هر سال، آبجوسازی ها هزاران تن مخمر اضافی تولید و دفع می کنند. محققان MIT و Georgia Tech اکنون راهی برای سیم کشی مجدد این مخمر برای جذب سرب از آب آلوده کشف کرده اند.
از طریق فرآیندی به نام جذب زیستی، مخمر می تواند به سرعت حتی مقادیر کمی از سرب و سایر فلزات سنگین را از آب جذب کند. محققان نشان دادند که می توانند مخمر را در کپسول های هیدروژل بسته بندی کنند تا فیلتری ایجاد کنند که سرب را از آب حذف می کند. از آنجایی که سلول های مخمر محصور شده اند، پس از آماده شدن برای نوشیدن به راحتی می توان آنها را از آب خارج کرد.
پاتریشیا استاتاتو می گوید: “ما یک هیدروژل در اطراف مخمر آزاد داریم که در مرکز وجود دارد، و به اندازه کافی متخلخل است که اجازه می دهد آب وارد شود، با مخمر به گونه ای تعامل کند که گویی آزادانه در آب حرکت می کند و سپس تمیز بیرون می آید.” عضو سابق فوق دکترا در مرکز بیت‌ها و اتم‌های MIT که اکنون محققی در Georgia Tech و استادیار آینده‌ای در دانشکده مهندسی شیمی و بیومولکولی جورجیا تک است. این واقعیت که خود مخمر دارای پایه بیولوژیکی، خوش خیم و زیست تخریب پذیر است، یک مزیت قابل توجه نسبت به فناوری های سنتی است.
محققان تصور می‌کنند که این فرآیند می‌تواند برای فیلتر کردن آب آشامیدنی که از شیرهای آب در خانه‌ها خارج می‌شود یا برای تصفیه مقادیر زیادی آب در تصفیه خانه‌های فاضلاب استفاده شود.
دواشیش گوخاله و استاتاتو، دانشجوی MIT، نویسندگان اصلی این مطالعه هستند امروز ظاهر می شود در دفتر خاطرات پایداری RSC. پاتریک دویل، استاد مهندسی شیمی رابرت تی.
سرب جاذب
مطالعه جدید مبتنی بر کاری است که استاتاتو و آتاناسیو در سال 2021، زمانی که آتاناسیو دانشمند مهمان در مرکز بیت‌ها و اتم‌های MIT بود، آغاز کردند. در آن سال، آنها محاسبه کردند که مخمر ضایعاتی که از یک کارخانه آبجوسازی بوستون تخلیه می شود برای تصفیه کل آب شهر کافی است.
از طریق جذب زیستی، فرآیندی که به طور کامل درک نشده است، سلول‌های مخمر می‌توانند یون‌های فلزات سنگین را حتی در غلظت‌های چالش‌برانگیز زیر 1 قسمت در میلیون، متصل کرده و جذب کنند. تیم MIT دریافت که این فرآیند می تواند به طور موثر آب با غلظت های پایین سرب را بی خطر کند. با این حال، یک مانع کلیدی باقی می‌ماند، و آن چگونگی حذف مخمر از آب پس از جذب سرب است.
به طور تصادفی، استاتاتو و آتاناسیو تحقیقات خود را در نشست سالانه AIchE 2021 در بوستون ارائه کردند، جایی که گوکاله، دانشجوی کارشناسی ارشد در آزمایشگاه دویل، در حال ارائه تحقیقات خود در مورد استفاده از هیدروژل ها برای جذب ریزآلاینده ها در آب بود. این دو گروه از محققان تصمیم گرفتند نیروها را به هم بپیوندند و بررسی کنند که اگر مخمر در هیدروژل های توسعه یافته توسط گوکاله و دویل کپسوله شود، استراتژی مبتنی بر مخمر ممکن است آسان تر شود یا خیر.
گوکاله می‌گوید: «آنچه که ما تصمیم گرفتیم انجام دهیم این بود که این کپسول‌های توخالی را بسازیم – به نوعی مانند یک قرص مولتی ویتامین، اما به جای پر کردن آنها با ویتامین، آنها را با سلول‌های مخمر پر می‌کنیم. این کپسول ها متخلخل هستند، بنابراین آب می تواند وارد کپسول ها شود و مخمر می تواند تمام آن سرب را ببندد، اما خود مخمر نمی تواند به داخل آب فرار کند.
این کپسول ها از پلیمری به نام پلی اتیلن گلیکول (PEG) ساخته شده اند که در پزشکی کاربرد فراوانی دارد. برای تشکیل کپسول ها، محققان مخمر لیوفیلیزه را در آب معلق کردند، سپس آن را با زیر واحدهای پلیمری مخلوط کردند. هنگامی که نور ماوراء بنفش به مخلوط تابیده می شود، پلیمرها به یکدیگر متصل می شوند و کپسول هایی را تشکیل می دهند که مخمر درون آن به دام افتاده است.
