Des capsules d'hydrogel contenant de la levure pourraient être utilisées pour éliminer le plomb de l'eau contaminée rapidement et à moindre coût. Les travaux des chercheurs du MIT et de Georgia Tech pourraient être particulièrement utiles dans les zones à faible revenu et fortement contaminées par le plomb. Crédit : Avec l’aimable autorisation des chercheurs
Un filtre fabriqué à partir de levure de brasserie encapsulée dans des hydrogels peut rapidement absorber le plomb présent dans l’eau contaminée.
Les brasseries de bière génèrent et rejettent chaque année des milliers de tonnes de levure excédentaire. Des chercheurs de MIT et Georgia Tech ont désormais trouvé un moyen de réutiliser cette levure pour extraire le plomb de l'eau polluée.
Grâce à un processus connu sous le nom de biosorption, la levure absorbe efficacement des traces et des quantités plus importantes de plomb et d'autres métaux lourds présents dans l'eau. Les chercheurs ont réussi à conditionner la levure dans des capsules d'hydrogel, formant un filtre qui élimine le plomb de l'eau. Ces cellules de levure encapsulées peuvent facilement être retirées de l’eau, ce qui la rend sans danger pour la consommation.
Technologie efficace et durable
« Nous avons l'hydrogel entourant la levure libre qui existe au centre, et il est suffisamment poreux pour laisser entrer l'eau, interagir avec la levure comme si elle se déplaçait librement dans l'eau, puis en ressortir propre », explique Patricia Stathatou, une ancien postdoctorant au MIT Center for Bits and Atoms, qui est maintenant chercheur scientifique à Georgia Tech et nouveau professeur adjoint à l'École de génie chimique et biomoléculaire de Georgia Tech. « Le fait que les levures elles-mêmes soient d'origine biologique, inoffensives et biodégradables constitue un avantage significatif par rapport aux technologies traditionnelles. »
Les chercheurs envisagent que ce processus pourrait être utilisé pour filtrer l’eau potable sortant d’un robinet dans les maisons, ou étendu pour traiter de grandes quantités d’eau dans les usines de traitement.
Devashish Gokhale et Stathatou, étudiants diplômés du MIT, sont les principaux auteurs de l'étude, publiée le 15 mai dans la revue Durabilité de la RSC. Patrick Doyle, professeur Robert T. Haslam de génie chimique au MIT, est l'auteur principal de l'article, et Christos Athanasiou, professeur adjoint de génie aérospatial à Georgia Tech et ancien chercheur invité au MIT, est également auteur.
Plomb absorbant
La nouvelle étude s'appuie sur les travaux que Stathatou et Athanasiou ont commencé en 2021, alors qu'Athanasiou était chercheur invité au Center for Bits and Atoms du MIT. Cette année-là, ils ont calculé que les déchets de levure rejetés par une seule brasserie de Boston suffiraient à traiter la totalité de l'approvisionnement en eau de la ville.
Grâce à la biosorption, un processus qui n'est pas entièrement compris, les cellules de levure peuvent se lier aux ions de métaux lourds et les absorber, même à des concentrations initiales difficiles inférieures à 1 partie par million. L’équipe du MIT a découvert que ce processus pouvait décontaminer efficacement l’eau contenant de faibles concentrations de plomb. Cependant, un obstacle majeur subsistait : comment éliminer la levure de l’eau après qu’elle ait absorbé le plomb.
Par une coïncidence fortuite, Stathatou et Athanasiou ont présenté leurs recherches lors de la réunion annuelle de l'AIChE à Boston en 2021, où Gokhale, un étudiant du laboratoire de Doyle, présentait ses propres recherches sur l'utilisation d'hydrogels pour capturer les micropolluants dans l'eau. Les deux groupes de chercheurs ont décidé d'unir leurs forces et d'explorer si la stratégie basée sur la levure pourrait être plus facile à développer si la levure était encapsulée dans des hydrogels développés par Gokhale et Doyle.
