Американские материаловеды научились очищать воду от свинца с помощью препарата из пивных дрожжей.
Новый способ начинает работать уже при содержании свинца порядка двадцати миллиардных долей и позволяет извлечь до двенадцати миллиграмм свинца на каждый грамм используемого материала. В основном в биосорбции участвуют бета-глюканы и маннанопротеины из клеточных стенок дрожжей. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications Earth & Environment.
Даже небольшие количества свинца в питьевой воде могут быть опасны для здоровья человека. В Евросоюзе безопасным количеством свинца в воде считают 5 миллиардных долей, а Агентство по охране окружающей среды США после массового отравления свинцом в штате Мичиган в 2014 год и вовсе полагает, что никакая концентрация свинца не может считаться безопасной и нужно стремиться к его полному удалению.
Добиться такой низкой концентрации свинца традиционными методами непросто, поэтому ученые и инженеры постоянно ищут более быстрые и дешевые способы извлечения свинца и других тяжелых металлов из воды. Один из таких способов — биосорбция или связывания ионов металла с помощью деактивированных биологических субстратов: бактерий, дрожжей или водорослей. Но до недавнего времени ученые не знали, будет ли работать биосорбция при концентрациях свинца порядка миллиардных долей, да и сам механизм этого процесса оставался неясным.
Большой шаг вперед в изучении биосорбции свинца сделали американские ученые под руководством Нила Гершенфельда (Neil Gershenfeld) из Массачусетского Технологического Института. За основу материала ученые взяли препарат деактивированных пивных дрожжей Saccharomyces cerevisiae. Эти дрожжи нетоксичны, дешевы, и их можно получать в больших количествах как побочный продукт производства пива.
Чтобы приготовить сорбент, Гершенфельд и его коллеги собирали клетки дрожжей, промывали их, а затем подвергали лиофилизации — заморозке и последующей вакуумной сушке, чтобы высушить дрожжи без нагревания. Подготовленные дрожжи перетирали в порошок и добавляли к раствору нитрата свинца в ультрачистой воде. За изменением содержания свинца в растворе следили с помощью метода масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой, а препарат дрожжей и все, что на него сорбировалось, изучали методами просвечивающей электронной микроскопии, рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии и инфракрасной спектроскопии.
Гершенфельд и его коллеги убедились, что скорость сорбции свинца зависит от кислотности раствора. Сначала при повышении pH (то есть изменения среды от кислой к слабокислой и нейтральной) скорость сорбции увеличивалась, но в районе pH 5,8 резко замедлялась. Дело в том, что в кислых растворах свинец существует в виде ионов Pb2+, а в слабокислых и нейтральных появляются частицы PbOH+, которые взаимодействуют с клетками дрожжей медленнее. Сравнив разные условия, ученые решили проводить биосорбцию в слабокислом растворе (рН 5).
После оптимизации всех параметров каждый грамм сухих дрожжей сорбировал до двенадцати миллиграмм свинца. Биосорбция работала в широком диапазоне концентраций от 20 до 1000 миллиардных долей, а равновесие достигалось в среднем за пять минут — даже быстрее, чем в случае более высоких концентраций свинца.
Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия показала, что свинец преимущественно связывается с карбоксильными и амидными группами. При этом главную роль в биосорбции играют бета-глюканы и маннанопротеины, входящие в состав клеточной стенки дрожжей. А вот еще один компонент внутреннего слоя клеточной стенки — хитин, который считался одним из самых эффективных сорбентов — в поглощении почти не участвовал. Чтобы дополнительно подтвердить это предположение, Гершенфельд и его коллеги провели эксперимент с чистым хитином и сумели сорбировать только 0,3 процента растворенного свинца.
В 2021 году американские материаловеды сумели селективно извлечь из воды ртуть, медь, железо и борную кислоту с помощью мембранного электродиализа. Мембрана массой в один килограмм может очистить 34500 литров воды с начальным содержанием ртути пять миллионных долей.
Автор: Наталия Самойлова