Chemici van de Universiteit van Buffalo hebben aangetoond dat zelfassemblerende moleculaire vallen kunnen worden gebruikt om PFAS op te vangen - gevaarlijke verontreinigende stoffen die de drinkwatervoorziening over de hele wereld hebben verontreinigd.

De vallen zijn gemaakt van op ijzer gebaseerde en organische bouwstenen die verbinden, zoals Lego, om een ​​tetraëdrische kooi te vormen. Experimenten toonden aan dat deze structuren binden aan bepaalde PFAS (afkorting van per- en polyfluoralkylstoffen), en een laboratoriumanalyse onthulde hoe dit gebeurt. Zoals het blijkt, de PFAS kleven sterk aan de buitenkant van de kooien in plaats van erin te blijven hangen, zeggen onderzoekers.

Deze inzichten werden gedetailleerd beschreven in een onderzoek dat deze maand werd vrijgegeven en zou wetenschappers kunnen helpen de vallen op gunstige manieren te verfijnen, bijvoorbeeld:door de openingen van de kooien te vergroten om mogelijk andere soorten PFAS te vangen. Het uiteindelijke doel is om dergelijke kooien - ook wel metallacages genoemd - te gebruiken in systemen die PFAS isoleren van water, wat kan leiden tot een betere waterbehandeling, of verbeterde technieken voor het detecteren van de verontreinigende stoffen in water.

"PFAS zijn zeer stabiele en giftige chemicaliën die nadelige gevolgen kunnen hebben voor de menselijke gezondheid, " zegt Diana Aga, doctoraat, Henry M. Woodburn Professor in de chemie aan het UB College of Arts and Sciences. "Er is steeds meer bewijs dat er verbanden zijn tussen blootstelling aan PFAS en nadelige gezondheidsresultaten bij mens en dier, met mogelijke effecten, waaronder een verlaagd geboortegewicht, verminderde vruchtbaarheid, en verhoogd risico op diabetes en bepaalde vormen van kanker, om er een paar te noemen. De bevindingen in ons nieuwe artikel zijn opwindend omdat ze het bewijs leveren dat de moleculaire vallen effectieve sorptiemiddelen zijn voor sommige PFAS."

"We zijn erg enthousiast over een paar manieren waarop dit werk kan evolueren, van het mogelijk maken van de detectie van PFAS die huidige analyses mogelijk missen, om de kooien zodanig te veranderen dat naast het binden van de PFAS, ze vernietigen ze ook, " zegt Timothy Cook, doctoraat, assistent-professor scheikunde aan de UB College of Arts and Sciences.

Cook en Aga leidden de studie, samen met Cressa Ria P. Fulong, doctoraat, een recent afgestudeerd Cook lab, en Mary Grace E. Guardian, een doctoraat kandidaat in Aga's lab. Alle teamleden hebben belangrijke bijdragen geleverd, met Fulong en Guardian als speerpunt van experimenteel en analytisch werk dat plaatsvond in het laboratorium.

Het onderzoek stond op de omslag van het nummer van 18 mei van het tijdschrift Anorganische scheikunde . Cook maakte de albumhoes, die hij met de hand met een vulpen op papier tekende, daarna gedigitaliseerd en gekleurd. De illustratie toont moleculaire bouwstenen die zichzelf assembleren om tetraëdrische structuren te vormen die samenkomen op een PFAS-molecuul.

De vallen vangen een subset van PFAS

PFAS zijn geen enkele verbinding; ze zijn een groep door de mens gemaakte chemicaliën die worden gebruikt in voedselverpakkingen, antiaanbaklaag, blusschuim en andere goederen. Omdat de verbindingen niet gemakkelijk afbreken, ze blijven lang in het milieu aanwezig.

Talrijke studies hebben wereldwijd PFAS gedetecteerd in drinkwatervoorzieningen, waaronder een paper die Aga en collega's op 19 mei publiceerden in het tijdschrift Chemosphere. Dat project zocht naar de verontreinigende stoffen in de Filippijnen en Thailand en vond ze in oppervlaktewateren, flessenwater en water uit bijvulstations. Andere studies hebben aangetoond dat PFAS zich ophopen in het bloed van mensen.

Met deze zorgen in het achterhoofd, Koken, Aga, Fulong en Guardian gingen op zoek naar de vraag of moleculaire kooien PFAS kunnen helpen vangen.

De wetenschappers screenden ongeveer een dozijn verschillende soorten zelfassemblerende kooien die metalen bevatten. Fulong synthetiseerde de kooien in Cook's lab, en Guardian gebruikten geavanceerde analytische technieken in het laboratorium van Aga om te onderzoeken of elke structuur bindt aan PFAS.

Dit proces leidde het team naar de op ijzer gebaseerde kooien, die een subset van PFAS gevangen met ketens van zes of meer gefluoreerde koolstofatomen, inclusief perfluorcarbonzuren, sulfonzuren en fluortelomeren.

Volgende? De kooien aanpassen om meer PFAS te vangen - en ze misschien te vernietigen

De studie geeft wetenschappers nieuwe kennis die hen zou kunnen helpen om experimentele verbeteringen aan de kooien aan te brengen. Door de bouwstenen van de kooien aan te passen, onderzoekers zouden mogelijk structuren kunnen creëren die sterker binden met PFAS, extra variëteiten van de verontreinigende stoffen opzuigen, of zelfs de chemicaliën vernietigen, zegt kok.

"Ik heb in de populaire media berichten gelezen dat mensen deze PFAS proberen te verbranden, en het zou het probleem nog erger kunnen maken, Cook zegt. "Het stuurt ze in feite gewoon de lucht in en verspreidt ze nog meer. Ik vraag me af of we kooien kunnen ontwikkelen met elektro- of fotochemische eigenschappen waarmee ze de bindingen in PFAS kunnen verbreken."

"Ik heb goede hoop dat de moleculaire vallen kunnen worden ontworpen om mogelijk de meest sterk in water oplosbare PFAS te vangen die doorgaans ontsnappen aan conventionele waterbehandelingstechnologieën, " zegt Aga. "Er zijn al veel sorptiemiddelen in gebruik, zoals actieve kool, die interageren met PFAS. Echter, actieve kool heeft geen bouwstenen of poriën die gemakkelijk kunnen worden afgesteld - en dit is het mooie van de metallacages."