« Ce que nous avons décidé de faire, c'est de fabriquer ces capsules creuses, un peu comme une pilule multivitaminée, mais au lieu de les remplir de vitamines, nous les remplissons de cellules de levure », explique Gokhale. « Ces capsules sont poreuses, donc l'eau peut pénétrer dans les capsules et la levure est capable de lier tout ce plomb, mais la levure elle-même ne peut pas s'échapper dans l'eau. »
Les capsules sont fabriquées à partir d’un polymère appelé polyéthylène glycol (PEG), largement utilisé dans les applications médicales. Pour former les capsules, les chercheurs suspendent de la levure lyophilisée dans de l'eau, puis les mélangent avec les sous-unités polymères. Lorsque la lumière UV est projetée sur le mélange, les polymères se lient entre eux pour former des capsules contenant de la levure emprisonnée à l’intérieur.
Chaque capsule mesure environ un demi-millimètre de diamètre. Étant donné que les hydrogels sont très fins et poreux, l’eau peut facilement les traverser et rencontrer la levure à l’intérieur, tandis que la levure reste piégée.
Dans cette étude, les chercheurs ont montré que la levure encapsulée pouvait éliminer les traces de plomb de l’eau aussi rapidement que la levure non encapsulée de l’étude originale de Stathatou et Athanasiou en 2021.
Mise à l'échelle
Dirigés par Athanasiou, les chercheurs ont testé la stabilité mécanique des capsules d'hydrogel et ont découvert que les capsules et la levure à l'intérieur peuvent résister à des forces similaires à celles générées par l'eau coulant d'un robinet. Ils ont également calculé que les capsules chargées de levure devraient être capables de résister aux forces générées par les écoulements dans les stations d'épuration desservant plusieurs centaines de résidences.
« Le manque de robustesse mécanique est une cause fréquente d’échec des tentatives précédentes visant à augmenter la biosorption à l’aide de cellules immobilisées ; Dans notre travail, nous voulions nous assurer que cet aspect soit pris en compte de manière approfondie dès le début afin de garantir l'évolutivité », explique Athanasiou.
Après avoir évalué la robustesse mécanique des capsules chargées de levure, les chercheurs ont construit un biofiltre à lit garni de preuve de concept, capable de traiter des traces d'eau contaminée par le plomb et de répondre aux directives sur l'eau potable de l'Agence américaine de protection de l'environnement tout en fonctionnant en continu pendant 12 jours.
Ce processus consommerait probablement moins d'énergie que les processus physico-chimiques existants pour éliminer les traces de composés inorganiques de l'eau, tels que les précipitations et la filtration sur membrane, affirment les chercheurs.
Cette approche, ancrée dans les principes de l'économie circulaire, pourrait minimiser les déchets et l'impact environnemental tout en favorisant les opportunités économiques au sein des communautés locales. Bien que de nombreux incidents de contamination au plomb aient été signalés dans diverses régions des États-Unis, cette approche pourrait avoir un impact particulièrement significatif dans les zones à faible revenu qui ont toujours été confrontées à la pollution environnementale et à un accès limité à l'eau potable, et qui ne sont peut-être pas en mesure de se permettre d'autres moyens de subsistance. des moyens d'y remédier, disent les chercheurs.
« Nous pensons qu'il y a un aspect intéressant de justice environnementale à cela, surtout lorsque vous commencez avec quelque chose d'aussi peu coûteux et durable que la levure, qui est essentiellement disponible partout », explique Gokhale.
Perspectives d'avenir
Les chercheurs explorent actuellement des stratégies de recyclage et de remplacement de la levure une fois épuisée, et tentent de calculer la fréquence à laquelle cela devra se produire. Ils espèrent également déterminer s’ils pourraient utiliser des matières premières dérivées de la biomasse pour fabriquer les hydrogels, au lieu de polymères à base de combustibles fossiles, et si la levure peut être utilisée pour capturer d’autres types de contaminants.
« À l’avenir, il s’agira d’une technologie qui pourra évoluer pour cibler d’autres contaminants traces préoccupants, tels que les PFAS ou même les microplastiques », explique Stathatou. « Nous considérons vraiment cela comme un exemple avec de nombreuses applications potentielles dans le futur. »
La recherche a été financée par la bourse Rasikbhai L. Meswani pour les solutions liées à l'eau, le laboratoire des systèmes d'eau et d'alimentation du MIT Abdul Latif Jameel (J-WAFS) et le Renewable Bioproducts Institute de Georgia Tech.
