Een nieuwe analyse door onderzoekers van MIT's Center for Bits and Atoms (CBA) heeft aangetoond dat inactieve gist effectief kan zijn als een goedkoop, overvloedig en eenvoudig materiaal voor het verwijderen van loodverontreiniging uit drinkwatervoorzieningen. De studie toont aan dat deze aanpak efficiënt en economisch kan zijn, zelfs tot een besmettingsniveau van deeltjes per miljard. Het is bekend dat zelfs bij deze lage niveaus ernstige schade aan de menselijke gezondheid optreedt.

De methode is zo efficiënt dat het team heeft berekend dat afvalgist dat door een enkele brouwerij in Boston wordt weggegooid, voldoende zou zijn om de hele watervoorziening van de stad te behandelen. Zo'n volledig duurzaam systeem zou niet alleen het water zuiveren, maar ook omleiden wat anders een afvalstroom zou zijn die moet worden afgevoerd.

De bevindingen worden vandaag gedetailleerd beschreven in het tijdschrift Nature Communications Earth &Environment , in een paper van MIT Research Scientist Patritsia Statathou; Brown University postdoc en MIT Visiting Scholar Christos Athanasiou; MIT-professor Neil Gershenfeld, de directeur van CBA; en negen anderen aan MIT, Brown, Wellesley College, Nanyang Technological University en National Technical University of Athens.

Lood en andere zware metalen in water vormen een aanzienlijk wereldwijd probleem dat blijft groeien vanwege elektronisch afval en lozingen van mijnbouwactiviteiten. Alleen al in de VS worden meer dan 12.000 mijl aan waterwegen beïnvloed door zuur mijnafvoerwater dat rijk is aan zware metalen, de grootste bron van watervervuiling in het land. En in tegenstelling tot organische verontreinigende stoffen, waarvan de meeste uiteindelijk kunnen worden afgebroken, worden zware metalen niet biologisch afgebroken, maar blijven ze voor onbepaalde tijd bestaan ​​en bioaccumuleren ze. Ze zijn ofwel onmogelijk ofwel erg duur om volledig te verwijderen met conventionele methoden zoals chemische precipitatie of membraanfiltratie.

Lood is zeer giftig, zelfs in kleine concentraties, en treft vooral kinderen tijdens hun groei. De Europese Unie heeft haar norm voor toegestane lood in drinkwater verlaagd van 10 delen per miljard naar 5 delen per miljard. In de VS heeft de Environmental Protection Agency verklaard dat geen enkel niveau in de watervoorziening veilig is. En de gemiddelde niveaus in oppervlaktewaterlichamen zijn wereldwijd 10 keer hoger dan 50 jaar geleden, variërend van 10 delen per miljard in Europa tot honderden delen per miljard in Zuid-Amerika.

"We moeten het bestaan ​​van lood niet alleen minimaliseren, we moeten het ook elimineren in drinkwater", zegt Stathatou. "En het feit is dat de conventionele behandelingsprocessen dit niet effectief doen wanneer de initiële concentraties die ze moeten verwijderen laag zijn, op de schaal van delen per miljard en lager. Ze slagen er ofwel niet in om deze sporen volledig te verwijderen, of om daarvoor verbruiken ze veel energie en produceren ze giftige bijproducten."

De oplossing die door het MIT-team is onderzocht, is niet nieuw:een proces dat biosorptie wordt genoemd, waarbij inactief biologisch materiaal wordt gebruikt om zware metalen uit water te verwijderen, is al enkele decennia bekend. Maar het proces is alleen bestudeerd en gekarakteriseerd bij veel hogere concentraties, op meer dan één deel per miljoen niveaus. "Onze studie toont aan dat het proces inderdaad efficiënt kan werken bij de veel lagere concentraties van typische echte watervoorraden, en onderzoekt in detail de mechanismen die bij het proces betrokken zijn", zegt Athanasiou.

Het team bestudeerde het gebruik van een soort gist dat veel wordt gebruikt bij het brouwen en in industriële processen, genaamd S. cerevisiae, op zuiver water verrijkt met sporen van lood. Ze toonden aan dat een enkele gram van de inactieve, gedroogde gistcellen tot 12 milligram lood kan verwijderen in waterige oplossingen met initiële loodconcentraties van minder dan 1 deel per miljoen. Ze toonden ook aan dat het proces erg snel is en minder dan vijf minuten in beslag neemt.

Omdat de gistcellen die in het proces worden gebruikt inactief en uitgedroogd zijn, hebben ze geen speciale zorg nodig, in tegenstelling tot andere processen die afhankelijk zijn van levende biomassa om dergelijke functies uit te voeren die voedingsstoffen en zonlicht nodig hebben om de materialen actief te houden. Bovendien is gist al volop beschikbaar, als afvalproduct van het brouwen van bier en van verschillende andere op fermentatie gebaseerde industriële processen.

Stathatou schatte dat voor het reinigen van een watervoorziening voor een stad ter grootte van Boston, die ongeveer 200 miljoen gallons per dag verbruikt, ongeveer 20 ton gist per dag nodig zou zijn, of ongeveer 7.000 ton per jaar. Ter vergelijking:één enkele brouwerij, de Boston Beer Company, genereert jaarlijks 20.000 ton overtollige gist die niet langer bruikbaar is voor vergisting.

De onderzoekers voerden ook een reeks tests uit om te bepalen dat de gistcellen verantwoordelijk zijn voor biosorptie. Athanasiou zegt dat "het onderzoeken van biosorptiemechanismen bij zulke uitdagende concentraties een moeilijk probleem is. We waren de eersten die een mechanisch perspectief gebruikten om biosorptiemechanismen te ontrafelen, en we ontdekten dat de mechanische eigenschappen van de gistcellen aanzienlijk veranderen na opname van lood. nieuwe inzichten voor het proces."

Het bedenken van een praktisch systeem voor het verwerken van het water en het terugwinnen van de gist, die vervolgens van het lood kan worden gescheiden voor hergebruik, is de volgende fase van het onderzoek van het team, zeggen ze.

"Om het proces op te schalen en daadwerkelijk in te voeren, moet je deze cellen in een soort filter inbedden, en dit is het werk dat momenteel aan de gang is", zegt Stathatou. Ze kijken ook naar manieren om zowel de cellen als het lood terug te winnen. "We moeten verdere experimenten uitvoeren, maar er is de mogelijkheid om beide terug te krijgen", zegt ze.

Hetzelfde materiaal kan mogelijk worden gebruikt om andere zware metalen te verwijderen, zoals cadmium en koper, maar dat vereist verder onderzoek om de effectieve tarieven voor die processen te kwantificeren, zeggen de onderzoekers.

"Dit onderzoek bracht een veelbelovende, goedkope en milieuvriendelijke oplossing voor het verwijderen van lood aan het licht", zegt Sivan Zamir, vice-president van Xylem Innovation Labs, een onderzoeksbureau op het gebied van watertechnologie, dat niet betrokken was bij dit onderzoek. "Het verdiepte ook ons ​​begrip van het biosorptieproces, wat de weg vrijmaakte voor de ontwikkeling van materialen die zijn afgestemd op de verwijdering van andere zware metalen."