Могут ли использованные пивные дрожжи решить проблему загрязнения воды тяжелыми металлами?

Новый анализ, проведенный исследователями из Центра битов и атомов Массачусетского технологического института (CBA), показал, что неактивные дрожжи могут быть эффективными в качестве недорогого, распространенного и простого материала для удаления свинца из источников питьевой воды. Исследование показывает, что этот подход может быть эффективным и экономичным даже при уровне загрязнения в несколько частей на миллиард. Известно, что даже при таких низких уровнях наносится серьезный ущерб здоровью человека.

Этот метод настолько эффективен, что ученые подсчитали, что отходов дрожжей, выбрасываемых с одной пивоварни в Бостоне, достаточно для очистки всего городского водоснабжения. Такая полностью устойчивая система будет не только очищать воду, но и отводить то, что в противном случае было бы потоком отходов, нуждающимся в утилизации.

Выводы подробно описаны сегодня в журнале Связь с природой Земля и окружающая среда, в статье научного сотрудника Массачусетского технологического института Патриции Статату; Постдоктор Университета Брауна и приглашенный научный сотрудник Массачусетского технологического института Христос Афанасиу; профессор Массачусетского технологического института Нил Гершенфельд, директор CBA; и девять других в Массачусетском технологическом институте, Брауне, Колледже Уэллсли, Наньянском технологическом университете и Национальном техническом университете Афин.

Свинец и другие тяжелые металлы в воде представляют собой серьезную глобальную проблему, которая продолжает расти из-за электронных отходов и выбросов при добыче полезных ископаемых. Только в США более 12 000 миль водных путей подвержены влиянию кислых шахтных дренажных вод, богатых тяжелыми металлами, которые являются основным источником загрязнения воды в стране. И в отличие от органических загрязнителей, большинство из которых может быть в конечном итоге расщеплено, тяжелые металлы не разлагаются биологически, а сохраняются в течение неопределенного времени и биоаккумулируются. Их либо невозможно, либо очень дорого полностью удалить обычными методами, такими как химическое осаждение или мембранная фильтрация.

Свинец очень токсичен даже в крошечных концентрациях, особенно поражая детей по мере их роста. Европейский союз снизил стандарт допустимого содержания свинца в питьевой воде с 10 частей на миллиард до 5 частей на миллиард. В США Агентство по охране окружающей среды заявило, что ни один уровень воды в водоснабжении не является безопасным. А средние уровни в водоемах поверхностных вод во всем мире в 10 раз выше, чем они были 50 лет назад, от 10 частей на миллиард в Европе до сотен частей на миллиард в Южной Америке.

«Нам нужно не просто свести к минимуму присутствие свинца; нам нужно исключить его из питьевой воды», — говорит Статату. «И дело в том, что обычные процессы очистки не делают этого эффективно, когда начальные концентрации, которые они должны удалить, низки, в масштабе частей на миллиард и ниже. Они либо не могут полностью удалить эти следовые количества, либо для этого потребляют много энергии и производят токсичные побочные продукты».

Решение, изученное командой Массачусетского технологического института, не ново — процесс, называемый биосорбцией, в котором неактивный биологический материал используется для удаления тяжелых металлов из воды, известен уже несколько десятилетий. Но этот процесс был изучен и охарактеризован только при гораздо более высоких концентрациях, более одной миллионной доли. «Наше исследование демонстрирует, что этот процесс действительно может эффективно работать при гораздо более низких концентрациях типичных источников воды в реальном мире, и подробно исследует механизмы, участвующие в этом процессе», — говорит Афанасиу.

Команда изучила использование типа дрожжей, широко используемых в пивоварении и в промышленных процессах, называемых С. cerevisiae, на чистой воде с добавлением следовых количеств свинца. Они продемонстрировали, что один грамм неактивных высушенных дрожжевых клеток может удалить до 12 миллиграммов свинца в водных растворах с начальной концентрацией свинца ниже 1 части на миллион. Они также показали, что процесс очень быстрый и занимает менее пяти минут.

Поскольку дрожжевые клетки, используемые в этом процессе, неактивны и высушены, они не требуют особого ухода, в отличие от других процессов, которые полагаются на живую биомассу для выполнения таких функций, которые требуют питательных веществ и солнечного света для поддержания активности материалов. Более того, дрожжи уже в изобилии доступны в качестве отходов пивоварения и различных других промышленных процессов, основанных на брожении.

Статату подсчитал, что для очистки системы водоснабжения города размером с Бостон, потребляющего около 200 миллионов галлонов воды в день, потребуется около 20 тонн дрожжей в день, или около 7000 тонн в год. Для сравнения, одна единственная пивоварня, Boston Beer Company, производит 20 000 тонн излишков дрожжей в год, которые больше не используются для брожения.

Исследователи также провели серию тестов, чтобы определить, что дрожжевые клетки ответственны за биосорбцию. Афанасиу говорит, что «изучение механизмов биосорбции в таких сложных концентрациях является сложной задачей. Мы были первыми, кто использовал механическую перспективу для раскрытия механизмов биосорбции, и мы обнаружили, что механические свойства дрожжевых клеток значительно изменяются после поглощения свинца. Это дает принципиально новое понимание процесса».

По их словам, разработка практической системы для обработки воды и извлечения дрожжей, которые затем можно было бы отделить от свинца для повторного использования, является следующим этапом исследования команды.

«Чтобы масштабировать процесс и фактически поставить его на место, вам нужно встроить эти ячейки в своего рода фильтр, и это работа, которая в настоящее время продолжается», — говорит Стататоу. Они также ищут способы восстановления как клеток, так и свинца. «Нам нужно провести дальнейшие эксперименты, но есть возможность вернуть и то, и другое», — говорит она.

По словам исследователей, этот же материал потенциально может быть использован для удаления других тяжелых металлов, таких как кадмий и медь, но для этого потребуются дальнейшие исследования для количественной оценки эффективных скоростей этих процессов.

В команду также входили Мариос Цезос из Афинского национального технического университета в Греции; Джон Гросс из колледжа Уэлсли; Камрон Блэкберн, Филиппос Турломоусис и Андреас Мершин из Центра делового администрирования Массачусетского технологического института; Брайан Шелдон, Нитин Падчер, Эрик Дарлинг из Университета Брауна; и Хуацзянь Гао из Университета Брауна и Технологического университета Наньян в Сингапуре.