啤酒酵母能解决水中重金属污染吗?

麻省理工学院比特与原子中心(CBA)的研究人员的一项新分析发现，不活性酵母可以作为一种廉价、丰富、简单的材料，有效地去除饮用水中的铅污染。这项研究表明，这种方法既有效又经济，甚至可以将污染降至十亿分之一的水平。已知，即使是这些低浓度也会对人类健康造成严重损害。

这种方法非常有效，研究小组计算出，波士顿一家啤酒厂丢弃的废酵母足以处理整个城市的供水系统。这样一个完全可持续的系统不仅能净化水源，还能分流原本需要处理的废水。

麻省理工学院的研究科学家patricia Statathou今天在《自然通讯地球与环境》杂志上发表了一篇论文，详细介绍了这一发现;布朗大学博士后，麻省理工学院访问学者Christos Athanasiou;麻省理工学院教授，CBA主任尼尔·格申菲尔德;以及麻省理工学院、布朗大学、韦尔斯利学院、南洋理工大学和雅典国立技术大学的其他九所大学。

水中的铅和其他重金属是一个严重的全球问题，由于电子垃圾和采矿作业排放，这个问题继续加剧。仅在美国，就有超过1.2万英里的水道受到酸性矿井排水的影响，这种富含重金属的水是美国主要的水污染来源。与有机污染物不同的是，大多数有机污染物最终都可以被分解，重金属不能生物降解，而是无限期地存在并在生物体内积累。它们要么是不可能的，要么是非常昂贵的完全去除传统方法，如化学沉淀或膜过滤。

即使在很小的浓度下，铅也是剧毒的，尤其会影响到成长中的儿童。欧盟已经将其饮用水中允许使用的铅标准从十亿分之十降低到十亿分之五。在美国，环境保护署已经宣布，水供应中的任何含量都是不安全的。全球地表水的平均水平是50年前的10倍，从欧洲的十亿分之一到南美洲的十亿分之一。

“我们不仅需要减少铅的存在;我们需要在饮用水中消除它，”Stathatou说。“事实是，当需要去除的初始浓度很低，在十亿分之一或以下时，传统的处理过程不能有效地做到这一点。它们要么不能完全去除这些微量物质，要么为了做到这一点，它们会消耗大量的能量，并产生有毒的副产品。”

麻省理工学院研究小组研究的解决方案并不是一个新方法——一种被称为生物吸附的过程，用不活性的生物材料去除水中的重金属，这一过程已经被人们知道了几十年。但这一过程的研究和特征只在浓度更高的情况下进行，即超过百万分之一的水平。Athanasiou说:“我们的研究表明，这一过程确实可以在低得多的典型现实世界供水浓度下有效工作，并详细研究了这一过程中涉及的机制。”

该团队研究了一种被广泛用于酿造和工业过程的酵母，这种酵母被称为酿酒酵母(S. cerevisiae)，在添加了微量铅的纯水中使用。他们证明，在初始铅浓度低于百万分之一的水溶液中，一克不活跃的干酵母细胞可以去除多达12毫克的铅。他们还表明，这个过程非常迅速，只需不到五分钟就可以完成。

因为在这个过程中使用的酵母细胞是不活跃的和干燥的，他们不需要特别的照顾，不像其他过程，依赖活的生物量来执行这样的功能，需要营养和阳光来保持材料的活性。更重要的是，作为啤酒酿造和其他各种以发酵为基础的工业过程中的废物，酵母已经大量存在。

Stathatou估计，对于一个波士顿大小的城市来说，每天要使用大约2亿加仑的水来清洁供水系统，每天大约需要20吨酵母，也就是每年大约7000吨。相比之下，波士顿啤酒公司(Boston Beer Company)每年生产2万吨剩余酵母，这些酵母不再用于发酵。

研究人员还进行了一系列测试，以确定酵母细胞负责生物吸附。Athanasiou说:“在如此具有挑战性的浓度下探索生物吸附机制是一个棘手的问题。我们是第一个使用力学角度来揭示生物吸附机制的人，我们发现酵母细胞的力学性质在铅吸收后发生了显著变化。这为这一过程提供了全新的见解。”

他们说，设计一个处理水和回收酵母的实用系统，然后将酵母从铅中分离出来再利用，是该团队研究的下一阶段。

Stathatou说:“要放大这个过程并将其付诸实施，你需要将这些细胞嵌入到一种过滤器中，这是目前正在进行的工作。”他们也在寻找同时恢复细胞和铅的方法。她说:“我们需要进行进一步的实验，但有一个选择是把两者都拿回来。”

研究人员说，同样的材料也可以用于去除其他重金属，如镉和铜，但这需要进一步的研究来量化这些过程的有效速率。

该团队还包括希腊雅典国立技术大学的Marios Tsezos;韦尔斯利学院的约翰·格罗斯;Camron Blackburn, Filippos Tourlomousis和Andreas Mershin在麻省理工的CBA;布朗大学的Brian Sheldon, Nitin Padture, Eric Darling;以及新加坡布朗大学和南洋理工大学的高华健。