Biotechnologie 20.06.2022, 07:00 Uhr

Schwermetalle im Abwasser? Ein Fall für Bierhefe!

Hefe, ein Abfallprodukt aus Brauereien, kann selbst Spuren von Blei aus Gewässern entfernen – ohne Risiken für die Umwelt. US-Forschende entwickeln jetzt eine Technologie zur Wasseraufbereitung.

Bierhefe

Obere Reihe: Kontrollgruppe von Hefezellen. Untere Reihe: Hefezellen, nachdem sie Blei aus kontaminiertem Wasser aufgenommen haben. Links: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen (REM), Mitte: Großaufnahme, rechts: Transmissionselektronenmikroskopische Aufnahmen (TEM) eine einzelne Hefezelle.

Foto: MIT

Schwermetalle in Gewässern sind weltweit eine große Herausforderung. Bereits Spuren von Blei, Cadmium, Quecksilber, Kupfer oder Zinn schädigen aquatische Mikroorganismen. Reichern sich Schwermetalle in der Nahrungskette an, werden auch höhere Organismen in Mitleidenschaft gezogen. Zur Sanierung kontaminierter Gewässer eignen sich zwar chemische Fällungen oder Membranfiltrationen. Doch die Verfahren sind teuer und bei niedrigen Konzentrationen wenig effizient.

Jetzt berichten Ingenieurinnen und Ingenieure vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge von einer biotechnologischen Alternative. Sie fanden heraus, dass sich inaktive, trockene Hefe als kostengünstiges, reichlich vorhandenes und einfaches Material zur Entfernung von Bleiverunreinigungen aus Trinkwasserversorgung eignen könnte. Daten zeigen aber auch, dass ihr Ansatz effizient und wirtschaftlich ist, selbst bei Verunreinigungen im Promillebereich.

Die Methode erweist sich als so effizient, dass laut Simulation Hefeabfälle einer einzigen Brauerei in Boston ausreichen würden, um das gesamte Wasser der US-amerikanischen Stadt zu behandeln. Gleichzeitig würde Hefe als Müllfraktion einer sinnvollen Verwendung zugeführt.

Hochwasser bringt Schadstoffe aus Sedimenten mit

Schwermetalle – ein globales Problem

Zum Hintergrund: In Wasser gelöstes Blei und andere Schwermetalle stellen ein erhebliches globales Problem dar, das aufgrund von Elektronikabfällen und Abwässern aus dem Bergbau weiter zunimmt. Allein in den USA sind knapp 20.000 Kilometer Wasserwege durch saures, schwermetallhaltiges Minenabwasser belastet. Im Gegensatz zu organischen Schadstoffen, von denen die meisten abgebaut werden, sind Schwermetalle auf unbestimmte Zeit vorhanden.

Blei ist selbst in winzigen 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 zehn Teilen pro Milliarde auf fünf Teile pro Milliarde gesenkt. In den USA hat die Umweltschutzbehörde (Environmental Protection Agency) erklärt, dass kein einziger dieser Werte in der Wasserversorgung sicher sei. Und weltweit sind die Durchschnittswerte in Oberflächengewässern zehnmal höher als noch vor 50 Jahren und reichen von zehn Teilen pro Milliarde in Europa bis zu Hunderten von Teilen pro Milliarde in Südamerika.

Niedrige Konzentrationen an Schwermetallen stellen Ingenieurinnen und Ingenieure vor Herausforderungen. „Tatsache ist, dass konventionelle Aufbereitungsverfahren dies nicht leisten können, wenn die Ausgangskonzentrationen, niedrig sind, etwa im Bereich von wenigen Teilen pro Milliarde und darunter“, sagt Patritsia Statathou vom MIT. „Entweder gelingt es nicht, diese Spurenmengen vollständig zu entfernen, oder man verbraucht dafür sehr viel Energie und erzeugt giftige Nebenprodukte.“

Mit der Bioresorption auch geringe Mengen an Schwermetallen binden

Die vom MIT-Team untersuchte Lösung auf der Grundlage von Bierhefe ist nicht neu. Ein Prozess namens Biosorption, bei dem inaktives biologisches Material verwendet wird, um Schwermetalle aus dem Wasser zu entfernen, ist bereits seit einigen Jahrzehnten bekannt. Allerdings wurde das Verfahren bisher nur bei sehr viel höheren Konzentrationen untersucht, 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 am Prozess beteiligten Mechanismen“, sagt Christos Athanasiou vom MIT.

Das Team untersuchte eine Hefeart namens Saccharomyces cerevisiae, die in der Brauerei und in industriellen Prozessen weit verbreitet ist, in reinem Wasser, das mit Spuren von Blei versetzt war. Forschende wiesen nach, dass ein einziges Gramm der inaktiven, getrockneten Hefezellen bis zu zwölf Milligramm Blei in wässrigen Lösungen mit einer anfänglichen Bleikonzentration von weniger als einem Teil pro Million entfernen kann. Sie zeigten auch, dass der Prozess sehr schnell abläuft und weniger als fünf Minuten Zeit in Anspruch nimmt.

Da die Hefezellen, die verwendet werden, inaktiv und getrocknet sind, brauchen sie keine besonderen Lagerungsbedingungen und keine spezielle Handhabung. Anders sieht die Sachlage bei lebender Biomasse aus. Sie benötigt Feuchtigkeit, Nährstoffe, spezielle Fermenter und vieles mehr.

Schwermetalle mit Hefe entfernen: Vom Labor in die Anwendung 

Im nächsten Schritt plant die MIT-Arbeitsgruppe, ein praxistaugliches System für die Aufbereitung von Wasser zu entwickeln. Ihre Idee ist, mit Blei beladene Hefezellen abzutrennen, aufzuarbeiten und erneut dem Prozess zuzuführen. Dazu müssen die Zellen in einen speziellen Filter gebracht werden; dieser wird von kontaminiertem Wasser durchströmt. Aus dem biologischen Material sollen Bleisalze gewonnen werden.

In weiteren Experimenten wollen die Ingenieurinnen und Ingenieure untersuchen, ob sich Hefe vielleicht eignet, um neben Blei auch Cadmium und Kupfer zu binden: zwei weitere häufig vorkommende Schwermetalle mit ähnlicher Reaktivität. Ihr Ziel ist, eine umfassende Technologie für die Wasseraufbereitung zu entwickeln.

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Von Michael van den Heuvel

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