A través de un proceso llamado biosorción, la levadura puede absorber rápidamente incluso trazas de plomo y otros metales pesados ​​del agua. Los investigadores demostraron que podían empaquetar la levadura dentro de cápsulas de hidrogel para crear un filtro que elimina el plomo del agua. Debido a que las células de levadura están encapsuladas, se pueden eliminar fácilmente del agua una vez que esté lista para beber.

"Tenemos el hidrogel que rodea la levadura libre que existe en el centro, y esta es lo suficientemente porosa como para permitir que entre agua, interactúe con la levadura como si se movieran libremente en el agua y luego salga limpia", dice Patricia Stathatou, una ex postdoctorado en el Centro de Bits y Átomos del MIT, que ahora es científico investigador en Georgia Tech y profesor asistente entrante en la Escuela de Ingeniería Química y Biomolecular de Georgia Tech.

"El hecho de que la levadura en sí sea de origen biológico, benigna y biodegradable es una ventaja significativa sobre las tecnologías tradicionales".

Los investigadores imaginan que este proceso podría usarse para filtrar el agua potable que sale de un grifo en los hogares o ampliarse para tratar grandes cantidades de agua en plantas de tratamiento.

El estudiante graduado del MIT Devashish Gokhale y Stathatou son los autores principales del estudio, que aparece en la revista RSC Sustainability. . Patrick Doyle, profesor Robert T. Haslam de Ingeniería Química en el MIT, es el autor principal del artículo, y Christos Athanasiou, profesor asistente de ingeniería aeroespacial en Georgia Tech y ex académico visitante en el MIT, también es autor. /P>

Plomo absorbente

El nuevo estudio se basa en el trabajo que Stathatou y Athanasiou comenzaron en 2021, cuando Athanasiou era académico visitante en el Centro de Bits y Átomos del MIT. Ese año, calcularon que los residuos de levadura desechados de una sola cervecería en Boston serían suficientes para tratar todo el suministro de agua de la ciudad.

A través de la biosorción, un proceso que no se comprende completamente, las células de levadura pueden unirse y absorber iones de metales pesados, incluso en concentraciones iniciales desafiantes por debajo de 1 parte por millón. El equipo del MIT descubrió que este proceso podría descontaminar eficazmente el agua con bajas concentraciones de plomo. Sin embargo, aún quedaba un obstáculo clave:cómo eliminar la levadura del agua después de que absorba el plomo.

En una coincidencia fortuita, Stathatou y Athanasiou presentaron su investigación en la reunión anual de AIChE en Boston en 2021, donde Gokhale, un estudiante del laboratorio de Doyle, presentaba su propia investigación sobre el uso de hidrogeles para capturar microcontaminantes en el agua. Los dos grupos de investigadores decidieron unir fuerzas y explorar si la estrategia basada en levadura podría ser más fácil de ampliar si la levadura estuviera encapsulada en hidrogeles desarrollados por Gokhale y Doyle.

"Lo que decidimos hacer fue hacer estas cápsulas huecas, algo así como una pastilla multivitamínica, pero en lugar de llenarlas con vitaminas, las llenamos con células de levadura", dice Gokhale. "Estas cápsulas son porosas, por lo que el agua puede entrar en las cápsulas y la levadura puede unir todo ese plomo, pero la levadura en sí no puede escapar al agua".

Las cápsulas están hechas de un polímero llamado polietilenglicol (PEG), que se usa ampliamente en aplicaciones médicas. Para formar las cápsulas, los investigadores suspenden levadura liofilizada en agua y luego la mezclan con las subunidades del polímero. Cuando se ilumina la mezcla con luz ultravioleta, los polímeros se unen para formar cápsulas con levadura atrapada en su interior.

Cada cápsula tiene aproximadamente medio milímetro de diámetro. Debido a que los hidrogeles son muy delgados y porosos, el agua puede pasar fácilmente y encontrarse con la levadura en el interior, mientras la levadura permanece atrapada.

En este estudio, los investigadores demostraron que la levadura encapsulada podía eliminar trazas de plomo del agua tan rápidamente como la levadura no encapsulada del estudio original de Stathatou y Athanasiou de 2021.

Ampliación

Dirigidos por Athanasiou, los investigadores probaron la estabilidad mecánica de las cápsulas de hidrogel y descubrieron que las cápsulas y la levadura en su interior pueden soportar fuerzas similares a las generadas por el agua que sale de un grifo. También calcularon que las cápsulas cargadas de levadura deberían poder resistir las fuerzas generadas por los flujos en las plantas de tratamiento de agua que abastecen a varios cientos de residencias.

"La falta de robustez mecánica es una causa común de fracaso en intentos anteriores de ampliar la biosorción utilizando células inmovilizadas; en nuestro trabajo queríamos asegurarnos de que este aspecto se aborda minuciosamente desde el principio para garantizar la escalabilidad", dice Athanasiou. /P>

Después de evaluar la robustez mecánica de las cápsulas cargadas de levadura, los investigadores construyeron un biofiltro de lecho compacto de prueba de concepto, capaz de tratar trazas de agua contaminada con plomo y cumplir con las pautas de agua potable de la Agencia de Protección Ambiental de EE. UU. mientras opera continuamente durante 12 días.

Según los investigadores, este proceso probablemente consumiría menos energía que los procesos fisicoquímicos existentes para eliminar trazas de compuestos inorgánicos del agua, como la precipitación y la filtración por membrana.

Este enfoque, basado en los principios de la economía circular, podría minimizar los residuos y el impacto ambiental y al mismo tiempo fomentar oportunidades económicas dentro de las comunidades locales. Aunque se han reportado numerosos incidentes de contaminación por plomo en varios lugares de los Estados Unidos, este enfoque podría tener un impacto especialmente significativo en áreas de bajos ingresos que históricamente han enfrentado contaminación ambiental y acceso limitado a agua potable, y que tal vez no puedan permitirse otros formas de remediarlo, afirman los investigadores.

"Creemos que hay un aspecto interesante de justicia ambiental en esto, especialmente cuando se comienza con algo tan económico y sostenible como la levadura, que básicamente está disponible en cualquier lugar", dice Gokhale.

Los investigadores ahora están explorando estrategias para reciclar y reemplazar la levadura una vez que se agoten, y tratando de calcular con qué frecuencia será necesario que esto ocurra. También esperan investigar si podrían utilizar materias primas derivadas de la biomasa para fabricar hidrogeles, en lugar de polímeros basados ​​en combustibles fósiles, y si la levadura se puede utilizar para capturar otros tipos de contaminantes.

"En el futuro, se trata de una tecnología que puede evolucionar para abordar otros contaminantes traza de interés emergente, como los PFAS o incluso los microplásticos", afirma Stathatou. "Realmente vemos esto como un ejemplo con muchas aplicaciones potenciales en el futuro."