Könnte gebrauchte Bierhefe die Lösung für die Schwermetallverschmutzung im Wasser sein?
Eine Studie zeigt, dass Hefe, ein häufig vorkommendes Abfallprodukt von Brauereien, sogar Spuren von Blei herausfiltern kann
Eine neue Analyse von Forschern des Center for Bits and Atoms (CBA) des MIT hat ergeben, dass inaktive Hefe als kostengünstiges, reichlich vorhandenes und einfaches Material zur Entfernung von Bleiverunreinigungen aus der Trinkwasserversorgung wirksam sein könnte. Die Studie zeigt, dass dieser Ansatz selbst bei Verunreinigungen im Promillebereich effizient und wirtschaftlich sein kann. Es ist bekannt, dass selbst bei diesen geringen Konzentrationen ernsthafte Gesundheitsschäden auftreten können.
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Die Methode ist so effizient, dass das Team errechnet hat, dass die Hefeabfälle einer einzigen Brauerei in Boston ausreichen würden, um die gesamte Wasserversorgung der Stadt zu behandeln. Ein derartiges, vollständig nachhaltiges System würde nicht nur das Wasser reinigen, sondern auch einen Abfallstrom umleiten, der ansonsten entsorgt werden müsste.
Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature Communications Earth and Environment in einem Beitrag der MIT-Forscherin Patritsia Statathou, des Postdocs der Brown University und MIT-Gastwissenschaftlers Christos Athanasiou, des MIT-Professors Neil Gershenfeld, des Direktors der CBA, und neun weiterer Wissenschaftler des MIT, der Brown University, des Wellesley College, der Nanyang Technological University und der Nationalen Technischen Universität Athen veröffentlicht.
Blei und andere Schwermetalle im Wasser sind ein erhebliches globales Problem, das aufgrund von Elektronikabfällen und Abwässern aus dem Bergbau weiter zunimmt. Allein in den USA sind mehr als 12.000 Meilen Wasserwege durch saures, schwermetallhaltiges Minenabwasser belastet, das die Hauptquelle der Wasserverschmutzung in den USA darstellt. Im Gegensatz zu organischen Schadstoffen, von denen die meisten schließlich abgebaut werden können, werden Schwermetalle nicht biologisch abgebaut, sondern bleiben auf unbestimmte Zeit bestehen und akkumulieren sich. Es ist entweder unmöglich oder sehr teuer, sie mit herkömmlichen Methoden wie chemischer Fällung oder Membranfiltration vollständig zu entfernen.
Blei ist schon in geringen Konzentrationen hochgiftig und wirkt sich vor allem auf Kinder im Wachstum aus. Die Europäische Union hat ihre Norm für den zulässigen Bleigehalt im Trinkwasser von 10 Teilen pro Milliarde auf 5 Teile pro Milliarde gesenkt. In den USA hat die Umweltschutzbehörde (Environmental Protection Agency) erklärt, dass kein einziger Wert in der Wasserversorgung sicher ist. Und weltweit sind die Durchschnittswerte in Oberflächengewässern zehnmal höher als noch vor 50 Jahren und reichen von 10 Teilen pro Milliarde in Europa bis zu Hunderten von Teilen pro Milliarde in Südamerika.
"Wir müssen nicht nur die Existenz von Blei minimieren, sondern es aus dem Trinkwasser verbannen", sagt Stathatou. "Tatsache ist, dass die konventionellen Aufbereitungsverfahren dies nicht leisten können, wenn die Ausgangskonzentrationen, die sie entfernen müssen, niedrig sind, im Bereich von Teilen pro Milliarde und darunter. Entweder gelingt es ihnen nicht, diese Spurenmengen vollständig zu entfernen, oder sie verbrauchen dafür sehr viel Energie und erzeugen giftige Nebenprodukte."
Die vom MIT-Team untersuchte Lösung ist nicht neu - ein Prozess namens Biosorption, bei dem inaktives biologisches Material zur Entfernung von Schwermetallen aus Wasser verwendet wird, ist bereits seit einigen Jahrzehnten bekannt. Allerdings wurde der Prozess bisher nur bei sehr viel höheren Konzentrationen untersucht und charakterisiert, nämlich bei Werten von mehr als einem Teil pro Million. "Unsere Studie zeigt, dass der Prozess auch bei viel niedrigeren Konzentrationen in der realen Wasserversorgung effizient funktionieren kann, und untersucht im Detail die Mechanismen, die an diesem Prozess beteiligt sind", sagt Athanasiou.
