、利用者が水を入れられる受け口が上部に取り付けられており、水は1メートルの長さのチューブを流れ落ち、キシレムフィルターを通り、バルブで制御される注ぎ口から排出される。キシレムフィルターは、世帯のニーズに応じて毎日または毎週交換することができる。
チームは、現地で入手可能な資源を用いて、また人々が日常生活の一部として水の浄化を実践することを促す方法で、キシレムフィルターをより大規模に生産する方法を模索している。たとえば、手頃な価格の従量払い式パックで交換用フィルターを提供することなどが考えられている。
「キシレムフィルターは、安価で豊富に入手可能な素材から作られており、地元の店舗で提供することができます。人々は、他の水フィルターカートリッジで一般的な初期投資を必要とせず、必要なものを購入することができます」とKarnik氏は述べている。「現時点では、キシレムフィルターが現実的な性能を発揮することを示しました。」
本研究は、MITのAbdul Latif Jameel Water and Food Systems Lab（J-WAFS）およびMIT Tata Center for Technology and Designによって、一部支援を受けた。
