Chemiker der Michigan State University entdecken neue Informationen, die dabei helfen sollen, „unvergängliche Chemikalien“ zu beseitigen, indem sie zum ersten Mal zeigen, wie sie auf molekularer Ebene mit dem Boden interagieren.
Die Forscher, Narasimhan Loganathan und Angela K. Wilson vom College of Natural Science, veröffentlichten ihre Ergebnisse online in der Zeitschrift Umweltwissenschaft und -technologie.
„Forever-Chemikalien“ – besser bekannt als PFAS oder Perfluoralkyl- und Polyfluoralkyl-Substanzen – haben sich das Label verdient, weil sie sich nicht auf natürliche Weise abbauen. Wenn PFAS Boden und Wasser verschmutzen, können sie über Pflanzen, Nutztiere und Trinkwasser in das Nahrungssystem gelangen.
Ein Bericht des Centers for Disease Control and Prevention aus dem Jahr 2015 schätzt, dass PFAS im Blut von 97 % der Amerikaner vorhanden ist. Andere, neuere Studien haben diese Zahl näher an 99 % angesetzt.
Was PFAS so allgegenwärtig macht, ist eine Kombination aus Beständigkeit und Nützlichkeit. Mehr als 9.000 Chemikalien gelten als PFAS und finden sich in einer Vielzahl von Anwendungen, darunter Lebensmittelverpackungen, Antihaft-Kochgeschirr, Brandbekämpfungsschäume und viele mehr. Während die Zeit und die Natur bestimmte Bestandteile dieser Produkte – und der bei ihrer Herstellung entstehenden Abfälle – abbauen können, verbleiben die PFAS und reichern sich in der Umwelt an.
Die Entfernung von PFAS aus Boden und Wasser ist daher wichtig, um die Exposition gegenüber diesen Chemikalien und die Schäden, die sie verursachen können, einschließlich Schilddrüsenerkrankungen und ein erhöhtes Risiko für einige Krebsarten, zu verringern.
„Wenn Sie anfangen, Minderungsstrategien zu betrachten, sehen Sie viel über die Entfernung von PFAS aus dem Wasser, aber es gibt sehr wenig über PFAS im Boden“, sagte Loganathan, ein leitender wissenschaftlicher Mitarbeiter am Department of Chemistry der MSU.
„Und einige der Studien sind ‚molekülblind'“, sagte Wilson, John A. Hannah Distinguished Professor of Chemistry und Wissenschaftler am MSU Center for PFAS Research. „Das heißt, sie achten nicht auf die Chemie.“
Wilson und Loganathan beschlossen, dazu beizutragen, dies zu ändern, indem sie die ersten Simulationen auf molekularer Ebene der Wechselwirkungen zwischen PFAS und einer Bodenkomponente, Kaolinit, durchführten.
Für die Studie konzentrierte sich das Duo auf einige der am weitesten verbreiteten und problematischsten PFAS-Chemikalien. Sie entschieden sich für Kaolinit auf der Bodenseite, weil es ein häufiges Bodenmineral ist, insbesondere in Michigan.
PFAS sind überall ein Problem, aber sie stellen eine einzigartige Herausforderung in Michigan dar. Michigan hat eine Fülle von PFAS, mit mehr als 200 bekannten PFAS-kontaminierten Standorten. Darüber hinaus sind die Landwirtschaft und die Großen Seen grundlegend für die Identität des Staates. Der Schutz von Land und Wasser in Michigan ist ein gemeinsames Ziel vieler Gemeinden, Gesetzgeber und Unternehmen des Staates.
„Schon vor dieser Arbeit gingen wir zu großen Meetings und sprachen mit Leuten aus verschiedenen Kommunen, landwirtschaftlichen Betrieben, Kläranlagen und mehr über PFAS“, sagte Wilson. „Viele suchen nach Lösungen.“
Die Studie wurde von einem Ingenieurbüro aus Michigan inspiriert, das Wilson fragte, wie sich PFAS im Boden ausbreiten könnte und wie die Chemikalien am besten beseitigt werden könnten. Sie hatte keine Antworten, aber sie wusste, dass Loganathan ihr helfen konnte, einige zu finden.
Sie rekrutierte ihn für dieses Projekt, das von der National Science Foundation unterstützt wird. Das Duo hatte auch Zugang zu Rechenressourcen, die vom National Energy Research Scientific Computing Center und dem Institute for Cyber-Enabled Research (iCER) der MSU bereitgestellt wurden.
Die Ergebnisse der Simulationen gaben in Bezug auf die Sanierung einige Gründe für Optimismus. Einige der von den Forschern untersuchten PFAS mit längeren Kohlenstoffketten, die als Rückgrat dienten, sammelten sich beispielsweise auf dem Kaolinit.
„Idealerweise ist es das, was Sie wollen. Sie möchten, dass alle PFAS nur in einem Klumpen sitzen, damit Sie sie greifen und herausfiltern können“, sagte Wilson. Die Kehrseite ist, dass die kürzerkettigen PFAS weniger wahrscheinlich verklumpten und im Boden beweglicher blieben.
„Die Take-Home-Message ist, dass sich nicht alle PFAS ähnlich verhalten“, sagte Wilson. „Und nicht alle Böden verhalten sich in Bezug auf PFAS gleich.“
„Die Bestandteile im Boden spielen eine große Rolle“, sagte Loganathan. „Die Bodenzusammensetzung um jeden kontaminierten Standort wird entscheidend dafür sein, wie weit PFAS in den Untergrund gelangen, wo sie dann das Grundwasser erreichen können.“
Obwohl die Idee, die unzähligen Kombinationen von PFAS und Bodenbestandteilen zu untersuchen, imposant ist, haben die Forscher gezeigt, dass ihr rechnerischer Ansatz gut geeignet ist, um die Vielfalt der Probleme anzugehen, die der PFAS-Verschmutzung innewohnen.
„Das Schöne an der Computerchemie ist, dass man so viele verschiedene Systeme untersuchen kann“, sagte Wilson, dessen Forschungsteam auch die Wechselwirkungen von PFAS mit Proteinen im Körper untersucht. Ihr Team untersucht auch PFAS in verschiedenen Fischarten mit Unterstützung des Great Lakes Fisheries Trust und des Strategic Environmental Research and Development Program, die staatliche bzw. föderale Organisationen sind, die Umweltprojekte finanzieren. Ziel der Boden- und Biologieprojekte ist es, Wechselwirkungen aufzudecken, die dazu beitragen könnten, mehr Menschen vor einer PFAS-Exposition zu schützen.
„Solche Erkenntnisse auf molekularer Ebene werden für jede Sanierungsstrategie unglaublich wichtig sein“, sagte Loganathan.
Narasimhan Loganathan et al, Adsorption, Struktur und Dynamik von kurz- und langkettigen PFAS-Molekülen in Kaolinit: Einblicke auf molekularer Ebene, Umweltwissenschaft und -technologie (2022). DOI: 10.1021/acs.est.2c01054