قطر هر کپسول حدود نیم میلی متر است. از آنجایی که هیدروژل ها بسیار نازک و متخلخل هستند، آب می تواند به راحتی از داخل آن عبور کرده و با مخمر درون آن برخورد کند در حالی که مخمر در دام باقی می ماند.
در این مطالعه، محققان نشان دادند که مخمر کپسوله‌شده می‌تواند مقادیر کمی از سرب را از آب به همان سرعتی که مخمر غیر محصور شده از مطالعه اولیه سال 2021 توسط Stathatou و Athanasiou حذف کند.
بزرگنمایی
محققان به رهبری آتاناسیو، پایداری مکانیکی کپسول‌های هیدروژل را آزمایش کردند و دریافتند که کپسول‌ها و مخمر داخل آن می‌توانند نیروهایی مشابه نیروهای تولید شده توسط آب جاری از یک شیر آب را تحمل کنند. آنها همچنین محاسبه کردند که کپسول های مملو از مخمر باید قادر به مقاومت در برابر نیروهای ناشی از جریان در تصفیه خانه های چند صد خانه باشند.
فقدان مقاومت مکانیکی یک دلیل رایج برای شکست تلاش های قبلی برای افزایش جذب زیستی با استفاده از سلول های بی حرکت است. آتاناسیو می‌گوید: در کارمان، ما می‌خواستیم مطمئن شویم که این جنبه از ابتدا به طور کامل مورد توجه قرار گرفته است تا مقیاس‌پذیری را تضمین کنیم.
پس از ارزیابی دوام مکانیکی کپسول‌های مملو از مخمر، محققان یک بیوفیلتر بیولوژیکی با بستر بسته‌بندی شده ساختند که قادر است مقادیر کمی از آب آلوده به سرب را تصفیه کند و دستورالعمل‌های آب آشامیدنی آژانس حفاظت از محیط‌زیست ایالات متحده را با کارهای مستمر انجام دهد. 12 روز.
به گفته محققان، این فرآیند احتمالا انرژی کمتری نسبت به فرآیندهای فیزیکوشیمیایی موجود برای حذف ترکیبات معدنی کمیاب از آب، مانند رسوب گذاری و فیلتراسیون غشایی مصرف می کند.
این رویکرد که ریشه در اصول اقتصاد دایره ای دارد، می تواند ضایعات و اثرات زیست محیطی را به حداقل برساند و در عین حال فرصت های اقتصادی را در جوامع محلی ارتقا دهد. اگرچه موارد متعددی از آلودگی با سرب در نقاط مختلف ایالات متحده گزارش شده است، این رویکرد ممکن است تأثیر قابل توجهی در مناطق کم درآمد داشته باشد که در طول تاریخ با آلودگی محیط زیست و دسترسی محدود به آب تمیز مواجه بوده اند و ممکن است قادر به پرداخت هزینه های دیگر نباشند. محققان می گویند راه هایی برای حذف آن.
گوخاله می‌گوید: «ما فکر می‌کنیم یک جنبه عدالت زیست‌محیطی جالب در این مورد وجود دارد، به‌ویژه زمانی که شما با چیزی ارزان و پایدار مانند مخمر شروع می‌کنید، که اساساً در همه جا موجود است».
محققان اکنون در حال بررسی استراتژی‌هایی برای بازیافت و جایگزینی مخمر پس از مصرف هستند و تلاش می‌کنند تا محاسبه کنند که چند وقت یک‌بار باید این اتفاق بیفتد. آنها همچنین امیدوارند که بررسی کنند که آیا می‌توانند از مواد خام مشتق شده از زیست توده برای ساخت هیدروژل‌ها به جای پلیمرهای مبتنی بر سوخت فسیلی استفاده کنند و آیا می‌توان از مخمر برای جذب انواع دیگر آلاینده‌ها استفاده کرد.
Statatou می‌گوید: «در حرکت رو به جلو، این فناوری است که می‌تواند برای هدف قرار دادن سایر آلاینده‌های نگران‌کننده مانند PFAS یا حتی میکروپلاستیک‌ها توسعه یابد. ما واقعاً به این به عنوان نمونه ای با کاربردهای بالقوه بسیاری در آینده نگاه می کنیم.”
این تحقیق توسط بورسیه Rasikbhai L. Meswani برای راه‌حل‌های آب، آزمایشگاه سیستم‌های آب و غذای MIT عبداللطیف جمیل (J-WAFS) و مؤسسه محصولات زیستی تجدیدپذیر در فناوری جورجیا تامین شد.
