Kunne brugt ølgær være løsningen på tungmetalforurening i vand?

En ny analyse foretaget af forskere ved MIT's Center for Bits and Atoms (CBA) har fundet ud af, at inaktiv gær kan være effektiv som et billigt, rigeligt og enkelt materiale til at fjerne blyforurening fra drikkevandsforsyninger. Undersøgelsen viser, at denne tilgang kan være effektiv og økonomisk, selv ned til niveauer af forurening pr. milliard. Alvorlige skader på menneskers sundhed vides at forekomme selv ved disse lave niveauer.

Metoden er så effektiv, at teamet har beregnet, at spildgær, der kasseres fra et enkelt bryggeri i Boston, ville være nok til at behandle hele byens vandforsyning. Et sådant fuldt bæredygtigt system ville ikke kun rense vandet, men også aflede, hvad der ellers ville være en affaldsstrøm, der skal bortskaffes.

Resultaterne er beskrevet i dag i tidsskriftet Nature Communications Earth &Environment , i et papir af MIT Research Scientist Patritsia Statathou; Brown University postdoc og MIT Visiting Scholar Christos Athanasiou; MIT professor Neil Gershenfeld, direktør for CBA; og ni andre ved MIT, Brown, Wellesley College, Nanyang Technological University og National Technical University of Athens.

Bly og andre tungmetaller i vand er et betydeligt globalt problem, der fortsætter med at vokse på grund af elektronisk affald og udledninger fra minedrift. Alene i USA er mere end 12.000 miles af vandveje påvirket af surt minedræningsvand rigt på tungmetaller, landets førende kilde til vandforurening. Og i modsætning til organiske forurenende stoffer, hvoraf de fleste i sidste ende kan nedbrydes, nedbrydes tungmetaller ikke biologisk, men forbliver i det uendelige og bioakkumuleres. De er enten umulige eller meget dyre at fjerne fuldstændigt ved konventionelle metoder såsom kemisk udfældning eller membranfiltrering.

Bly er meget giftigt, selv i små koncentrationer, og det påvirker især børn, når de vokser. Den Europæiske Union har reduceret sin standard for tilladt bly i drikkevand fra 10 dele per milliard til 5 dele per milliard. I USA har Environmental Protection Agency erklæret, at intet niveau overhovedet i vandforsyninger er sikkert. Og de gennemsnitlige niveauer i overfladevand på globalt plan er 10 gange højere end for 50 år siden, lige fra 10 ppm i Europa til hundredvis af ppm i Sydamerika.

"Vi behøver ikke kun at minimere forekomsten af ​​bly, vi skal fjerne det i drikkevandet," siger Stathatou. "Og faktum er, at de konventionelle behandlingsprocesser ikke gør dette effektivt, når de initiale koncentrationer, de skal fjerne, er lave, i dele-per-milliard-skalaen og derunder. De undlader enten helt at fjerne disse spormængder, eller for at gøre det bruger de meget energi, og de producerer giftige biprodukter."

Løsningen, der er undersøgt af MIT-teamet, er ikke ny - en proces kaldet biosorption, hvor inaktivt biologisk materiale bruges til at fjerne tungmetaller fra vand, har været kendt i et par årtier. Men processen er kun blevet undersøgt og karakteriseret ved meget højere koncentrationer, på mere end en del-per-million niveauer. "Vores undersøgelse viser, at processen faktisk kan arbejde effektivt ved de meget lavere koncentrationer af typiske vandforsyninger fra den virkelige verden, og undersøger i detaljer de mekanismer, der er involveret i processen," siger Athanasiou.

Holdet undersøgte brugen af ​​en type gær, der er meget brugt i brygning og i industrielle processer, kaldet S. cerevisiae, på rent vand tilsat spormængder af bly. De påviste, at et enkelt gram af de inaktive, tørrede gærceller kan fjerne op til 12 milligram bly i vandige opløsninger med initial blykoncentrationer under 1 del per million. De viste også, at processen er meget hurtig og tager mindre end fem minutter at gennemføre.

Fordi gærcellerne, der bruges i processen, er inaktive og udtørrede, kræver de ingen særlig pleje, i modsætning til andre processer, der er afhængige af levende biomasse for at udføre sådanne funktioner, som kræver næringsstoffer og sollys for at holde materialerne aktive. Ydermere er gær allerede rigeligt tilgængelig som et affaldsprodukt fra ølbrygning og fra forskellige andre gæringsbaserede industrielle processer.

Stathatou har anslået, at for at rense en vandforsyning til en by på størrelse med Boston, som bruger omkring 200 millioner gallons om dagen, ville det kræve omkring 20 tons gær om dagen, eller omkring 7.000 tons om året. Til sammenligning genererer ét enkelt bryggeri, Boston Beer Company, 20.000 tons om året af overskudsgær, som ikke længere er nyttig til gæring.

Forskerne udførte også en række tests for at fastslå, at gærcellerne er ansvarlige for biosorption. Athanasiou siger, at "at udforske biosorptionsmekanismer ved sådanne udfordrende koncentrationer er et hårdt problem. Vi var de første til at bruge et mekanikperspektiv til at optrevle biosorptionsmekanismer, og vi opdagede, at gærcellernes mekaniske egenskaber ændrer sig væsentligt efter blyoptagelse. Dette giver fundamentalt ny indsigt i processen."

At udtænke et praktisk system til at behandle vandet og hente gæren, som derefter kunne adskilles fra blyet til genbrug, er den næste fase af holdets forskning, siger de.

"For at opskalere processen og faktisk sætte den på plads, skal du indlejre disse celler i en slags filter, og det er det arbejde, der i øjeblikket er i gang," siger Stathatou. De ser også på måder at genvinde både celler og bly. "Vi skal udføre yderligere eksperimenter, men der er mulighed for at få begge dele tilbage," siger hun.

Det samme materiale kan potentielt bruges til at fjerne andre tungmetaller, såsom cadmium og kobber, men det vil kræve yderligere forskning for at kvantificere de effektive rater for disse processer, siger forskerne.

"Denne forskning afslørede en meget lovende, billig og miljøvenlig løsning til blyfjernelse," siger Sivan Zamir, vicepræsident for Xylem Innovation Labs, et vandteknologisk forskningsfirma, som ikke var forbundet med denne forskning. "Det uddybede også vores forståelse af biosorptionsprocessen, hvilket banede vejen for udvikling af materialer skræddersyet til fjernelse af andre tungmetaller."