Una nuova analisi dei ricercatori del Center for Bits and Atoms (CBA) del MIT ha scoperto che il lievito inattivo potrebbe essere efficace come materiale economico, abbondante e semplice per rimuovere la contaminazione da piombo dalle forniture di acqua potabile. Lo studio mostra che questo approccio può essere efficiente ed economico, anche fino a livelli di contaminazione pari a una parte per miliardo. È noto che anche a questi bassi livelli si verificano gravi danni alla salute umana.

Il metodo è così efficiente che il team ha calcolato che i lieviti di scarto scartati da un singolo birrificio di Boston sarebbero sufficienti per trattare l'intero approvvigionamento idrico della città. Un tale sistema completamente sostenibile non solo purificherebbe l'acqua, ma devierebbe anche quello che altrimenti sarebbe un flusso di rifiuti da smaltire.

I risultati sono dettagliati oggi nella rivista Nature Communications Earth &Environment , in un articolo della ricercatrice del MIT Patritsia Statathou; Christos Athanasiou, postdoc della Brown University e visiting Scholar del MIT; il professor Neil Gershenfeld del MIT, il direttore della CBA; e altri nove al MIT, Brown, Wellesley College, Nanyang Technological University e National Technical University di Atene.

Il piombo e altri metalli pesanti nell'acqua sono un problema globale significativo che continua a crescere a causa dei rifiuti elettronici e degli scarichi delle operazioni minerarie. Solo negli Stati Uniti, più di 12.000 miglia di corsi d'acqua sono interessati da acque acide di drenaggio delle mine ricche di metalli pesanti, la principale fonte di inquinamento idrico del paese. E a differenza degli inquinanti organici, la maggior parte dei quali può essere eventualmente scomposta, i metalli pesanti non si biodegradano, ma persistono indefinitamente e si bioaccumulano. Sono impossibili o molto costosi da rimuovere completamente con metodi convenzionali come la precipitazione chimica o la filtrazione su membrana.

Il piombo è altamente tossico, anche a piccole concentrazioni, e colpisce soprattutto i bambini durante la crescita. L'Unione Europea ha ridotto il suo standard per il piombo consentito nell'acqua potabile da 10 parti per miliardo a 5 parti per miliardo. Negli Stati Uniti, l'Environmental Protection Agency ha dichiarato che nessun livello nelle forniture idriche è sicuro. E i livelli medi nei corpi idrici superficiali a livello globale sono 10 volte superiori rispetto a 50 anni fa, da 10 parti per miliardo in Europa a centinaia di parti per miliardo in Sud America.

"Non abbiamo solo bisogno di ridurre al minimo l'esistenza del piombo, dobbiamo eliminarlo nell'acqua potabile", afferma Stathatou. "E il fatto è che i processi di trattamento convenzionali non lo fanno in modo efficace quando le concentrazioni iniziali che devono rimuovere sono basse, nella scala delle parti per miliardo e al di sotto. O non riescono a rimuovere completamente queste tracce o in ordine per farlo consumano molta energia e producono sottoprodotti tossici."

La soluzione studiata dal team del MIT non è nuova:da alcuni decenni è noto un processo chiamato bioassorbimento, in cui viene utilizzato materiale biologico inattivo per rimuovere i metalli pesanti dall'acqua. Ma il processo è stato studiato e caratterizzato solo a concentrazioni molto più elevate, a più di una parte per milione di livelli. "Il nostro studio dimostra che il processo può effettivamente funzionare in modo efficiente alle concentrazioni molto più basse delle tipiche riserve idriche del mondo reale e indaga in dettaglio i meccanismi coinvolti nel processo", afferma Athanasiou.

Il team ha studiato l'uso di un tipo di lievito ampiamente utilizzato nella produzione della birra e nei processi industriali, chiamato S. cerevisiae, su acqua pura addizionata con tracce di piombo. Hanno dimostrato che un singolo grammo di cellule di lievito essiccate inattive può rimuovere fino a 12 milligrammi di piombo in soluzioni acquose con concentrazioni iniziali di piombo inferiori a 1 parte per milione. Hanno anche dimostrato che il processo è molto rapido e richiede meno di cinque minuti per essere completato.

Poiché le cellule di lievito utilizzate nel processo sono inattive ed essiccate, non richiedono cure particolari, a differenza di altri processi che si basano sulla biomassa vivente per svolgere tali funzioni che richiedono nutrienti e luce solare per mantenere attivi i materiali. Inoltre, il lievito è già abbondantemente disponibile, come prodotto di scarto della produzione della birra e di vari altri processi industriali basati sulla fermentazione.

Stathatou ha stimato che per pulire un approvvigionamento idrico per una città delle dimensioni di Boston, che utilizza circa 200 milioni di galloni al giorno, richiederebbe circa 20 tonnellate di lievito al giorno, ovvero circa 7.000 tonnellate all'anno. In confronto, un solo birrificio, la Boston Beer Company, genera 20.000 tonnellate all'anno di lievito in eccesso che non è più utile per la fermentazione.

I ricercatori hanno anche eseguito una serie di test per determinare che le cellule di lievito sono responsabili del bioassorbimento. Athanasiou afferma che "esplorare i meccanismi di bioassorbimento a concentrazioni così difficili è un problema difficile. Siamo stati i primi a utilizzare una prospettiva meccanica per svelare i meccanismi di bioassorbimento e abbiamo scoperto che le proprietà meccaniche delle cellule di lievito cambiano significativamente dopo l'assorbimento del piombo. Ciò fornisce fondamentalmente nuovi spunti per il processo."

L'ideazione di un sistema pratico per il trattamento dell'acqua e il recupero del lievito, che potrebbe quindi essere separato dal piombo per il riutilizzo, è la fase successiva della ricerca del team, affermano.

"Per aumentare il processo e metterlo effettivamente in atto, è necessario incorporare queste celle in una sorta di filtro, e questo è il lavoro attualmente in corso", afferma Stathatou. Stanno anche cercando modi per recuperare sia le cellule che il vantaggio. "Dobbiamo condurre ulteriori esperimenti, ma c'è la possibilità di riavere entrambi", dice.

Lo stesso materiale può essere potenzialmente utilizzato per rimuovere altri metalli pesanti, come cadmio e rame, ma ciò richiederà ulteriori ricerche per quantificare i tassi effettivi per tali processi, affermano i ricercatori.

"Questa ricerca ha rivelato una soluzione molto promettente, economica ed ecologica per la rimozione del piombo", afferma Sivan Zamir, vicepresidente di Xylem Innovation Labs, una società di ricerca sulla tecnologia dell'acqua, che non è stata associata a questa ricerca. "Ha anche approfondito la nostra comprensione del processo di bioassorbimento, aprendo la strada allo sviluppo di materiali su misura per la rimozione di altri metalli pesanti".