Da immer mehr Gemeinden mit PFAS-Kontaminationen in ihrem Grundwasser konfrontiert sind, besteht eine wesentliche Hürde bei der Bekämpfung dieser schädlichen Gruppe von Chemikalien darin, herauszufinden, wie sie sich durch eine Region der Umwelt bewegen, die als ungesättigte Zone bezeichnet wird – ein Durcheinander aus Erde, Gestein und Wasser, das zwischen der Erdoberfläche und dem darunter liegenden Grundwasserspiegel eingeklemmt ist.
Eine neue Studie von Forschern der University of Wisconsin-Madison bietet eine vereinfachte neue Möglichkeit, die PFAS-Bewegung durch diese Zone zu verstehen.
PFAS ist eine Abkürzung für Perfluoralkyl- und Polyfluoralkyl-Substanzen. Die synthetischen Chemikalien werden seit Jahrzehnten in Produkten verwendet, die von Antihaft-Kochgeschirr bis hin zu Feuerlöschschäumen reichen. Einige PFAS-Chemikalien sind mit Gesundheitsrisiken verbunden und können unbegrenzt in der Umwelt verbleiben. Die Modellierung ihres Flusses durch die ungesättigte Zone – auch als Vadose-Zone bekannt – ist wichtig, da die Chemikalien dort jahrelang oder jahrzehntelang verweilen können, während sie langsam in die Grundwasserleiter sickern, die viele Gemeinden zur Trinkwasserversorgung nutzen.
Leider machen die Komplexität der ungesättigten Zone und die molekulare Struktur der PFAS-Chemikalien selbst diese entscheidende Arbeit für die mit dieser Aufgabe Beauftragten zu einer beträchtlichen Herausforderung.
„Die ungesättigte Zone ist wirklich komplex, weil es Luft, Körner und Wasser gibt, die sich alle ständig dynamisch bewegen“, sagt Will Gnesda, Doktorand am UW-Madison Department of Geoscience und Hauptautor der Studie.
„Es war schon immer ein großes Problem für alle Arten von Verunreinigungen, zu verstehen, wie die ungesättigte Zone funktioniert“, sagt Gnesda. „Aber PFAS fügen eine weitere Ebene der Komplexität hinzu.“
Das liegt zum großen Teil daran, dass PFAS-Moleküle von der Grenze zwischen Luft und Wasser angezogen werden.
„Die ungesättigte Zone ist voll von diesen Grenzen“, sagt Gnesda.
Aus diesen Gründen erforderte die Modellierung der Bewegung von PFAS durch die ungesättigte Zone traditionell viel Rätselraten und immense Rechenleistung. Gnesda, der im Labor des Geowissenschaftlers Christopher Zahasky arbeitet, ist bestrebt, diese Modellierungsarbeit zu verbessern – und zu vereinfachen.
Durch eine Reihe von Laborbeobachtungen und Berechnungen haben Gnesda und seine Kollegen einen vereinfachten Rahmen erstellt, der verspricht, die Rechenleistung und die Zeit zu reduzieren, die für die Modellierung der PFAS-Bewegung durch den Boden erforderlich sind. Das Framework kann auf bestimmte Standorte angewendet werden – ein wichtiger Faktor, um es für Versorgungsunternehmen und Umweltberater nützlich zu machen, die versuchen vorherzusagen, wie sich eine PFAS-Kontamination auf lokale Reservoirs in geologisch einzigartigen Umgebungen auswirken kann.
Die Arbeit wurde kürzlich in der Zeitschrift veröffentlicht Umweltwissenschaft und -technologie.
Die Forscher wendeten ihren Modellierungsrahmen auf einen realen Standort in der Nähe von Rhinelander an, einer Stadt mit etwa 8.000 Einwohnern in den Northwoods von Wisconsin, wo 2019 festgestellt wurde, dass zwei städtische Brunnen mit PFAS kontaminiert waren. Die Geologie des Standorts wurde umfassend untersucht, was dem Team nützliche Informationen lieferte Daten zum Testen des Modellierungsrahmens.
Sie fanden heraus, dass mehrere Faktoren einen großen Einfluss darauf haben, wo und wie lange schädliche PFAS-Chemikalien im Boden eingeschlossen bleiben, bevor sie unter den Grundwasserspiegel fließen. Zu diesen Faktoren gehören die Menge und Lage des organischen Kohlenstoffs im Gestein eines Standorts, die Menge an Kiessand und die Porosität von Böden und Gesteinen.
Während die Forschung auf einen zugänglicheren Ansatz zur Modellierung des PFAS-Flusses im Boden hindeutet, müssen weitere Analysen durchgeführt werden, um den Rahmen zu verfeinern und zu validieren. Das ist der Fokus eines neuen Kooperationsprojekts unter der Leitung von Zahask. Die Arbeit an diesem Projekt ist im Gange, während Gnesda und seine Kollegen versuchen, PFAS-Moleküle zu verfolgen, während sie durch eine simulierte ungesättigte Zone und einen Grundwasserleiter in einem Labor auf dem UW-Madison-Campus fließen.
„Wir werden sehen, wie gut sich unsere Theorie mit dem Labor verbindet“, sagt Gnesda, die davon ausgeht, dass die Experimente den Modellierungsrahmen weiter verfeinern werden, damit sie letztendlich auf realere Szenarien angewendet werden können.
Mehr Informationen:
William R. Gnesda et al., Adsorption von PFAAs in der Vadose-Zone und Auswirkungen auf die langfristige Grundwasserkontamination, Umweltwissenschaft und -technologie (2022). DOI: 10.1021/acs.est.2c03962