封装在水凝胶中的重新利用的啤酒酵母可能提供一种经济有效的方法来去除水中的铅

每年，啤酒厂都会产生并丢弃数千吨剩余酵母。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，重新利用酵母来吸收污染水中的铅。

通过生物吸附过程，酵母可以快速吸收水中的微量铅和其他重金属。研究人员表明，他们可以将酵母包装在水凝胶胶囊内，以制造一种去除水中铅的过滤器。由于酵母细胞被封装起来，一旦准备好饮用，它们就可以很容易地从水中去除。

“我们的水凝胶围绕着中心的游离酵母，它的多孔性足以让水进入，与酵母相互作用，就像它们在水中自由移动一样，然后出来时是干净的，”帕特里夏·斯塔塔图 (Patricia Stathatou) 说，麻省理工学院比特和原子中心的前博士后，现在是佐治亚理工学院的研究科学家，也是佐治亚理工学院化学与生物分子工程学院的助理教授。

“事实上，酵母本身是生物基的、良性的、可生物降解的，这是相对于传统技术的一个显着优势。”

研究人员设想，这一过程可用于过滤从家庭水龙头流出的饮用水，或扩大规模以在处理厂处理大量水。

麻省理工学院研究生 Devashish Gokhale 和 Stathatou 是这项研究的主要作者，该研究发表在RSC Sustainability杂志上。麻省理工学院化学工程系 Robert T. Haslam 教授 Patrick Doyle 是该论文的资深作者，佐治亚理工学院航空航天工程助理教授、麻省理工学院前访问学者 Christos Athanasiou 也是该论文的作者之一。

吸铅

这项新研究建立在 Stathatou 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和原子中心的访问学者。那一年，他们计算出波士顿一家啤酒厂丢弃的废酵母足以处理该市的整个供水系统。

通过生物吸附这一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一。麻省理工学院的研究小组发现，这个过程可以有效净化低浓度铅的水。然而，仍然存在一个关键障碍，那就是如何在酵母吸收铅后将其从水中去除。

一次偶然的巧合，Stathatou 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，而 Doyle 实验室的学生 Gokhale 也在会上展示了他自己的关于使用水凝胶捕获水中微污染物的研究。两组研究人员决定联手探索，如果将酵母封装在 Gokhale 和 Doyle 开发的水凝胶中，基于酵母的策略是否可以更容易扩大规模。

“我们决定制作这些空心胶囊——类似于多种维生素药丸，但我们不是用维生素填充它们，而是用酵母细胞填充它们，”戈卡莱说。 “这些胶囊是多孔的，因此水可以进入胶囊，酵母能够结合所有的铅，但酵母本身无法逃逸到水中。”

这些胶囊由一种称为聚乙二醇(PEG)的聚合物制成，广泛用于医疗应用。为了形成胶囊，研究人员将冻干酵母悬浮在水中，然后将它们与聚合物亚基混合。当紫外线照射到混合物上时，聚合物连接在一起形成胶囊，酵母被困在里面。

每个胶囊的直径约为半毫米。由于水凝胶非常薄且多孔，水很容易穿过并遇到内部的酵母，而酵母仍然被困住。

在这项研究中，研究人员表明，封装的酵母可以像 Stathatou 和 Athanasiou 最初的 2021 年研究中未封装的酵母一样快速地去除水中的微量铅。

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，发现胶囊和内部酵母可以承受类似于水龙头流水产生的力。他们还计算出，充满酵母的胶囊应该能够承受为数百个住宅提供服务的水处理厂中的水流产生的力。

“之前使用固定化细胞扩大生物吸附的尝试失败的一个常见原因是缺乏机械稳定性;在我们的工作中，我们希望确保从一开始就彻底解决这个问题，以确保可扩展性，”Athanasiou 说。

在评估了充满酵母的胶囊的机械强度后，研究人员构建了一个概念验证的填充床生物过滤器，能够处理微量铅污染的水，并在连续运行 12 天的情况下满足美国环境保护局的饮用水准则。

研究人员表示，这一过程可能比现有的从水中去除痕量无机化合物的物理化学过程(例如沉淀和膜过滤)消耗更少的能量。

这种方法植根于循环经济原则，可以最大限度地减少浪费和环境影响，同时也促进当地社区的经济机会。尽管美国各地报告了许多铅污染事件，但这种方法可能对历史上面临环境污染和获得清洁水的机会有限且可能无力承担其他费用的低收入地区产生特别重大的影响。研究人员说，有补救的方法。

“我们认为这有一个有趣的环境正义方面，特别是当你从像酵母这样低成本和可持续的东西开始时，它基本上在任何地方都可以买到，”戈卡莱说。

研究人员现在正在探索酵母用完后回收和更换的策略，并试图计算需要发生的频率。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于捕获其他类型的污染物。

Stathatou 表示：“展望未来，这项技术可以发展到针对其他新出现的痕量污染物，例如 PFAS 甚至微塑料。” “我们确实认为这是一个未来有很多潜在应用的例子。”