Une nouvelle analyse menée par des chercheurs du Center for Bits and Atoms (CBA) du MIT a révélé que la levure inactive pourrait être efficace en tant que matériau peu coûteux, abondant et simple pour éliminer la contamination par le plomb des approvisionnements en eau potable. L'étude montre que cette approche peut être efficace et économique, même jusqu'à des niveaux de contamination d'une partie par milliard. On sait que de graves dommages à la santé humaine se produisent même à ces faibles niveaux.

La méthode est si efficace que l'équipe a calculé que les déchets de levure rejetés par une seule brasserie de Boston suffiraient à traiter l'ensemble de l'approvisionnement en eau de la ville. Un tel système entièrement durable purifierait non seulement l'eau, mais détournerait également ce qui serait autrement un flux de déchets à éliminer.

Les résultats sont détaillés aujourd'hui dans la revue Nature Communications Earth &Environment , dans un article de Patritsia Statathou, chercheuse scientifique au MIT ; Christos Athanasiou, postdoctorant à l'Université Brown et chercheur invité du MIT ; le professeur du MIT Neil Gershenfeld, directeur de l'ABC; et neuf autres au MIT, Brown, Wellesley College, Nanyang Technological University et National Technical University of Athens.

Le plomb et les autres métaux lourds dans l'eau sont un problème mondial important qui continue de croître en raison des déchets électroniques et des rejets des opérations minières. Aux États-Unis seulement, plus de 12 000 milles de cours d'eau sont touchés par l'eau de drainage minier acide riche en métaux lourds, la principale source de pollution de l'eau du pays. Et contrairement aux polluants organiques, dont la plupart peuvent éventuellement être décomposés, les métaux lourds ne se biodégradent pas, mais persistent indéfiniment et se bioaccumulent. Ils sont soit impossibles soit très coûteux à éliminer complètement par des méthodes conventionnelles telles que la précipitation chimique ou la filtration sur membrane.

Le plomb est hautement toxique, même à des concentrations infimes, affectant particulièrement les enfants à mesure qu'ils grandissent. L'Union européenne a réduit sa norme de plomb autorisé dans l'eau potable de 10 parties par milliard à 5 parties par milliard. Aux États-Unis, l'Environmental Protection Agency a déclaré qu'aucun niveau dans l'approvisionnement en eau n'est sûr. Et les niveaux moyens dans les masses d'eau de surface à l'échelle mondiale sont 10 fois plus élevés qu'il y a 50 ans, allant de 10 parties par milliard en Europe à des centaines de parties par milliard en Amérique du Sud.

"Nous n'avons pas seulement besoin de minimiser l'existence du plomb, nous devons l'éliminer dans l'eau potable", déclare Stathatou. "Et le fait est que les processus de traitement conventionnels ne le font pas efficacement lorsque les concentrations initiales qu'ils doivent éliminer sont faibles, à l'échelle des parties par milliard et en dessous. Soit ils ne parviennent pas à éliminer complètement ces traces, soit dans l'ordre pour ce faire, ils consomment beaucoup d'énergie et produisent des sous-produits toxiques."

La solution étudiée par l'équipe du MIT n'est pas nouvelle :un processus appelé biosorption, dans lequel un matériau biologique inactif est utilisé pour éliminer les métaux lourds de l'eau, est connu depuis quelques décennies. Mais le processus n'a été étudié et caractérisé qu'à des concentrations beaucoup plus élevées, à plus d'une partie par million. "Notre étude démontre que le processus peut en effet fonctionner efficacement à des concentrations beaucoup plus faibles d'approvisionnements en eau typiques du monde réel, et étudie en détail les mécanismes impliqués dans le processus", déclare Athanasiou.

L'équipe a étudié l'utilisation d'un type de levure largement utilisé dans le brassage et dans les processus industriels, appelé S. cerevisiae, sur de l'eau pure additionnée de traces de plomb. Ils ont démontré qu'un seul gramme de cellules de levure séchées inactives peut éliminer jusqu'à 12 milligrammes de plomb dans des solutions aqueuses avec des concentrations initiales de plomb inférieures à 1 partie par million. Ils ont également montré que le processus est très rapide, prenant moins de cinq minutes.

Parce que les cellules de levure utilisées dans le processus sont inactives et desséchées, elles ne nécessitent aucun soin particulier, contrairement à d'autres processus qui reposent sur la biomasse vivante pour remplir de telles fonctions qui nécessitent des nutriments et de la lumière du soleil pour maintenir les matériaux actifs. De plus, la levure est déjà abondamment disponible, en tant que déchet du brassage de la bière et de divers autres processus industriels basés sur la fermentation.

Stathatou a estimé que pour nettoyer l'approvisionnement en eau d'une ville de la taille de Boston, qui utilise environ 200 millions de gallons par jour, il faudrait environ 20 tonnes de levure par jour, soit environ 7 000 tonnes par an. En comparaison, une seule brasserie, la Boston Beer Company, génère 20 000 tonnes par an de levure excédentaire qui n'est plus utile pour la fermentation.

Les chercheurs ont également effectué une série de tests pour déterminer que les cellules de levure sont responsables de la biosorption. Athanasiou dit que "l'exploration des mécanismes de biosorption à des concentrations aussi difficiles est un problème difficile. Nous avons été les premiers à utiliser une perspective mécanique pour démêler les mécanismes de biosorption, et nous avons découvert que les propriétés mécaniques des cellules de levure changent de manière significative après l'absorption du plomb. Cela fournit fondamentalement de nouvelles perspectives pour le processus."

Concevoir un système pratique pour traiter l'eau et récupérer la levure, qui pourrait ensuite être séparée du plomb pour être réutilisé, est la prochaine étape des recherches de l'équipe, expliquent-ils.

"Pour intensifier le processus et le mettre en place, vous devez intégrer ces cellules dans une sorte de filtre, et c'est le travail qui est actuellement en cours", explique Stathatou. Ils étudient également les moyens de récupérer à la fois les cellules et le plomb. "Nous devons mener d'autres expériences, mais il est possible de récupérer les deux", dit-elle.

Le même matériau peut potentiellement être utilisé pour éliminer d'autres métaux lourds, tels que le cadmium et le cuivre, mais cela nécessitera des recherches supplémentaires pour quantifier les taux effectifs de ces processus, selon les chercheurs.

"Cette recherche a révélé une solution très prometteuse, peu coûteuse et respectueuse de l'environnement pour l'élimination du plomb", déclare Sivan Zamir, vice-président de Xylem Innovation Labs, une société de recherche sur les technologies de l'eau, qui n'était pas associée à cette recherche. "Il a également approfondi notre compréhension du processus de biosorption, ouvrant la voie au développement de matériaux adaptés à l'élimination d'autres métaux lourds."