利用啤酒厂丢弃的啤酒酵母 经济有效地吸附去除废水中铅污染

由水凝胶包裹的酵母制成的过滤器可以在水流过时迅速吸收铅。

　　

每年，啤酒厂都会产生并丢弃数千吨多余的酵母。麻省理工学院和佐治亚理工学院的研究人员现在想出了一种方法，可以重新利用酵母从受污染的水中吸收铅。他们将酵母包装在水凝胶胶囊中，形成一种过滤器，通过生物吸附的过程，酵母可以快速地从水中吸收微量的铅和其他重金属，去除水中的铅污染。因为酵母细胞是被包裹起来的，处理完后可以很容易地从水中取出。

Patricia Stathatou是麻省理工学院位与原子中心的前博士后，现在是佐治亚理工学院化学与生物分子工程学院的研究科学家和即将就任的助理教授，他说:“我们用水凝胶包裹在中心的游离酵母，它有足够的多孔性，可以让水进入，与酵母相互作用，就像它们在水中自由移动一样，然后干净地出来。”“事实上，酵母本身是生物基的，良性的，可生物降解的，这是传统技术的一个显著优势。”研究人员设想，这一过程可以用来过滤从家庭水龙头流出的饮用水，或者扩大规模，在处理厂处理大量的水。

麻省理工学院的研究生Devashish Gokhale和statthatou是这项研究的主要作者，该研究今天发表在《皇家科学委员会可持续发展》（RSC Sustainability）杂志上。麻省理工学院Robert T. Haslam化学工程教授Patrick Doyle是该论文的资深作者，乔治亚理工学院航空航天工程助理教授Christos Athanasiou也是该论文的作者之一，他曾是麻省理工学院的访问学者。

吸收铅

这项新研究建立在Statthatou和Athanasiou于2021年开始的工作基础上，当时Athanasiou是麻省理工学院比特与原子中心的访问学者。他们计算出，波士顿一家啤酒厂丢弃的废弃酵母足以处理整个城市的供水。

通过生物吸附(一个尚未完全了解的过程)，酵母细胞可以结合并吸收重金属离子，即使初始浓度低于百万分之1也是如此。麻省理工学院的研究小组发现，这种方法可以有效地净化低浓度铅的水。然而，一个关键的障碍仍然存在，那就是如何在酵母吸收铅后将酵母从水中去除。

在一个偶然的巧合下，Statthatou和Athanasiou碰巧在2021年波士顿举行的AIChE年会上展示了他们的研究，当时Doyle实验室的学生Gokhale正在展示他自己关于使用水凝胶捕获水中微污染物的研究。这两组研究人员决定联合起来，探索如果将酵母包裹在Gokhale和Doyle开发的水凝胶中，这种基于酵母的策略是否更容易扩大规模。

Gokhale说:“我们决定做的是制作这些空心胶囊——有点像复合维生素药丸，但我们不是在里面填满维生素，而是在里面填满酵母细胞。”“这些胶囊是多孔的，所以水可以进入胶囊，酵母能够结合所有的铅，但酵母本身不能逃逸到水中。”

这种胶囊是由一种被称为聚乙二醇(PEG)的聚合物制成的，这种聚合物广泛用于医疗应用。为了形成胶囊，研究人员将冷冻干燥的酵母悬浮在水中，然后将它们与聚合物亚基混合。当紫外线照射在混合物上时，聚合物连接在一起形成胶囊，里面有酵母。

每个胶囊的直径约为半毫米。因为水凝胶非常薄且多孔，水可以很容易地穿过并遇到里面的酵母，而酵母却被困住了。

在这项研究中，研究人员表明，被封装的酵母可以像Stathatou和Athanasiou在2021年的原始研究中未封装的酵母一样迅速地从水中去除微量铅。

扩大

在Athanasiou的带领下，研究人员测试了水凝胶胶囊的机械稳定性，发现胶囊和里面的酵母可以承受类似于从水龙头流出的水产生的力。他们还计算出，装有酵母的胶囊应该能够承受为数百户居民服务的水处理厂的水流产生的力。

“缺乏机械稳健性是先前使用固定化细胞扩大生物吸附的尝试失败的常见原因;在我们的工作中，我们希望确保从一开始就彻底解决这方面的问题，以确保可扩展性。”

在评估了装载酵母的胶囊的机械坚固性之后，研究人员构建了一个概念验证的填料床生物过滤器，能够处理微量铅污染的水，并满足美国环境保护署饮用水指南，并连续运行12天。

研究人员说，这个过程可能比现有的从水中去除微量无机化合物的物理化学过程(如沉淀和膜过滤)消耗更少的能量。

这种基于循环经济原则的方法可以最大限度地减少浪费和对环境的影响，同时还可以在当地社区内促进经济机会。研究人员说，尽管在美国各地报道了许多铅污染事件，但这种方法可能对低收入地区产生特别重大的影响，这些地区历史上一直面临环境污染和获得清洁水的机会有限，并且可能无法负担其他方法来修复它。

戈卡莱说:“我们认为这其中有一个有趣的环境正义方面，尤其是当你从酵母这样低成本和可持续的东西开始时，酵母基本上在任何地方都可以买到。”

研究人员现在正在探索回收和替换酵母的策略，一旦它们用完，并试图计算需要多久进行一次。他们还希望研究是否可以使用来自生物质的原料来制造水凝胶，而不是基于化石燃料的聚合物，以及酵母是否可以用来捕获其他类型的污染物。

Statthatou说:“展望未来，这项技术可以发展到针对其他新出现的微量污染物，如PFAS甚至微塑料。”“我们真的认为这是一个未来有很多潜在应用的例子。”