En ny analys av forskare vid MIT:s Center for Bits and Atoms (CBA) har funnit att inaktiv jäst kan vara effektiv som ett billigt, rikligt och enkelt material för att ta bort blyföroreningar från dricksvattenförsörjning. Studien visar att detta tillvägagångssätt kan vara effektivt och ekonomiskt, till och med ned till nivåer av föroreningar per miljard. Allvarliga skador på människors hälsa är kända för att inträffa även vid dessa låga nivåer.

Metoden är så effektiv att teamet har räknat ut att jästavfall från ett enda bryggeri i Boston räcker för att behandla stadens hela vattenförsörjning. Ett sådant helt hållbart system skulle inte bara rena vattnet utan också avleda det som annars skulle vara en avfallsström som behöver bortskaffas.

Resultaten beskrivs i dag i tidskriften Nature Communications Earth &Environment , i ett papper av MIT Research Scientist Patritsia Statathou; Brown University postdoc och MIT gästforskare Christos Athanasiou; MIT professor Neil Gershenfeld, chef för CBA; och nio andra vid MIT, Brown, Wellesley College, Nanyang Technological University och National Technical University of Athens.

Bly och andra tungmetaller i vatten är ett betydande globalt problem som fortsätter att växa på grund av elektroniskt avfall och utsläpp från gruvdrift. Bara i USA påverkas mer än 12 000 miles av vattendrag av surt mindräneringsvatten rikt på tungmetaller, landets ledande källa till vattenföroreningar. Och till skillnad från organiska föroreningar, varav de flesta kan brytas ned så småningom, bryts tungmetaller inte ned biologiskt, utan kvarstår på obestämd tid och bioackumuleras. De är antingen omöjliga eller mycket dyra att helt avlägsna med konventionella metoder som kemisk utfällning eller membranfiltrering.

Bly är mycket giftigt, även i små koncentrationer, vilket särskilt påverkar barn när de växer. Europeiska unionen har sänkt sin standard för tillåtet bly i dricksvatten från 10 delar per miljard till 5 miljarder. I USA har Environmental Protection Agency förklarat att ingen nivå alls i vattenförsörjningen är säker. Och genomsnittliga nivåer i ytvattenförekomster globalt är 10 gånger högre än de var för 50 år sedan, allt från 10 delar per miljard i Europa till hundratals delar per miljard i Sydamerika.

"Vi behöver inte bara minimera förekomsten av bly, vi måste eliminera det i dricksvattnet", säger Stathatou. "Och faktum är att de konventionella behandlingsprocesserna inte gör detta effektivt när de initiala koncentrationerna de måste ta bort är låga, i delar-per-miljard-skalan och lägre. De misslyckas antingen med att helt ta bort dessa spårmängder, eller för att göra det förbrukar de mycket energi och de producerar giftiga biprodukter."

Lösningen som studerats av MIT-teamet är inte ny - en process som kallas biosorption, där inaktivt biologiskt material används för att avlägsna tungmetaller från vatten, har varit känd i några decennier. Men processen har studerats och karakteriserats endast vid mycket högre koncentrationer, på mer än en del per miljon nivåer. "Vår studie visar att processen verkligen kan fungera effektivt vid mycket lägre koncentrationer av typiska verkliga vattenförsörjningar, och undersöker i detalj de mekanismer som är involverade i processen," säger Athanasiou.

Teamet studerade användningen av en typ av jäst som används i stor utsträckning i bryggning och i industriella processer, kallad S. cerevisiae, på rent vatten spetsat med spårmängder av bly. De visade att ett enda gram av de inaktiva, torkade jästcellerna kan ta bort upp till 12 milligram bly i vattenlösningar med initiala blykoncentrationer under 1 del per miljon. De visade också att processen är mycket snabb och tar mindre än fem minuter att slutföra.

Eftersom jästcellerna som används i processen är inaktiva och uttorkade kräver de ingen särskild vård, till skillnad från andra processer som är beroende av levande biomassa för att utföra sådana funktioner som kräver näringsämnen och solljus för att hålla materialen aktiva. Dessutom är jäst redan rikligt tillgänglig, som en restprodukt från ölbryggning och från olika andra jäsningsbaserade industriella processer.

Stathatou har uppskattat att för att rena en vattenförsörjning för en stad av Bostons storlek, som använder cirka 200 miljoner liter per dag, skulle det krävas cirka 20 ton jäst per dag, eller cirka 7 000 ton per år. Som jämförelse genererar ett enda bryggeri, Boston Beer Company, 20 000 ton per år av överskottsjäst som inte längre är användbart för jäsning.

Forskarna utförde också en serie tester för att fastställa att jästcellerna är ansvariga för biosorption. Athanasiou säger att "att utforska biosorptionsmekanismer vid sådana utmanande koncentrationer är ett tufft problem. Vi var de första att använda ett mekaniskt perspektiv för att reda ut biosorptionsmekanismer, och vi upptäckte att de mekaniska egenskaperna hos jästcellerna förändras avsevärt efter blyupptag. Detta ger fundamentalt nya insikter för processen."

Att utforma ett praktiskt system för att bearbeta vattnet och hämta jästen, som sedan kan separeras från blyet för återanvändning, är nästa steg i teamets forskning, säger de.

"För att skala upp processen och faktiskt sätta den på plats måste du bädda in dessa celler i ett slags filter, och det här är det arbete som för närvarande pågår", säger Stathatou. De tittar också på sätt att återvinna både cellerna och blyet. "Vi måste genomföra ytterligare experiment, men det finns möjlighet att få tillbaka båda", säger hon.

Samma material kan potentiellt användas för att ta bort andra tungmetaller, såsom kadmium och koppar, men det kommer att kräva ytterligare forskning för att kvantifiera de effektiva hastigheterna för dessa processer, säger forskarna.

"Denna forskning avslöjade en mycket lovande, billig och miljövänlig lösning för blyborttagning", säger Sivan Zamir, vice vd för Xylem Innovation Labs, ett forskningsföretag för vattenteknologi, som inte var associerad med denna forskning. "Det fördjupade också vår förståelse för biosorptionsprocessen, vilket banade väg för utveckling av material anpassade för borttagning av andra tungmetaller."