Das Team untersuchte die Verwendung einer Hefeart namens S. cerevisiae, die in der Brauerei und in industriellen Prozessen weit verbreitet ist, mit reinem Wasser, das mit Spuren von Blei versetzt war. Sie wiesen nach, dass ein einziges Gramm der inaktiven, getrockneten Hefezellen bis zu 12 Milligramm Blei in wässrigen Lösungen mit einer anfänglichen Bleikonzentration von weniger als 1 Teil pro Million entfernen kann. Sie zeigten auch, dass der Prozess sehr schnell abläuft und weniger als fünf Minuten in Anspruch nimmt.
Da die Hefezellen, die in diesem Prozess verwendet werden, inaktiv und getrocknet sind, benötigen sie keine besondere Pflege, im Gegensatz zu anderen Prozessen, die auf lebende Biomasse angewiesen sind, um solche Funktionen zu erfüllen, die Nährstoffe und Sonnenlicht benötigen, um die Materialien aktiv zu halten. Außerdem ist Hefe bereits reichlich vorhanden, da sie als Abfallprodukt beim Bierbrauen und bei verschiedenen anderen industriellen Gärungsprozessen anfällt.
Stathatou schätzt, dass für die Reinigung der Wasserversorgung einer Stadt von der Größe Bostons, die täglich etwa 200 Millionen Gallonen Wasser verbraucht, etwa 20 Tonnen Hefe pro Tag oder etwa 7.000 Tonnen pro Jahr benötigt würden. Zum Vergleich: Eine einzige Brauerei, die Boston Beer Company, erzeugt jährlich 20.000 Tonnen überschüssige Hefe, die für die Gärung nicht mehr brauchbar ist.
Die Forscher führten auch eine Reihe von Tests durch, um festzustellen, dass die Hefezellen für die Biosorption verantwortlich sind. Athanasiou sagt: "Die Erforschung von Biosorptionsmechanismen bei solch schwierigen Konzentrationen ist ein schwieriges Problem. Wir waren die ersten, die die Biosorptionsmechanismen aus der Perspektive der Mechanik untersucht haben, und wir haben entdeckt, dass sich die mechanischen Eigenschaften der Hefezellen nach der Aufnahme von Blei erheblich verändern. Dies liefert grundlegend neue Erkenntnisse über den Prozess.
Die Entwicklung eines praktischen Systems für die Aufbereitung des Wassers und die Rückgewinnung der Hefe, die dann zur Wiederverwendung vom Blei getrennt werden könnte, ist die nächste Phase der Forschung des Teams, so die Forscher.
"Um den Prozess in größerem Maßstab zu realisieren, muss man diese Zellen in eine Art Filter einbetten, und daran wird derzeit gearbeitet", sagt Stathatou. Die Forscher suchen auch nach Möglichkeiten, sowohl die Zellen als auch das Blei zurückzugewinnen. "Wir müssen weitere Experimente durchführen, aber es gibt die Möglichkeit, beides zurückzugewinnen", sagt sie.
Dasselbe Material kann möglicherweise auch zur Entfernung anderer Schwermetalle wie Kadmium und Kupfer verwendet werden, aber dazu sind weitere Untersuchungen erforderlich, um die effektiven Raten für diese Prozesse zu quantifizieren, so die Forscher.
Zu dem Team gehörten auch Marios Tsezos von der Nationalen Technischen Universität Athen in Griechenland, John Gross vom Wellesley College, Camron Blackburn, Filippos Tourlomousis und Andreas Mershin von der CBA des MIT, Brian Sheldon, Nitin Padture und Eric Darling von der Brown University sowie Huajian Gao von der Brown University und der Nanyang Technological University in Singapur.
Hinweis: Dieser Artikel wurde mit einem Computersystem ohne menschlichen Eingriff übersetzt. LUMITOS bietet diese automatischen Übersetzungen an, um eine größere Bandbreite an aktuellen Nachrichten zu präsentieren. Da dieser Artikel mit automatischer Übersetzung übersetzt wurde, ist es möglich, dass er Fehler im Vokabular, in der Syntax oder in der Grammatik enthält. Den ursprünglichen Artikel in Englisch finden Sie hier.
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