Attraverso un processo chiamato bioassorbimento, il lievito può assorbire rapidamente anche tracce di piombo e altri metalli pesanti dall’acqua. I ricercatori hanno dimostrato di poter confezionare il lievito all’interno di capsule di idrogel per creare un filtro che rimuova il piombo dall’acqua. Poiché le cellule di lievito sono incapsulate, possono essere facilmente rimosse dall'acqua una volta pronta da bere.

"Abbiamo l'idrogel che circonda il lievito libero che esiste al centro, e questo è abbastanza poroso da far entrare l'acqua, interagire con il lievito come se si muovessero liberamente nell'acqua, e poi uscire pulito", dice Patricia Stathatou, una ex postdoc presso il Centro per bit e atomi del MIT, ora è ricercatore presso la Georgia Tech e professore assistente entrante presso la School of Chemical and Biomolecular Engineering della Georgia Tech.

"Il fatto che il lievito stesso sia di origine biologica, benigno e biodegradabile rappresenta un vantaggio significativo rispetto alle tecnologie tradizionali."

I ricercatori prevedono che questo processo potrebbe essere utilizzato per filtrare l'acqua potabile che esce da un rubinetto nelle case o su scala industriale per trattare grandi quantità di acqua negli impianti di trattamento.

Gli studenti laureati del MIT Devashish Gokhale e Stathatou sono gli autori principali dello studio, pubblicato sulla rivista RSC Sustainability . Patrick Doyle, professore Robert T. Haslam di ingegneria chimica al MIT, è l'autore senior dell'articolo, e anche Christos Athanasiou, assistente professore di ingegneria aerospaziale alla Georgia Tech ed ex visiting fellow al MIT, è un autore. /P>

Assorbe piombo

Il nuovo studio si basa sul lavoro iniziato da Stathatou e Athanasiou nel 2021, quando Athanasiou era visiting fellow presso il Center for Bits and Atoms del MIT. Quell'anno calcolarono che il lievito di scarto scartato da un singolo birrificio di Boston sarebbe stato sufficiente per trattare l'intera fornitura idrica della città.

Attraverso il bioassorbimento, un processo non del tutto compreso, le cellule di lievito possono legarsi e assorbire ioni di metalli pesanti, anche a concentrazioni iniziali impegnative inferiori a 1 parte per milione. Il team del MIT ha scoperto che questo processo potrebbe decontaminare efficacemente l’acqua con basse concentrazioni di piombo. Tuttavia, rimaneva un ostacolo chiave:come rimuovere il lievito dall'acqua dopo aver assorbito il piombo.

In una fortuita coincidenza, Stathatou e Athanasiou hanno presentato la loro ricerca al meeting annuale dell'AIChE a Boston nel 2021, dove Gokhale, uno studente del laboratorio di Doyle, presentava la propria ricerca sull'uso degli idrogel per catturare i microinquinanti nell'acqua. I due gruppi di ricercatori hanno deciso di unire le forze ed esplorare se la strategia basata sul lievito potrebbe essere più facile da ampliare se il lievito fosse incapsulato in idrogel sviluppati da Gokhale e Doyle.

"Quello che abbiamo deciso di fare è stato creare queste capsule cave, qualcosa di simile a una pillola multivitaminica, ma invece di riempirle di vitamine, le riempiamo di cellule di lievito", dice Gokhale. "Queste capsule sono porose, quindi l'acqua può entrare nelle capsule e il lievito è in grado di legare tutto il piombo, ma il lievito stesso non può fuoriuscire nell'acqua."

Le capsule sono realizzate con un polimero chiamato polietilenglicole (PEG), ampiamente utilizzato nelle applicazioni mediche. Per formare le capsule, i ricercatori sospendono il lievito liofilizzato in acqua, quindi lo mescolano con le subunità polimeriche. Quando la luce UV viene riflessa sulla miscela, i polimeri si uniscono per formare capsule con lievito intrappolato all'interno.

Ogni capsula ha un diametro di circa mezzo millimetro. Poiché gli idrogel sono molto sottili e porosi, l'acqua può facilmente attraversarli e incontrare il lievito all'interno, mentre il lievito rimane intrappolato.

In questo studio, i ricercatori hanno dimostrato che il lievito incapsulato potrebbe rimuovere tracce di piombo dall'acqua con la stessa rapidità del lievito non incapsulato dello studio originale del 2021 di Stathatou e Athanasiou.

Aumentare

Guidati da Athanasiou, i ricercatori hanno testato la stabilità meccanica delle capsule di idrogel e hanno scoperto che le capsule e il lievito al loro interno possono resistere a forze simili a quelle generate dall'acqua che scorre da un rubinetto. Hanno inoltre calcolato che le capsule cariche di lievito dovrebbero essere in grado di resistere alle forze generate dai flussi negli impianti di trattamento dell'acqua che servono diverse centinaia di residenze.

"La mancanza di robustezza meccanica è una causa comune di fallimento dei precedenti tentativi di aumentare il bioassorbimento utilizzando cellule immobilizzate; nel nostro lavoro volevamo assicurarci che questo aspetto fosse affrontato in modo approfondito fin dall'inizio per garantire la scalabilità", afferma Athanasiou.

Dopo aver valutato la robustezza meccanica delle capsule cariche di lievito, i ricercatori hanno costruito un biofiltro a letto impaccato, in grado di trattare tracce di acqua contaminata da piombo e di soddisfare le linee guida sull'acqua potabile della Environmental Protection Agency degli Stati Uniti, operando ininterrottamente per 12 giorni.

Secondo i ricercatori, questo processo consumerebbe probabilmente meno energia rispetto ai processi fisico-chimici esistenti per la rimozione di composti inorganici in tracce dall'acqua, come la precipitazione e la filtrazione su membrana.

Questo approccio, radicato nei principi dell’economia circolare, potrebbe ridurre al minimo i rifiuti e l’impatto ambientale, promuovendo allo stesso tempo le opportunità economiche all’interno delle comunità locali. Sebbene siano stati segnalati numerosi incidenti di contaminazione da piombo in varie località degli Stati Uniti, questo approccio potrebbe avere un impatto particolarmente significativo nelle aree a basso reddito che storicamente hanno affrontato l’inquinamento ambientale e l’accesso limitato all’acqua pulita, e potrebbero non essere in grado di permettersi altri modi per porvi rimedio, dicono i ricercatori.

"Crediamo che ci sia un interessante aspetto di giustizia ambientale in questo, soprattutto quando si inizia con qualcosa di così economico e sostenibile come il lievito, che è essenzialmente disponibile ovunque", afferma Gokhale.

I ricercatori stanno ora esplorando strategie per riciclare e sostituire il lievito una volta esaurito, e cercando di calcolare la frequenza con cui ciò dovrà avvenire. Sperano anche di indagare se sia possibile utilizzare materie prime derivate dalla biomassa per produrre idrogel, invece di polimeri basati su combustibili fossili, e se il lievito possa essere utilizzato per catturare altri tipi di contaminanti.

“Andando avanti, questa è una tecnologia che può essere evoluta per colpire altri contaminanti in tracce di crescente preoccupazione, come i PFAS o anche le microplastiche”, afferma Stathatou. "Lo consideriamo davvero un esempio con molte potenziali applicazioni in futuro."